李瑞娜 余 超 孫天碩 韋壯邦

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

引言

在我國(guó)“缺油，少氣，相對(duì)富煤”的能源形勢(shì)下，尋找優(yōu)質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。甲醇可以從煤、天然氣、生物等原料中制取，生產(chǎn)甲醇的工藝也比較成熟。經(jīng)測(cè)算，M15（15%甲醇和85%柴油）和M30甲醇柴油用助溶劑復(fù)配后，每噸分別可以節(jié)約成本10%和20%[1]。甲醇的黏度低于柴油7倍左右，且比柴油更易霧化，混合后可以促進(jìn)柴油噴霧顆粒的細(xì)化；甲醇的汽化潛熱較高，柴油替代率的增加可以降低氣缸中的燃油量，從而使燃油NOx排放量減少[2-3]。另外，甲醇還具有蒸汽壓力小，辛烷值高，含氧量高等優(yōu)點(diǎn)，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的安全性、抗爆性及燃燒充分性。天津大學(xué)姚春德等[4]采用柴油/甲醇組合燃燒（Diesel Methanol Compound Combustion，簡(jiǎn)稱DMCC）方式進(jìn)行燃燒和排放分析，結(jié)果表明，DMCC模式具有吸熱汽化，推遲著火時(shí)間，提高定容燃燒度及降低排氣溫度等優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高了燃料的燃燒效率，且含水10%的甲醇比純甲醇更能降低甲醛、NOx、HC和CO排放。西安交通大學(xué)張均強(qiáng)等[5]研究了燃用不同摻混比的甲醇和柴油混合燃料對(duì)直噴柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明：加入一定量的甲醇改善了柴油機(jī)的燃燒特性，具有較高的燃燒熱效率，煙度和CO排放隨甲醇摻混量的增加而下降。

根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輕柴油和車用柴油的著火性質(zhì)可以具體用十六烷值和十六烷指數(shù)評(píng)定。十六烷值表示柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)中著火性能的一個(gè)約定量值，十六烷指數(shù)表示柴油抗爆性能的一個(gè)計(jì)算值?！恫裼椭鹦再|(zhì)測(cè)定法（十六烷值法）》中參照采用ASTM D 613-86測(cè)定儀器，這是一臺(tái)可改變壓縮比的專用單缸柴油機(jī)（900 r/min），壓縮比可調(diào)范圍為7.95～23.50，機(jī)上裝有著火滯后期表及輔助裝置（包括4個(gè)電磁傳感器，即燃燒傳感器、噴油傳感器及2個(gè)摻比傳感器）。目前，也有一部分實(shí)驗(yàn)采用定容燃燒彈替代柴油機(jī)的方法進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用較為廣泛[6]。柴油替代燃料的著火特性一直以來(lái)都是人們研究的熱點(diǎn)。

本文在不同的環(huán)境濕度條件下采用燃料可視化燃燒的試驗(yàn)方法，通過(guò)高速攝像機(jī)記錄燃料燃燒過(guò)程，探究了空氣濕度、甲醇摻混比例、環(huán)境溫度及過(guò)量空氣系數(shù)等對(duì)燃料的滯燃期等燃燒參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案與設(shè)備

為了考察柴油機(jī)燃料在不同氛圍氣中的著火特性，開展了常壓下柴油機(jī)燃料的著火特性試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中封閉試驗(yàn)環(huán)境中的所有光源，將反應(yīng)器在電熱爐上加熱，并用熱電偶測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到初始溫度時(shí)，注入氛圍氣燃料，停留2 s，待氛圍氣燃料汽化，注入適量燃料，同時(shí)用高速相機(jī)拍攝著火過(guò)程。

配制了純柴油燃料和分別為DM10（10%的變性甲醇與90%柴油混合燃料）、DM20、DM30摻混比的甲醇/柴油混合燃料。

試驗(yàn)為了分析空氣濕度、甲醇摻混比例、環(huán)境溫度、過(guò)量空氣系數(shù)及氛圍氣等對(duì)燃料著火特性的影響，測(cè)量了分別為0.5、0.68、0.86的空氣濕度，甲醇摻混比10%、20%、30%的甲醇/柴油混合燃料，200℃、220℃、240℃、260℃的溫度，過(guò)量空氣系數(shù)為0.8、1.0、1.2燃料的滯燃期。

試驗(yàn)設(shè)備主要有：電熱爐、PT100熱電偶（直徑：1 mm，測(cè)溫范圍：73K～1373K）、燃料注射器（最小刻度0.01 mL）、高速相機(jī)。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣濕度對(duì)燃料著火特性的影響

空氣濕度是表示空氣中水汽含量和濕潤(rùn)程度的物理量。其一般采用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和含濕量表示。為方便分析，本文采用相對(duì)濕度表示空氣濕度，其計(jì)算公式為：

其中：ρw—絕對(duì)濕度，單位是 g/m3；ρw，max—最高濕度，單位是 g/m3；e—水汽壓，單位是 Pa；E—飽和水汽壓，單位是Pa。

圖1為反應(yīng)器在初始溫度220℃，燃用純柴油時(shí)燃料的滯燃期隨反應(yīng)器內(nèi)空氣濕度變化的規(guī)律曲線。空氣濕度從0.5到0.68和從0.68到0.86，燃料的滯燃期分別上升了51.8%和18.3%。總體上，擬合的曲線表明了燃料滯燃期隨著空氣濕度的增加而增加。在相同的初始溫度下，空氣濕度即空氣中的水蒸氣含量增加會(huì)抑制燃料燃燒時(shí)溫度的升高，此外隨著空氣中的水蒸氣增加，相對(duì)應(yīng)的同體積反應(yīng)器中空氣的含氧率將會(huì)下降，可燃混合氣的濃度及其與空氣接觸面積降低，導(dǎo)致燃料滯燃期延長(zhǎng)。

圖1 空氣濕度對(duì)燃料滯燃期的影響

2.2 甲醇摻混比對(duì)混合燃料著火特性的影響

圖2 顯示了常壓條件下，不同比例的甲醇與柴油的混合燃料在220℃初始溫度下滯燃期的變化情況。我們可以看出隨著甲醇摻混比的增大，著火時(shí)刻延遲，滯燃期增加。不同的燃料，十六烷值和辛烷值有所不同，表現(xiàn)為燃燒特性上的區(qū)別。甲醇的十六烷值低于柴油，柴油與甲醇混合后，混合燃料的十六烷值相對(duì)降低，從而降低了柴油的著火性能。這里用正庚烷代替柴油分析甲醇對(duì)柴油著火能力的影響[7]，當(dāng)溫度小于1 000 K時(shí)，醇類燃料對(duì)正庚烷著火能力影響很大，能明顯推遲正庚烷的滯燃期。這其中主要是因?yàn)檎榘l(fā)生低溫鏈分支反應(yīng)產(chǎn)生大量OH，甲醇則能將OH轉(zhuǎn)化為HO2自由基，進(jìn)而通過(guò)反應(yīng)式HO2+HO2=O2+H2O2生成穩(wěn)定的H2O2，造成OH的減少，系統(tǒng)的反應(yīng)活性降低，抑制了正庚烷的著火能力。

圖2 摻混不同甲醇比例的柴油滯燃期

2.3 環(huán)境溫度對(duì)混合燃料著火特性的影響

圖3 環(huán)境溫度對(duì)燃料滯燃期的影響

圖3 為反應(yīng)器在空氣濕度為45%條件下燃用甲醇摻混比為20%的燃油，通過(guò)改變初始溫度獲得燃料滯燃期變化的規(guī)律特性。由圖3中可以看出，溫度從200℃增加到260℃時(shí)，燃料滯燃期從91.5 ms持續(xù)下降到66.3 ms，降低了27.5%。從物理角度看反應(yīng)器中的溫度升高使甲醇和柴油混合燃料的蒸發(fā)速率加快，霧化加快，著火時(shí)間提前；從化學(xué)角度看反應(yīng)器中溫度升高使混合燃料分子碰撞頻率提高，使燃燒過(guò)程化學(xué)發(fā)應(yīng)速率加快，在這兩個(gè)方面的共同作用下燃料的滯燃期會(huì)在一定程度上縮短。另外，溫度在220℃至240℃的燃料滯燃期變化程度明顯大于240℃至260℃。當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)時(shí)，溫度的變化對(duì)燃料滯燃期有較大的影響，如果環(huán)境溫度過(guò)高，因受限于反應(yīng)器內(nèi)壓強(qiáng)、燃料的十六烷值、空氣中含氧濃度等方面的參數(shù)[8]，使溫度的變化不再成為制約燃料滯燃期的主導(dǎo)因素。

2.4 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)混合燃料著火特性的影響

從圖4中可以看出，在甲醇摻混比為20%，起始溫度為220℃情況下燃料滯燃期隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化情況。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，滯燃期的變化過(guò)程主要分為2個(gè)階段，在大于火焰?zhèn)鞑ド舷耷闆r下，滯燃期先逐漸減小，到達(dá)峰谷后便開始增大，直到熄火極限，變化過(guò)程呈現(xiàn)為一條開口向上拋物線。這是由于一開始實(shí)際供入的空氣量小于理論空氣量，且相差很大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)混合燃料過(guò)濃，火焰難以生成，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的逐漸增大，混合燃料的濃度有所降低，滯燃期也減小。到達(dá)峰谷之后，實(shí)際供入的空氣量大于理論空氣量，燃料濃度繼續(xù)降低，這時(shí)滯燃期開始逐漸增加，直到燃料濃度到達(dá)熄火濃度。

圖4 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃料滯燃期的影響

3 結(jié)論

1）空氣濕度的增加，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣增加，氧氣減少，使燃料燃燒的初始溫度和可燃混合氣的濃度相對(duì)降低，燃料著火時(shí)間延遲，滯燃期增加；隨著環(huán)境溫度的提高，燃料的分子熱運(yùn)動(dòng)加快，燃料著火滯燃期降低。過(guò)量空氣系數(shù)在1.0附近時(shí)，燃料的滯燃期達(dá)到最低。過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)低或過(guò)高都會(huì)增加燃料的滯燃期。

2）甲醇具有抑制柴油和混合燃料滯燃期的作用。由于甲醇的沸點(diǎn)較低，甲醇先于柴油蒸發(fā)。甲醇汽化吸熱導(dǎo)致柴油的溫度下降，柴油蒸發(fā)時(shí)間加長(zhǎng)，著火延遲，燃料的滯燃期增加。