摻燒甲醇對船舶柴油機性能的影響

宣 熔，牛夢達，李品芳,2，黃加亮,2，范金宇,2，胡 登，鄧 濤

(1.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引 言

近年來由于能源短缺及排放法規愈發嚴格等問題[1– 2]，人們將目標轉向雙燃料發動機，通過添加清潔能源的方法降低排放物并緩解能源緊缺問題。柴油摻混甲醇可以有效降低碳煙排放，同時由于甲醇高汽化潛熱，亦可降低柴油機的NOX的排放[3]。甲醇作為高含氧的液體燃料，具有來源廣、產能高、低使用成本以及清潔環保等優點，已經成為最具有潛力的石油替代能源之一[4]，但是甲醇十六烷值小、熱值低、對金屬有腐蝕、對塑料有溶脹作用等缺點不可忽略[5]。武文捷等[6]研究了甲醇噴入時刻對缸內雙噴柴油機燃燒與排放影響，試驗結果表明，當甲醇噴入時刻為70°BTDC 時，缸內預混合氣的濃度梯度較合理，燃燒等容度更好，CO 和soot 的排放量降低，NOX排放量增加；王斌等[7]通過研究柴油噴射壓力對柴油/甲醇二元燃料發動機燃燒和排放影響，得出在低柴油噴射壓力下，DMDF 模式可以明顯降低煙度且最大降幅可達35%；姚春德等[8]對高比例的甲醇預混燃燒在柴油機中的燃燒和排放特性進行了研究，并指出進氣口噴射甲醇并在氣缸內通過柴油引燃，甲醇的最大摻混比例可以達到70%，在中高負荷時最大缸壓升高，在低速低負荷時最大壓力升高率變化不明顯。高比例摻混延長了著火延遲期，降低了缸內氣體的溫度，縮短了燃燒持續時間。李鵬等[9]研究了壓縮比對雙燃料發動機燃燒和排放特性的影響，通過將壓縮比從16.9 降到15.4，爆發壓力和最大壓力升高率分別下降44.5%，37.7%，使得HC 和CO的排放增加，NOX和碳煙的排放降低。本文以濟南柴油機廠生產的4190ZLC-2 型船用四缸中速柴油機為原型，利用AVL_FIRE 軟件構建柴油－甲醇雙燃料發動機燃燒室模型，在保留原機的電控高壓燃油噴射系統不變的基礎上，將提前預混混合燃料噴入氣缸燃燒室，對柴油機燃燒特性及排放特性進行研究分析。其中，甲醇的摻混比例分別為0%，10%，20%，30%，40%。

1 仿真模型的建立與驗證

1.1 研究對象及模型建立

本文以濟南柴油機廠出產的廢氣渦輪增壓中冷四沖程4190ZLC-2 型船用中速柴油機為研究對象，將柴油機現有結構參數以及運行參數，導入至CFD 軟件AVL_ FIRE 中并建立仿真模型。柴油機基本參數如表1所示。

表1 基本參數表Tab.1 Basic parameters

根據4190ZLC-2 型中速柴油機燃燒室參數，利用CAD 軟件繪制出燃燒室縱剖1/2 截面圖（見圖1）。

圖1 燃燒室中心截面1/2 示意圖Fig.1 One-half of the center section of the combustion chamber

將燃燒室截面圖導入FIRE 軟件中的ESE-DIESL 模塊中進行二維網格劃分。由于燃燒室為圓形結構，每個噴油嘴有8 個噴孔且噴孔處于氣缸中心并對稱分布。為了簡化計算，故可將燃燒室等分8 份（見圖2），并取其1/8 進行模擬仿真計算。模型的計算范圍為柴油機進氣門關閉時刻（594°）至排氣門開啟時刻（841°）。

圖2 柴油機燃燒室1/8 計算模型Fig.2 One-eighth calculation model of diesel engine combustion chamber

1.1.1 計算模型的選擇

本文選取k ?ε雙方程模型作為湍流流動模型，適用于混合燃料的KH-RT 模型作為液滴破碎模型，Multi-component 模型作為液滴蒸發模型選擇，Fire 軟件自帶的O-Rourke 模型作為液滴相互碰撞模型，氣相脈沖速度來解釋的Enable 模型作為擴散模型，Walljet1模型作為液滴碰壁模型，Zwldovich 模型作為NOX質量分數排放物生成模型。

1.2 模型的驗證

為確定仿真模型建立的準確性，在其他條件不變，甲醇摻混比為0%，全負荷工況前提下，將柴油機仿真模型所測缸壓曲線與實機試驗所得出的缸內壓力曲線進行對比（見圖3）。由圖可知，2 條曲線基本吻合，仿真值略高于實驗值，但誤差小于5%，屬合理范圍內，即可說明本文所建立的模擬仿真模型精度較高，具有一定的可靠性[10]。

2 甲醇不同摻混比對雙燃料柴油機燃燒特性影響分析

2.1 缸內壓力

圖3 缸壓曲線仿真值與試驗值對比Fig.3 Comparison of simulated values of cylinder pressure curve and experimental values

圖4 不同摻混比的缸內壓力曲線Fig.4 In-cylinder pressure curve with different mixing ratios

圖4 為不在同甲醇摻混比下的雙燃料柴油機缸內壓力曲線圖。由圖可知，隨著甲醇摻混比的增加，缸內壓力逐漸降低，著火點滯后，滯燃期延長，最大爆發壓力對應相位略有提前，壓力升高率增大。最大爆發壓力從純柴油額定工況下的10.5 MPa 降低到在40%摻混比下的9.3 MPa，降低了約11.4%，從上止點后727.7°CA 移動至上止點后727.3°CA。出現這種現象是因為熱值大小是反應缸內燃燒情況重要參數之一，但甲醇的熱值僅為19.6 MJ/kg，還未達到柴油熱值的一半，而隨著摻混比例增加，甲醇含量提高，燃用混合燃料所釋放出的熱值、能量均較純柴油模式低，因此導致缸內壓力降低。在摻混比為40%條件下，可明顯觀察到缸內燃燒始點推遲且缸內壓力下降幅度最大。

2.2 缸內溫度

圖5 為在不同甲醇摻混比下的缸內溫度變化曲線圖。由圖可知，隨著甲醇摻混比的不斷提高，缸內溫度逐漸下降，缸內最高溫度對應的曲軸轉角有所提前。溫度峰值從額定工況純柴油模式的1704 K 下降到在40%摻混比下的1532 K，降幅約為10.1%，對應的曲軸轉角也從上止點后738.9°提前到上止點后735.9°。造成這種現象主要有以下幾個原因：一方面，甲醇汽化潛熱高，當柴油摻混甲醇后，不僅會降低缸內壓燃溫度，還會降低燃燒溫度；另一方面，甲醇熱值低，還未達到柴油熱值的一半，摻混甲醇后，混合燃燒所放出的熱量少，降低了缸內溫度。此外，還可以觀察到隨著甲醇摻混比的增加，缸內燃燒始點及達到溫度峰值對應的曲軸轉角差值逐漸降低，這是因為甲醇燃燒后，其火焰傳播速率大于純柴油模式下的傳播速率，縮短了速燃期，并且使得放熱更加集中。

圖5 不同摻混比的缸內溫度曲線Fig.5 In-cylinder temperature curve with different mixing ratios

2.3 放熱率

圖6 為在不同甲醇摻混比下的混合燃料放熱率曲線圖。觀察圖中數據可得出，隨著甲醇摻混比的增加，放熱率峰值逐漸增加，峰值所對應的相位有較明顯的延遲，純柴油模式的下放熱率曲線為雙峰，而摻混甲醇后，放熱率曲線趨向單峰。原因主要有以下幾個方面：一方面隨著甲醇的摻混，燃燒滯燃期延長，使得放熱率峰值高于純柴油且推遲了峰值出現的相位，縮短了速燃期的反應放熱時間[11]；同時甲醇為高含氧燃料，燃料燃燒更加完全，放熱量更大。另一方面甲醇的火焰傳播速度較快，缸內著火后，縮短速燃期。此外，結合圖4 和圖6 還可以發現，最大放熱率明顯增加的同時，最大壓力升高率也有略微增加，這是由加入甲醇后的燃燒始點推遲和滯燃期延長所致。

圖6 不同摻混比的放熱率曲線Fig.6 Heat release rate curve with different mixing rations

3 甲醇不同摻混比對雙燃料柴油機排放特性影響分析

3.1 NO 排放

柴油機排放的氮氧化物（NOX）包括NO，NO2，N2O5等[12]。由于NO 在NOX占90%左右，故本文主要研究NO 的排放。按照NO 生成形式可分為：熱力型NO、燃料型NO、激發型NO。由于后兩者所占比例甚少，忽略不計。僅考慮生成條件為高溫、富氧、反應時間的熱力型NO。

圖7 不同摻混比NO 質量分數曲線Fig.7 Different mixing ratios of NO mass fraction curve

圖7 為雙燃料柴油機在額定工況下摻燒不同比例甲醇NO 排放質量分數曲線圖。由圖可知，隨著摻混比的增大，NO 排放質量分數降低。原因如下：一方面，甲醇具有高汽化潛熱值，隨著甲醇的加入，在燃燒時甲醇汽化，會降低缸內溫度及燃燒溫度，同時縮短了高溫持續時間；另一方面，由于甲醇中不含氮元素，參與燃燒的氮元素減少。綜上所述，NOX排放質量分數隨著摻混比的增加而降低。此外，由仿真數據可得，最終NO 的質量分數在摻混20% 甲醇生成5.79 ppm 較純柴油發動機6.155 ppm 降低了約5.85%，隨著摻混比增加至40% 時，NO 的最終質量分數達5.58 ppm 較純柴油發動機降低9.3%

3.2 CO 的排放

圖8 為不同摻混比下的CO 排放質量分數曲線。從圖中可以看出，隨著甲醇的摻混比增加，CO 的質量分數顯著升高。與純柴油模式相比，摻混比為20%時，增加了49.2%，而摻混比為40%時的CO 的質量分數增幅最大。CO 的生成條件為低溫、缺氧以及氧化時間。造成這種現象有以下幾個原因：一方面，甲醇具有高汽化潛熱以及較低的熱值，甲醇的加入降低了燃燒溫度，為CO 創造了低溫的環境，促進了CO 的生成；另一方面，由于摻混甲醇，缸內燃燒不僅存在著柴油的擴散燃燒，還有甲醇的預混燃燒；隨著甲醇摻混比的增加，柴油當量比降低，引燃柴油的著火范圍以及著火能量降低[13]，導致燃燒不完全，CO 排放增加。此外，CO 氧化為CO2需要活潑的OH—，而甲醇的加入會將活潑的OH—轉化為不活潑的H2O2，從而導致CO 氧化速度變慢，CO 量增加。

圖8 不同摻混比CO 生成質量分數曲線Fig.8 Different mixing ratios of CO mass fraction curve

3.3 碳煙的排放

碳煙的排放是檢驗柴油機排放的標準之一。由于本文選取的氣相計算模型所得出的結果并沒有直接顯示碳煙（soot）生成的質量分數，因此利用碳煙生成的前驅物A4用來表示。故通過對不同甲醇摻混比例所生成的碳煙前驅物A4進行研究分析。

圖9 為不同摻混比下A4生成質量分數曲線。從圖中可看出，隨著甲醇摻混比增加，A4生成質量分數顯著降低。在額定工況下，摻混20%甲醇所生成A4相比純柴油模式降低了71.2%，且A4的最大降幅發生在摻混比為為40%時，降幅約為85.9%。造成這種現象的原因主要有以下幾個方面：一是在混合燃料中，甲醇的“微爆效應”使得混合燃料霧化效果進一步提高，與空氣充分混合后，在燃燒更加徹底時又由于甲醇為高含氧燃料，在柴油擴散燃燒階段會減少缺氧區，從而抑制A4的生成同時，甲醇的十六烷值低，滯燃期延長，同樣會使得空氣與混合燃料充分混合，反應更徹底；二是由于甲醇汽化潛熱高、熱值低放出熱量少的雙重作用，導致缸內溫度降低。此外，甲醇不含有碳—碳鏈，從根本上消除了碳煙產生的可能，從而降低A4生成量。

圖9 不同摻混比A4 生成質量分數曲線Fig.9 Different mixing ratios of A4 mass fraction curve

4 結 論

1）隨著甲醇摻混的增加，甲醇-柴油雙燃料柴油機缸內壓力以及溫度變化趨勢相同，均有不同程度的下降，最大爆發壓力和最高溫度對應的曲軸轉角均有所提前。

2）當柴油摻混甲醇后，其燃燒出現明顯不同的放熱規律。燃燒放熱率與甲醇摻混比呈現正相關，瞬時放熱率變大且對應曲軸轉角略有后移，滯燃期延長，且放熱率曲線由純柴油雙峰曲線向摻混后單峰曲線轉變。

3）與純柴油相比，甲醇-柴油雙燃料發動機，隨著甲醇摻混增加，CO 排放顯著升高，且在摻混比為40%時，增幅最大。

4）額定工況下，NOX、碳煙隨摻混比增加而大顯著降低。在摻混40%甲醇后，NOX的最低排放約降低9.3%，碳煙的最大降幅約為85.9%。

在不改變柴油機結構參數的情況下，燃用摻混比為20% 混合燃料時，NO 排放較原機降低5.85%，CO 含量增加49.2%，碳煙排放量降低71.2%。