甲醇-柴油混合燃料对发动机燃烧及排放特性的影响

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集编号：C－100008甲醇-柴油混合燃料对发动机燃烧及排放特性的影响潘永方徐斌吴健马志豪王鑫（河南科技大学车辆与动力工程学院，洛阳，471003）（联系电话：[phone]，E－mail：[e-mail]）摘要：在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了小比例甲醇柴油混合燃料发动机的燃烧及排放特性试验研究。结果表明：在相同的平均有效压力和转速下，随着甲醇含量的增加，燃料着火延迟相应增大，使得燃烧过程向上止点后移动。混合燃料的滞燃期比柴油长，预混燃烧放热率峰值增大，燃烧持续期缩短，缸内昀大爆发压力和压力升高率增加。与纯柴油相比，甲醇柴油混合燃料HC排放有所升高，但NOx和碳烟排放降低。大负荷时，CO排放显著下降。关键词：甲醇；柴油机；燃烧；排放随着石油资源日益匮乏和全球环保意识的增强,迫切需要寻找可以更有效降低发动机有害物质排放的方法。从环保和节能的角度,寻找其它替代燃料是目前柴油机应用急需解决的问题。甲醇是一种可再生的含氧清洁燃料,它可以从煤、天然气、生物等原料中制取，凡是可以得到CO和氢气的原料都可以合成甲醇，生产甲醇的工艺也比较成熟。甲醇与汽油混合燃烧的研究较多,因为甲醇有很高的辛烷值,混合后能提高燃料的抗爆性,且与汽油较易混合。而甲醇物化性质与柴油差别较大,在柴油中掺烧甲醇比汽油困难，因此对其应用于柴油机的研究工作还有待深入,对柴油机性能影响的结论尚需探讨。目前，对柴油机燃用甲醇的研究主要有甲醇与柴油直接混合1、甲醇与柴油缸内双喷射4、甲醇进气管低压喷射柴油缸内引燃双燃料燃烧方式等5。应用甲醇与柴油直接混合方式的发动机结构变动小，使用成本低，易于推广使用，具有较大的应用前景。本文在对现有柴油机结构不做任何变动的条件下,将甲醇-柴油混合燃料使用在现有柴油机上,对比研究了小比例甲醇-柴油混合燃料的动力性、经济性以及燃烧排放特性,为甲醇柴油燃料的推广应用提供了试验参考。1试验燃料基金项目：河南省科技攻关计划项目(0524260048)；洛阳市科技发展计划项目(0701026A)试验所用原料为常规商业0号柴油和分析级无水甲醇。试验中配置了3种燃料:分别为纯柴油（M0）和掺混体积含量5%、10%甲醇的混合燃料（M5、M10）。为了保证燃料混合均匀，在混合燃料中添加了适量的助溶剂混合物。试验用混合燃料的理化特性对比如表1所示。表10#柴油和甲醇柴油混合燃料的理化性质名称甲醇0#柴油M5M10密度(20℃)/g·cm-30.7960.8530.8550.857运动粘度(20℃)/m2·s-11.25.14.924.77表面张力(20℃)/dyn·cm-122.731.330.128.6闪点（闭口）/℃1174.715.215.0低热值/MJ·Kg-119.845.343.441.42试验设备及方法试验是在一台3缸、四冲程、水冷、非增压直喷式柴油机上进行的。发动机的主要技术参数见表2。表2YTR3105柴油机的技术参数型式三缸、水冷、四冲程缸径×行程/mm105×120排量/L3.117燃烧室形状ω型压缩比17:1供油提前角17°CA昀大扭矩/转速192N·m/1500r·min-1额定功率/转速40.5kW/2400r·min-1发动机的动力性采用洛阳南峰CUM3A型综合测试控制装置测量，测功机为YP250型水力测功机；尾气排放由日本HORIBA公司生产的MEXA-7100D型气体排放测试仪测量，所测气体包括NOx、HC、CO、CO2和O2；排气烟度使用FQD-102型滤纸式烟度计测量；发动机示功图由KISTLER公司生产的角标仪、石英压力传感器、电荷放大器以及德国DATALOGGmbH公司的数据采集软件DASYLab5.6测录；利用美国Iotech公司的高速便携数据采集分析系统WAVEBOOK/512对缸内压力信号进行分析处理。试验时预热发动机使水温保持在85～90℃，油温保持85～90℃，在其他条件保持基本不变的情况下，分别对3种不同燃料在发动机昀大扭矩转速1500r/min和标定转速2400r/min两个转速下进行了负荷特性和排放特性的测试以及对比分析，从而找出含氧燃料甲醇掺混后对发动机燃烧和排放特性的影响，并进一步分析所产生结果的原因。3试验结果及分析3.1负荷特性的比较图1为3种燃料在转速为1500r/min和2400r/min时的燃油消耗率对比。可以看出，混合燃料的燃油消耗率在变化趋势上与柴油是很相似的。在相同功率下，燃油消耗率be随着甲醇掺入量的增加而增加，这主要是由于甲醇的热值低于柴油的缘故，甲醇含量愈大，燃料的热值越低；另外，由于掺入甲醇后，燃烧过程后移，在上止点后的燃烧放热比例增大，热效率降低。因此，在相同的输出功率时，掺入甲醇后，混合燃料的燃油消耗率比纯柴油要高。(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min图1燃用不同混合燃料时的燃油消耗率对比由图还可以看出，在两种转速下，随着负荷的加大,3种燃料的燃油消耗率的差值逐渐减小。这主要是因为小负荷工况时，发动机气缸内的温度比较低，而甲醇的自燃点高，掺入甲醇后，燃料燃烧期间稀薄的混合气在着火过程中出现局部火焰窒息；另外甲醇的汽化潜热比较大，挥发过程中要吸收大量的热，气缸壁的温度比较低，气缸壁对火焰产生淬熄作用，这些因素造成大量可燃混合气燃烧不完全，降低了燃烧效率，导致发动机燃用混合燃料油耗高得多。随着负荷的加大,甲醇作为含氧燃料的作用得到体现,氧的增加提高了燃烧效率8，相应地油耗率增大幅度也就随之有所下降。3.2排放结果分析图2为负荷特性下，柴油机燃用纯柴油和M5、M10混合燃料的烟度排放对比。由图可以看出，柴油机燃用甲醇柴油混合燃料时烟度的排放较纯柴油均有所下降。这主要是由甲醇的物性和含氧特性引起的，甲醇的汽化潜热大，可以降低缸内温度，加之甲醇为含氧燃料，可以在燃烧过程中提供较多的氧，因此降低了燃料浓混合区缺氧的程度，也就在一定程度上抑制了碳烟生成的条件，即高温缺氧；同时甲醇分子结构中C-O结合强，无C-C的结合9，在燃烧过程中不易产生热裂解，因而碳烟减少；另外，甲醇的沸点比较低，使得甲醇在气缸内比柴油更容易蒸发雾化，更有利于燃料与空气的混合，提高了缸内混合气体的均匀性，从而降低了碳烟的排放。(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min图2燃用不同混合燃料时的碳烟排放对比图3给出了纯柴油、M5、M10三种燃料NOx排放随负荷变化的关系曲线。从图3可以看出，燃用纯柴油时NOx排放比M15、M30均要高。究其原因：NOx生成的3个条件为高温、富氧以及高温持续时间10，当燃用混合燃料时，一方面，虽然甲醇作为含氧燃料促进了NOx排放的增加，但另一方面，甲醇的汽化潜热比柴油大，喷入缸内后吸热比柴油大，这有助于降低缸内温度，从而又抑制了NOx的生成；另外，混合燃料中甲醇的扩散速度和燃烧速度均比柴油要快，相应缩短了燃烧持续时间，这也有利于抑制NOx的生成。(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min图3燃用不同混合燃料时的NOx排放对比图4为柴油机燃用混合燃料对HC排放的影响。可以看出，柴油机燃用甲醇柴油混合燃料时，随着甲醇含量的增加，HC排放呈上升趋势，这种趋势在柴油机高速时更加明显。转速为2400r/min时，M5的HC排放较纯柴油昀大增加47%，M10较纯柴油HC排放昀大增加达58%。这主要是由于混合燃料中含有甲醇，使得混合气形成过程中缸内温度降低，可燃混合气的形成速度减小，未参与燃烧的燃油量增加。同时，甲醇的十六烷值低，混合燃料滞燃期长，壁面淬熄的碳氢较多，也会使总HC排放量增加。(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min图4燃用不同混合燃料时的HC排放对比(a)n=1500r/min(b)n=2400r/min图5燃用不同混合燃料时的CO排放对比图5为负荷特性中混合燃料对CO排放的影响。可以看出，两种转速下，燃用不同燃料时的CO排放随负荷变化的趋势基本相同。即在中低负荷时，由于循环喷油量少，过量空气系数较大，所以CO排放较低；而随着负荷的进一步增大，过量空气系数逐渐减小，使燃烧区域局部缺氧情况加剧，燃烧不完全导致各燃料CO排放迅速增加。同时，由图还可以看出，在中低负荷时，混合燃料的CO排放与燃用纯柴油相比均略有增加，但区别不大。这主要是由于甲醇燃料的汽化潜热较大，自燃温度高，使得含有甲醇的混合燃料在工作过程中平均循环温度降低，造成不完全燃烧的燃料增加的缘故。随着负荷的继续加大，甲醇的吸热影响减小，含氧燃料中的氧原子对促进燃烧起更大的作用，同时，高负荷下甲醇柴油混合燃料还有可能发生“微爆”效应11，从而有助于混合燃料的雾化，因而随着甲醇掺混比例的增加，CO排放量呈现降低趋势。3.3燃烧特性分析图6为柴油机在1500r/min转速下昀大负荷工况时燃用掺甲醇混合燃料和纯柴油时的缸内压力p、压力升高率dQ/dθ、放热率dx/dθ及累积放热率x随曲轴转角θ的变化规律曲线。(a)压力示功图(b)压力升高率变化曲线(c)瞬时放热率曲线(d)累积放热率曲线图6发动机燃烧特性曲线由图可以看出，混合燃料的昀高爆发压力、昀大压力升高率和昀大放热率都比纯柴油要大。柴油昀大放热率为0.185kJ/°CA，发生在上止点前1.2°CA，混合燃料昀大放热率分别为0.201kJ/°CA、0.21kJ/°CA，依次发生在上止点前0.5°CA和0.1°CA，较柴油滞后。掺入甲醇后，由于甲醇的汽化潜热大，气化过程中要吸收大量的热，降低了气缸内的温度；同时由于甲醇的十六烷值低，自燃温度高，导致柴油掺入甲醇后使燃料的着火性能降低，混合燃料着火延迟与纯柴油相比有所增大，燃烧过程相对后移。但是，着火延迟使得混合燃料的滞燃期延长，滞燃期愈长，则使在速燃期预混合燃烧的燃料量增多，这一时期的燃烧放热量增加，加之甲醇含氧，可促进燃烧，因而使得放热速度加快，缸内昀大爆发压力和压力升高率增大，放热率峰值升高。此外，由放热率曲线可以看出，混合燃料与纯柴油相比有着相似的放热规律，预混燃烧部分比柴油略大。同时，甲醇的粘度、密度和表面张力较小，有利于燃油的雾化和蒸发，从而提高了混合燃料的扩散与燃烧速度。结果，相应的缩短了燃烧持续期，抑制了NOx的生成。4结论（1）在柴油机基本结构不做任何参数调整，同转速下输出相同功率时，混合燃料的燃油消耗率比纯柴油要高。随着负荷的加大,三种燃料的燃油消耗率差值逐渐减小。（2）中低负荷时，混合燃料的CO排放与燃用纯柴油相比均略有增加，但区别不大；高负荷时CO排放量比柴油要低。（3）虽然HC排放有所升高，但NOx和碳烟排放却明显下降，说明燃用甲醇柴油混合燃料是同步降低柴油机NOx和碳烟排放的一种有效方法。（4）在相同的平均有效压力和转速下，随着甲醇含量的增加，燃料着火延迟相应增大，使得燃烧过程向上止点后移动。混合燃料的滞燃期比柴油长，预混燃烧部分大于纯柴油，燃烧放热峰值增大，燃烧持续期缩短，缸内昀大爆发压力和压力升高率增加。参考文献1HuangZuo-hua,LuHong-bing,JiangDe-ming,etal.StudyoncombustioncharacteristicsofaDIengineoperatingondiesel-methanolblends[J].TransactionsofCSICE.2003,21(6):401—410.2张俊强,卢红兵,王锡斌,等.直喷式柴油机燃用甲醇／柴油混合燃料的燃烧及排放特性[J].燃烧科学与技术.2004(2):171—175.3魏远文,田维,黄海波,王永忠.ZS1100柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料的试验研究[J].小型内燃机与摩托车.2007(3):15-18.4方显忠,刘巽俊,金文华,等.直喷压燃式发动机用双喷射系统燃用柴油／甲醇的研究[J].内燃机学报.2003,21(6):411-414.5HoltDJ.Alternativedieselfuels[M].USA:SAEInc.2004.21-32.6姚春德,段峰,李云