姚春德，潘 望，魏立江，劉軍恒，王全剛，余海濤

(天津大學機械工程學院，天津 300072)

進氣溫度對DMDF發(fā)動機燃燒特性和煙度排放的影響

姚春德，潘 望，魏立江，劉軍恒，王全剛，余海濤

(天津大學機械工程學院，天津 300072)

在一臺電控單體泵增壓中冷發(fā)動機上，研究在固定柴油和甲醇供給時刻和供給量條件下，進氣溫度變化對柴油甲醇二元燃料燃燒特性的影響．結果表明：相同工況下，進氣溫度從 40,℃變化到 70,℃可以使爆發(fā)壓力相差4,MPa，著火時刻相差 15°,CA；進氣溫度的升高，不僅會造成滯燃期縮短、最大爆發(fā)壓力和壓力升高率增大，而且最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時刻變早、燃燒相位前移；在部分工況，變化進氣溫度還伴隨燃燒模式的轉變．溫度變化還表現(xiàn)出柴油甲醇二元燃料燃燒和發(fā)動機轉速的極大關聯(lián)：在低速、較大負荷時，進氣溫度升高會導致輸出扭矩下降和當量比油耗升高；在高速時，進氣溫度升高能提高輸出扭矩并降低當量比油耗，但過高的進氣溫度會使大量甲醇在上止點之前燃燒，降低輸出扭矩并提高當量比油耗．進氣溫度對碳煙排放也有較大影響：隨進氣溫度降低，碳煙排放降低．綜合研究結果表明，柴油甲醇二元燃料燃燒進氣溫度控制在50～70,℃時，可以獲得最佳的經(jīng)濟和排放性能.關鍵詞：進氣溫度；二元燃料燃燒；甲醇；燃燒特性；碳煙排放

隨著中國能源結構的日益嚴峻和環(huán)境保護的強烈要求，先進的燃燒方式結合替代燃料成為解決目前資源與環(huán)境所遇到問題的最有希望的途徑之一．甲醇生產(chǎn)資源廣泛，技術成熟，燃燒清潔，在中國有相當大的富余產(chǎn)能，因此使用甲醇作為柴油替代燃料以應對能源危機有著重要意義．甲醇辛烷值高，難以單獨在柴油機上使用．關于甲醇在柴油機上的應用，國內外進行了大量的研究．通常采用與柴油在機外通過乳化劑幫助摻混形成混合燃料(乳化法)，或進氣預混甲醇在缸內和柴油實施雙燃料共燃的兩種方法加以應用．研究發(fā)現(xiàn)，上述兩種方法都能在減少碳煙和NOx的同時提高經(jīng)濟性，但相比較而言，后一種方法因可以更高比例地使用甲醇燃料，所以近年來得到高度重視[1-2]．本課題組圍繞后一種燃燒方式進行了大量的研究，并已經(jīng)實現(xiàn)在實際車輛上的初步應用．實際使用中發(fā)現(xiàn)，當柴油機應用柴油甲醇二元燃料燃燒方式時，著火時間推遲、燃燒等容度提高、排氣溫度降低[3]，可以顯著降低 NOx和碳煙排放．對排氣中出現(xiàn)的HC和CO排放，則可以通過加裝氧化催化轉化器來消除[4]．在重型卡車上進行的道路試驗發(fā)現(xiàn)，柴油甲醇二元燃料燃燒模式對柴油的替代率達到了28.28%，替換比僅為 1.36，百公里平均燃燒效率提高了 11.15%[5]．該項技術為甲醇應用到柴油機提供了良好的應用前景．

然而，在實際道路試驗中也發(fā)現(xiàn)，對一臺臺架標定完全一樣的柴油機，當其運行柴油甲醇二元燃料時，燃料經(jīng)濟性在冬季和夏季也存在較大區(qū)別．原因在于，甲醇的汽化潛熱大，直接噴入氣道霧化，然后吸熱形成混合氣，此間進氣溫度不同，勢必影響混合氣的形成質量，從而影響缸內的燃燒．根據(jù)柴油甲醇二元燃料燃燒的特性，包括柴油與甲醇的預混燃燒、柴油的擴散燃燒、甲醇的火焰?zhèn)鞑ド踔良状嫉淖匀嫉葟碗s形式，在這些不同的燃燒模式工作中，混合氣質量起著至關重要的作用．鑒于甲醇柴油二元燃料燃燒方式是一種較為新型的方式，其燃燒機理尚未完全了解，為了使其燃燒具有更高的效率和更清潔的排放，有必要充分研究進氣溫度對燃燒和排放的影響．

為此，本文研究了在固定柴油和甲醇供給時刻和供給量條件下，進氣溫度變化對柴油甲醇二元燃料燃燒特性和煙度排放的影響．結果表明：相同工況下，進氣溫度的升高，不僅會造成滯燃期縮短、最大爆發(fā)壓力和壓力升高率增大，而且最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時刻變早、燃燒相位前移；在部分工況，變化進氣溫度還伴隨燃燒模式的轉變．進氣溫度對煙度排放也有較大影響：隨進氣溫度降低，煙度排放降低．

1 試驗裝置及方法

試驗在一臺直列 6缸增壓中冷電控單體泵柴油機上進行．發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示．

表1 發(fā)動機參數(shù)Tab.1 Parameters of the engine

對其進氣道進行柴油甲醇二元燃料燃燒的改造，每缸進氣歧管處加裝了甲醇噴嘴，并通過自行開發(fā)的ECU來控制噴醇量和噴醇時刻．噴射的甲醇在進氣管內和空氣混合形成甲醇混合氣，然后在缸內由柴油引燃，以實現(xiàn)二元燃料燃燒．試驗系統(tǒng)如圖1所示．

圖1 試驗用發(fā)動機臺架系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the experimental apparatus system

試驗所用的主要測試設備有：杭州奕科機電技術公司的CW5-5000/15000測功機及FST2E發(fā)動機測控系統(tǒng)，控制發(fā)動機扭矩和轉速；柴油和甲醇的消耗量由奕科的 2臺 FCMM-2智能油耗儀分別測量；Kistler公司生產(chǎn)的型號為 6052CU20缸壓傳感器與AVL公司生產(chǎn)的燃燒分析儀結合使用來測量發(fā)動機的燃燒過程．不透光煙度通過AVL439不透光煙度計進行測量．干碳煙排放量通過 AVL415S濾紙煙度計進行測量，其計算式[6]為

式中：ci為各次采樣測得的煙度；Pact為凈功率；mair、mfuel分別為空氣和燃料的總質量．

甲醇噴射壓力恒定保持在 0.42,MPa，甲醇噴射由專門研制的電控單元控制．進氣溫度的改變通過一個帶 PID的步進電機調節(jié)中冷器水流量來控制，傳感器安裝在中冷器后，傳感器誤差±0.1,℃．試驗用柴油為市場上購買的 0號輕柴油，硫含量低于350×10-6．甲醇純度為質量分數(shù)99.9%．

在常用低轉速 1,300,r/min和常用高轉速1,800,r/min下，固定甲醇與柴油的噴射量和噴射時刻，保持平均有效壓力BMEP基本不變，試驗工況如表 2所示．試驗時，待試驗工況穩(wěn)定后，采集 100個循環(huán)的缸內壓力信號做平均，經(jīng)過處理得到缸內壓力、放熱率、CA5(累積放熱 5%)和 CA90(累積放熱90%)，然后對其進行詳細的對比分析．

表2 試驗工況Tab.2 Operating conditions

2 試驗結果與分析

2.1 進氣溫度對缸內壓力的影響

進氣預混甲醇對柴油的燃燒有非常顯著的影響，會延長滯燃期，使燃燒等容度提高[7]．然而，進氣預混甲醇后的燃燒狀況又與進氣溫度密切相關．圖2(a)為 1,300,r/min、較小負荷時進氣溫度對缸內壓力和放熱率的影響．從圖中可以看出，隨著進氣溫度升高，最大爆發(fā)壓力升高，最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時刻前移，整個壓力曲線上移．這主要是因為較高的進氣溫度使缸內熱氛圍溫度升高，加速了著火和燃燒反應，促使壓力升高，著火提前．此外，早的著火時刻也使燃燒相位更接近上止點，進一步促進了爆發(fā)壓力升高．由于著火時刻提前，放熱相位相應前移，如圖2(a)中所示，預混燃燒前移，這在一定程度上使柴油混合時間減少，減小了柴油預混燃燒的比例．圖2(b)為1,300,r/min、較大負荷時進氣溫度對缸內壓力和放熱率的影響．與較小負荷時類似，隨著進氣溫度升高，最大爆發(fā)壓力變大，最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時間變早，預混燃燒前移．和較小負荷時不同，1,300,r/min、較大負荷時其爆發(fā)壓力上升幅度不大，但是著火時刻提前了近 10°,CA．從放熱率圖中可以看出，1,300 r/min、較大負荷時，預混燃燒大幅前移，擴散燃燒變化不大，燃燒持續(xù)期變長．圖 2(c)為 1,800,r/min、較小負荷時進氣溫度對缸內壓力和放熱率的影響．隨進氣溫度升高，最大爆發(fā)壓力變大，最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時間變早，整個缸壓曲線向前向上移動．從圖中可以看出，1,800,r/min、較小負荷，在進氣溫度為40,℃時，由于進氣溫度較低和甲醇對柴油著火的延遲作用[8]，其燃燒相位靠后，給柴油相當充分的混合時間，充分混合的柴油甲醇空氣混合氣出現(xiàn)單峰放熱(類似于化學反應動力學控制壓燃[9-11])．隨著進氣溫度的升高其著火相位快速提前，燃燒模式也逐漸發(fā)生改變，當進氣溫度到達 70,℃時，柴油甲醇的預混放熱與擴散燃燒就已區(qū)分明顯．圖2(d)為1,800,r/min、較大負荷時進氣溫度對缸內壓力和放熱率的影響．與之前的結果類似，隨進氣溫度升高，最大爆發(fā)壓力增大，最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時間變早，整個缸壓曲線向前向上移動．從圖中可以看出，1,800,r/min、較大負荷，在進氣溫度為 40,℃時，由于進氣溫度較低和甲醇對柴油著火的延遲作用，其著火時刻較遲．隨著進氣溫度的升高，其預混放熱快速前移，而擴散燃燒基本不變．值得注意的是，當進氣溫度超過 60,℃時，大量放熱發(fā)生于上止點前，促使壓縮負功增加，效率降低．可見，當進氣溫度過高時，缸內的甲醇混合氣已經(jīng)在壓縮過程中被充分地活化，以致在柴油噴進前便自行著火．

圖2 進氣溫度對缸內壓力和放熱特性的影響Fig.2 Effect of intake temperature on cylinder pressure and heat release rate

上述研究表明，進氣溫度對柴油甲醇二元燃料的燃燒有很大的影響：相同工況下，進氣溫度從 40,℃變化到 70,℃可使爆發(fā)壓力相差 4,MPa，著火時刻相差 15,°CA．進氣溫度主要會影響著火的時間，控制預混柴油的量，從而影響柴油甲醇的燃燒和排放．因此在工程實踐中應將進氣溫度控制在適當?shù)姆秶畠?，確保柴油甲醇二元燃料發(fā)動機的穩(wěn)定高效運行．

2.2 進氣溫度對滯燃期的影響

滯燃期是針閥開始升起到快速放熱開始的時間間隔．滯燃期是燃燒控制的重要參數(shù)，對控制柴油甲醇二元燃料燃燒高效運行工況范圍具有重要作用．進氣預混甲醇能夠延長柴油的滯燃期[7-8]．圖 3為進氣溫度對滯燃期的影響．從圖中可以看出隨著進氣溫度的升高，各個工況滯燃期都縮短，這與傳統(tǒng)柴油機的變化規(guī)律一致．但是不同工況，滯燃期變化的情況差異很大．1,300,r/min、較小負荷時，隨進氣溫度的升高，滯燃期變化不超過 1°,CA．1,300,r/min、較大負荷時，隨進氣溫度升高，滯燃期大幅縮短，進氣溫度從 40,℃到 80,℃，滯燃期縮短了近 10°,CA. 1,800,r/min時進氣溫度對滯燃期影響的規(guī)律與1,300,r/min時類似，較小負荷時，進氣溫度從40,℃變化到 80,℃，滯燃期縮短了約 16°,CA，而較大負荷時進氣溫度從 40,℃變化到 80,℃，滯燃期縮短了約15°,CA．綜上，進氣溫度對柴油甲醇二元燃料燃燒的滯燃期有較大影響，進氣溫度對較高轉速時滯燃期的影響要比低轉速時大．快，燃燒的等容度高，相比于傳統(tǒng)柴油機具有很好的經(jīng)濟性[3-5]．圖 4是不同工況下輸出扭矩和進氣溫度及當量比油耗的關系．當量比油耗計算式為

式中：HLd和HLm為柴油和甲醇的質量熱值；Gd和Gm

圖4 進氣溫度對輸出扭矩和當量比油耗的影響Fig.4 Effect of intake temperature on specific fuel consumption and output torque

圖3 進氣溫度對滯燃期的影響Fig.3 Effect of intake temperature on ignition delay

2.3 進氣溫度對經(jīng)濟性的影響

柴油甲醇二元燃料燃燒由于壓縮功小，放熱速率為柴油和甲醇的消耗量；Pe為有效功率．圖中原柴油機油耗是指進氣溫度為50,℃時柴油機在純柴油下工作所測得的油耗．圖4(a)為1,300,r/min、較小負荷時進氣溫度對扭矩和當量比油耗的影響．隨進氣溫度的升高，扭矩和當量比油耗變化不明顯，但該工況柴油甲醇二元燃料的當量比油耗總體低于原柴油機油耗．圖4(b)為1,300,r/min、較大負荷時進氣溫度對扭矩和當量比油耗的影響．從圖中可以看出，隨進氣溫度上升，輸出扭矩下降，當量比油耗上升，可見進氣溫度的升高對低速較大負荷工況有不利影響．主要因為隨著進氣溫度的上升，燃燒持續(xù)期變長，熱效率下降，如圖2(b)所示．圖4(c)是1,800,r/min、較小負荷時進氣溫度對扭矩和當量比油耗的影響．隨著進氣溫度的上升，輸出扭矩逐漸上升，當量比油耗降低．主要是由于放熱相位得到了較好的改進，熱效率提高，如圖2(c)所示．圖4(d)是1,800,r/min、較大負荷時進氣溫度對扭矩和當量比油耗的影響．從圖中可以看出，從 50,℃到 74,℃的過程中，隨進氣溫度上升，扭矩提高，當量比油耗下降，但是當進氣溫度從74,℃上升到 80,℃的過程中，隨進氣溫度上升，扭矩下降，當量比油耗升高．與 1,800,r/min、較小負荷類似，從 50,℃到 74,℃的過程中，隨進氣溫度上升當量比油耗降低，主要是因為燃燒相位改進，而進氣溫度從74,℃上升到80,℃的當量比油耗升高，主要是因為過高的進氣溫度使大量甲醇在上止點前燃燒，使壓縮負功增加，如圖 2(d)所示．綜上，進氣溫度對柴油甲醇二元燃料燃燒的輸出扭矩和當量比油耗有較大影響，在低速較大負荷時，進氣溫度升高會導致輸出扭矩下降和當量比油耗降低；在高速時，進氣溫度升高能提高輸出扭矩并降低當量比油耗，但過高的進氣溫度會使大量甲醇在上止點之前燃燒，降低輸出扭矩并提高當量比油耗．

2.4 進氣溫度對碳煙排放的影響

進氣噴入甲醇能大幅降低柴油機的碳煙排放.從圖 5(a)、(b)中可以看到，隨著進氣溫度的上升，1,300,r/min時，較小負荷和較大負荷下的不透光煙度與干碳煙排放都升高，而較大負荷時的不透光煙度和干碳煙排放都比較小負荷時高．圖 5(c)和(d)與圖5(a)、(b)類似，隨進氣溫度升高，1,800,r/min時，兩個負荷下的不透光煙度排放都升高．總體上較小負荷時不透光煙度排放比較大負荷時高，但是當溫度超過 70,℃時，較大負荷的不透光煙度急速升高，超過較小負荷時的不透光煙度．1,800,r/min、較大負荷時，隨進氣溫度上升，干碳煙排放逐漸上升；而較小負荷時，干碳煙排放隨進氣溫度上升變化不大，但總體也呈現(xiàn)上升趨勢．

圖5 進氣溫度對不透光煙度和碳煙排放的影響Fig.5 Effect of intake temperature on smoke opacity and soot

綜上，隨著進氣溫度的升高，柴油甲醇二元燃料燃燒的不透光煙度和干碳煙排放逐漸升高．相同工況下，進氣溫度從 50,℃上升到 80,℃，干碳煙排放最多可升高 10倍．說明提高進氣溫度對甲醇柴油二元燃料發(fā)動機的煙度排放有不利影響．各個工況下柴油甲醇二元燃料發(fā)動機碳煙排放上升，主要是由于隨著進氣溫度的上升，滯燃期縮短，使得柴油的預混燃燒減少，如圖2和圖3所示．

3 結 論

(1) 進氣溫度對柴油甲醇二元燃料的燃燒有巨大的影響，相同工況下，進氣溫度不同可使爆發(fā)壓力相差4,MPa，著火時刻相差15°,CA．進氣溫度主要會影響其著火的時間，控制預混柴油的量，從而影響柴油甲醇的燃燒和排放．因此在工程實踐中應將進氣溫度控制在適當?shù)姆秶畠龋_保柴油甲醇二元燃料發(fā)動機的穩(wěn)定高效運行．

(2) 進氣溫度對柴油甲醇二元燃料燃燒的滯燃期有較大影響，隨進氣溫度升高，各工況滯燃期一致縮短．進氣溫度對高轉速時滯燃期的影響較低轉速時大．

(3) 進氣溫度對柴油甲醇二元燃料燃燒的輸出扭矩和當量比油耗有較大影響，在低速、較大負荷時，進氣溫度升高會導致輸出扭矩下降和當量比油耗升高；在高速時，進氣溫度升高能提高輸出扭矩并降低當量比油耗，但過高的進氣溫度會使大量甲醇在上止點之前燃燒，降低輸出扭矩并提高當量比油耗．

(4) 進氣溫度對柴油甲醇二元燃料燃燒的碳煙排放有較大影響，相同工況下，進氣溫度從 50,℃上升到80,℃，不透光煙度最多可升高10倍．70,℃是不透光煙度的轉折點．

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(責任編輯：金順愛)

Effect of Intake Air Temperature on Combustion and Soot Emission Characteristics of Diesel-Methanol Dual Fuel Engine

Yao Chunde，Pan Wang，Wei Lijiang，Liu Junheng，Wang Quangang，Yu Haitao
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Effect of intake air temperature on combustion and soot emission of a compression ignition engine operated on diesel-methanol dual fuel(DMDF)was investigated. The results show that increasing the intake air temperature would increase peak pressure and shorten the ignition delay. The centre of the premixed heat release curve was closer to the top-dead-center with the increase of the intake air temperature. For a specific operation point，the brake pressure increased by 4,MPa and ignition was delayed by 15°,CA with intake air temperature changes from 40,℃ to 70,℃. The engine power and specific fuel consumption experienced a slight variation with the increase of the intake temperature. The specific fuel consumption decreased and the output torque increased with the increase of the intake air temperature at high speed. The specific fuel consumption increased and the output torque decreased with the increase of intake air temperature at low speed and high load. This would be due to the change of combustion characteristics. The soot emission decreased with the decreasing of intake air temperature. It is proved that DMDF holds the best combustion and emission characteristics when the intake air temperature is fixed between 50—70,℃.

intake air temperature；dual fuel combustion；methanol；combustion characteristics；soot emission

TK464

A

0493-2137(2015)04-0328-06

10.11784/tdxbz201310050

2013-10-18；

2013-12-20.

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011AA111719)；國家自然科學基金資助項目(51176135).

姚春德（1955— ），男，博士，教授，arcdyao@tju.edu.cn.

潘 望，whuttju@tju.edu.cn.

時間：2014-01-03.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201310050.html.