耿 新

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

引言

甲醇是公認(rèn)的極其具有前景的替代燃料。很多學(xué)者都對(duì)甲醇車用技術(shù)進(jìn)行了積極的研究和開發(fā)，但由于甲醇汽化潛熱大和熱值低等因素使得其無法直接應(yīng)用與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，本文大膽利用生物柴油和PODE 高十六烷值特性，作為甲醇預(yù)混合氣的引燃燃料，來探究對(duì)比不同甲醇預(yù)混合氣的燃燒經(jīng)濟(jì)性。

1 試驗(yàn)燃料及理化特性

本試驗(yàn)中所用的生物柴油、甲醇和PODE 的理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用各燃料的理化性質(zhì)

甲醇作為含氧燃料代表，由于燃料分子中的氧在燃燒過程中起到自供氧作用，從而改善柴油機(jī)燃燒和排放性能[1]，尤其是可以大幅度降低碳煙的排放[2]，且甲醇來源廣泛價(jià)格低廉，而其十六烷值較低，難以直接在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上使用是需要研究解決的問題。

生物柴油黏度高，揮發(fā)性差等原因會(huì)使得在柴油機(jī)上應(yīng)用產(chǎn)生較高的NOx 和較差的經(jīng)濟(jì)性，因此常常將生物柴油與其他黏度和揮發(fā)性特點(diǎn)好的燃料混合使用。

聚甲氧基二甲醚（簡稱PODEn）簡式為：CH3O（CH2O）nCH3（其中n≥1，本試驗(yàn)采用的n 值為3 的混合物），其作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上表現(xiàn)出優(yōu)良的燃燒和排放特性[3]。PODE由于其高含氧、高十六烷值和排放清潔等特點(diǎn)[4-6]，近年來逐漸受到清潔燃料行業(yè)的關(guān)注。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析方法

本實(shí)驗(yàn)中PODE、生物柴油供給采用原機(jī)的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。甲醇由在進(jìn)氣管上的甲醇噴油系統(tǒng)供給，試驗(yàn)中固定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不變，通過同時(shí)調(diào)整缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射來改變甲醇質(zhì)量比，直至尋找到該工況下最大的甲醇質(zhì)量比。

試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算公式為：

甲醇質(zhì)量比r：

有效燃油消耗率bBSFC：

有效熱效率ηet：

式中：BM、BI分別指甲醇和引燃油的油耗量，kg/h；HLd、HI、HM分別為柴油、引燃燃料和甲醇的低熱值，MJ/kg；bI和bM分別為引燃燃料和甲醇的燃油消耗率，g/（kW·h）；We為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功，J；Q為燃料完全燃燒所釋放的總能量，J；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率，KW。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 所示為不同工況下，兩種引燃燃燒模式有效熱效率和有效燃油消耗率在不同甲醇質(zhì)量比下的對(duì)比圖。從圖中可以看出，PODE 引燃模式相較生物柴油引燃模式具有更高的熱效率，而且燃油經(jīng)濟(jì)性更好。

圖1 甲醇質(zhì)量比對(duì)熱效率和燃油消耗率的影響

在小負(fù)荷時(shí)，PODE 引燃燃燒模式在甲醇質(zhì)量比為15%附近時(shí)，有效熱效率達(dá)到最大約為38%，此時(shí)甲醇質(zhì)量比為15%；生物柴油引燃燃燒模式熱效率，有效熱效率最大值約為34%，對(duì)應(yīng)的甲醇質(zhì)量比略高于PODE 引燃模式。對(duì)于熱效率出現(xiàn)這種狀況的原因在于，PODE 燃料相較于生物柴油，其燃油霧化性較好，加上其富氧特性，其在被壓燃后可以具有很快的燃燒速度，促進(jìn)甲醇預(yù)混合氣的燃燒進(jìn)程，這種快速燃燒可以使得放熱率中心在接近上止點(diǎn)附近，因此可以獲得較高的有效熱效率。甲醇預(yù)混合氣的加入對(duì)于生物柴油模式有效熱效率提高的原因在于甲醇預(yù)混合氣的含氧可以改善局部缺氧同時(shí)甲醇預(yù)混合氣可以提高燃燒等容度。

PODE 引燃燃燒模式具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性這是由于PODE 燃料本身的高十六烷值特性使得燃料極易壓燃，在缸內(nèi)甲醇預(yù)混合氣汽化潛熱造成缸內(nèi)溫度低的情況下，PODE更易達(dá)到著火極限，可以在極少引燃油的情況下引燃質(zhì)量比較高的甲醇預(yù)混合氣，甲醇預(yù)混合氣質(zhì)量比越高則燃油經(jīng)濟(jì)性越好。

兩種引燃模式當(dāng)甲醇質(zhì)量比超過一定范圍時(shí)，其對(duì)缸內(nèi)溫度的影響使得燃燒環(huán)境偏低溫，燃燒經(jīng)濟(jì)性變差。

中等負(fù)荷時(shí)，生物柴油引燃模式的有效熱效率和燃油消耗率在甲醇質(zhì)量比增加的情況下與PODE 引燃模式呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在30%～40%的甲醇質(zhì)量比范圍內(nèi)，生物柴油引燃燃燒模式的熱效率逐漸增大燃油消耗率減小，熱效率則高于原機(jī)。PODE 引燃模式則在中等負(fù)荷時(shí)熱效率和經(jīng)濟(jì)性隨甲醇質(zhì)量比的增加有變差趨勢。這與引燃燃料的熱值有著密不可分的關(guān)系，PODE 燃料的低熱值相對(duì)生物柴油較低，因此點(diǎn)火能量少，燃燒經(jīng)濟(jì)性較差。

在大負(fù)荷時(shí)，由于PODE 引燃模式燃燒容易粗暴，因此可以PODE 引燃模式有效熱效率和經(jīng)濟(jì)性變化波動(dòng)較大，這種模式下總體經(jīng)濟(jì)性還是較差的。生物柴油引燃模式變化則與中等負(fù)荷時(shí)類似。

4 結(jié)論

PODE 引燃模式相較柴油引燃模式更適用于中小負(fù)荷，此時(shí)只要控制甲醇質(zhì)量比在一個(gè)較小的范圍內(nèi)就可以獲得較高的有效熱效率和燃油消耗率。對(duì)于生物柴油模式，甲醇預(yù)混合氣對(duì)于燃燒進(jìn)程還是有提升作用的，這與甲醇含氧特性和燃燒速度快有關(guān)。生物柴油引燃模式相較PODE 引燃模式整體變化更平穩(wěn)。