謝滿， 蔣炎坤

(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

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·性能研究·

汽油機(jī)摻燒甲醇裂解氣試驗(yàn)研究

謝滿， 蔣炎坤

(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

在1臺(tái)電噴汽油機(jī)上進(jìn)行了摻燒甲醇裂解氣試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了甲醇裂解系統(tǒng)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣裂解甲醇，并將裂解氣送入氣缸燃燒，研究了摻燒甲醇裂解氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在管式裂解器中，甲醇裂解的主要產(chǎn)物是H2和CO，體積分?jǐn)?shù)分別為60.7%～64.8%,19.1%～23.1%；汽油摻燒甲醇裂解氣會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩降低，發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量燃料消耗率下降，熱效率增加，甲醇替代比為20%時(shí)，不同負(fù)荷下當(dāng)量燃料消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%，有效熱效率由原機(jī)32.47%提高到35.57%；原機(jī)和摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率均隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而增加，相同過(guò)量空氣系數(shù)條件下，摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率比原機(jī)高。

甲醇裂解氣； 混合燃料； 燃料經(jīng)濟(jì)性

能源緊缺和環(huán)境污染是人類面臨的兩大難題，人們迫切需要尋找代用燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油，其中低污染的醇類和氫氣備受關(guān)注。甲醇密度與汽油相近，辛烷值較高，可提高壓縮比改善經(jīng)濟(jì)性；而且甲醇含氧量較高，在缸內(nèi)燃燒充分，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放[1]。但甲醇汽化潛熱大，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難，同時(shí)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛和乙醛等非常規(guī)排放物高于汽油機(jī)[2-4]。1971年，Pefley[5]首先提出甲醇裂解氣(DM)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，此后國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于化油器式汽油機(jī)對(duì)DM發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大量研究[6-9]，近年來(lái)相關(guān)研究發(fā)展到基于電噴汽油機(jī)改造的DM發(fā)動(dòng)機(jī)[10-14]。

在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上部分摻燒甲醇裂解氣可使發(fā)動(dòng)機(jī)具有DM發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免DM發(fā)動(dòng)機(jī)存在的部分問(wèn)題。汽油摻燒甲醇裂解氣是將甲醇裂解器串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道上，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣流經(jīng)甲醇裂解器對(duì)其加熱，液體甲醇噴入裂解器中，受熱蒸發(fā)并在催化劑表面發(fā)生裂解反應(yīng)，生成H2和CO，生成的裂解氣與汽油一起進(jìn)入氣缸，實(shí)現(xiàn)汽油摻混裂解氣燃燒。甲醇裂解是吸熱反應(yīng)，生成的裂解氣其低熱值相對(duì)于液態(tài)甲醇增加了20%，反應(yīng)需要的能量全部由高溫排氣提供。因此，通過(guò)甲醇裂解器吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱，將液體甲醇裂解為熱值更高的甲醇裂解氣送入氣缸燃燒，相當(dāng)于使用化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成了一個(gè)排氣能量再利用的底部循環(huán)，有效提高了燃料綜合熱效率。同時(shí)，甲醇裂解生成的富氫氣體能夠改善缸內(nèi)混合氣燃燒，提高燃燒熱效率并改善排放。為了對(duì)汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面深入的研究，本研究對(duì)一臺(tái)電噴汽油機(jī)進(jìn)行改造，并進(jìn)行摻燒甲醇裂解氣的試驗(yàn)研究，為汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 甲醇催化裂解及其反應(yīng)器

1.1 甲醇催化裂解

甲醇裂解反應(yīng)同時(shí)也是工業(yè)上甲醇合成的逆反應(yīng)，這是一個(gè)可逆反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)行的程度受到化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)溫度、催化劑等諸多因素影響。甲醇不可能完全裂解，因此實(shí)際從裂解器中出來(lái)的氣體中還含有部分沒(méi)有裂解的甲醇蒸氣。同時(shí)，甲醇裂解過(guò)程中還可能存在式(1)～式(6)等副反應(yīng)，導(dǎo)致裂解氣中還有CH4，CO2，CH3OCH3等成分。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

這些副反應(yīng)大多數(shù)是放熱反應(yīng)，不利于排氣能量再利用，副反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致生成的H2減少，而如式(6)反應(yīng)生成的碳可能會(huì)導(dǎo)致催化劑結(jié)焦。因此，需要抑制副反應(yīng)的進(jìn)行。副反應(yīng)進(jìn)行程度主要與反應(yīng)溫度、加料空速和催化劑種類有關(guān)，通過(guò)合理地控制反應(yīng)溫度和加料空速，并選擇合適的催化劑可以有效地將副反應(yīng)控制在較低水平。

本研究選用課題組制備并改進(jìn)的Cu-Zn催化劑，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)催化劑催化活性和選擇性進(jìn)行研究。在管式反應(yīng)器中進(jìn)行甲醇裂解試驗(yàn)，反應(yīng)溫度由溫控儀控制，通過(guò)流量控制閥調(diào)節(jié)甲醇供應(yīng)速度，利用采樣管對(duì)裂解氣進(jìn)行采樣，并通過(guò)氣相色譜分析儀進(jìn)行成分分析。

裂解氣中的主要成分是H2和CO，另外還有少量的甲醇蒸氣、CH4和CO2。一般而言，裂解氣中H2和CO的濃度可以直接反映甲醇裂解的效果。圖1示出了反應(yīng)溫度為380 ℃時(shí)，H2和CO的濃度隨甲醇加料空速的變化。由圖可知，在加料空速為1.2～2.5 h-1范圍內(nèi)，裂解氣中H2體積分?jǐn)?shù)為60.7%～64.8%，CO體積分?jǐn)?shù)為19.1%～23.1%。說(shuō)明選用的Cu-Zn催化劑具有良好的催化活性和選擇性，通過(guò)合理控制反應(yīng)溫度和甲醇空速可以將甲醇裂解率保持在較高水平，使裂解氣中H2和CO的總量在80%以上。

圖1 甲醇裂解產(chǎn)物隨空速的變化

1.2 甲醇裂解反應(yīng)器

甲醇裂解反應(yīng)器(見(jiàn)圖2)主體部分由圓柱體構(gòu)成，柱體內(nèi)部按軸向安裝24根換熱管，催化劑裝在殼體和換熱管之間，一起構(gòu)成反應(yīng)室。高溫排氣流經(jīng)裂解器，通過(guò)換熱管將熱量傳遞給反應(yīng)室，甲醇噴入到反應(yīng)室中，受熱汽化為甲醇蒸氣，并在催化劑表面發(fā)生裂解反應(yīng)生成H2和CO。

反應(yīng)溫度對(duì)于甲醇裂解裂反應(yīng)十分重要。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，排氣溫度和流量隨運(yùn)行工況發(fā)生改變，導(dǎo)致裂解器反應(yīng)室溫度改變。為將甲醇裂解器溫度控制在380 ℃附近，在裂解器反應(yīng)室中安裝了溫度傳感器，以測(cè)量反應(yīng)溫度。在裂解器入口處設(shè)計(jì)了電控旁通閥，控制參與換熱的廢氣流量。當(dāng)裂解器溫度較低時(shí)，旁通閥關(guān)閉，高溫排氣全部流經(jīng)換熱管參與換熱，強(qiáng)化廢氣熱量傳遞；當(dāng)裂解器溫度過(guò)高時(shí)，旁通閥打開(kāi)，部分廢氣從旁通管道直接流出。

低負(fù)荷工況下，排氣溫度較低，達(dá)不到裂解器反應(yīng)溫度要求，同時(shí)為縮短冷起動(dòng)時(shí)間，裂解器上安裝有2個(gè)電加熱線圈，可對(duì)裂解器進(jìn)行加熱。

裂解器溫度由溫控儀控制，溫度低于380 ℃時(shí)，裂解器旁通閥關(guān)閉，高溫排氣全部流經(jīng)換熱管道將熱量傳遞給反應(yīng)室，同時(shí)接通加熱線圈對(duì)其加熱，使裂解器溫度快速上升；裂解器溫度達(dá)到380 ℃后，斷開(kāi)電加熱線圈，此時(shí)只用排氣能量加熱；當(dāng)裂解器溫度高于420 ℃時(shí)，溫控儀控制裂解器旁通閥打開(kāi)，部分高溫排氣通過(guò)旁通管流出，降低換熱量以保證裂解器處于合適的反應(yīng)溫度區(qū)間。

圖2 甲醇裂解器結(jié)構(gòu)示意

2 甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)主要包括A16電噴汽油機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)、智能油耗儀和回油處理器、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻恒溫系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油恒溫系統(tǒng)、進(jìn)排氣溫度傳感器、寬域氧傳感器、甲醇裂解系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本研究基于1.6 L進(jìn)氣道多點(diǎn)電控噴射汽油機(jī)進(jìn)行摻燒甲醇裂解氣試驗(yàn)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 A16發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

甲醇裂解系統(tǒng)主要包括甲醇裂解器、甲醇裂解器溫度傳感器、裂解器溫控模塊、甲醇箱、甲醇泵、甲醇噴嘴、醇耗儀、裂解氣輸送管路以及甲醇噴射控制單元等。

改裝之后的摻燒甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。冷起動(dòng)工況下，甲醇裂解器溫度不能達(dá)到有效裂解反應(yīng)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)采用汽油起動(dòng)，利用高溫排氣加熱裂解器。當(dāng)溫度傳感器測(cè)得裂解器溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，甲醇噴射控制單元控制甲醇噴嘴將液體甲醇噴入裂解器中。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，裂解器溫度由溫控儀控制，通過(guò)接收溫度傳感器的溫度信號(hào)并對(duì)旁通閥的開(kāi)關(guān)以及電加熱器的通斷進(jìn)行控制，將裂解器的溫度控制在380～420 ℃之間。甲醇吸收排氣能量汽化為甲醇蒸氣，并在催化劑表面發(fā)生催化裂解反應(yīng)生成裂解氣；甲醇裂解氣經(jīng)過(guò)輸氣管路送入節(jié)氣門前，與汽油一起進(jìn)入氣缸燃燒。通過(guò)改變甲醇噴射流量，可以有效調(diào)節(jié)裂解氣的生成量，控制裂解氣摻混比例；隨著甲醇噴射量的增加，汽油噴射量將逐漸降低，以保證混合氣濃度在目標(biāo)值附近，達(dá)到有效控制摻混燃燒的目的。

1—甲醇裂解器；2—測(cè)功機(jī)；3—控制柜；4—進(jìn)氣管；5—排氣管；6—甲醇箱；7—醇耗儀；8—甲醇泵；9—甲醇噴嘴；10—甲醇噴射ECU；11—燃油箱；12—油耗儀；13—燃油泵；14—燃油噴嘴；15—發(fā)動(dòng)機(jī)ECU；16—節(jié)氣門；17—燃?xì)獗恚?8—寬域氧傳感器；19—溫度傳感器；20—溫控儀圖3 試驗(yàn)裝置示意

3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究汽油摻燒甲醇裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下進(jìn)行，分析不同的甲醇替代比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，同時(shí)研究了稀混合氣下汽油摻燒甲醇裂解氣的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。甲醇替代比l和當(dāng)量燃料消耗率beq的定義如下：

(8)

(9)

式中：HLg是汽油的低熱值，數(shù)值為43.94 MJ/kg；HLm是甲醇的低熱值，數(shù)值為19.68 MJ/kg；Gg和Gm分別是指汽油和甲醇的消耗量；Pe是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

3.1 動(dòng)力性

圖4示出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、節(jié)氣門開(kāi)度固定為17%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨甲醇替代比的變化情況。純汽油運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩為60 N·m，隨著甲醇替代比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩逐漸下降，當(dāng)替代比為50%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為55.9 N·m，下降了6.8%。節(jié)氣門位置固定時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量基本不變，甲醇裂解為氣體，并且含有密度很小的氫氣，每循環(huán)進(jìn)入氣缸的裂解氣要占據(jù)一定的氣缸容積，從而影響進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣量；隨著甲醇替代比的增加，在固定節(jié)氣門開(kāi)度時(shí)，進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣減少，噴油量降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降。

圖4 扭矩隨甲醇替代比的變化

3.2 燃料經(jīng)濟(jì)性

圖5示出了不同替代比下，發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量燃料消耗率隨負(fù)荷的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)在各負(fù)荷下，汽油摻燒甲醇裂解氣的當(dāng)量燃料消耗率相對(duì)于純汽油有所降低，且隨著甲醇替代比的增加當(dāng)量燃料消耗率降低幅度增加；甲醇替代比為20%時(shí)，不同負(fù)荷下當(dāng)量燃油消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%。汽油摻燒甲醇裂解氣，裂解氣取代部分汽油參與燃燒，甲醇價(jià)格相對(duì)于汽油更低廉，摻燒甲醇裂解氣可以降低汽油消耗量，有利于降低燃料成本。

圖5 當(dāng)量燃料消耗率的變化

圖6示出了發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率隨負(fù)荷的變化。由圖可知，在20～100 N·m范圍內(nèi)，摻燒甲醇裂解氣有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，隨著甲醇替代比增加，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率提高。在2 000 r/min，100 N·m工況下，原機(jī)有效熱效率為32.47%，甲醇替代比為20%時(shí)，有效熱效率提高到35.57%。各負(fù)荷下，摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得比原機(jī)更高的熱效率。甲醇裂解器能有效回收利用部分排氣能量，使液態(tài)甲醇吸收排氣能量蒸發(fā)裂解成H2和CO，提高燃料熱值，使得發(fā)動(dòng)機(jī)綜合熱效率升高；而且甲醇裂解氣中的H2擴(kuò)散系數(shù)大，有利于形成均勻混合氣，其層流火焰速度快，缸內(nèi)燃燒過(guò)程在上止點(diǎn)附近進(jìn)行，更接近定容燃燒，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。

圖6 有效熱效率的變化

3.3 稀薄燃燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響

圖7示出了在2 000 r/min，60 N·m工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化。從圖中可知，原機(jī)和摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而增加，相同過(guò)量空氣系數(shù)條件下，摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率比原機(jī)高。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.0時(shí)，原機(jī)和摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率分別為30.44%和32.15%；過(guò)量空氣系數(shù)增加到1.31時(shí)，有效熱效率分別增加到32.51%和34.34%。隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加，缸內(nèi)新鮮空氣比例增加，O2含量增大，混合氣燃燒更加充分；由于裂解氣中的H2火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，摻混裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程更迅速，同時(shí)H2的火焰淬熄距離更短，有利于氣缸壁面附近和裂隙中混合氣的燃燒，可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

圖7 有效熱效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化

4 結(jié)論

a) 反應(yīng)溫度為380 ℃、空速為1.2～1.5 h-1時(shí)，甲醇在管式裂解器中裂解生成的裂解氣成分中H2體積分?jǐn)?shù)為60.7%～64.8%，CO體積分?jǐn)?shù)為19.1%～23.1%；

b) 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨甲醇替代比的增加而降低，甲醇替代比為50%，輸出扭矩下降6.8%；

c) 汽油摻燒甲醇裂解氣有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗，且隨著甲醇替代比的增加當(dāng)量燃料消耗率降低幅度增加；甲醇替代比為20%時(shí)，當(dāng)量燃油消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%，有效熱效率由原機(jī)32.47%提高到35.57%；

d) 原機(jī)和摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而增加，相同過(guò)量空氣系數(shù)條件下，摻燒裂解氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率比原機(jī)高。

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[編輯： 姜曉博]

Experimental Study on Performance of SI Engine Fueled with Gasoline and Dissociated Methanol Blends

XIE Man, JIANG Yankun

(Energy and Power Engineering School of Huazhong University Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The experimental study on performance of an electronic control injection gasoline engine fueled with gasoline and dissociated methanol blends was conducted. The dissociation system for methanol was designed, methanol was dissociated with the high temperature exhaust in the dissociated reactor, the dissociated methanol gas joined in the combustion of gasoline and the influences of dissociated methanol on the fuel economy and engine power were researched. The main components of dissociated methanol were hydrogen and carbon monoxide, 60.7%-64.8% and 19.1%-23.1% volume fraction respectively. The participation of dissociated methanol would lead to output torque,and equivalent specific fuel consumption decrease and effective thermal efficiency increase. The equivalent specific fuel consumption decreased by 6% to 8.8% and the effective thermal efficiency increased from 32.47% to 35.57% when the proportion of methanol substitution was 20%. The effective thermal efficiency for the original engine and the engine fueled with dissociated methanol blends both increased with the increase of excess air coefficient. Gasoline engine fueled with the blends had higher effective thermal efficiency in the same excess air coefficient condition.

dissociated methanol； blended fuel; fuel economy

2015-12-31；

2016-02-18

謝滿(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槠蛽交旒状剂呀鈿獍l(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究；357374703@qq.com。

蔣炎坤(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)、燃燒、排放及其數(shù)模模擬等；jykhust@hust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.007

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1001-2222(2016)03-0035-05