甲醇清潔燃料在防爆柴油機上的應用研究

梁志武

摘要：為改善煤礦井下環境污染，推進智慧礦山、清潔礦山，同時降低防爆膠輪車的維護成本，研究防爆柴油機清潔代用燃料勢在必行。本文通過對防爆柴油機進、排氣系統結構和缸內燃燒分析，結合性能試驗，研究了不同比例的甲醇柴油燃料對防爆增壓柴油機排放性能改善。

關鍵詞：智慧礦山;清潔礦山;防爆增壓柴油機;二次霧化;冷激效應;氣化潛熱值

中圖分類號：TK464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0018-02

0? 引言

智慧礦山、清潔礦山，我國煤礦安全管理目標從“減少事故，減少死亡”，提高到“潔凈生產，關愛健康”的高度。然而隨著煤礦機械化程度的提高，防爆膠輪車在煤礦井下的使用越來越廣泛，作為其動力源的防爆增壓柴油機的尾氣排放污染，成為井下工作環境污染重要因素之一。

2018年12月28日，國家煤礦安全監察局發布了《關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄（第四批）的通知》明確要求：對排氣標準在國II及以下的防爆柴油機“自發布之日起禁止新選用、采購，在用設備自發布之日起2年后禁止使用”。企業均以防爆電噴柴油機作為防爆膠輪車主要動力源，適應新規。然而防爆電噴柴油機在煤礦井下高濕度環境下使用，傳感器、電控模塊故障率大大提高，使用壽命縮短，增加了防爆膠輪車使用、維護成本。在煤炭價格持續走低的大環境下，加重煤炭企業負擔。

為降低尾氣排放污染，建設清潔礦山，減少煤炭企業負擔，清潔燃料在非電噴防爆柴油機的應用研究成為迫切需求。甲醇作為一種國際公認柴油機可替代清潔燃料在防爆增壓非電噴柴油機上應用研究尤為重要。

1? 實驗部分

本次在不改變原增壓非電噴防爆柴油機結構的基礎上，研究燃用BM10、BM15、BM20三種甲醇柴油燃料對其尾氣排放性能的影響，為今后甲醇燃料在防爆柴油機上的應用提供基礎數據。

1.1 實驗原料? 本次試驗基準柴油采用-30#柴油與甲醇，按照體積比例混合，正丁醇、異戊醇等作為助溶劑，配置3種甲醇摻混比例10%、15%、20%（BM10、BM15、BM20）的甲醇柴油混合燃料。

1.2 試驗柴油機參數及檢測儀器? 實驗選用某四缸渦輪增壓水冷柴油機（具體參數見表1），其燃用柴油燃料的尾氣排放性能符合國家非道路國Ⅱ排放要求。

試驗儀器：電力渦輪測功機、AVL CEBⅡ排放分析儀、 AVL409煙度計等檢測儀器。

1.3 試驗方法? 依據《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四 階段）》（GB20891-2014 ）檢測方法、標準，在保持防爆柴油機動力參數不變的情況下，分別燃用-30#柴油和BM10、BM15、BM20甲醇柴油，測定八工況點排放濃度的變化規律。最后，按照GB20891-2014計算得到燃用某比例甲醇柴油燃料達到最佳綜合排放性能的防爆柴油機比排放量。

2? 試驗結果及分析

2.1 甲醇柴油燃料對CO排放的影響? 柴油機CO排放生產量的主要受燃燒室內混合氣空氣濃度的影響，在混合氣中其過量空氣系數Φa<1時，燃燒室內混合氣氧含量稀缺，燃料中的C不能完全氧化成CO2，會大量生成其中間產物CO;在混合氣中其過量空氣系數Φa>1時，理論上不應有CO產生，但實際燃燒過程中，缸內燃料與空氣混合不均勻，尤其缸體壁附近，溫度較低，空氣流動較慢，造成燃燒室內局部空間中其過量空氣系數Φa<1，引起局部存在燃燒不完全現象，燃燒產生部分CO;另外缸內高溫可能引起已生成燃燒產物的CO2熱裂解反應，將CO2熱裂解、生成CO。

甲醇的沸點和凝固點均較低，噴入缸內后，促進混合氣體快速均勻混合;甲醇含氧量為50%，可以彌補防爆增壓柴油機進氣柵欄阻力和水冷渦輪增壓器效率低引起進氣量不足的缺點。

同時，柴油自燃溫度低于甲醇，甲醇柴油混合燃料有助于“二次燃燒”的形成，有助于缸內燃燒充分的同時，降低缸內燃燒最高溫度，阻止了CO2在后期燃燒過程中的裂解，抑制了CO裂解，大大降低CO排放量。

圖1 為燃用柴油和不同比例甲醇柴油，在八點工況下，CO排放量變化曲線。如圖1所示采用甲醇柴油燃料能有效降低CO的排放，尤其低速大負荷狀態下，CO的排放降低效果明顯可達到75%。然而隨著甲醇濃度增加，尤其甲醇濃度超過60%，防爆柴油機壓燃過程中，混合氣含氧量過大處于稀混合狀態，同時甲醇氣化缸內溫度急劇降低，導致混合氣的燃燒困難，嚴重影響到CO的排放性能。

2.2 甲醇柴油燃料對HC排放的影響? 柴油機HC排放量主要取決于缸內混合氣的均勻性（局部過濃或過?。┖捅诿娴睦浼ば?，以及在燃燒過程后期低速，燃燒室內壓力低，燃料霧化能力降低，造成局部混合氣形成質量較差，導致燃燒室內混合氣不能充分燃燒或局部不完全燃燒而引起的。

甲醇氣化潛熱值是柴油的3倍多，引起缸內溫度降低，缸壁溫度較低，缸壁附近HC含量增加，隨著缸內溫度增加和“二次燃燒”的作用，燃燒后期會消耗一部分HC，HC的排放性能降低有限。試驗結果顯示燃用甲醇柴油機燃料其HC的排放性能有所惡化。

如圖2所示，隨著甲醇濃度增加，在高轉速、小負荷工況下，HC排放量增加較多;在低轉速或高負荷工況下，HC排放量增加較少。參考《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四階段）》（GB20891-2014 ），綜合考慮HC排放量增加3～8%。

2.3 甲醇柴油燃料對NOX排放的影響

NOX的生成重要途徑是由缸內吸入空氣中的N2和柴油中氮元素在燃燒室內混合氣燃燒高溫時段反應生成。

根據捷里道維奇NOX反應機理，溫度型NOX生成速度：

柴油機生成的NOX排放量主要取決于燃燒室內最高燃燒溫度、氧元素濃度、氮元素含量和燃料在燃燒高溫反應區域中的停留時間，柴油機NOX的排放量與燃燒反應最高溫度呈指數關系。

甲醇中N的含量較柴油較低幾乎為零，氣化潛熱值達到柴油的3倍以上，甲醇柴油燃料噴入缸內后，甲醇汽化吸收大量熱量，降低缸內溫度，甲醇柴油混合燃料的“二次燃燒”，進一步降低了缸內最高溫度，縮短了高溫停留時間。燃用甲醇柴油能有效降低NOX的排放量。

如圖3 所示，隨著甲醇混合比例的增加，NOX的排放量減少，尤其在大負荷工況下，NOX降低幅度較大，最高可達到50%。

2.4 甲醇柴油燃料對碳煙微粒排放的影響

柴油機尾氣中碳煙微粒的形成主要因燃燒室內混合燃料在高溫、缺氧燃燒狀態下，部分發生氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，經脫氫、聚合、碰撞形成碳煙聚集物。根據碳煙生成原理，降低柴油機碳煙的主要指導思想，即燃燒前期應避免高溫缺氧，以減少碳煙的生成;同時在燃燒室內混合氣燃燒后期應確保高溫富氧、加強混合氣擾流強度，以加速碳煙的氧化。甲醇氧含量高，保障了缸內充分燃燒;甲醇氣化吸熱量，降低了缸內最高燃燒溫度，有效抑制了燃燒前期的碳煙生成。如圖4所示，試驗結果顯示燃用BM10、BM15、BM20燃料，排放煙度分別下降約10%、20%和30%，有效減低了碳煙排放濃度。

3? 結論

防爆增壓柴油機燃用甲醇濃度較高的甲醇柴油燃料，對CO、NOX和煙度的排放均有明顯的改善，尤其燃用BM20甲醇柴油，除HC排放有所惡化外，其余排放量降低達20～50%，低轉速大負荷工況達到60%以上，可大大改善井下尾氣排放的污染。依據《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及其測量方法（中國第三、四階段）》（GB20891-2014）測算，燃用BM20甲醇柴油的防爆柴油機CO比排放值可達到為1.97g/kW·h;NOX和HC比排放值之和為3.94g/kW·h;顆粒比排放值為0.245g/（kW·h），能夠滿足非道路國三穩態八工況排放要求。

參考文獻：

[1]何學良，詹勇厚，李疏松.內燃機燃料[M].北京：中國石化出版社，1999：325-345.

[2]周龍保，等.內燃機學[M].機械工業出版社，2000：192-229.

[3]孫齊虎，王修敏，章煒，等.乳化油燃燒技術在柴油機中的應用研究[J].內燃機，2008（06）：13-16.