可控溫電熱塞輔助壓燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放研究

劉向陽 朱建軍 李志鑫 鞏少鵬 龍涌 鄭越明

摘要： ?為探明電熱塞溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在一臺(tái)壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，研究了不同負(fù)荷工況下電熱塞溫度對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著電熱塞溫度升高，缸壓及放熱率峰值逐漸增大、燃燒始點(diǎn)前移、壓力升高率上升、油耗降低、有效熱效率升高。但在不同負(fù)荷工況下電熱塞溫度變化對(duì)燃燒及油耗的改善效果不同，20%負(fù)荷下效果最佳，隨負(fù)荷增加，改善效果逐漸減弱。排放特性方面，隨電熱塞溫度升高，NMHC排放減少，NO ?x 排放逐漸增多；在20%和50%負(fù)荷時(shí)CO和Soot排放呈下降趨勢(shì)，最大降幅分別為22.92%和70%，80%負(fù)荷時(shí)略有增多；未燃甲醇及甲醛等非常規(guī)排放物均呈下降趨勢(shì)，最大降幅分別可達(dá)47.64%和32.87%。

關(guān)鍵詞： ?可控溫電熱塞；壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)；甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒；排放

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.002

中圖分類號(hào)： ?TK464 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?B ??文章編號(hào)： ??1001-２２２２（２０24）０1-００08-０8

隨著世界化石能源消耗的不斷增加，尋找合適的清潔替代能源成為各國迫切需要。甲醇燃料由于其抗爆性好、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒀鹾扛摺⑷紵浞帧⒂泻ε欧盼锷佟a(chǎn)量豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是十分具有前景的替代能源［1-2］。然而，甲醇燃料十六烷值低，著火溫度高，在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上難以自燃，需采用系列輔助措施幫助其燃燒。柴油機(jī)憑借其熱效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械中［3］，為減少化石能源消耗及滿足排放法規(guī)要求，柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)吸引了眾多學(xué)者深入研究。目前常見的甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用包括甲醇/柴油摻混燃燒、甲醇/柴油組合燃燒、柴油引燃、火花塞或電熱塞助燃等［4-5］。

柴油/甲醇雙燃料燃燒模式雖解決了甲醇燃料難以壓燃這一關(guān)鍵難題，但該燃燒模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)原機(jī)改造難度大，且在中小負(fù)荷時(shí)甲醇替代率低，能量來源大部分來自柴油［4，6］。為實(shí)現(xiàn)甲醇對(duì)柴油的完全替代，多位學(xué)者對(duì)火花塞點(diǎn)燃和電熱塞助燃法進(jìn)行了深入研究，而相較于火花塞點(diǎn)燃，電熱塞助燃法對(duì)原機(jī)改動(dòng)小，對(duì)噴油器與電熱塞的相對(duì)位置精度要求不高，且該方法可有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能。20世紀(jì)80年代，Havenith［7］、Bartunek［8］等研究發(fā)現(xiàn)了電熱塞有助于甲醇燃燒，并利用電熱塞成功實(shí)現(xiàn)了純甲醇燃燒。Kusaka等［9］研究了電熱塞輔助壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)著火、燃燒及排放特性，發(fā)現(xiàn)加裝電熱塞后未燃甲醇等非常規(guī)排放物數(shù)量急劇減少，且為保證發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生失火現(xiàn)象，電熱塞溫度應(yīng)不低于900 ℃。天津大學(xué)孫志遠(yuǎn)、王樹奎等［10］對(duì)電熱塞助燃法在壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇燃料時(shí)基本上可以實(shí)現(xiàn)炭煙零排放。Yao等［11］開發(fā)了一款壓力傳感器電熱塞的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱塞的快速和精確控制。將該控制系統(tǒng)應(yīng)用在一臺(tái)以混合柴油為燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究電熱塞對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明：在相同操作策略下使用電熱塞輔助燃燒，缸內(nèi)壓力峰值及放熱率峰值均較高，燃燒始點(diǎn)前移，燃燒穩(wěn)定性提高；NO ?x 排放增加，但仍低于閾值（0.2 g/（kW·h）），CO和HC排放均有下降趨勢(shì)，PM排放急劇下降至0.02 g/（kW·h）以下。C.Oprea等［12］為給天然氣直噴式內(nèi)燃機(jī)提供一個(gè)可靠的熱面點(diǎn)火系統(tǒng)，開發(fā)了一款以氮化硅陶瓷為材料的電熱塞，其最高溫度可達(dá)1 300 ℃，保證了燃料的穩(wěn)定著火。吳繼盛等［13］研究了壓縮比對(duì)電熱塞引燃甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果表明：增大壓縮比，甲醇混合氣更加均勻，滯燃期縮短，燃料燃燒更加充分，甲醛和未燃甲醇等非常規(guī)排放物大大減少。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電熱塞助燃法進(jìn)行了大量深入研究，但大多數(shù)研究局限在對(duì)比有無電熱塞時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化，關(guān)于電熱塞溫度變化對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究卻十分有限，而電熱塞溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性及排放物濃度有著很大影響。因此本研究基于一款自主開發(fā)的可控溫電熱塞，在一臺(tái)由三缸柴油機(jī)改造的壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上，深入研究不同負(fù)荷下電熱塞溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響規(guī)律，對(duì)壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

1 ??試驗(yàn)裝置及方法

1.1 ?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某3缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來，發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)已裝配有電熱塞，改造時(shí)只需將電熱塞更換為可控溫電熱塞。此外，為滿足研究需要，還進(jìn)行了更換大流量噴醇器、增設(shè)甲醇油泵等系列改造，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1示出發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意。缸蓋上裝有可控溫電熱塞，甲醇燃料經(jīng)噴醇器直接噴射到燃燒室，在電熱塞表面高溫的作用下，甲醇燃料迅速燃燒。電熱塞另一端連接控制單元，試驗(yàn)人員可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行工況自主調(diào)節(jié)電熱塞溫度，調(diào)節(jié)范圍為750～1 300 ℃。同時(shí)，可控溫電熱塞工作時(shí)可實(shí)時(shí)反饋電熱塞溫度及耗電量至信息采集頁面，采集間隔時(shí)間為100 ms。通過此頁面，可觀察發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生微妙變化時(shí)（例如噴醇時(shí)刻），電熱塞溫度、控制電壓、控制電流的實(shí)時(shí)變化情況。此時(shí)，電熱塞溫度略有波動(dòng)，目的是盡快調(diào)整回溫度設(shè)定值。在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況對(duì)電熱塞溫度需求的同時(shí)，試驗(yàn)人員可根據(jù)耗電量選擇最合適的電熱塞溫度，以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

試驗(yàn)時(shí)，由DW100電渦流測(cè)功機(jī)分析測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，缸壓信號(hào)由安裝在缸蓋上的Kistler 6052C缸壓傳感器測(cè)得，其測(cè)量到的電荷信號(hào)經(jīng)Kistler自帶的角標(biāo)電荷放大器轉(zhuǎn)化為燃燒分析儀中可直觀顯示的連續(xù)電壓信號(hào)。通過KiBox燃燒分析儀實(shí)時(shí)測(cè)取并計(jì)算缸內(nèi)壓力、放熱率、燃燒時(shí)刻、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)等基礎(chǔ)燃燒數(shù)據(jù)。AVL SESAM I60 FT 25組分排放儀用于分析氣體排放，測(cè)量范圍包括CO、HC、NO ?x 、MEOH、HCHO等25種組分，且可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并保存數(shù)據(jù)。AVL DiSmoke 4000不透光煙度計(jì)用于測(cè)量排氣煙度，燃油質(zhì)量由ET2500智能油耗儀實(shí)時(shí)記錄。同時(shí)，進(jìn)氣道 上裝有空氣流量計(jì)及節(jié)氣門，方便測(cè)量不同工況時(shí)不同節(jié)氣門開度下進(jìn)入到缸內(nèi)的實(shí)際空氣流量。

1.2 ?試驗(yàn)方法

在大多數(shù)城市行駛循環(huán)中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常在中低速區(qū)域運(yùn)行，因此，試驗(yàn)選定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r/min，研究20%，50%和80%負(fù)荷下不同電熱塞溫度對(duì)壓燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)中通過控制電熱塞溫度和缸內(nèi)甲醇混合氣的過量空氣系數(shù)使發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下著火燃燒達(dá)到最優(yōu)效果。過量空氣系數(shù)調(diào)節(jié)范圍為1.2≤ λ ≤1.8，電熱塞溫度與過量空氣系數(shù)協(xié)同控制促進(jìn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒。電熱塞溫度變化范圍為750～1 300 ℃，但甲醇燃料自燃溫度高，使得甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電熱塞初始溫度要求較高，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下穩(wěn)定燃燒，初始電熱塞溫度設(shè)定為1 000 ℃，每增加50 ℃選取一個(gè)點(diǎn)，且為保證電熱塞能長時(shí)間穩(wěn)定保持設(shè)定溫度值，電熱塞溫度最大設(shè)定值取1 200 ℃，因此選擇電熱塞溫度為1 000，1 050，1 100，1 150，1 200 ℃這5個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。待發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定后，開始進(jìn)行采樣，為排除數(shù)據(jù)偶然性以保證數(shù)據(jù)精度，所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行多次測(cè)量，最后取平均值求得。

2 ??試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 ?對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性常由當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率評(píng)價(jià)［14］。當(dāng)量燃油消耗率是指把甲醇有效燃油消耗率等熱值換算為柴油的燃油消耗率，方便更加直觀地觀測(cè)甲醇燃料的經(jīng)濟(jì)性。有效熱效率是指實(shí)際循環(huán)的有效功與所消耗的燃料熱量的比值，其與甲醇有效燃油消耗率成反比。二者公式分別如下：

b ?e= b ?me× ?H ?mu ?H ?u ?， ?（1）

η= 3.6×106 b ?me× H ?mu ?。 ?（2）

式中： b ?e為當(dāng)量燃油消耗率； b ?me為甲醇有效燃油消耗率； H ?mu為甲醇燃料低熱值； H ?u為柴油低熱值； η 為有效熱效率。

圖2示出了不同負(fù)荷下當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率隨電熱塞溫度的變化。從圖中可看出，隨電熱塞溫度升高，當(dāng)量燃油消耗率降低，有效熱效率略有升高。20%，50%和80%負(fù)荷下，電熱塞溫度為1 200 ℃時(shí)當(dāng)量燃油消耗率相較于1 000 ℃時(shí)分別下降了8.84%，6.54%和4.35%，有效熱效率則分別提高了10.42%，7.17%和5.15%。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大，電熱塞溫度變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響逐漸降低，但不同負(fù)荷工況下，電熱塞溫度較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)始終能獲得較高的熱效率和較低的燃油消耗率。這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，噴入缸內(nèi)的甲醇燃料蒸發(fā)效果差，與空氣混合不均勻，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，定容放熱量減少，熱效率低，燃油經(jīng)濟(jì)性較差。隨著電熱塞溫度的升高，缸內(nèi)溫度和壓力升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤紵热荻鹊玫礁纳疲ㄈ莘艧崃吭龆啵l(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高，燃油消耗率下降。而中高負(fù)荷相較于低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力較高，電熱塞的 作用逐漸弱化，對(duì)燃油消耗率和有效熱效率的改善趨緩。因此，在綜合考慮電熱塞耗電量及發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況要求下，可盡量提高電熱塞溫度以獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.2 ?對(duì)燃燒性能的影響

圖3示出不同負(fù)荷下電熱塞溫度對(duì)缸內(nèi)壓力和放熱率的影響。20%負(fù)荷下，隨著電熱塞溫度降低，缸壓和放熱率峰值逐漸減小，峰值相位逐漸滯后。當(dāng)電熱塞溫度設(shè)定為1 000 ℃時(shí)，缸壓和放熱率峰值急劇下降，峰值相位大幅推遲。這是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，甲醇蒸發(fā)效果差，形成的可燃混合氣較為稀薄，缸內(nèi)燃燒條件惡劣，且電熱塞溫度較低時(shí)不利于形成火核及火焰?zhèn)鞑ィ瑢?dǎo)致滯燃期延長，燃燒重心后移，缸壓和放熱率峰值急劇下降。50%和80%負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高，一定程度上滿足了甲醇混合氣形成及燃燒的條件，可燃混合氣燃燒充分，此時(shí)隨著電熱塞溫度進(jìn)一步升高，缸內(nèi)燃燒進(jìn)程加快，峰值相位略有前移，但缸壓和放熱率峰值變化不大。綜上，相較于中高負(fù)荷，小負(fù)荷時(shí)電熱塞溫度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響較為顯著，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷對(duì)電熱塞溫度的需求自主調(diào)節(jié)電熱塞溫度，如20%負(fù)荷時(shí)電熱塞溫度需達(dá)到1 050 ℃及以上，而50%和80%負(fù)荷下電熱塞溫度在1 000～1 200 ℃范圍內(nèi)對(duì)缸壓和放熱率峰值影響較小，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的前提下可選擇的溫度范圍較廣。

圖4示出不同負(fù)荷下AI05（工質(zhì)在缸內(nèi)燃燒時(shí)燃燒放熱量達(dá)到5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，常定義為燃燒起始時(shí)刻）隨電熱塞溫度的變化。從圖中可看出，不同負(fù)荷下隨電熱塞溫度升高，燃燒始點(diǎn)前移，逐漸靠近上止點(diǎn)，且負(fù)荷越大，燃燒始點(diǎn)越靠前。20%負(fù)荷下，電熱塞溫度從1 000 ℃升高至1 050 ℃時(shí)，燃燒始點(diǎn)從7.23°ATDC變化為4.99°ATDC，變化幅度最大。這是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度低且循環(huán)噴油量少，燃料蒸發(fā)及霧化速度慢，可燃混合氣分布不均，當(dāng)電熱塞溫度為1 000 ℃時(shí)，其附近可燃混合氣著火困難，滯燃期延長，燃燒始點(diǎn)向后推遲。隨著電熱塞溫度的升高，缸內(nèi)熱氛圍得到改善，電熱塞附近的甲醇混合氣接觸到其表面高溫形成火核開始燃燒并迅速向四周擴(kuò)散，缸內(nèi)燃燒進(jìn)程加快，燃燒始點(diǎn)整體前移。相較于小負(fù)荷，中高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力升高，可燃混合氣分布相對(duì)均勻，燃料反應(yīng)活性較高，且在電熱塞加熱作用下，其附近混合氣溫度高于其他區(qū)域率先開始燃燒，當(dāng)缸內(nèi)的溫度與壓力達(dá)到一定閾值，缸內(nèi)的剩余混合氣將發(fā)生大范圍壓縮自燃，燃燒速率大幅加快，燃燒始點(diǎn)提前。

壓力升高率表征了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的粗暴程度和噪聲水平，圖5示出了壓力升高率隨電熱塞溫度的變化，其中折線部分清晰地示出了以1 000 ℃為基點(diǎn)（以下參數(shù)變化率均以1 000 ℃參數(shù)值為基點(diǎn)），電熱塞溫度每增加50 ℃后壓升率的變化率。從圖中可看出，20%負(fù)荷時(shí)壓升率較小，為0.3～0.4 MPa/（°），但隨著電熱塞溫度升高，其變化幅值最大，最大增幅達(dá)37.06%，主要是由于20%負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，隨電熱塞溫度升高，缸內(nèi)溫度明顯升高，燃燒情況得到改善，火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌欤變?nèi)燃燒壓力逐漸升高，壓力升高率逐漸變大。而50%和80%負(fù)荷時(shí)壓升率隨電熱塞溫度變化較小，最大變化幅值僅分別為6.66%和6.34%，但此時(shí)由于燃燒室內(nèi)溫度較高，燃燒速度快，壓升率較大，缸內(nèi)燃燒噪聲和爆震傾向明顯增加。

圖6示出了指示平均有效壓力隨電熱塞溫度的變化。隨著電熱塞溫度升高，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒情況得到優(yōu)化，缸內(nèi)壓力升高，噴射背壓增大，噴油軌壓不變時(shí)，噴油器噴入缸內(nèi)的燃料略微下降，指示平均有效壓力略有減小。當(dāng)電熱塞溫度1 200 ℃時(shí)，20%，50%和80%負(fù)荷下指示平均有效壓力相比1 000 ℃時(shí)分別下降4.23%，2.29%和1.90%。

圖7示出了指示平均有效壓力的循環(huán)變動(dòng)率隨電熱塞溫度的變化。循環(huán)變動(dòng)率常常用來表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性，一般情況下將5%循環(huán)變動(dòng)率定義為燃料穩(wěn)定燃燒的標(biāo)準(zhǔn)［15-18］。從圖中可以看出，20%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)率隨電熱塞溫度升高而略有降低，但其仍超過5%限值，為6%～7%。這是因?yàn)?0%負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力較低，可燃混合氣均勻性差，燃料燃燒不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒循環(huán)波動(dòng)較大。50%和80%負(fù)荷下循環(huán)變動(dòng)率隨電熱塞溫度變化無明顯規(guī)律，且此時(shí)缸內(nèi)循環(huán)波動(dòng)范圍較小，均在2%之下，可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定燃燒。

根據(jù)以上分析可知，對(duì)比其他不可控溫電熱塞，可控溫電熱塞的優(yōu)勢(shì)凸顯，因?yàn)椴豢煽販仉姛崛３衷谳^高的溫度來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況的性能要求，然而在實(shí)際測(cè)試中，高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度較高，很大程度上已經(jīng)滿足了混合氣形成及燃燒的條件，不需要電熱塞長時(shí)間保持較高溫度。可控溫電熱塞很好地解決了這一問題，其能夠根據(jù)實(shí)際工況需要選擇合適的電熱塞溫度，小負(fù)荷選擇高電熱塞溫度，大負(fù)荷則降低電熱塞溫度，在保證甲醇混合氣充分燃燒的基礎(chǔ)上最大限度地減少電熱塞的能耗，延長電熱塞壽命。

2.3 ?對(duì)排放性能的影響

2.3.1 ?常規(guī)排放物

圖8示出了NMHC（非甲烷總碳?xì)洌舛入S電熱塞溫度的變化。甲醇燃料碳?xì)浔鹊停瑫r(shí)自身含氧，80%負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度高，混合氣分布均勻，燃料燃燒充分，NMHC排放極低，幾乎為0。20%和50%負(fù)荷下隨著電熱塞溫度升高，NMHC濃度呈下降趨勢(shì)，1 200 ℃時(shí)NMHC濃度相較于1 000 ℃分別下降了22.29%和71%。這是由于中低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度低、噴醇量少，甲醇混合氣分布不均勻，缸內(nèi)工質(zhì)不完全燃燒而產(chǎn)生部分碳?xì)浠衔铩ｋS著電熱塞溫度的提高，缸內(nèi)燃燒環(huán)境得到改善，NMHC濃度有所減小。

圖9示出了CO排放隨電熱塞溫度的變化。CO是燃料不完全燃燒形成的不完全氧化物，由于甲醇汽化潛熱值大，中小負(fù)荷時(shí)，甲醇冷卻效應(yīng)使缸內(nèi)溫度降低，CO等不完全氧化物繼續(xù)氧化困難，整體濃度較高；但隨著電熱塞溫度升高，缸內(nèi)溫度和壓力升高，CO氧化環(huán)境得到改善，濃度略有降低，當(dāng)電熱塞溫度從1 000 ℃升高至1 200 ℃時(shí)，CO濃度分別降低了22.92%和15.85%。大負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度上升，且甲醇自身含氧，CO氧化條件良好，整體濃度急劇下降。但隨著電熱塞溫度的升高，燃燒始點(diǎn)前移，發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散燃燒比例增加，混合氣中摻有部分燃燒產(chǎn)物，造成局部缺氧嚴(yán)重；同時(shí)缸內(nèi)高溫促進(jìn)了CO 2在高溫時(shí)產(chǎn)生熱離解反應(yīng)生成CO，二者共同作用使CO濃度略有增加。

NO ?x 濃度隨電熱塞溫度的變化如圖10所示。從圖中可以看出，20%和50%負(fù)荷下NO ?x 排放較低，80%負(fù)荷下NO ?x 排放增多，且隨著電熱塞溫度升高，不同負(fù)荷下NO ?x 排放均呈上升趨勢(shì)，20%負(fù)荷下尤為顯著。20%負(fù)荷下電熱塞溫度從1 000 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，NO ?x 排放增加了74.02%。而這是因?yàn)榈趸锏纳扇Q于高溫、富氧、高溫持續(xù)時(shí)間三個(gè)條件，低負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量少，熱負(fù)荷低，低溫抑制了NO ?x 的生成，NO ?x 生成量較低，隨著電熱塞溫度升高，缸內(nèi)溫度上升，NO ?x 排放顯著增加。而中高負(fù)荷時(shí)隨著電熱塞溫度的升高，NO ?x 濃度仍略有升高，但最大增幅僅為8.18%。這是因?yàn)殡m然電熱塞溫度升高可以提高甲醇蒸發(fā)速率和缸內(nèi)燃燒溫度，但其本質(zhì)在于輔助燃燒進(jìn)程，中高負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力明顯升高，NO ?x 生成量增多，但此時(shí)電熱塞的高溫作用在進(jìn)一步弱化，電熱塞溫度的進(jìn)一步提高對(duì)NO ?x 生成量影響不大。

圖11示出了炭煙排放隨電熱塞溫度的變化曲線。20%和50%負(fù)荷下隨電熱塞溫度升高，炭煙排放均呈下降趨勢(shì)，電熱塞溫度從1 000 ℃升高至1 200 ℃時(shí)，炭煙排放分別下降了45.4%和70%。80%負(fù)荷下炭煙排放隨電熱塞溫度升高緩慢增多。這是由于中小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度較低，可燃混合氣分布不均，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象，導(dǎo)致炭煙排放增多；隨著電熱塞溫度上升，缸內(nèi)燃燒情況得到改善，炭煙排放下降。80%負(fù)荷相較于中小負(fù)荷，缸內(nèi)循環(huán)噴油量增多，混合氣變濃且部分區(qū)域分布不均，導(dǎo)致炭煙排放量較大，且隨著電熱塞溫度的提升，缸內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，更加有利于炭煙的形成，炭煙排放隨電熱塞溫度的升高略有增加。

2.3.2 ?非常規(guī)排放物

未燃甲醇排放隨電熱塞溫度的變化如圖12所示。不同負(fù)荷下，隨著電熱塞溫度的升高，未燃甲醇排放均呈下降趨勢(shì)。電熱塞溫度從1 000 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，20%，50%和80%負(fù)荷下未燃甲醇排放分別降低21.38%，47.64%和40.33%。甲醇排放主要源于燃燒室內(nèi)未燃甲醇混合氣、壁面淬熄、吸附效應(yīng)及狹縫中存在的少量甲醇等［19］。低速小負(fù)荷時(shí)，甲醇噴油量少，缸內(nèi)溫度低，可燃混合氣較稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷變?nèi)燃燒不完全，產(chǎn)生大量未燃甲醇。中高負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)燃燒條件得到改善，可燃混合氣濃度升高，未燃甲醇排放明顯下降。不同負(fù)荷下，隨著電熱塞溫度升高，缸內(nèi)壓力和溫度均得到提高，甲醇的蒸發(fā)及擴(kuò)散條件得到改善，甲醇氧化化學(xué)反應(yīng)速率加快，且甲醇燃料噴到溫度高的電熱塞表面更有利于甲醇穩(wěn)定著火燃燒，未燃甲醇排放減少。

甲醛是甲醇燃料燃燒氧化過程的中間產(chǎn)物，其變化規(guī)律與未燃甲醇相似。甲醛的生成主要源于兩個(gè)途徑：一部分是由于燃燒室壁面溫度較低，吸附在壁面上的甲醇燃料不能進(jìn)一步被氧化，導(dǎo)致大量甲醛生成；另一部分是由于未燃甲醇在排氣管內(nèi)停留時(shí)間過長，富氧條件下被氧化為甲醛［20］。甲醛生成主要基元反應(yīng)為：CH 2OH+O 2 CH 2O+HO 2（生成），CH 2O+OH HCO+H 2O（氧化），其最終生成量取決于生成與氧化的速率差［21］，存在臨界溫度使甲醛生成速率與氧化速率相等，此時(shí)甲醛生成量保持不變。當(dāng)反應(yīng)溫度低于臨界溫度時(shí)，甲醛氧化速率變小，此時(shí)生成速率大于氧化速率，甲醛生成量增多，反之，甲醛濃度降低。如圖13所示，隨著電熱塞溫度升高，不同負(fù)荷下的甲醛濃度均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。電熱塞溫度從1 000 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，20%，50%和80%負(fù)荷下甲醛排放分別降低了15.22%，32.87%和29.66%。這是因?yàn)殡S著電熱塞溫度的升高，缸內(nèi)溫度也隨之升高，此時(shí)甲醛生成速率遠(yuǎn)小于氧化速率，甲醛被大量氧化，濃度降低。

綜上，可控溫電熱塞的應(yīng)用使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)非常規(guī)排放物濃度（未燃甲醇，甲醛等）得到明顯改善。隨著電熱塞溫度的升高，不同負(fù)荷下未燃甲醇及甲醛排放均呈下降趨勢(shì)，最大降幅分別達(dá)47.64%和32.87%。

3 ??結(jié)論

a） 以電熱塞溫度1 000 ℃為試驗(yàn)起始點(diǎn)，隨電熱塞溫度升高，缸壓及放熱率峰值升高，滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)前移，壓力升高率變大，指示平均有效壓力略有降低；

b） 不同負(fù)荷工況下電熱塞溫度變化對(duì)油耗和熱效率改善效果不同，20%負(fù)荷下，電熱塞溫度升至1 200 ℃時(shí)，油耗降低了8.84%，有效熱效率提升了10.42%，隨著負(fù)荷增加，改善效果逐漸減弱；

c） 電熱塞溫度從1 000 ℃升高至1 200 ℃時(shí)，NMHC排放減少，最大降幅達(dá)71%；NO ?x 排放增多，最大增幅為74.02%；CO和炭煙排放在20%和50%負(fù)荷時(shí)呈下降趨勢(shì)，最大降幅分別為22.92%和70%，80%負(fù)荷時(shí)略有增多；

d） 隨著電熱塞溫度的升高，未燃甲醇及甲醛等非常規(guī)排放物均呈下降趨勢(shì)，最大降幅分別可達(dá)47.64%和32.87%。

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Combustion and Emission of Compression Ignition Methanol ?Engine Assisted by Controllable Temperature Glow Plug

LIU Xiangyang1，ZHU Jianjun1，LI Zhixin1，GONG Shaopeng2，LONG Yong3，ZHENG Yueming3

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Institute of Energy，Jinzhong 030600，China;3.Chongqing Limai Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400050，China）

Abstract： ?In order to find out the influences of glow plug temperature on the performance of methanol engine， the influences of glow plug temperature on the combustion and emission performance of M100 methanol engine under different load conditions were studied on a compression ignition methanol engine with engine speed unchanged. The results show that the peak value of cylinder pressure and heat release rate gradually increases with the increase of glow plug temperature， the combustion starting point moves forward， the pressure rise rate increases， the fuel consumption decreases， and the effective thermal efficiency increases. However， the improvement effects of glow plug temperature change on combustion and fuel consumption were different under different load conditions. The improvement effect reaches the optimal at 20% load and gradually decreases with the increase of load. In terms of emission characteristics， NMHC emission reduces and NO ?x ?emission gradually increases with the increase of glow plug temperature. CO and Soot emissions show a downward trend at 20% and 50% load with the maximum reduction of 22.92% and 70% respectively， and slightly increases at 80% load; Unconventional emissions such as unburned methanol and formaldehyde show a downward trend with the maximum reduction of 47.64% and 32.87% respectively.

Key ?words： ?controllable temperature glow plug；compression ignition engine；methanol engine；combustion；emission

［編輯： 潘麗麗］

收稿日期： ??2023-05-04； [HT6H]修回日期： ??2023-07-07

基金項(xiàng)目： ???山西省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃“揭榜掛帥”項(xiàng)目（202201120401018）

作者簡介： ???劉向陽（1998—），男，碩士，主要研究方向?yàn)榍鍧嵈萌剂习l(fā)動(dòng)機(jī)；lxyang0523@163.com。