李仁春，王忠，袁銀男，2，張登攀，李銘迪

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013;2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226019)

0 引言

柴油機(jī)熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、性能可靠，但NOx和碳煙排放較高。柴油機(jī)摻燒含氧燃料有助于改善燃燒，降低NOx和碳煙的排放［1-2］。甲醇作為含氧燃料的一種，有含氧量高、燃燒速度快、著火界限寬等優(yōu)勢(shì)。柴油機(jī)摻燒甲醇最常用的方式是:柴油/甲醇直接混合［3］、氣道噴射甲醇柴油引燃［4］。柴油/甲醇直接混合是在燃料噴入氣缸之前使甲醇與柴油均與混合，這種方式幾乎無(wú)需改變?cè)裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)，甲醇摻燒比不高，易于實(shí)際應(yīng)用，適合農(nóng)用機(jī)械等非道路用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)甲醇摻燒;氣道噴射甲醇柴油引燃是將甲醇噴入柴油機(jī)進(jìn)氣道，柴油由高壓油嘴噴入氣缸來(lái)引燃甲醇，該方式可以靈活控制甲醇噴射參數(shù)，調(diào)整摻燒比，最大摻燒比可以達(dá)到70%，這種方式對(duì)柴油機(jī)的改動(dòng)較小，適合在車用柴油機(jī)推廣應(yīng)用。研究表明［3-6］:無(wú)論是柴油/甲醇直接混合還是氣道噴射甲醇摻燒，碳煙排放明顯降低，NOx排放也有所改善。滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混放熱比例增大，燃燒溫度降低，HC 和CO 排放有所增加。

柴油/甲醇直接混合與氣道噴射甲醇在混合氣形成方式、燃燒模式以及排放特性等方面存在著諸多差異。本文著重對(duì)這兩種方式摻燒甲醇燃燒過(guò)程和排放進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)4B26 直噴式增壓柴油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了改造，安裝了甲醇電控噴射系統(tǒng)［7］，研究柴油/甲醇不同摻燒方式的燃燒過(guò)程和排放。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器:杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司產(chǎn)WE32 水力測(cè)功機(jī)、EIM0301D 臺(tái)架控制柜、HAM03醇耗儀;奧地利AVL 公司產(chǎn)AVL 525 燃燒分析儀、AVL415S 煙度計(jì)、AMA 4000 排放分析儀。

試驗(yàn)是在4B26 增壓柴油機(jī)上進(jìn)行的，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為:缸徑90 mm;活塞行程100 mm，活塞排量2.5 L;燃燒室型式ω 型，壓縮比18;標(biāo)定功率55 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 200 r/min，最大轉(zhuǎn)矩183 N·m，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min，柴油供油提前角為12°CA，甲醇噴射時(shí)刻為排氣上止點(diǎn)前150°CA.

1.2 試驗(yàn)方案

氣道噴射甲醇方式是通過(guò)安裝在氣道上的噴嘴噴入甲醇，甲醇吸收氣道和空氣中的熱量汽化、蒸發(fā)，形成均質(zhì)混合氣進(jìn)入氣缸。柴油是在甲醇氛圍中霧化、著火，引燃甲醇均質(zhì)混合氣。柴油/甲醇直接混合是由噴油器噴入燃燒室，柴油和甲醇都是一邊噴入氣缸、一邊與空氣混合，一邊燃燒，兩種方式的燃燒模式存在較大的差異。

柴油和甲醇的理化性質(zhì)差異較大，不添加任何助溶劑的情況下，直接混合時(shí)甲醇比例不高。試驗(yàn)選擇在相同甲醇摻燒比情況下，進(jìn)行兩種摻燒方式的對(duì)比，選擇摻燒比為10%進(jìn)行分析。

試驗(yàn)燃料為0#柴油、99.8%無(wú)水甲醇，不摻燒甲醇時(shí)即為燃燒純柴油，記為Diesel;柴油/甲醇直接混合是通過(guò)機(jī)械攪拌將兩種燃料混合均勻，不添加任何助溶劑，記為B-M10.氣道噴射甲醇由甲醇電控噴射系統(tǒng)控制，記為IJ-M10.氣道噴射方式甲醇摻燒比的定義為

式中:bm、bd分別為實(shí)測(cè)的甲醇、柴油消耗率(g/(kW·h)).

選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min，4 個(gè)負(fù)荷(47 N·m、94 N·m、141 N·m 和158 N·m)為研究工況(依據(jù)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況策略，為防止發(fā)生爆震，全負(fù)荷工況時(shí)不摻燒甲醇)。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了不同負(fù)荷的示功圖、污染物排放以及甲醇、柴油的燃油消耗率，并進(jìn)行了柴油/甲醇雙燃料燃燒過(guò)程的放熱規(guī)律計(jì)算。

2 燃燒過(guò)程對(duì)比分析

2.1 氣缸壓力、放熱率和缸內(nèi)平均溫度

圖1為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m 時(shí)的氣缸壓力對(duì)比?？梢钥闯?，對(duì)比兩種摻燒方式，氣缸壓力相差不大。與燃燒柴油相比:低負(fù)荷時(shí)，柴油/甲醇直接混合和氣道噴射甲醇摻燒最大爆發(fā)壓力都略有降低，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后;高負(fù)荷時(shí)，摻燒甲醇最大爆發(fā)壓力略有升高，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。因此在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是柴油/甲醇直接混合還是氣道噴射甲醇方式，摻燒比例較低時(shí)，柴油機(jī)的動(dòng)力性變化不大。

圖1 氣缸壓力對(duì)比Fig.1 Comparison of in cylinder pressures

圖2為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m 時(shí)的放熱率對(duì)比?？梢钥闯?隨著負(fù)荷的增加，燃燒預(yù)混放熱比例增加。低負(fù)荷時(shí)，兩種方式的放熱率峰值相差不大，呈單峰放熱。高負(fù)荷時(shí)，放熱率曲線呈雙峰，對(duì)于氣道噴射甲醇方式，預(yù)混放熱率較高，燃燒終點(diǎn)提前。二者差異的原因主要是由于混合氣形成方式的不同。氣道噴射甲醇與空氣的混合過(guò)程主要是在進(jìn)氣道中進(jìn)行的，柴油噴射之前缸內(nèi)已經(jīng)形成了均質(zhì)的甲醇預(yù)混合氣，一旦著火，燃燒初期放熱速率極為迅速，預(yù)混放熱量增加。與燃燒柴油相比，低負(fù)荷時(shí)，兩種方式摻燒甲醇，放熱率峰值都有所增加;高負(fù)荷時(shí)，放熱率峰值降低，預(yù)混放熱量增加。

圖2 放熱率對(duì)比Fig.2 Comparison of heat release rates

柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇在47 N·m 和158 N·m時(shí)的缸內(nèi)平均溫度對(duì)比如圖3所示。從圖3可以看出，與燃燒純柴油相比，摻燒10%甲醇后缸內(nèi)平均溫度都有所降低。對(duì)于氣道噴射甲醇摻燒方式，缸內(nèi)平均溫度降低幅度較明顯。這主要是因?yàn)?由氣道噴入的甲醇經(jīng)汽化吸熱，降低了進(jìn)氣溫度，進(jìn)一步導(dǎo)致壓縮終了溫度降低。對(duì)于柴油/甲醇直接混合方式，甲醇高汽化潛熱也會(huì)使得溫度有所降低，但是氣道噴射甲醇降低進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)平均溫度的影響更突出。

2.2 滯燃期

圖4為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇滯燃期的對(duì)比。滯燃期為從柴油噴油始點(diǎn)到缸內(nèi)混合氣著火燃燒始點(diǎn)的時(shí)間段。噴油始點(diǎn)依據(jù)原機(jī)的供油提前角確定，燃燒始點(diǎn)以上止點(diǎn)前放熱率曲線從最低點(diǎn)突然回升點(diǎn)確定?？梢钥闯?中低負(fù)荷時(shí)，對(duì)于氣道噴射甲醇摻燒方式，滯燃期延長(zhǎng)較明顯;高負(fù)荷時(shí)，與柴油/甲醇直接混合方式相比，柴油機(jī)氣道噴射方式摻燒甲醇，滯燃期略有提前。

圖3 缸內(nèi)平均溫度的對(duì)比Fig.3 Comparison of in-cylinder temperatures

圖4 滯燃期的對(duì)比Fig.4 Comparison of ignition delay periods

混合氣形成方式的不同直接造成燃燒室溫度的差異。負(fù)荷較低時(shí)，氣道噴射摻燒甲醇大幅度降低燃燒室溫度，不利于柴油在甲醇氛圍中的霧化、著火［8］，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)。高負(fù)荷時(shí)，燃燒室溫度較高，當(dāng)溫度超過(guò)1 000 K 時(shí)，甲醇大量分解得到的CH2O，通過(guò)多步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出大量的OH［9］，OH大量轉(zhuǎn)化為H2O2.H2O2的分解是開(kāi)啟高溫放熱反應(yīng)的關(guān)鍵，溫度升高有助于低溫反應(yīng)中積累的H2O2提前分解，從而有助于促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的著火。與燃燒柴油相比，兩種方式摻燒甲醇，著火幾乎都有延遲的趨勢(shì)。

3 排放對(duì)比分析

3.1 HC 排放

圖5為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇的HC 排放對(duì)比。與氣道噴射甲醇摻燒方式相比，燃燒柴油/甲醇混合燃料的HC 排放較低，且隨著負(fù)荷的增加，與燃燒柴油的HC 排放接近。低負(fù)荷時(shí)，氣道噴射甲醇HC 排放增加明顯。

圖5 HC 排放對(duì)比Fig.5 Comparison of HC emissions

氣道噴射甲醇柴油引燃方式的混合氣形成過(guò)程與燃燒柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，甲醇的噴霧、汽化、蒸發(fā)過(guò)程幾乎是在氣道內(nèi)進(jìn)行的，大幅度降低了混合氣的溫度，壁面冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)、油膜附吸和沉積物吸附作用增強(qiáng)。負(fù)荷較低時(shí)，噴油量少，混合氣濃度過(guò)稀，導(dǎo)致HC 排放急劇增加。隨著負(fù)荷的增加，混合氣濃度和燃燒溫度都升高，HC 排放降低。高負(fù)荷時(shí)，與柴油相比，HC 排放增加幅度減小。

3.2 CO 排放

圖6為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇的CO 排放對(duì)比。從圖6可以看出:與燃燒柴油/甲醇直接混合相比，氣道噴射甲醇摻燒的CO 排放大幅度增加。柴油/甲醇直接混合方式的CO 排放與燃燒柴油相當(dāng)。

圖6 CO 排放對(duì)比Fig.6 Comparison of CO emissions

CO 是烴類燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒產(chǎn)物之一。氣道噴射甲醇摻燒的混合氣形成方式?jīng)Q定了其不完全燃燒程度增加。由氣道噴入的甲醇經(jīng)汽化吸熱與空氣混合，進(jìn)入氣缸參與燃燒，降低了燃燒溫度，使得甲醇與空氣形成的均質(zhì)混合氣發(fā)生了不完全氧化反應(yīng)［10］，導(dǎo)致CO 排放增加。

3.3 NOx 排放

圖7為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇的NOx排放對(duì)比。從圖7可以看出:柴油/甲醇直接混合在低負(fù)荷時(shí)降低NOx排放作用明顯，隨著負(fù)荷的增加，與燃燒柴油的NOx排放相差不大;氣道噴射甲醇摻燒方式在試驗(yàn)的4 種負(fù)荷時(shí)，對(duì)降低NOx排放作用都較明顯。

圖7 NOx 排放對(duì)比Fig.7 Comparison of NOx emissions

NOx生成條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間。氣道噴射甲醇摻燒的燃燒模式與燃燒柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，柴油是在甲醇均質(zhì)混合氣氛圍中著火，燃燒室局部地區(qū)一旦著火，引燃周圍的甲醇均質(zhì)預(yù)混合氣，燃燒速度加快，縮短了高溫持續(xù)時(shí)間。同時(shí)甲醇降低了進(jìn)氣溫度及燃燒最高溫度;另一方面，甲醇含氧量高，在一定程度上提高了混合氣活性氧濃度。負(fù)荷較低時(shí)，前者的作用更明顯，所以NOx排放大幅度減少。隨著負(fù)荷的增加，兩個(gè)方面綜合作用下，NOx排放下降幅度減小。

3.4 碳煙排放

圖8為柴油機(jī)不同方式摻燒甲醇的碳煙排放對(duì)比。從圖8可以看出:與柴油/甲醇直接混合方式相比，氣道噴射甲醇摻燒方式在高負(fù)荷時(shí)降低碳煙排放效果更好。負(fù)荷較低時(shí)，兩種方式碳煙排放基本相當(dāng)。

碳煙生成的條件是高溫和缺氧。甲醇替代了部分柴油，減少了燃料中碳的比例。另外，甲醇的加入提高了預(yù)混合燃燒比例，同時(shí)甲醇在燃燒初期反應(yīng)生成大量具有強(qiáng)氧化作用的OH，有助于減少碳煙的生成。氣道噴射形成的甲醇均質(zhì)混合氣，避免了局部高溫、缺氧的情況，燃燒速度加快，降低燃燒最高溫度，有利于減少碳煙的生成。

圖8 煙度對(duì)比Fig.8 Comparison of smoke intensities

4 結(jié)論

1)柴油/甲醇直接混合與氣道噴射甲醇方式的混合氣形成過(guò)程和燃燒模式存在較大的差異;對(duì)于氣道噴射方式，柴油是在甲醇氛圍中霧化、著火，引燃甲醇均質(zhì)混合氣。

2)與燃燒柴油相比，兩種方式摻燒10% 甲醇，動(dòng)力性變化不大，預(yù)混放熱量增加。低負(fù)荷時(shí)，氣道噴射甲醇降低燃燒溫度、延長(zhǎng)滯燃期作用較明顯。

3)與柴油/甲醇直接混合相比，氣道噴射甲醇排氣溫度有較大的降低，HC 和CO 排放較高，NOx和碳煙排放降低較顯著。

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