黃粉蓮，楊 群，王正江，姚國(guó)仲，申立忠，雷基林

（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650500）

0 概述

柴油機(jī)是功率密度大、熱效率高、應(yīng)用范圍最廣的原動(dòng)力裝置。隨著國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施及“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，高效、低碳、近零排放已成為柴油機(jī)發(fā)展的重要方向。提高熱效率、燃料多元化是柴油機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。甲醇作為新興清潔能源，具有低碳、含氧量高、汽化潛熱高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)碳中性循環(huán)的清潔可再生燃料［1］。甲醇燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用主要有直接混合、進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴3 種方式［2-4］。研究表明：甲醇/柴油雙燃料反應(yīng)活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）技術(shù)兼具熱效率高、NOx和顆粒物排放低、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍寬等優(yōu)勢(shì)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿紵绞?。低活性、易揮發(fā)的甲醇燃料采用進(jìn)氣道低壓噴射，柴油采用缸內(nèi)直噴策略，利用柴油自燃溫度低、易著火及甲醇燃燒速率快、抗爆性好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可控的高效、清潔燃燒［5-6］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要涉及臺(tái)架試驗(yàn)、燃燒過(guò)程仿真、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型等方面［7-10］。文獻(xiàn)［11］中研究了進(jìn)氣歧管?chē)娚洹⑦M(jìn)氣沖程缸內(nèi)直噴和壓縮沖程缸內(nèi)直噴3 種甲醇噴射策略下甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。結(jié)果表明，采用壓縮沖程缸內(nèi)直噴策略時(shí)凈指示熱效率較低，提高甲醇替代率對(duì)燃燒過(guò)程有不利影響。甲醇進(jìn)氣歧管?chē)娚洳呗栽?.2 MPa 平均指示壓力下實(shí)現(xiàn)NOx和碳煙超低排放。文獻(xiàn)［12］中研究了柴油機(jī)氧化催化器（diesel oxidation catalysts，DOC）方案和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）與DOC 的組合方案（SCR+DOC）對(duì)柴油機(jī)摻燒甲醇時(shí)排放的影響，結(jié)果表明：DOC 促使NO2比例恢復(fù)至柴油機(jī)排放水平，可降低甲醇排放；SCR+DOC方案在保持NO2比例處于柴油機(jī)常規(guī)水平的條件下完全消除了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛和甲醇排放。文獻(xiàn)［13］中研究了柴油/甲醇二元燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同替代率下的排放特性，結(jié)果表明：二元燃料模式下的甲醛、未燃甲醇及N2O 的比排放與純柴油模式相比均有不同程度的增加，且隨著甲醇替代率的增大而升高，隨著負(fù)荷的增高而降低。文獻(xiàn)［14］中研究了甲醇替代率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明加入甲醇后有效當(dāng)量能耗和熱效率有所改善，排氣溫度降低，NOx排放減少。文獻(xiàn)［15］中研究了甲醇噴射正時(shí)和甲醇替代率對(duì)甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響，結(jié)果表明較高的甲醇替代率使著火延遲時(shí)間增加，燃燒持續(xù)時(shí)間縮短，熱效率升高，CO 和碳煙排放降低。文獻(xiàn)［16］中基于熱力學(xué)第二定律研究了柴油甲醇組合燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的損失，結(jié)果表明因甲醇汽化潛熱值高，摻燒甲醇后缸內(nèi)燃燒溫度低，DMDF 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的傳熱損失均較低。文獻(xiàn)［17］中研究了柴油機(jī)預(yù)噴策略對(duì)甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放性能的影響，結(jié)果表明采用預(yù)噴策略后發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)放熱率和最高燃燒溫度降低，碳?xì)浠衔铮╤ydrocarbon，HC）排放降低，CO、NOx和顆粒物（particulate matter，PM）排放升高。文獻(xiàn)［18］中研究了甲醇或汽油預(yù)混比例、柴油噴油正時(shí)、壓縮比對(duì)非道路柴油機(jī)納米級(jí)顆粒物排放的影響。結(jié)果表明，全負(fù)荷時(shí)顆?？倲?shù)濃度較高，且隨著燃料預(yù)混比例的增加而升高。與汽油相比，甲醇/柴油雙燃料RCCI 燃燒顆粒物排放更高。文獻(xiàn)［19］中通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了能量替代率對(duì)柴油/甲醇、柴油/乙醇和柴油/正丁醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性和性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)甲醇替代率從0% 增加到40% 時(shí)，柴油/甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率從 41.6% 增加到42.3%，隨著替代率的增加，柴油/甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物和NOx排放降低。

RCCI 燃燒在低負(fù)荷和高負(fù)荷工況面臨負(fù)荷拓展問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化燃料活性、預(yù)混比例、噴油時(shí)刻、廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）率、氣門(mén)正時(shí)、進(jìn)氣增壓等參數(shù)，目前RCCI 能達(dá)到的負(fù)荷范圍為平均有效壓力0.6 MPa～2.4 MPa，研究多集中在單缸機(jī)上［20］。文獻(xiàn)［21］中研究表明，高負(fù)荷下采用EGR 技術(shù)可以大幅度提高最大甲醇替代率并降低最高燃燒壓力和壓力升高率，增加排氣背壓和推遲噴射時(shí)刻可提高最大甲醇替代率，高轉(zhuǎn)速下增加排氣背壓的效果更優(yōu)。文獻(xiàn)［22］中研究了RCCI 燃燒重型發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷范圍擴(kuò)展，結(jié)果表明：從低負(fù)荷到中負(fù)荷范圍，RCCI 運(yùn)行應(yīng)采用兩次噴射策略；從高負(fù)荷到滿負(fù)荷運(yùn)行，為了避免缸內(nèi)壓力梯度過(guò)大，應(yīng)采用單次噴射策略。

綜上所述，甲醇替代比例、柴油噴射正時(shí)、燃空當(dāng)量比等對(duì)甲醇/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性有重要影響。在保證混合氣可靠著火與穩(wěn)定燃燒的前提下，提高甲醇替代率、降低排氣污染物是提升甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能效比和充分發(fā)揮RCCI 燃燒優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。本研究基于實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的甲醇/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料集成控制系統(tǒng)及專用試驗(yàn)臺(tái)架，深入研究了甲醇替代率對(duì)柴油/甲醇RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、污染物排放特性的影響，探索通過(guò)調(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度提高甲醇替代率的潛力，為柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

在試驗(yàn)用柴油機(jī)進(jìn)氣歧管處安裝4 個(gè)甲醇噴射器實(shí)現(xiàn)甲醇多點(diǎn)順序噴射，對(duì)原柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行改造，安裝甲醇供給系統(tǒng)、甲醇流量測(cè)試系統(tǒng)和排放測(cè)量裝置，建成柴油/甲醇RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)專用試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)時(shí)保持原機(jī)的柴油噴射正時(shí)不變，根據(jù)替代率要求調(diào)節(jié)柴油和甲醇的噴射量。甲醇采用進(jìn)氣道低壓噴射，噴射壓力為0.3 MPa～0.5 MPa，柴油高壓噴入缸內(nèi)。試驗(yàn)研究外特性工況和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 600 r/min、不同負(fù)荷工況下甲醇替代率對(duì)柴油/甲醇RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)臺(tái)架如圖1 所示。采用雙紐線發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量進(jìn)氣量，AVL FTIR i60 傅立葉紅外分析儀可同時(shí)測(cè)量非甲烷碳?xì)浠衔铮╪on-methane hydrocarbons，NMHC）、甲醇（CH3OH）、甲醛（HCHO）、NO、NO2、CO、CO2等25 種常規(guī)和非常規(guī)排氣污染物組分。試驗(yàn)用柴油和甲醇燃料的特性參數(shù)如表1 所示，主要試驗(yàn)設(shè)備如表2 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表3 所示。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1 甲醇/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

表1 甲醇和柴油燃料主要特性參數(shù)

采用雙燃料RCCI 燃燒模式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)量燃油消耗量按等熱值將甲醇折合為柴油，即：

式中，mDual為當(dāng)量燃油消耗量，kg/h；mD為RCCI 模式下的柴油噴射量，kg/h；mM為RCCI 模式下的甲醇噴射量，kg/h；hM為甲醇的低熱值，hM=19.89 MJ/kg；hD為柴油的低熱值，hD=42.5 MJ/kg。

RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)λ為混合氣體中空氣質(zhì)量與燃料所需理論空氣量之比，如式（2）所示。

式中，mair為進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h；lD為柴油理論空燃比，lD=14.3；lM為甲醇理論空燃比，lM=6.45。

甲醇替代率γM定義為每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇提供的能量占循環(huán)油量總能量的比例，按式（3）計(jì)算。

當(dāng)量燃油消耗率be為在雙燃料RCCI 模式下把甲醇消耗率等熱值轉(zhuǎn)化為柴油后計(jì)算得到的總的有效當(dāng)量燃油消耗率，按式（4）計(jì)算。

式中，Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW。

有效熱效率ηet按式（5）計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 甲醇替代率邊界分析

圖2 為1 600 r/min、不同負(fù)荷下甲醇替代率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的影響，中、低負(fù)荷下最大甲醇替代率可達(dá)50%，中高負(fù)荷甲醇替代率可達(dá)75%，高負(fù)荷下最大甲醇替代率僅為30%。不同負(fù)荷下，有效熱效率隨甲醇替代率的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。25%～50% 負(fù)荷率范圍，甲醇替代率為10% 時(shí)有效熱效率高于原機(jī)；隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效熱效率降低。25% 負(fù)荷率、30% 替代率時(shí)有效熱效率較原機(jī)降低4.6%。50%～100% 負(fù)荷率范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效熱效率升高。100% 負(fù)荷、30% 替代率時(shí)，有效熱效率為0.427，較原機(jī)提高9.4%。

圖2 1 600 r/min 甲醇替代率對(duì)有效熱效率的影響

圖3 為1 600 r/min、不同負(fù)荷下甲醇替代率對(duì)有效當(dāng)量燃油消耗率的影響。25%～50% 負(fù)荷率范圍，甲醇替代率為10% 時(shí)有效當(dāng)量燃油消耗率低于原機(jī)，隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效當(dāng)量燃油消耗率升高。25% 負(fù)荷率、30% 替代率時(shí)有效當(dāng)量能耗較10% 替代率時(shí)增高14.8%。50%～100% 負(fù)荷范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效當(dāng)量燃油消耗率降低。100% 負(fù)荷、30% 甲醇替代率時(shí)，有效當(dāng)量燃油消耗率較原機(jī)降低6.2%。

圖3 1 600 r/min 甲醇替代率對(duì)有效當(dāng)量燃油消耗率的影響

低負(fù)荷工況純柴油模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量較少，混合氣過(guò)于稀薄，易發(fā)生失火，噴入適當(dāng)?shù)募状既剂峡商岣呋鹧婧诵耐鈬幕旌蠚鉂舛?，改善缸?nèi)混合氣質(zhì)量，使燃燒更充分。雙燃料模式下柴油作為引燃燃料，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)甲醇燃料增多，柴油燃料相應(yīng)減少，點(diǎn)火能量降低，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x有限，導(dǎo)致不完全燃燒加劇，且甲醇的汽化潛熱值是柴油的4.2 倍，甲醇燃料汽化吸熱造成初始燃燒溫度降低，加劇燃燒惡化程度，導(dǎo)致有效熱效率降低及有效當(dāng)量燃油消耗率升高。綜上，低負(fù)荷工況下甲醇替代率不宜過(guò)大。

中高、高負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量增多，點(diǎn)火能量增大。隨著甲醇替代率增加，甲醇的揮發(fā)促進(jìn)油氣充分混合，缸內(nèi)甲醇與新鮮充量形成的預(yù)混合氣濃度升高，燃燒更為充分且釋放化學(xué)能更徹底。此外，甲醇汽化潛熱值高，可降低初始燃燒溫度和最高燃燒溫度，缸內(nèi)高溫梯度降低，傳熱損失減少。且甲醇燃料含氧量達(dá)50%，甲醇替代率越大，混合氣中氧原子濃度越高，有利于燃油氧化分解，促進(jìn)燃料充分燃燒。

圖4 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min、25% 負(fù)荷率時(shí)，甲醇替代率對(duì)有效當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響規(guī)律。25% 負(fù)荷率時(shí)，最大甲醇替代率可達(dá)75%，然而甲醇替代率大于10% 之后，經(jīng)濟(jì)性隨替代率的增加而惡化。低負(fù)荷工況下，應(yīng)減少甲醇替代率或采用純柴油模式［23］。

圖4 甲醇替代率對(duì)當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率的影響

圖5 是1 600 r/min、不同負(fù)荷下甲醇替代率對(duì)最高燃燒壓力的影響。中、低負(fù)荷工況下，隨著甲醇替代率的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，最高燃燒壓力對(duì)甲醇替代率比較敏感。中高、高負(fù)荷工況下，缸內(nèi)最高燃燒壓力隨甲醇替代率的增加而升高，當(dāng)甲醇替代率增加到30% 時(shí)，最高燃燒壓力為15.3 MPa，已接近發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度極限。甲醇燃料在進(jìn)氣沖程通過(guò)進(jìn)氣道噴入氣缸內(nèi)，甲醇燃料具有充足的時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)和霧化，引燃前已形成均質(zhì)的甲醇空氣混合氣。因此，適量的甲醇燃料加入有利于改善燃燒質(zhì)量，提高有效熱效率和降低有效當(dāng)量燃油消耗率。高負(fù)荷工況下，引燃柴油量較多，混合氣濃度高；另外，甲醇燃料混合氣燃燒速度是柴油的1.2 倍，隨著甲醇替代率增加，預(yù)混合燃燒比例增加，預(yù)混合燃燒速率升高，缸內(nèi)燃?xì)鉁囟群妥罡呷紵龎毫ι?。高?fù)荷時(shí)，缸內(nèi)燃燒壓力和爆震限制甲醇替代率不宜過(guò)大。

圖5 1 600 r/min 下甲醇替代率對(duì)最高燃燒壓力的影響

圖6 是1 600 r/min、不同負(fù)荷下甲醇替代率對(duì)未燃HC 排放的影響。分析圖6 可知，不同負(fù)荷下未燃HC 排放隨甲醇替代率增加而升高，純柴油模式下未燃HC 排放極低。25% 負(fù)荷時(shí)，HC 排放隨替代率的增大而急劇增加，替代率10%、20%、30%、40% 和50% 下，未燃HC 排放分別是原機(jī)的6.3 倍、11.4 倍、17.3 倍、22.2 倍和27.6 倍。100%負(fù)荷時(shí)，未燃HC 排放隨甲醇替代率的變化減緩，30% 替代率時(shí)HC 排放僅為原機(jī)的5.9 倍。

圖6 1 600 r/min 下甲醇替代率對(duì)未燃碳?xì)渑欧诺挠绊?/p>

雙燃料RCCI 模式下未燃HC 排放量大幅升高的主要原因是：甲醇汽化潛熱值高，隨甲醇替代率增加，缸內(nèi)初始燃燒溫度和最高燃燒溫度降低，不利于HC 氧化，使得總HC 排放增加；低負(fù)荷工況下，循環(huán)噴油量少，燃料容易與新鮮充量過(guò)度混合，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣過(guò)稀，燃燒溫度低，造成反應(yīng)鏈斷裂，不完全燃燒產(chǎn)物增多；甲醇燃料停留在燃燒室中的時(shí)間比柴油長(zhǎng)，因而過(guò)度稀燃、壁面冷激效應(yīng)、狹隙效應(yīng)、油膜吸附作用較大。這是導(dǎo)致柴油/甲醇RCCI 模式下總HC 排放升高的主要原因［24］。

圖7 為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下甲醇/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇替代率邊界及有效熱效率分布。甲醇/柴油RCCI 燃燒的負(fù)荷范圍及甲醇替代比例受到爆震、不完全燃燒和失火3 種不正常燃燒現(xiàn)象的限制［21］。中高負(fù)荷工況下，最大甲醇替代率工況是運(yùn)行區(qū)域的爆震線。低負(fù)荷下甲醇的加入造成燃燒始點(diǎn)過(guò)度推遲，燃燒穩(wěn)定性差，CO 和總HC 排放較高。中、低負(fù)荷高替代率區(qū)域，引燃柴油量較小，甲醇對(duì)新鮮充量有冷卻作用且對(duì)柴油著火有抑制作用，易發(fā)生失火現(xiàn)象。高負(fù)荷工況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒壓力超過(guò)16 MPa 或排氣溫度超過(guò)700 ℃時(shí)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷極限和機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度極限。

圖7 1 600 r/min 時(shí)甲醇/柴油RCCI 燃燒運(yùn)行范圍

在保證混合氣可靠著火與穩(wěn)定燃燒的前提下，提高甲醇替代率及降低污染物排放是提升甲醇/柴油RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)能效比和充分發(fā)揮RCCI 燃燒優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。綜合分析圖2～圖7 可知，高負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和總HC 排放未隨替代率的增加而進(jìn)一步惡化，但最高燃燒壓力已接近發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度極限。甲醇燃料含氧量達(dá)50%，理論空燃比低，RCCI 模式下噴入甲醇后會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，缸內(nèi)混合氣燃料燃燒所需的空氣量減少。此外，由于甲醇的可燃界限寬，氫碳比大，燃燒時(shí)排氣煙度極低。因此，RCCI 模式下可適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，探究通過(guò)降低最高燃燒壓力而拓寬高負(fù)荷下的甲醇替代率。

試驗(yàn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）、負(fù)荷率100%、柴油預(yù)噴正時(shí)為上止點(diǎn)前18.0°（記為-18.0°，依此類(lèi)推）、主噴正時(shí)為-3.8°時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度（30%～100%）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。通過(guò)減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減少進(jìn)氣流量，可降低缸內(nèi)最高燃燒壓力。最高燃燒壓力降低后，逐漸增加甲醇替代率，直至最高燃燒壓力接近16.5 MPa，排氣溫度接近700 ℃。

圖8 為1 600 r/min、100% 負(fù)荷下，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度對(duì)甲醇替代率、最高燃燒壓力、排氣溫度、有效當(dāng)量能耗的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在維持最高燃燒壓力不超過(guò)16.5 MPa 和排氣溫度不超過(guò)700 ℃的前提下，隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，最大甲醇替代率從30%提升到36%。甲醇替代率為34% 時(shí)，有效當(dāng)量燃油消耗率較原機(jī)降低6.5%。高負(fù)荷工況下，適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，減少進(jìn)氣流量，降低缸內(nèi)最高燃燒壓力，可有效提高最大甲醇替代率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能。

圖8 節(jié)氣門(mén)開(kāi)度對(duì)甲醇替代率的影響

2.2 外特性工況下甲醇替代率對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖9 為外特性工況、轉(zhuǎn)矩和功率維持一致的條件下，1 000 r/min～3 000 r/min 范圍內(nèi)甲醇替代率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。雙燃料模式下，有效當(dāng)量燃油消耗率由甲醇燃料和柴油燃料的瞬時(shí)消耗量決定。由圖分析可知，不同轉(zhuǎn)速下雙燃料模式下的有效當(dāng)量能耗始終低于純柴油模式。高轉(zhuǎn)速（2 800 r/min）下15%甲醇替代率時(shí)有效當(dāng)量能耗較原機(jī)降低13%，有效熱效率增高7%。外特性工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量較多，缸內(nèi)混合氣較濃，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)混合氣均勻性及燃燒質(zhì)量改善，燃燒放熱率重心前移，等容度升高，且甲醇汽化吸熱使得燃燒溫度降低，傳熱損失減小，因此雙燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)有效當(dāng)量能耗下降，有效熱效率升高。高速工況下燃燒溫度較高，雙燃料模式下有效熱效率提升的幅度減小。

圖9 外特性工況下甲醇替代率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

2.3 外特性工況下甲醇替代率對(duì)常規(guī)污染物的影響

圖10 為外特性工況下甲醇替代率對(duì)常規(guī)污染物排放的影響規(guī)律。不同轉(zhuǎn)速下，雙燃料模式的NOx排放和排氣煙度均低于純柴油模式，隨著甲醇替代率的增大，NOx排放和煙度未出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)（trade-off）現(xiàn)象，兩者均呈降低的趨勢(shì)；CO 和總HC排放量隨甲醇替代率的升高而增多。柴油/柴油二元燃料RCCI 燃燒策略屬于均勻稀薄混合氣多發(fā)性低溫燃燒方式，甲醇含碳量低，汽化潛熱值高，理論空燃比低，混合氣著火極限體積范圍寬，碳煙生成的高溫濃混合氣區(qū)和NOx生成的高溫稀混合氣區(qū)較小，且甲醇的加入使得進(jìn)氣溫度降低及燃燒速度提高，縮短了高溫持續(xù)時(shí)間，柴油/甲醇RCCI 燃燒模式具有同時(shí)降低NOx與碳煙排放的優(yōu)勢(shì)。

圖10 外特性工況下常規(guī)污染物排放規(guī)律

總HC 和CO 是燃料未參與燃燒或不完全燃燒的產(chǎn)物，其排放主要取決于可燃混合氣的當(dāng)量比及缸內(nèi)燃燒溫度。雙燃料模式下甲醇的加入會(huì)對(duì)混合氣產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，且燃燒溫度過(guò)低，易造成反應(yīng)鏈斷裂，CO 與HC 等不完全燃燒產(chǎn)物增多。此外，雙燃料模式下甲醇燃料在進(jìn)氣沖程噴入進(jìn)氣道，不可避免存在掃氣、火焰壁面淬熄、狹隙效應(yīng)等，導(dǎo)致未燃HC 排放增多。

圖11 是外特性工況下甲醇替代率對(duì)未燃甲醇和甲醛排放的影響規(guī)律。純柴油模式下未燃甲醇和甲醛排放量極低，隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯。RCCI 模式下，隨甲醇替代率升高，未燃甲醇、甲醛排放量急劇增加。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，甲醇的排放量先減少后略微增多，甲醛排放量逐漸增高，高速工況下甲醛排放增高更明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min 增到3 000 r/min，10%、15% 甲醇替代率下甲醛排放量分別增多66.7% 和62.5%，未燃甲醇排放量分別減少52.8% 和59.6%，中高轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）下未燃甲醇排放量最低。

圖11 外特性工況下甲醇替代率對(duì)甲醇和甲醛排放的影響

甲醇排放源于未燃燒的甲醇燃料和燃燒反應(yīng)生成物。未燃甲醇主要是來(lái)自于換氣過(guò)程、燃燒室內(nèi)未燃燒的混合氣、狹縫中存在的甲醇等［25］。低速工況下柴油噴射量較小，缸內(nèi)燃燒溫度較低，且缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，造成未參與燃燒的甲醇增多。隨著轉(zhuǎn)速增高，進(jìn)氣壓力和缸內(nèi)燃燒溫度提高促進(jìn)甲醇氧化分解，未燃甲醇排放量降低。高轉(zhuǎn)速下由于燃燒及時(shí)性差，導(dǎo)致未燃甲醇排放量略微升高。

甲醛是HC 未完全氧化的中間產(chǎn)物，是柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中最重要的羰基排放污染物之一。柴油/甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的甲醛一部分來(lái)自燃燒室，一部分在排氣管中形成。發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，燃燒室壁面溫度較低，形成的淬熄層較厚，而淬熄層是低溫氧化反應(yīng)的溫床，淬熄層中存在大量醛類(lèi)，同時(shí)已燃?xì)怏w溫度較低，氧化作用較弱，甲醇脫氫反應(yīng)后的主要產(chǎn)物CH2OH 和CH3O 氧化后形成甲醛。此外，尾氣中的未燃甲醇在排氣管中因停留時(shí)間長(zhǎng)及氧濃度高而氧化為甲醛。隨著轉(zhuǎn)速升高，氣體在缸內(nèi)和排氣管中的流動(dòng)速度增大，甲醛在燃燒室和排氣管中參與反應(yīng)的時(shí)間縮短，部分甲醛還未來(lái)得及參與反應(yīng)便被排出，導(dǎo)致中高速工況甲醛排放量增多。

圖12 為外特性工況下甲醇替代率對(duì)NMHC 和CO2排放的影響規(guī)律。

圖12 外特性工況甲醇替代率對(duì)NMHC、CO2 排放的影響

NMHC 是指除甲烷（CH4）外的總HC 的總稱［26］，主要成分是C2～C8。NMHC 來(lái)自柴油燃料，隨著甲醇替代率增大，柴油噴射量減少，且甲醇脫氫反應(yīng)和氧化反應(yīng)的自由基產(chǎn)物（OH·）有利于HC 的氧化分解，使NMHC 排放降低，低轉(zhuǎn)速工況降幅更加明顯。相同甲醇替代率下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，NMHC 排放量減少。15% 甲醇替代率下，1 000 r/min 時(shí)NMHC 排放量較純柴油模式降低60.6%，3 000 r/min 時(shí)NMHC 排放較純柴油模式減少81.8%。中、高轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)燃燒溫度較高，有利于HC 的分解和氧化。

同一轉(zhuǎn)速下，隨著甲醇替代率的增加，CO2排放降低。等熱值條件下，柴油含碳量為C10～C21，而甲醇僅含一個(gè)碳原子，雙燃料模式下噴入甲醇燃料而減少柴油噴射量有利于降低碳排放。不同甲醇替代率下，CO2排放量隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，15% 甲醇替代率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min 升至3 000 r/min，CO2排放量降低21.4%。柴油機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，其過(guò)量空氣系數(shù)較低，難以在很短的時(shí)間內(nèi)組織良好的混合氣及燃燒過(guò)程，不利于完全燃燒，故CO 和碳煙排放增多，CO2排放量相應(yīng)減少。

3 結(jié)論

（1）最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 600 r/min、不同負(fù)荷下，有效當(dāng)量燃油消耗率和有效熱效率隨甲醇替代率的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。25%～50% 負(fù)荷率范圍甲醇替代率為10% 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性最佳，隨著甲醇替代率繼續(xù)增大，有效熱效率降低，有效當(dāng)量燃油消耗率升高。50%～100% 負(fù)荷率范圍，隨著甲醇替代率的增加，有效熱效率升高，有效當(dāng)量燃油消耗率降低。100% 負(fù)荷、30% 替代率時(shí)，與原機(jī)相比，有效熱效率提高9.4%，有效當(dāng)量燃油消耗率降低6.2%。

（2）1 600 r/min、不同負(fù)荷工況下，最大甲醇替代率受爆震、失火現(xiàn)象、不完全燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷極限和機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度限制；中高、高負(fù)荷工況下，缸內(nèi)最高燃燒壓力較高，甲醇替代率過(guò)大易發(fā)生爆震；中、低負(fù)荷工況下，甲醇替代率過(guò)大易發(fā)生失火現(xiàn)象，燃燒穩(wěn)定性差，CO 和總HC 排放較高。

（3）1 600 r/min、100% 負(fù)荷下，隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度減小，最大甲醇替代率從30% 提升到36%。甲醇替代率為34% 時(shí)，有效當(dāng)量燃油消耗率比原機(jī)降低6.5%。高負(fù)荷工況下，適當(dāng)關(guān)小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，減少進(jìn)氣流量，降低缸內(nèi)最高燃燒壓力，可有效提高最大甲醇替代率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能。

（4）外特性工況下，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，未燃甲醇、NMHC、CO2排放降低，甲醛排放先略微減少后逐漸增多。同一轉(zhuǎn)速下，隨甲醇替代率增加，未燃甲醇和甲醛排放量增加，NMHC 和CO2排放降低。柴油/甲醇RCCI 燃燒模式有利于降低CO2排放。