氧含量對甲醇發動機冷啟動醇醛排放的影響

張 超，向亦華

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.昆明云內動力股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 引言

甲醇燃料作為一種十分容易得到的燃料，可以通過使用低品質的煤炭進行工業化大量制取，同時作為液態燃料能量密度高，運輸也十分方便，同時甲醇作為含氧燃料在燃燒過程中不容易產生碳煙這對緩解當前國六法規對碳煙排放的要求有十分重大的優勢，綜上甲醇燃料的諸多優點因此在當今能源危機的大環境下是一種潛力巨大的可持續發展的替代燃料[1]。然而甲醇作為燃料使用時也會帶來一些負面的影響，例如甲醇燃料燃燒后對產生一些醇醛類物質排放，醇醛類物質對人體傷害比較大，尤其是醛類物質是一種致癌物質對人體傷害更為嚴重是一種癌癥高誘發物質已經被日本和一些歐美國家列為關鍵控制污染性物質[2]。同時甲醇燃料在應用過程中也面臨一些問題急需解決例如甲醇氣化需要吸收大量的熱，超過汽油的3倍，因此甲醇發動機面臨著冷啟動困難的難題，冷啟動困難將導致啟動過程中缸內燃燒狀態差，導致大量的HC排放甚至有熄火的風險。針對甲醇發動機的這些急需解決的難題國內外學者都展開了大量的研究彭樂高等[3]研究了不同進氣氧濃度對缸內直噴甲醇發動機冷啟動醇醛類物質排放的影響；針對甲醇發動機冷啟動過程中發動機機體溫度低燃燒產生的水蒸氣容易發生凝結濕潤火花塞增大失火的幾率，宮長明等[4]提出了啟動首循環“即噴即著”的思路，通過電熱塞給甲醇加熱提高甲醇溫度促進甲醇蒸發，提出了確保冷啟動首循環順利著火的目標，只要甲醇發動機冷啟動期間首循環順利著火能夠極大改善冷啟動過程中的排放。

2 試驗方法

2.1 試驗發動機平臺

本文模擬試驗主要基于一臺1130單缸柴油機改裝的缸內直噴點燃式甲醇發動機為基礎，發動機詳細參數如表1所示。

2.2 試驗平臺

本文主要是通過三維數值仿真軟件進行甲醇發動機冷啟動期間醇醛類物質排放分析，環境邊界條件為常溫25 ℃，通過固定燃空當量比，噴油正時及點火正時分別改變進氣氧含量(進氣氧含量分別為0.26、0.31、0.36、0.41)分別研究不同進氣氧濃度下的醇醛類物質排放。

表1 試驗發動機主要技術參數

3 結果與分析

3.1 不同氧含量對甲醛濃度排放影響

圖1為冷啟動過程燃燒期間甲醛濃度隨曲軸轉角之間的關系，從圖中可知冷啟動燃燒過程中甲醛濃度整體是隨燃燒的進行而升高，主要原因是冷啟動過程缸內燃燒溫度整體偏低，甲醛作為甲醇燃燒的中間產物在低溫下不能夠及時氧化成二氧化碳，因此在燃燒過程中甲醛會一直積累導致缸內甲醛濃度一直上升。同時從圖中可知隨著氧含量升高缸內的甲醛濃度整體也偏高，主要原因是氧氣作為氧化劑提高氧含量能夠促進甲醇的燃燒，甲醛作為甲醇燃燒的中間產物，因此提高氧含量能夠促進缸內甲醛含量，因此增加氧含量能夠提高缸內甲醛含量。

圖2為不同氧含量下未燃甲醇及甲醛排放，從圖中可知：增加氧含量能夠有效減少未燃甲醇的排放但是甲醛排放會增加。分析原因是，氧氣作為一種氧化劑有助燃的作用，提高氧含量能夠促進甲醇的燃燒，提高甲醇的燃燒速率使得有更多的甲醇混合器被燃燒掉，同時由于氧含量增加對于缸內混合氣而言不容易出現混合器過濃的區域因此不容易導致甲醇混合氣的不完全燃燒，

圖1 不同氧含量下甲醛濃度

圖2 不同氧含量下未燃甲醇及甲醛排放

因此殘留的未燃燒的甲醇量就更少。同時從圖中可知提高氧含量會導致甲醛排放升高，主要原因是由圖1可知提高氧含量促進甲醇混合氣燃燒，甲醛作為甲醇燃燒的中間產物當甲醇燃燒速率提高甲醛的生成速率也提高，同時由于缸內燃燒溫度整體偏低生成的燃燒中間產物甲醛不能夠及時快速氧化成二氧化碳，因此導致甲醛積累量增多導致甲醛排放增多。

4 結論

(1)提高氧含量能夠促進甲醇混合氣的燃燒提高甲醇燃燒速率，同時避免甲醇混合氣出現極濃的區域，有效減少未燃甲醇的排放量。

(2)提高氧含量能夠促進甲醇混合氣燃燒，甲醛作為燃燒中間產物產生量增多，由于冷啟動缸內燃燒溫度偏低不能及時將甲醛快速氧化，因此導致甲醛排放量增大。