不同甲醇預混合氣引燃燃燒模式經濟性分析＊

耿 新

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

引言

甲醇是公認的極其具有前景的替代燃料。很多學者都對甲醇車用技術進行了積極的研究和開發，但由于甲醇汽化潛熱大和熱值低等因素使得其無法直接應用與柴油發動機上，本文大膽利用生物柴油和PODE 高十六烷值特性，作為甲醇預混合氣的引燃燃料，來探究對比不同甲醇預混合氣的燃燒經濟性。

1 試驗燃料及理化特性

本試驗中所用的生物柴油、甲醇和PODE 的理化性質如表1 所示。

表1 試驗用各燃料的理化性質

甲醇作為含氧燃料代表，由于燃料分子中的氧在燃燒過程中起到自供氧作用，從而改善柴油機燃燒和排放性能[1]，尤其是可以大幅度降低碳煙的排放[2]，且甲醇來源廣泛價格低廉，而其十六烷值較低，難以直接在壓燃式發動機上使用是需要研究解決的問題。

生物柴油黏度高，揮發性差等原因會使得在柴油機上應用產生較高的NOx 和較差的經濟性，因此常常將生物柴油與其他黏度和揮發性特點好的燃料混合使用。

聚甲氧基二甲醚（簡稱PODEn）簡式為：CH3O（CH2O）nCH3（其中n≥1，本試驗采用的n 值為3 的混合物），其作為燃料在發動機上表現出優良的燃燒和排放特性[3]。PODE由于其高含氧、高十六烷值和排放清潔等特點[4-6]，近年來逐漸受到清潔燃料行業的關注。

試驗發動機參數見表2。

表2 發動機主要參數

2 實驗結果計算分析方法

本實驗中PODE、生物柴油供給采用原機的缸內直噴系統。甲醇由在進氣管上的甲醇噴油系統供給，試驗中固定發動機的轉速和負荷不變，通過同時調整缸內直噴和進氣道噴射來改變甲醇質量比，直至尋找到該工況下最大的甲醇質量比。

試驗結果分析計算公式為：

甲醇質量比r：

有效燃油消耗率bBSFC：

有效熱效率ηet：

式中：BM、BI分別指甲醇和引燃油的油耗量，kg/h；HLd、HI、HM分別為柴油、引燃燃料和甲醇的低熱值，MJ/kg；bI和bM分別為引燃燃料和甲醇的燃油消耗率，g/（kW·h）；We為發動機的有效功，J；Q為燃料完全燃燒所釋放的總能量，J；Pe為發動機輸出的有效功率，KW。

3 試驗結果分析

圖1 所示為不同工況下，兩種引燃燃燒模式有效熱效率和有效燃油消耗率在不同甲醇質量比下的對比圖。從圖中可以看出，PODE 引燃模式相較生物柴油引燃模式具有更高的熱效率，而且燃油經濟性更好。

圖1 甲醇質量比對熱效率和燃油消耗率的影響

在小負荷時，PODE 引燃燃燒模式在甲醇質量比為15%附近時，有效熱效率達到最大約為38%，此時甲醇質量比為15%；生物柴油引燃燃燒模式熱效率，有效熱效率最大值約為34%，對應的甲醇質量比略高于PODE 引燃模式。對于熱效率出現這種狀況的原因在于，PODE 燃料相較于生物柴油，其燃油霧化性較好，加上其富氧特性，其在被壓燃后可以具有很快的燃燒速度，促進甲醇預混合氣的燃燒進程，這種快速燃燒可以使得放熱率中心在接近上止點附近，因此可以獲得較高的有效熱效率。甲醇預混合氣的加入對于生物柴油模式有效熱效率提高的原因在于甲醇預混合氣的含氧可以改善局部缺氧同時甲醇預混合氣可以提高燃燒等容度。

PODE 引燃燃燒模式具有更高的燃油經濟性這是由于PODE 燃料本身的高十六烷值特性使得燃料極易壓燃，在缸內甲醇預混合氣汽化潛熱造成缸內溫度低的情況下，PODE更易達到著火極限，可以在極少引燃油的情況下引燃質量比較高的甲醇預混合氣，甲醇預混合氣質量比越高則燃油經濟性越好。

兩種引燃模式當甲醇質量比超過一定范圍時，其對缸內溫度的影響使得燃燒環境偏低溫，燃燒經濟性變差。

中等負荷時，生物柴油引燃模式的有效熱效率和燃油消耗率在甲醇質量比增加的情況下與PODE 引燃模式呈現不同的變化趨勢。在30%～40%的甲醇質量比范圍內，生物柴油引燃燃燒模式的熱效率逐漸增大燃油消耗率減小，熱效率則高于原機。PODE 引燃模式則在中等負荷時熱效率和經濟性隨甲醇質量比的增加有變差趨勢。這與引燃燃料的熱值有著密不可分的關系，PODE 燃料的低熱值相對生物柴油較低，因此點火能量少，燃燒經濟性較差。

在大負荷時，由于PODE 引燃模式燃燒容易粗暴，因此可以PODE 引燃模式有效熱效率和經濟性變化波動較大，這種模式下總體經濟性還是較差的。生物柴油引燃模式變化則與中等負荷時類似。

4 結論

PODE 引燃模式相較柴油引燃模式更適用于中小負荷，此時只要控制甲醇質量比在一個較小的范圍內就可以獲得較高的有效熱效率和燃油消耗率。對于生物柴油模式，甲醇預混合氣對于燃燒進程還是有提升作用的，這與甲醇含氧特性和燃燒速度快有關。生物柴油引燃模式相較PODE 引燃模式整體變化更平穩。