柴油甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒與排放特性

1、柴油/甲醇發(fā)動機(jī)的燃燒與排放特性摘要：甲醇是內(nèi)燃機(jī)較理想的替代燃料之一。在柴油機(jī)上燃用甲醇能有效地降低碳煙和NOx的排放，因 此，柴油機(jī)燃用甲醇的技術(shù)得到了人們廣泛的重視。本文對一臺高速直噴式柴油機(jī)采用柴油/甲醇組合燃燒 方式及其純柴油燃燒方式的燃燒特性及排放特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，和純柴油模式相比，柴油/ 甲醇組合燃燒模式的動力性和經(jīng)濟(jì)性都有所提高，排氣溫度有所下降；NOx和碳煙排放下降幅度較大。但 是，HC和CO排放增加較多，微粒比排放量也有所增加。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；甲醇；組合燃燒；燃燒特性；排放Abstract: The methanol-fueled diesel engine C

2、all considerably depress smoke density and Oxides of Nitrogen (NOx) emissions. Therefore, the investigation of diesel engines fuelled with methanol has been attended. In this study, methanol was pre-mixed in the intake manifold of a diesel engine, and the combustion characteristics and emissions of

3、the compound combustion were investigated. The experimental results indicated that the DMCC engine is superior to the diesel engine in performance and economy and exhaust gas temperature decrease. NOx reduction and smoke density reduced, however, HC, C0 and PM emissions increase.Keywords: diesel; me

4、thanol; compound combustion; combustion characteristics; emissions隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，世界汽車年產(chǎn)量 已達(dá)5000余萬輛，我國在2005年將達(dá)到600 萬輛，汽車保有量增長很快，2000年達(dá)到 1608.9萬輛1，汽車排出的大量廢氣污染在 嚴(yán)重地威脅著人類的生態(tài)環(huán)境。柴油機(jī)具有熱效率高，燃油經(jīng)濟(jì)性好、 CO和HC排放低等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛 的應(yīng)用。但是柴油機(jī)的排氣污染主要是微粒 (PM)和 NOX【2。所以，基于有限的石油資源 和環(huán)境保護(hù)的要求，尋求合理地降低柴油機(jī) 微粒與NOX排放，替代石油消耗的技術(shù)手 段成為目前的研究熱點(diǎn)

5、。最新的研究證 明，增加燃料的H/C比，可降低碳煙排放， 高十六烷值的含氧燃料，如甲醇、二甲醚燃 燒幾乎不產(chǎn)生碳煙。大量的研究發(fā)現(xiàn)46， 在汽油和柴油中加入富氧燃料可以大幅度 降低排放。例如，甲醇、乙醇、異丁醇、叔 丁醇、乙基叔丁基醚等許多含氧化合物具有 很高的辛烷值，是良好的抗爆劑。今后柴油 機(jī)的發(fā)展前途顯然系于PM和NOX排放的 合理解決刀。甲醇由于來源豐富，燃燒時無煙，因此被 看作未來最有前景的石油替代燃料之一冏。 但是甲醇汽化潛熱高，低溫燃燒時容易產(chǎn)生 大量醛類，因此，如何在壓燃式發(fā)動機(jī)上實(shí) 現(xiàn)高效、清潔的燃燒是當(dāng)前一個重要的研究 課題。但是，在柴油機(jī)上燃用甲醇，由于存在 起動、暖車及

6、小負(fù)荷時醛類排放高、起動困 難等問題，而使其應(yīng)用受到限制.目前國內(nèi)外 在柴油機(jī)上應(yīng)用甲醇主要有以下幾種型式： 柴油/甲醇乳化，柴油/甲醇雙噴射，柴油引燃 進(jìn)氣吸入的甲醇混合氣，電熱塞或電火花點(diǎn) 燃甲醇混合氣等。上述形式都不能從根本上 解決醛類排放和冷起動等問題，因而難以推 廣9-14。本研究在柴油機(jī)上采用組合燃燒15方 式來燃用甲醇，即在起動、暖車及小負(fù)荷工 作時,發(fā)動機(jī)僅以純柴油進(jìn)行工作，而在中高 負(fù)荷時由柴油引燃噴入氣缸的甲醇均質(zhì)預(yù) 混合氣.。可以實(shí)現(xiàn)同時減少碳煙和NOX的 目標(biāo)16。柴油/甲醇組合燃燒模式充分發(fā)揮 了不同燃料的特性，在不必過高地提升發(fā)動 機(jī)燃油噴射系統(tǒng)要求下，使發(fā)動機(jī)始終

7、工作 在高效、低排放區(qū)域，從總的能量利用率上 也較原柴油機(jī)有一定幅度的提高UM同時對 柴油機(jī)的排放特性做了相關(guān)研究。組合燃燒 的控制模式見文獻(xiàn)I。1、實(shí)驗(yàn)裝置本試驗(yàn)使用的是一臺高速直噴柴油機(jī)。 將柴油機(jī)安裝到試驗(yàn)臺架上，在進(jìn)氣歧管上 分別安裝4只低壓噴嘴，用一套自行開發(fā)的 電控裝置控制噴嘴的開啟時刻和噴醇量。在 試驗(yàn)過程中，用CW160電渦流測功機(jī)及發(fā) 動機(jī)參數(shù)控制柜，檢測發(fā)動機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速、進(jìn) 氣溫度、排氣溫度等參數(shù);采用2臺FCM205 瞬態(tài)自動油耗儀分別對柴油和醇燃料消耗 量進(jìn)行測量；FQD2102A波許數(shù)字煙度計測 量排氣煙度；燃料熱值由HYR225氧彈熱量 計量；NOX、HC、CO等有

8、害排放物用 HOR2IBA M EXA27100 DEGR 氣體分析儀 測量。MEXA 27100DEGR 為日本 HOR IBA 公司的產(chǎn)品,用化學(xué)發(fā)光法(CLD)測量NOX， 不分光紅外氣體分析儀(ND IR)測量CO、 CO2，氫火焰離子法(FID)測量THCU9。.曲 軸轉(zhuǎn)角信號由LEC272BM2G05E角標(biāo)發(fā)生 器產(chǎn)生，壓力信號經(jīng)YE5850電荷放大器傳 送給計算機(jī)，如圖1所示.發(fā)動機(jī)主要性能參 數(shù)見表1【19】。If 氣詭沽牌.1中虹代：4一忌J1ML.5電抑單冗I占融肌m荷橋蛉器疽一及曲機(jī)轉(zhuǎn)迎怖/圈;I L-m燃軒分配管I I NF燃料壓力iff廿JK； L*，Ls!j燃油案；

9、M醇幡耕箝；MTCi苗折值；I占TlflfiEW； iT-ftl壓仿醞端；IHtII荷檢大辟、19T算機(jī)tSOTO標(biāo)鼎；ZITW計凱；心7割柜圖1實(shí)驗(yàn)裝置布置表1 485QD I型柴油機(jī)主要性能參數(shù)性能參數(shù)指標(biāo)缸徑X行程/mm X mm85X95排量/L2.156壓縮比18:1標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速(KW/(r min-1)31/3000最大扭矩/轉(zhuǎn)速(N m/ (r min-1)110/2000噴嘴開啟壓力/M Pa20供油提前角/(CA BTDC)20噴孔數(shù)X直徑/mm4X0.282、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1組合燃燒方式對柴油機(jī)燃燒性能的影 響采用組合燃燒方式，甲醇開始噴入時對 應(yīng)的負(fù)荷值稱為噴醇始點(diǎn)

10、。隨著噴醇點(diǎn)的降 低，噴入柴油機(jī)的甲醇量不斷增加。本文分 別對比了在同一工況下，采用純柴油和不同 噴醇始點(diǎn)的組合燃燒方式下工作的柴油機(jī) 在2000 r/min、110 Nm時的燃燒特性和排 放特性。圖中工況1、工況2、工況3和工 況4分別代表純柴油燃燒、噴醇始點(diǎn)為65Nm柴油甲醇組合燃燒、噴醇始點(diǎn)為75 Nm的柴油甲醇組合燃燒和噴醇始點(diǎn)為85 Nm的柴油甲醇組合燃燒。實(shí)測的柴油機(jī)氣缸壓力曲線如圖2所 示，從圖中可以看出噴醇后柴油機(jī)壓力急劇 升高，起點(diǎn)晚于純柴油工況1的起點(diǎn)，并且 隨著噴醇始點(diǎn)的降低，即噴醇量的增加，缸 壓急劇上升的起點(diǎn)依次滯后。另外，組合燃 燒最高壓力高于純柴油的最高壓力，并且

11、噴 醇始點(diǎn)越早，即甲醇所占的比例越大，最高 壓力數(shù)值越大。從圖2可以看出工況1時，圖2 2000 r/min、110 N m時缸壓曲線對比燃燒始點(diǎn)是1.5 CA；工況4時，燃燒始點(diǎn) 是3.5 CA；工況3時，是4.5。人；工況 2時，是6 CA。這說明，甲醇噴入后氣化 吸熱，降低了進(jìn)氣溫度，使壓縮終點(diǎn)溫度也 同時降低，導(dǎo)致燃燒起點(diǎn)較純柴油滯后；隨 噴醇量的增加，上述情況加劇，因而造成燃 燒起點(diǎn)進(jìn)一步推遲。另一方面，由于甲醇是 含氧燃料，燃燒速度比柴油快，又是均質(zhì)預(yù) 混合氣，一旦燃燒，其速度必然要快過采用 擴(kuò)散燃燒方式的純柴油，所以燃燒的最高壓 力要高一些；隨著甲醇量的增加，燃燒中預(yù) 混燃燒所占

12、的比例更大，因此最高燃燒壓力 必然增加。計算所得的柴油機(jī)dp/ae曲線如圖3所 示，由圖中可以看出隨著噴醇量的增加，壓 力升高率曲線依次滯后，這與壓力曲線的趨 勢相一致。但是，dp/ae曲線的峰值點(diǎn)卻與 壓力曲線不同，工況4時的峰值最高，工況 1次之，而工況2時最低.分析其原因，可能 是因?yàn)槠饑婞c(diǎn)是85 Nm時，甲醇量相對較 少，而對應(yīng)的柴油量比較多，壓縮終點(diǎn)溫度 相對高一些；當(dāng)滯燃期內(nèi)燃料一旦著火，參 加燃燒的油量較多，因而造成急燃期壓力升 高速率較大，dp/ae曲線的峰值點(diǎn)高于純柴 油的情況。當(dāng)起噴點(diǎn)是65 Nm時，對應(yīng)的 甲醇混合氣量較多，盡管滯燃期內(nèi)參加燃燒 的燃料量可能更大，但由于壓

13、縮終點(diǎn)溫度 低，著火發(fā)生時，活塞已經(jīng)處于下行階段， 所以，較遲的著火造成dp/de曲線的峰值點(diǎn)素對NOx的生成作用相反，具體工況下NOx排放量的多少取決于二者的綜合作用。圖4 1600r/min時NOx排放對比圖 3 2000 r/min、110 N - m 時 dp/d0 對比 最低。對上述試驗(yàn)結(jié)果計算所得的放熱率曲 線如圖4所示，純柴油呈典型的雙峰形曲線， 前一個峰對應(yīng)預(yù)混燃燒放熱，后一個峰對應(yīng) 擴(kuò)散放熱。而噴醇后的組合燃燒放熱率曲線 隨噴醇量的增加趨于單峰形狀，并且隨噴醇 量的增大，燃燒起點(diǎn)推遲，放熱率曲線的峰 值增加，燃燒持續(xù)期縮短。這說明甲醇的噴 入一方面使得著火滯后，另一方面一旦燃

14、燒 其燃燒速度很快。2.2柴油_甲醇組合燃燒方式對柴油機(jī)排 放特性的影響2.2.1 NOX排放柴油/甲醇組合燃燒模式與純柴油的在 不同轉(zhuǎn)速下NOx排放對比如圖4一圖6所 示，它們分別為1600r/min、2200r/min和 3200r/min轉(zhuǎn)速下的對比特性?？梢钥闯觯?柴油/甲醇組合燃燒模式在各個轉(zhuǎn)速下均比 純柴油的要低，且轉(zhuǎn)速越大下降的幅度越 大，但是在大負(fù)荷下降低的幅度不大；兩種 燃燒模式NOx排放的趨勢一致，都是隨著 負(fù)荷的增加而變大。其原因分析如下：和純 柴油工況相比，NOx生成量的變化取決于以 下兩個方面因素：研究表明，NOx生成的三 個條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時間，向進(jìn) 氣道

15、噴入甲醇，甲醇汽化潛熱大，降低了進(jìn) 氣溫度，從而使缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，使 NOx排放減少；但另一方面由于摻燒了甲 醇，而甲醇屬含氧燃料，含氧有利于NOx 的生成，有使NOx排放增加。以上兩種因圖5 2200r/min時NOx排放對比圖6 3200r/min時NOx排放對比2.2.2碳煙排放不同燃燒模式下，不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī) 的碳煙排放對比如圖7一圖9所示?？梢钥?出：與原柴油機(jī)相比，柴油/甲醇組合燃燒 發(fā)動機(jī)的碳煙排放顯著降低；在不同轉(zhuǎn)速下 的負(fù)荷特性煙度變化趨勢相近，尤其在中高 負(fù)荷下，降低幅度更大，可達(dá)50%以上，甚 至達(dá)到無煙燃燒，這說明醇燃料的加入對降 低碳煙排放起到很好的效果。圖7

16、 1600r/min時煙度排放對比圖9 3200r/min時煙度排放對比其原因分析如下：柴油機(jī)以柴油為燃料 時，由于柴油與空氣混合不均勻，會出現(xiàn)局 部過濃，在燃燒過程中過濃的混合氣因高溫 缺氧將生成碳煙。由于碳煙的生成與混合氣 形成和燃燒速率有關(guān)，因此既能改善混合氣 形成和提高燃燒速率的措施均有助于減少 碳煙的生成。甲醇與柴油相比，具有蒸發(fā)性 好、十六烷值低、自燃性差等顯著特點(diǎn)。當(dāng) 發(fā)動機(jī)以柴油/甲醇組合燃燒模式運(yùn)行時， 甲醇噴入進(jìn)氣道，在進(jìn)氣過程中就開始與空 氣混合，當(dāng)柴油噴入燃燒室時，甲醇與空氣 的混合質(zhì)量已相當(dāng)好，柴油噴入燃燒室后著 火引燃甲醇混合氣，使發(fā)動機(jī)的燃燒過程由 柴油工況時的擴(kuò)

17、散燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)椴裼?甲醇 的組合燃燒模式，即預(yù)混燃燒、擴(kuò)散燃燒并 存的燃燒模式，提高了燃燒速率，縮短了燃 燒持續(xù)期，從而有利于抑制碳煙的形成，使 發(fā)動機(jī)以柴油/甲醇組合燃燒模式下運(yùn)行 的碳煙排放降低。另外，醇燃料對碳煙排放的作用機(jī)理， 可以從兩方面分析。其一，甲醇本身燃燒時 不生成煙，醇燃料的加入會相應(yīng)減少柴油 量，也就減少了成煙的原料；其二，可能也 是更重要的作用，甲醇在燃燒反應(yīng)中生成大 量自由基OH，OH與柴油分子燃燒反應(yīng)中 的各中間生成物的反應(yīng)要比其它自由基H、 O等容易的多，譬如，最容易形成碳核的乙 快C2H2與H、O和OH的反應(yīng)為： C H + H C H + H c2h2 + O C

18、H + CO c2h2 + o hcCo+HC2H2 + OH C H + H O c2h2 + OH CH CO + h 222上述4個反應(yīng)的活化能20分別為2243 kJ / mol、3178 kJ / mol、12110 kJ / mol、 12035 kJ / mol 和 1209 kJ/mol?。根據(jù)活化能低的反應(yīng)優(yōu)先原則，可見 OH破壞乙快形成碳核的能力是O的3倍， 是H的20倍，所以預(yù)混甲醇后，不僅減少 了成煙的柴油量，而且改變了柴油成煙的化 學(xué)反應(yīng)過程，大大減少了碳煙的生成量，同 時OH對已生成的碳煙也有更強(qiáng)的氧化作 用，因此預(yù)混醇燃料后碳煙的排放將大幅度 減少。2.3.3 H

19、C和CO排放不同燃燒模式下，不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī) 的HC和CO排放對比如圖10 一圖15所示。 由圖可見，HC和CO排放較純柴油增加幅 度比較大，HC和CO在大負(fù)荷下都比較高， 和原機(jī)相比變化趨勢略有不同，在滿負(fù)荷 時，HC增加的幅度更大，而CO較小。HC主要是由于不完全燃燒造成的，其 主要產(chǎn)生原因?yàn)椋浩湟皇菤飧讙邭猓裼蜋C(jī) 中有少量的新鮮工質(zhì)直接從氣缸中排出，由 于柴油/甲醇組合燃燒模式預(yù)混了甲醇，因 此掃氣必然增加柴油/甲醇模式下的HC排 放：二是在壓縮過程中被擠入狹小的縫隙內(nèi) 部的甲醇混合氣，在余隙容積和表面激冷處難于燃燒，也會導(dǎo)致HC排放的增加。0 ;1。jG 75100負(fù)荷百分比理負(fù)荷

20、百分比理圖10 1600r/min時HC排放對比負(fù)荷百介比性圖153200r/min時CO排放對比負(fù)荷百寸比斗.01 .枝聚好 mom圖13 1600r/min負(fù)荷百寸比斗.01 .枝聚好 mom圖13 1600r/min時CO排放對比0塑螳授言試驗(yàn)中在中高負(fù)何下，噴入的甲醇量較 大，混合氣濃度較高，掃氣損失以及在狹縫 等處未燃甲醇量增加。另外，由于甲醇的汽 化潛熱比柴油大很多，且甲醇著火滯后，所 以在低負(fù)荷下噴入甲醇導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度 下降，難以點(diǎn)燃較稀的甲醇均質(zhì)混合氣，造 成燃料燃燒不充分，從而導(dǎo)致HC排放比純 柴油多23。CO排放增加主要來源于甲醇 的不完全氧化反應(yīng)，由于在進(jìn)氣中混入甲 醇

21、，甲醇發(fā)生不完全氧化反應(yīng)生成大量的不 完全的氧化產(chǎn)物CO。另一方面，由于甲醇 燃燒會產(chǎn)生大量的氧甲基CH3O，氧甲基通 過下面的反應(yīng)生成CO24：CH O + O T CO + H O + OH3隨著負(fù)荷的增加，過量空氣系數(shù)變小， 混合氣變濃，使得燃燒不完全，同時存在于 活塞頂岸間隙中充量中的甲醇在膨脹沖程 中流到氣缸中央以后，其中的一部分通過氧 化成氧甲基以致生成CO。從以上的排放分析可以看出，采用柴油 /甲醇組合燃燒模式，發(fā)動機(jī)的NOx和碳 煙和純柴油模式相比，降低了很多，但CO 和HC急劇增加。3結(jié)論與純柴油燃燒模式發(fā)動機(jī)相比，柴油/ 甲醇組合燃燒發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性都有 所增加；不同

22、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，過量空氣系數(shù) 變大，混合氣濃度變??；排氣溫度也降低。 通過排放的比較知，柴油/甲醇組合燃燒催 化前的HC、CO排放增加幅度較大，但經(jīng) 過催化后，達(dá)到了原機(jī)的排放水平，甚至低 于原機(jī)水平。NOx和煙度排放下降較大， NOx平均下降可達(dá)40 %，煙度最大可達(dá) 50%。經(jīng)過催化后，NOx反而有所增加，但 增加幅度很小，仍低于原機(jī)水平；碳煙也進(jìn) 一步被氧化而減少25 參考文獻(xiàn)邊耀璋，汽車新能源技術(shù)，北京：人民交通出 版社，2003李勤，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)排氣污染物的測量與控制， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998： 44，9092何學(xué)良，詹永厚，李疏松，內(nèi)燃機(jī)燃料.北京： 中國石化出版社，1999,

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