常壓條件下甲醇/柴油的著火特性分析*

李瑞娜 余 超 孫天碩 韋壯邦

（江蘇大學汽車與交通工程學院 江蘇 鎮江 212013）

引言

在我國“缺油，少氣，相對富煤”的能源形勢下，尋找優質的發動機替代燃料已經成為研究熱點。甲醇可以從煤、天然氣、生物等原料中制取，生產甲醇的工藝也比較成熟。經測算，M15（15%甲醇和85%柴油）和M30甲醇柴油用助溶劑復配后，每噸分別可以節約成本10%和20%[1]。甲醇的黏度低于柴油7倍左右，且比柴油更易霧化，混合后可以促進柴油噴霧顆粒的細化；甲醇的汽化潛熱較高，柴油替代率的增加可以降低氣缸中的燃油量，從而使燃油NOx排放量減少[2-3]。另外，甲醇還具有蒸汽壓力小，辛烷值高，含氧量高等優點，可以改善發動機燃料的安全性、抗爆性及燃燒充分性。天津大學姚春德等[4]采用柴油/甲醇組合燃燒（Diesel Methanol Compound Combustion，簡稱DMCC）方式進行燃燒和排放分析，結果表明，DMCC模式具有吸熱汽化，推遲著火時間，提高定容燃燒度及降低排氣溫度等優點，大幅度提高了燃料的燃燒效率，且含水10%的甲醇比純甲醇更能降低甲醛、NOx、HC和CO排放。西安交通大學張均強等[5]研究了燃用不同摻混比的甲醇和柴油混合燃料對直噴柴油機性能的影響，結果表明：加入一定量的甲醇改善了柴油機的燃燒特性，具有較高的燃燒熱效率，煙度和CO排放隨甲醇摻混量的增加而下降。

根據我國國家標準規定，輕柴油和車用柴油的著火性質可以具體用十六烷值和十六烷指數評定。十六烷值表示柴油在發動機中著火性能的一個約定量值，十六烷指數表示柴油抗爆性能的一個計算值。《柴油著火性質測定法（十六烷值法）》中參照采用ASTM D 613-86測定儀器，這是一臺可改變壓縮比的專用單缸柴油機（900 r/min），壓縮比可調范圍為7.95～23.50，機上裝有著火滯后期表及輔助裝置（包括4個電磁傳感器，即燃燒傳感器、噴油傳感器及2個摻比傳感器）。目前，也有一部分實驗采用定容燃燒彈替代柴油機的方法進行測試，應用較為廣泛[6]。柴油替代燃料的著火特性一直以來都是人們研究的熱點。

本文在不同的環境濕度條件下采用燃料可視化燃燒的試驗方法，通過高速攝像機記錄燃料燃燒過程，探究了空氣濕度、甲醇摻混比例、環境溫度及過量空氣系數等對燃料的滯燃期等燃燒參數的影響規律。

1 試驗方案與設備

為了考察柴油機燃料在不同氛圍氣中的著火特性，開展了常壓下柴油機燃料的著火特性試驗。試驗過程中封閉試驗環境中的所有光源，將反應器在電熱爐上加熱，并用熱電偶測量反應器內的溫度，當溫度達到初始溫度時，注入氛圍氣燃料，停留2 s，待氛圍氣燃料汽化，注入適量燃料，同時用高速相機拍攝著火過程。

配制了純柴油燃料和分別為DM10（10%的變性甲醇與90%柴油混合燃料）、DM20、DM30摻混比的甲醇/柴油混合燃料。

試驗為了分析空氣濕度、甲醇摻混比例、環境溫度、過量空氣系數及氛圍氣等對燃料著火特性的影響，測量了分別為0.5、0.68、0.86的空氣濕度，甲醇摻混比10%、20%、30%的甲醇/柴油混合燃料，200℃、220℃、240℃、260℃的溫度，過量空氣系數為0.8、1.0、1.2燃料的滯燃期。

試驗設備主要有：電熱爐、PT100熱電偶（直徑：1 mm，測溫范圍：73K～1373K）、燃料注射器（最小刻度0.01 mL）、高速相機。

2 結果分析

2.1 空氣濕度對燃料著火特性的影響

空氣濕度是表示空氣中水汽含量和濕潤程度的物理量。其一般采用絕對濕度、相對濕度和含濕量表示。為方便分析，本文采用相對濕度表示空氣濕度，其計算公式為：

其中：ρw—絕對濕度，單位是 g/m3；ρw，max—最高濕度，單位是 g/m3；e—水汽壓，單位是 Pa；E—飽和水汽壓，單位是Pa。

圖1為反應器在初始溫度220℃，燃用純柴油時燃料的滯燃期隨反應器內空氣濕度變化的規律曲線。空氣濕度從0.5到0.68和從0.68到0.86，燃料的滯燃期分別上升了51.8%和18.3%。總體上，擬合的曲線表明了燃料滯燃期隨著空氣濕度的增加而增加。在相同的初始溫度下，空氣濕度即空氣中的水蒸氣含量增加會抑制燃料燃燒時溫度的升高，此外隨著空氣中的水蒸氣增加，相對應的同體積反應器中空氣的含氧率將會下降，可燃混合氣的濃度及其與空氣接觸面積降低，導致燃料滯燃期延長。

圖1 空氣濕度對燃料滯燃期的影響

2.2 甲醇摻混比對混合燃料著火特性的影響

圖2 顯示了常壓條件下，不同比例的甲醇與柴油的混合燃料在220℃初始溫度下滯燃期的變化情況。我們可以看出隨著甲醇摻混比的增大，著火時刻延遲，滯燃期增加。不同的燃料，十六烷值和辛烷值有所不同，表現為燃燒特性上的區別。甲醇的十六烷值低于柴油，柴油與甲醇混合后，混合燃料的十六烷值相對降低，從而降低了柴油的著火性能。這里用正庚烷代替柴油分析甲醇對柴油著火能力的影響[7]，當溫度小于1 000 K時，醇類燃料對正庚烷著火能力影響很大，能明顯推遲正庚烷的滯燃期。這其中主要是因為正庚烷發生低溫鏈分支反應產生大量OH，甲醇則能將OH轉化為HO2自由基，進而通過反應式HO2+HO2=O2+H2O2生成穩定的H2O2，造成OH的減少，系統的反應活性降低，抑制了正庚烷的著火能力。

圖2 摻混不同甲醇比例的柴油滯燃期

2.3 環境溫度對混合燃料著火特性的影響

圖3 環境溫度對燃料滯燃期的影響

圖3 為反應器在空氣濕度為45%條件下燃用甲醇摻混比為20%的燃油，通過改變初始溫度獲得燃料滯燃期變化的規律特性。由圖3中可以看出，溫度從200℃增加到260℃時，燃料滯燃期從91.5 ms持續下降到66.3 ms，降低了27.5%。從物理角度看反應器中的溫度升高使甲醇和柴油混合燃料的蒸發速率加快，霧化加快，著火時間提前；從化學角度看反應器中溫度升高使混合燃料分子碰撞頻率提高，使燃燒過程化學發應速率加快，在這兩個方面的共同作用下燃料的滯燃期會在一定程度上縮短。另外，溫度在220℃至240℃的燃料滯燃期變化程度明顯大于240℃至260℃。當環境溫度在一定范圍內時，溫度的變化對燃料滯燃期有較大的影響，如果環境溫度過高，因受限于反應器內壓強、燃料的十六烷值、空氣中含氧濃度等方面的參數[8]，使溫度的變化不再成為制約燃料滯燃期的主導因素。

2.4 過量空氣系數對混合燃料著火特性的影響

從圖4中可以看出，在甲醇摻混比為20%，起始溫度為220℃情況下燃料滯燃期隨過量空氣系數的變化情況。隨著過量空氣系數的增大，滯燃期的變化過程主要分為2個階段，在大于火焰傳播上限情況下，滯燃期先逐漸減小，到達峰谷后便開始增大，直到熄火極限，變化過程呈現為一條開口向上拋物線。這是由于一開始實際供入的空氣量小于理論空氣量，且相差很大，導致實驗裝置內混合燃料過濃，火焰難以生成，隨著過量空氣系數的逐漸增大，混合燃料的濃度有所降低，滯燃期也減小。到達峰谷之后，實際供入的空氣量大于理論空氣量，燃料濃度繼續降低，這時滯燃期開始逐漸增加，直到燃料濃度到達熄火濃度。

圖4 過量空氣系數對燃料滯燃期的影響

3 結論

1）空氣濕度的增加，導致空氣中的水蒸氣增加，氧氣減少，使燃料燃燒的初始溫度和可燃混合氣的濃度相對降低，燃料著火時間延遲，滯燃期增加；隨著環境溫度的提高，燃料的分子熱運動加快，燃料著火滯燃期降低。過量空氣系數在1.0附近時，燃料的滯燃期達到最低。過量空氣系數過低或過高都會增加燃料的滯燃期。

2）甲醇具有抑制柴油和混合燃料滯燃期的作用。由于甲醇的沸點較低，甲醇先于柴油蒸發。甲醇汽化吸熱導致柴油的溫度下降，柴油蒸發時間加長，著火延遲，燃料的滯燃期增加。