黃粉蓮，周長登，申立忠，萬明定，姚國仲，彭溢源

（1.昆明理工大學 云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明 650500；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，昆明 650500）

0 概述

柴油機因其輸出轉(zhuǎn)矩大、熱效率高、經(jīng)濟性好、工作可靠等特點，廣泛應用于交通運輸、國防裝備、工農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域。面對排放法規(guī)日趨嚴苛，柴油機和燃料的發(fā)展面臨嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。甲醇作為新興清潔能源，具有低碳、辛烷值高、含氧量高、低污染和無排煙等特點，是完全可以實現(xiàn)碳中性循環(huán)的可再生合成能源［1-2］。甲醇/柴油反應活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）策略通過進氣道噴入低活性、易揮發(fā)的甲醇燃料，缸內(nèi)直噴柴油引燃均質(zhì)的甲醇空氣混合氣。缸內(nèi)燃油混合過程形成活性分層梯度，實現(xiàn)燃燒相位和放熱速率的動態(tài)控制［3］。研究表明，RCCI 燃燒兼具熱效率高、NOx和碳煙排放量低、發(fā)動機負荷范圍寬等優(yōu)勢，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝?、清潔新型燃燒方式?-5］。

鑒于甲醇燃料的清潔特性，近年來國內(nèi)外學者對甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機的研究增多，涉及發(fā)動機臺架試驗、燃燒過程仿真、化學反應動力學模型等方面。文獻［6］中分析了活塞頂部的燃燒室凹坑幾何形狀對汽油/柴油和甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機的影響，結(jié)果表明：采用改進的淺平型、無擠流燃燒室可提高熱效率和減少傳熱損失，在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)較低的NOx和顆粒物（particulate matter，PM）排放，峰值總指示效率接近51%。文獻［7］中研究了廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）和預混合比例對甲醇/柴油雙燃料RCCI 燃燒循環(huán)變動的影響。結(jié)果表明，甲醇替代比例為76%、81% 的負荷工況下，采用26% 的冷卻EGR 率可減少發(fā)動機循環(huán)變動，提高熱效率，降低NOx和碳煙排放。文獻［8］中研究表明：全負荷時顆?？倲?shù)濃度較高，且隨著燃料預混比例的增加而升高；隨著壓縮比的增加，顆粒物的峰值數(shù)和質(zhì)量濃度降低；與汽油相比，甲醇/柴油雙燃料RCCI 燃燒顆粒物排放更高。文獻［9］中研究了進氣歧管噴射、進氣沖程缸內(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)動機的燃燒特性。結(jié)果表明，甲醇進氣歧管噴射策略在平均指示壓力1.2 MPa 下可實現(xiàn)NOx和碳煙超低排放。文獻［10］中建立了生物柴油和甲醇的雙燃料化學反應動力學骨架機理，對生物柴油/甲醇RCCI發(fā)動機的性能、燃燒和排放特性進行研究，結(jié)果表明：在10% 負荷條件下，隨甲醇比例的增加，峰值壓力和放熱率降低，CO 排放略有升高，NOx排放顯著下降；在50% 和100% 負荷下，隨甲醇比例的增加，CO 排放呈下降趨勢，NOx排放無明顯變化；采用甲醇多點噴射的RCCI 燃燒技術(shù)可顯著降低碳煙排放。文獻［11］中研究了柴油/甲醇雙燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）發(fā)動機在不同運行參數(shù)下的損失，結(jié)果表明：DMDF 在高負荷下的排氣損失相對較小，而在中低負荷下則相反；隨著進氣溫度的升高，排氣化學損失顯著降低，較高的進氣溫度有助于提高效率。文獻［12］中研究了不同氣門重疊角對DMDF 發(fā)動機未燃甲醇和甲醛泄漏的影響，結(jié)果表明：在掃氣過程中，僅增大進氣門開啟角或排氣門關(guān)閉角對甲醇泄漏的影響很小；大氣門重疊角時，氣門升程的增大引起有效流動面積增加是甲醇排放升高的主要原因；氣門重疊角較小時，未燃甲醇泄漏量很少。文獻［13-15］中研究了甲醇噴射策略、預混甲醇比例、柴油噴射正時、初始缸內(nèi)溫度和壓力、EGR 率等邊界條件對甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機損失、燃燒與排放特性的影響，結(jié)果表明，采用較高的初始壓力、適中的EGR 率、較高的預混甲醇比例、較早的噴油時刻及較高的初始溫度能夠同時獲得較好的燃油經(jīng)濟性和排放性能。文獻［16］中研究表明，隨甲醇摻燒比例升高，缸內(nèi)點火延遲增大，燃燒持續(xù)期縮短，爆震強度增大，總碳氫化合物（total hydrocarbon，THC）和NOx排放增加，CO 排放和煙度降低。適當推遲柴油主噴時刻可改善燃燒質(zhì)量和降低THC、CO 排放。文獻［17］中指出，引燃柴油采用兩次噴射策略會對燃燒室內(nèi)的燃燒壓力、壓力升高率曲線的形貌產(chǎn)生明顯的影響，整機熱效率升高，活塞及氣缸周壁熱負荷降低，HC 排放降低，CO、NOx和PM 排放升高。文獻［18］中用田口方法對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機的甲醇能量比例、甲醇噴射正時和進氣溫度進行優(yōu)化估算，優(yōu)化后發(fā)動機碳煙、NOx、HC 和CO 排放降幅分別達到41.5%、61.7%、8.6%、32.4%。文獻［19］中用帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA—Ⅱ）對甲醇/柴油RCCI發(fā)動機進行多目標優(yōu)化，結(jié)果表明在高壓縮比重型柴油機中不宜采用較高的甲醇替代比例。

甲醇含氧量達50%，理論空燃比低，RCCI 模式下噴入甲醇后會產(chǎn)生稀釋效應，缸內(nèi)混合氣燃料燃燒所需的空氣量減少。文獻［20］中研究表明：隨過量空氣系數(shù)減小，未燃甲醇、甲醛排放降低；柴油/甲醇RCCI 模式下適當關(guān)小節(jié)氣門開度以減小過量空氣系數(shù)對降低非常規(guī)污染物排放有利。文獻［21］中研究表明：化學反應項是造成甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機缸內(nèi)損失最主要的原因，為了有效降低損失，應當增強缸內(nèi)燃油分布的均勻性，控制缸內(nèi)當量比在化學計量比之內(nèi)。文獻［22］中研究了EGR 和過量空氣系數(shù)協(xié)同控制對甲醇發(fā)動機部分負荷經(jīng)濟性和排放性能的影響，結(jié)果表明：負荷越低，協(xié)同調(diào)節(jié)范圍越寬，節(jié)油潛能越大；合理利用EGR 和過量空氣系數(shù)協(xié)同控制可以保證HC、CO 排放量增幅不大且能有效降低NOx排放，甚至實現(xiàn)NOx的“零”排放。

綜上所述，甲醇/柴油RCCI 燃燒策略具有熱效率高、NOx和碳煙排放低等突出優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外學者針對甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機性能影響因素的研究主要涉及甲醇替代率、進氣溫度和EGR 率等，針對過量空氣系數(shù)對其經(jīng)濟性、常規(guī)與非常規(guī)排放物的影響的研究較少。本研究基于實驗室自主開發(fā)的甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機燃油供給及集成控制系統(tǒng)和試驗臺架，通過調(diào)控甲醇噴射量及控制節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)缸內(nèi)可燃混合氣濃度，研究甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機經(jīng)濟性、常規(guī)排放物和非常規(guī)排放特性的影響，以期為柴油/甲醇雙燃料RCCI 發(fā)動機性能優(yōu)化及排放控制提供一定參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

對某4 缸電控高壓共軌直噴柴油機進氣道進行改造，在進氣歧管處安裝4 個甲醇噴射器實現(xiàn)甲醇多點順序噴射，進氣總管處加裝電子節(jié)氣門對進氣流量進行調(diào)節(jié)，安裝甲醇供給系統(tǒng)、甲醇流量測試系統(tǒng)和排放測定裝置，建成甲醇/柴油雙燃料RCCI 發(fā)動機專用試驗臺架。試驗臺架如圖1所示，采用雙紐線發(fā)動機進氣質(zhì)量流量計測量進氣量，AVL FTIR i60 傅立葉紅外分析儀可同時測定非甲烷碳氫化合物、醇類、醛類、芳香烴類、二氧化硫（SO2）、NO、NO2、CO 及CO2等25 種常規(guī)和非常規(guī)排氣污染物組分。試驗用柴油和甲醇燃料的特性參數(shù)如表1所示，發(fā)動機基本參數(shù)如表2所示，主要試驗設(shè)備如表3所示。

表2 發(fā)動機基本參數(shù)

表3 主要設(shè)備參數(shù)

圖1 甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機臺架示意圖

1.2 試驗方法

試驗時保持原機的柴油噴射正時不變，根據(jù)替代率要求調(diào)節(jié)柴油和甲醇的噴射量。試驗研究最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 600 r/min），25%、50%、75% 和100%負荷工況下甲醇替代率、過量空氣系數(shù)對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機綜合性能的影響規(guī)律。

甲醇/柴油雙燃料RCCI 燃燒模式下，當量燃油消耗量mDual按等熱值將甲醇折合為柴油，如式（1）所示。RCCI 發(fā)動機的過量空氣系數(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，計算公式見式（2）。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)供油量總能量的比例［5］，按式（3）計算。當量燃油消耗率be表示在雙燃料RCCI模式下把甲醇消耗率等熱值轉(zhuǎn)化為柴油后計算得到的總的有效當量燃油消耗率，按式（4）計算。

式中，mair為進氣質(zhì)量流量，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；lD為柴油理論空燃比，lD=14.3；lM為甲醇理論空燃比，lM=6.45；hM為甲醇的低熱值，hM=19.7 MJ/kg；hD為柴油的低熱值，hD=42.5 MJ/kg；Pe為發(fā)動機功率，kW。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 過量空氣系數(shù)對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響

圖2為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）、不同負荷下甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對經(jīng)濟性的影響規(guī)律。由圖分析可知，雙燃料模式下發(fā)動機有效當量燃油消耗率均低于純柴油模式，中低負荷下替代率過大時經(jīng)濟性惡化。25% 負荷下，隨著甲醇替代率的升高，有效當量燃油消耗率先降低后升高，有效熱效率先增加后減小。甲醇替代率為5% 時，有效當量燃油消耗率較純柴油模式降低2.9%。甲醇替代率升高到10% 時，有效當量燃油消耗率較純柴油模式降低1.8%。渦輪前排氣溫度隨甲醇替代率的升高而降低，甲醇替代率0～10% 變化范圍，排氣溫度下降3 ℃～14 ℃。與純柴油模式相比，50% 負荷下替代率為10% 時有效熱效率升高2.1%，有效當量燃油消耗率平均降低2.4%；替代率超過20% 時，有效熱效率低于純柴油模式。中高負荷RCCI 模式下發(fā)動機經(jīng)濟性能均優(yōu)于純柴油模式，隨甲醇替代率增大，有效熱效率逐漸升高，有效當量燃油消耗率與渦前排氣溫度逐漸降低。負荷率75%、替代率為30% 時，有效當量燃油消耗率較純柴油模式平均降低3.8%，有效熱效率平均增加6.7%。負荷率100%、替代率為20% 時，有效當量燃油消耗率較純柴油模式平均降低3.5%，有效熱效率平均升高4.5%。

圖2 不同負荷下過量空氣系數(shù)對經(jīng)濟性的影響

雙燃料模式下，隨著甲醇替代率增加，缸內(nèi)甲醇與空氣形成的預混合氣濃度升高，甲醇的揮發(fā)性促進油、氣充分混合，且甲醇燃料含氧量高達50%，燃燒時具有自供氧功能，甲醇噴射量越多，混合氣中氧濃度越高，促進燃料充分燃燒。此外，甲醇汽化潛熱值高，甲醇由進氣道噴入，汽化過程吸熱引起進氣溫度下降，致使缸內(nèi)燃燒溫度降低，缸內(nèi)高溫梯度降低，傳熱損失減少。因此，隨著甲醇替代率增加，有效熱效率增大，燃油消耗率降低，渦輪前排氣溫度逐漸降低。中、低負荷工況下甲醇替代率較小時，混合氣質(zhì)量較好，燃燒充分，發(fā)動機熱效率較高。隨著甲醇替代率進一步增大，引燃柴油量減少，點火能量降低，且甲醇的加入致使進氣溫度下降，導致柴油的著火時刻推遲，而且甲醇氛圍具有抑制柴油自燃的作用致使低溫放熱時刻延后，低溫放熱強度降低，故低負荷條件下甲醇替代率過大時燃料不完全燃燒加劇，發(fā)動機熱效率降低。

25% 負荷工況下，隨著過量空氣系數(shù)的減小，發(fā)動機有效當量燃油消耗率和排氣溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，有效熱效率逐漸減低。50%、75% 負荷下，隨著過量空氣系數(shù)減小，雙燃料模式下有效當量燃油消耗率先略微降低后逐漸升高，有效熱效率逐漸降低，排氣溫度升高。100% 負荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，雙燃料模式下有效當量燃油消耗率逐漸升高，排氣溫度升高，有效熱效率先略微升高后逐漸降低。保持循環(huán)噴油量恒定，通過調(diào)整節(jié)氣門開度而改變進氣量實現(xiàn)過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)。隨著節(jié)氣門開度減小，進入氣缸的新鮮空氣量減少，過量空氣系數(shù)降低，不利于甲醇、柴油和空氣在缸內(nèi)形成化學反應活性較強、混合均勻的可燃混合氣，燃燒質(zhì)量下降，因此隨著過量空氣系數(shù)減小，發(fā)動機經(jīng)濟性降低。雙燃料模式下，隨過量空氣系數(shù)降低，經(jīng)濟性惡化的程度較低，這是由于甲醇燃料含氧量高達50%，燃燒時具有自供氧功能，理論空燃比低。雙燃料模式下，適當關(guān)小節(jié)氣門開度，對經(jīng)濟性影響不大的情況下，可降低缸內(nèi)最高燃燒壓力，拓寬甲醇替代率范圍。

2.2 過量空氣系數(shù)對排放特性的影響

2.2.1 NOx排放特性

圖3為不同負荷下甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對NOx排放的影響。由圖分析可知，不同負荷工況下隨著甲醇替代率升高，NOx排放大幅減少，雙燃料模式下加入甲醇燃料能夠有效改善NOx排放。25%負荷、10% 甲醇替代率時，NOx排放平均降低7.3%；50% 負荷、20% 甲醇替代率時，NOx排放下降70.0%；75% 負荷、30% 甲醇替代率時，NOx排放平均降低42.3%；100% 負荷、20% 甲醇替代率時，NOx排放平均減少33.4%。

圖3 過量空氣系數(shù)對NOx 排放的影響

NOx生成需要高溫富氧環(huán)境，甲醇汽化潛熱值是柴油的4.2 倍，進氣道噴入甲醇可降低進氣溫度及最高燃燒溫度，且甲醇燃燒速度快，加入甲醇后縮短了燃燒持續(xù)時間，從而抑制NOx的生成。中低負荷下生成NOx排放的影響因素主要是溫度，25% 負荷時發(fā)動機熱負荷低，較難形成NOx生成所需的高溫環(huán)境，故NOx生成量較少。隨著負荷增加，發(fā)動機循環(huán)噴油量增多，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進NOx生成，故中、高負荷下NOx排放較高。

雙燃料模式下，過量空氣系數(shù)對NOx排放的影響不顯著，25%、50% 與75% 負荷時NOx排放量隨著過量空氣系數(shù)的減小而略微增加，100%負荷下隨過量空氣系數(shù)減小而略微降低。甲醇含氧量高，雙燃料模式下噴入甲醇后會產(chǎn)生稀釋效應，適當減小過量空氣系數(shù)，有利于甲醇燃料實現(xiàn)當量燃燒，燃燒溫度升高，但由于氧濃度降低，因此NOx排放整體變化不明顯。

2.2.2 煙度特性

圖4為不同負荷下甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對煙度的影響。由圖分析可知，隨甲醇替代率升高，煙度急劇降低。25% 負荷下缸內(nèi)初始溫度較低，替代率為5% 時對缸內(nèi)條件影響不大，故加入5% 甲醇時與純柴油模式碳煙排放相差不大。當替代率為10% 時，25% 負荷下碳煙排放下降18.3%，50% 負荷下下降18.0 %，75% 負荷下下降42.3%，100%負荷下下降6.1%。柴油機碳煙的生成條件是高溫和缺氧。隨著甲醇替代率增加，柴油噴射量減少，甲醇只含1 個C 原子，含氧量高，不含C—C 鍵，且甲醇的碳氫比比柴油小，燃燒時幾乎不產(chǎn)生碳煙。此外，甲醇的加入對柴油的著火具有遲滯作用，能夠在一定程度上改善柴油混合氣的形成。而且，雙燃料RCCI 燃燒模式下預混合燃燒比例增加，擴散燃燒的比例減少，有助于減少碳煙的生成。隨著負荷的增加，柴油噴射量增多，擴散燃燒比例增大，燃油與空氣混合不均勻而形成的局部過濃區(qū)域增多，不完全燃燒導致碳煙排放量增加。

圖4 過量空氣系數(shù)對煙度的影響

50% 負荷下，當甲醇替代率超過15% 時，碳煙排放略微增多。這是由于中、低負荷工況下，發(fā)動機循環(huán)噴油量少，甲醇替代率過大，導致缸內(nèi)燃燒溫度過低，且甲醇燃料容易與空氣過度混合，燃燒室內(nèi)有較多的過稀混合氣區(qū)域處于稀燃極限之外而不能正常燃燒，因而有較多的未完全燃燒產(chǎn)物排出，導致碳煙排放量略微增加。

不同負荷工況及甲醇替代率下，隨著過量空氣系數(shù)減小，碳煙排放逐漸升高。負荷率25%、甲醇替代率10% 時，過量空氣系數(shù)λ從2.89 減小到2.54，碳煙排放增加52%；負荷率50%、甲醇替代率20% 時，過量空氣系數(shù)從2.35 減小到2.06，碳煙排放增加57%；負荷率75%、甲醇替代率30% 時，過量空氣系數(shù)λ從2.12 減小到1.81，碳煙排放增加22%；負荷率100%、甲醇替代率20% 時，過量空氣系數(shù)從1.66 減小到1.43，碳煙排放增加14%。碳煙的生成直接受缸內(nèi)氧濃度的影響，過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)局部過濃區(qū)域增多，構(gòu)成了高溫缺氧、燃油裂解脫氫反應的有利條件，形成較多的燃油深度裂解產(chǎn)物，導致煙度增大。

2.2.3 CO 排放特性

圖5為不同負荷下甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對CO 排放的影響。不同負荷下，隨甲醇替代率增大，CO 排放量增加。甲醇替代率10% 時，25% 負荷下CO 排放增加14 倍，50% 負荷下增加13 倍，75% 負荷下增加19 倍，100% 負荷下增加13 倍。CO 是烴燃料在燃燒過程中形成的不完全氧化物，CO 的排出濃度主要受過量空氣系數(shù)和燃燒溫度所支配。中、低負荷工況下，由于噴油量少，而甲醇揮發(fā)性好，燃料易與空氣過度混合，導致缸內(nèi)混合氣過稀，且甲醇汽化潛熱值是柴油的4.2 倍，雙燃料模式下甲醇汽化吸熱導致缸內(nèi)燃燒溫度過低，造成反應鏈斷裂，不完全燃燒產(chǎn)物繼續(xù)氧化困難，導致CO 排放較高。隨著負荷增高，引燃柴油量增多，火焰?zhèn)鞑ケ认』旌蠚鈺r穩(wěn)定，且缸內(nèi)氣體溫度升高，氧化作用增強，可降低CO 排放。

圖5 過量空氣系數(shù)對CO 排放的影響

低負荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，CO 排放略微升高；中、高負荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，CO排放略微降低。甲醇含氧量達50%，理論空燃比低，雙燃料模式下噴入甲醇后會產(chǎn)生稀釋效應，缸內(nèi)混合氣燃料燃燒所需的空氣量減少。低負荷工況下循環(huán)噴油量較少，混合氣變稀，燃燒室內(nèi)溫度下降，局部溫度過低和混合氣超過稀燃極限，火焰在低溫區(qū)和稀混合區(qū)淬熄的現(xiàn)象增加，使CO 濃度增大。中、高負荷工況下，循環(huán)噴油量增多，缸內(nèi)氣體溫度升高，CO 繼續(xù)氧化的溫度條件較好，盡管過量空氣系數(shù)減小使得混合氣變濃，但甲醇燃燒時具有自供氧功能，雙燃料模式下甲醇的加入可緩解缸內(nèi)局部缺氧的狀況，混合氣均勻性和燃燒質(zhì)量得到改善，不會導致CO 排放濃度增加。

2.2.4 CO2排放特性

圖6為不同負荷下甲醇替代率與過量空氣系數(shù)對CO2排放的影響。不同負荷下，隨著甲醇替代率升高，CO2排放量降低。節(jié)氣門全開、負荷率25%、甲醇替代率10% 時，CO2排放量較純柴油模式下降6.0%；節(jié)氣門全開、甲醇替代率20% 時，與純柴油模式相比，50%、75%、100% 負荷下CO2排放分別降低5.1%、6.3% 和7.0%；75% 負荷、替代率30%時較純柴油模式降低8.2%。

圖6 過量空氣系數(shù)對CO2 排放的影響

不同負荷下，隨著過量空氣系數(shù)的減小，CO2排放量升高。25% 負荷下，過量空氣系數(shù)從2.90 減小到2.53，5%、10% 替代率下CO2排放量分別增加11.8% 和8.4%。50% 負荷下，過量空氣系數(shù)從2.35 減小到2.06，10%、15%、20% 替代率下CO2排放量分別增加12.5%、10.0%、11.6%。75% 負荷下，過量空氣系數(shù)從2.12 減小到1.81，10%、20%、30% 替代率下CO2排放量分別增加14.4%、12.7%、10.2%。100% 負荷下，過量空氣系數(shù)從1.66 減小到1.43，10%、15%、20% 替代率下CO2排放量分別增加10.1%、10.7%、8.9%。

柴油含碳量為C10～C21，而甲醇燃料僅含1個C 原子，甲醇/柴油雙燃料燃燒模式下達到相同的平均有效壓力時，排放的CO2比純柴油模式少。因此，隨著甲醇替代率的增加，CO2的排放量降低。甲醇/柴油RCCI 燃燒具有大幅降低CO2排放的潛力。

2.2.5 非常規(guī)氣體排放特性

圖7～圖9為不同負荷下甲醇替代率和過量空氣系數(shù)對非常規(guī)排放物的影響。甲醇的著火濃度下限高且汽化潛熱高，雙燃料模式下甲醇燃料燃燒容易產(chǎn)生甲醛、未燃甲醇等非常規(guī)氣體。甲醇替代率為10% 時，25%、50%、75% 和100% 負荷下未燃甲醇排放分別增加2 300.94 倍、2 543.34 倍、419.69 倍與149.96 倍，甲醛排放分別增加94 倍、102 倍、92 倍與34 倍；烯烴排放在25% 與50% 負荷下分別增加57.4%、24.3%，在75% 與100% 負荷下分別降低23.3%、11.9%。

圖7 過量空氣系數(shù)對甲醇排放的影響

圖8 過量空氣系數(shù)對甲醛排放的影響

圖9 過量空氣系數(shù)對烯烴排放的影響

甲醇排放源于未燃燒的甲醇燃料和燃燒反應生成物。未燃甲醇主要來自于燃燒室內(nèi)未燃燒的混合氣、狹縫中存在的甲醇等［20，23］。低負荷工況下，發(fā)動機醇、油噴射量少，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)較大，可燃混合氣過稀，不利于火焰?zhèn)鞑?，部分甲醇未參與燃燒和氧化。高負荷工況下，引燃柴油量增多，缸內(nèi)點火能量增強，可燃混合氣濃度升高，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒更加充分，未燃甲醇排放量減少。不同負荷工況下，隨過量空氣系數(shù)減小，甲醇排放量降低。甲醇含氧量達50%，理論空燃比低，RCCI 模式下缸內(nèi)混合氣燃燒所需的空氣量減少。因此，RCCI 模式下，適當減小過量空氣系數(shù)對甲醇燃料的燃燒和降低未燃HC 排放有利。

醛類排放物是甲醇燃料燃燒氧化過程的中間產(chǎn)物，甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機排氣中的甲醛主要來自兩部分：一是燃燒室內(nèi)因壁面低溫導致甲醇氧化反應中斷生成甲醛，二是尾氣中的未燃甲醇在排氣管中因停留時間長，氧濃度高而氧化為甲醛［20］。25%、50% 負荷下，過量空氣系數(shù)對甲醛排放影響甚微；75%、100% 負荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，甲醛排放量降低。隨著過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)氧濃度降低，不利于甲醇氧化生成甲醛。

烯烴主要是高碳鏈分子氧化的產(chǎn)物，低溫燃燒時燃料分子（RH）大部分轉(zhuǎn)化為烯烴［24］。燃料激活后與OH 基反應，即：

純柴油模式和雙燃料模式下，烯烴排放量均小于5×10-6。低負荷時燃燒室內(nèi)溫度較低，甲醇不完全燃燒加劇，且甲醇的加入使得缸內(nèi)氧濃度上升，低溫富氧區(qū)域有利于烯烴的形成。高負荷時發(fā)動機缸內(nèi)溫度較高，且甲醇的加入使得反應發(fā)生時的氧含量升高，促進烯烴等碳氫化合物的裂解與氧化，使烯烴排放降低［25］。中低負荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進混合氣燃燒，烯烴排放量降低。中高負荷下，未燃HC 氧化分解的溫度條件較好，氧濃度對烯烴排放的影響占主導，隨著過量空氣系數(shù)減小，局部混合氣過濃，混合氣均勻性變差，導致烯烴類排放升高。

3 結(jié)論

（1）最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）、不同負荷下，雙燃料模式下發(fā)動機有效當量燃油消耗率均低于純柴油模式。中、低負荷下替代率過大時經(jīng)濟性惡化；中高、高負荷下，隨甲醇替代率增大，有效熱效率逐漸升高，有效當量燃油消耗率與渦前排氣溫度逐漸降低。不同負荷工況下，過量空氣系數(shù)對甲醇/柴油RCCI 發(fā)動機的經(jīng)濟性影響規(guī)律不同。中、低負荷下，隨過量空氣系數(shù)減小，有效當量燃油消耗率逐漸升高，有效熱效率逐漸降低。75%、100% 負荷下，過量空氣系數(shù)分別為2.06 與1.62 時，發(fā)動機經(jīng)濟性最佳。

（2）甲醇/柴油RCCI 燃燒策略有利于降低NOx與碳煙排放。甲醇替代率為10% 時，25% 負荷下NOx排放降低7.3%，碳煙排放降低18.3%；50% 負荷下NOx排放平均降低66.0%，碳煙排放平均降低47.3%；75% 負荷下NOx排放平均降低42.3%，碳煙排放平均降低約37.8%；100% 負荷下NOx排放降低8.6%，煙度下降6.1%。

（3）隨甲醇替代率增大，甲醇、甲醛排放量升高，CO2排放降低。25% 負荷下，甲醇替代率從0% 增加到10%，CO2排放量降低6.0%；節(jié)氣門全開、甲醇替代率為20% 時，與純柴油模式相比，50%、75%、100% 負荷下CO2排放分別降低5.1%、6.3%和7.0%；75% 負荷下甲醇替代率為30% 時CO2排放較純柴油模式降低8.2%。采用柴油/甲醇RCCI燃燒策略有利于減少CO2排放。

（4）隨過量空氣系數(shù)減小，未燃甲醇排放量降低，CO2排放升高。高負荷下甲醛排放降低，烯烴排放升高；低負荷下烯烴排放降低，甲醛排放變化不明顯。柴油/甲醇RCCI 模式下，適當減小過量空氣系數(shù)，對降低甲醇、甲醛非常規(guī)污染物排放有利。