柴油甲醇发动机的燃烧与排放特性

柴油甲醇发动机的燃烧与排放特性 柴油/甲醇发动机的燃烧与排放特性 摘 要:甲醇是内燃机较理想的替代燃料之一。在柴油机上燃用甲醇能有效地降低碳烟和NOx的排放～因 此～柴油机燃用甲醇的技术得到了人们广泛的重视。本文对一台高速直喷式柴油机采用柴油/甲醇组合燃烧 方式及其纯柴油燃烧方式的燃烧特性及排放特性进行了研究。试验结果表明～和纯柴油模式相比～柴油, 甲醇组合燃烧模式的动力性和经济性都有所提高～排气温度有所下降,NOx和碳烟排放下降幅度较大。但 是～HC和CO排放增加较多～微粒比排放量也有所增加。 关键词:柴油机,甲醇,组合燃烧,燃烧特性,排放 Abstract: The methanol-fueled diesel engine Call 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 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; methanol; compound combustion; combustion characteristics; emissions 随着汽车工业的发展，世界汽车年产量在柴油机上应用甲醇主要有以下几种型式: 已达5000余万辆，我国在2005年将达到600柴油/甲醇乳化，柴油/甲醇双喷射,柴油引燃 万辆，汽车保有量增长很快，2000年达到进气吸入的甲醇混合气，电热塞或电火花点[1]1608.9万辆，汽车排出的大量废气污染在燃甲醇混合气等。上述形式都不能从根本上 严重地威胁着人类的生态环境。 解决醛类排放和冷起动等问题，因而难以推[9-14]柴油机具有热效率高，燃油经济性好、。 广 [15]本研究在柴油机上采用组合燃烧CO和HC排放低等优点，得到越来越广泛方 的应用。但是柴油机的排气污染主要是微粒式来燃用甲醇，即在起动、暖车及小负荷工 [2]作时,发动机仅以纯柴油进行工作,(PM)和NO。所以，基于有限的石油资源而在中高X 和环境保护的要求，寻求合理地降低柴油机负荷时由柴油引燃喷入气缸的甲醇均质预 微粒与NO排放，替代石油消耗的技术手混合气.。可以实现同时减少碳烟和NO的XX[3][16]段成为目前的研究热点目标。最新的研究证。柴油/甲醇组合燃烧模式充分发挥 明，增加燃料的H/C比，可降低碳烟排放，了不同燃料的特性，在不必过高地提升发动 高十六烷值的含氧燃料，如甲醇、二甲醚燃机燃油喷射系统要求下，使发动机始终工作 [4-6]烧几乎不产生碳烟。大量的研究发现，在高效、低排放区域，从总的能量利用率上[17]在汽油和柴油中加入富氧燃料可以大幅度也较原柴油机有一定幅度的提高。同时对 降低排放。例如，甲醇、乙醇、异丁醇、叔柴油机的排放特性做了相关研究。组合燃烧[18]丁醇、乙基叔丁基醚等许多含氧化合物具有的控制模式见文献。 很高的辛烷值，是良好的抗爆剂。今后柴油1、实验装置 机的发展前途显然系于PM和NO排放的X[7]合理解决。 本试验使用的是一台高速直喷柴油机。 甲醇由于来源丰富,燃烧时无烟,因此被将柴油机安装到试验台架上，在进气歧管上[8]看作未来最有前景的石油替代燃料之一。分别安装4只低压喷嘴，用一套自行开发的 但是甲醇汽化潜热高，低温燃烧时容易产生电控装置控制喷嘴的开启时刻和喷醇量。在 大量醛类，因此，如何在压燃式发动机上实试验过程中，用CW160电涡流测功机及发 现高效、清洁的燃烧是当前一个重要的研究动机参数控制柜,检测发动机扭矩、转速、进 课题。但是,在柴油机上燃用甲醇,由于存在气温度、排气温度等参数;采用2台FCM205 起动、暖车及小负荷时醛类排放高、起动困瞬态自动油耗仪分别对柴油和醇燃料消耗 难等问题，而使其应用受到限制.目前国内外量进行测量;FQD2102A波许数字烟度计测 量排气烟度;燃料热值由HYR225氧弹热量N?m柴油甲醇组合燃烧、喷醇始点为75 计量;NO、HC、CO等有害排放物用N?m的柴油甲醇组合燃烧和喷醇始点为85 X HOR2IBA M EXA27100 DEGR气体仪N?m的柴油甲醇组合燃烧。 测量。MEXA 27100DEGR为日本HOR IBA实测的柴油机气缸压力曲线如图2所公司的产品,用化学发光法(CLD)测量NO，示，从图中可以看出喷醇后柴油机压力急剧X 不分光红外气体分析仪(ND IR)测量CO、升高，起点晚于纯柴油工况1的起点，并且[19]CO，氢火焰离子法(FID)测量THC。.曲随着喷醇始点的降低，即喷醇量的增加，缸2 轴转角信号由LEC272BM2G05E角标发生压急剧上升的起点依次滞后。另外，组合燃器产生，压力信号经YE5850电荷放大器传烧最高压力高于纯柴油的最高压力，并且喷送给计算机，如图1所示.发动机主要性能参醇始点越早，即甲醇所占的比例越大，最高[19]数见表1。 压力数值越大。从图2可以看出工况1时， 图2 2000 r/min、110 N?m时缸压曲线对比 燃烧始点是1.5?CA;工况4时，燃烧始点 是3.5?CA;工况3时，是4.5?CA;工况图1 实验装置布置 2时，是6?CA。这说明，甲醇喷入后气化 表1 485QD I型柴油机主要性能参数 吸热，降低了进气温度，使压缩终点温度也性能参数 指标 同时降低，导致燃烧起点较纯柴油滞后;随 缸径×行程/mm×mm 85×95 喷醇量的增加，上述情况加剧，因而造成燃 排量/L 2.156 烧起点进一步推迟。另一方面，由于甲醇是 压缩比 18:1 含氧燃料，燃烧速度比柴油快，又是均质预-1标定功率/转速(KW/(r?min)) 31/3000 混合气，一旦燃烧，其速度必然要快过采用-1最大扭矩/转速(N?m/(r?min)) 110/2000 扩散燃烧方式的纯柴油，所以燃烧的最高压 喷嘴开启压力/M Pa 20 力要高一些;随着甲醇量的增加，燃烧中预 供油提前角/(?A BTDC) 20 混燃烧所占的比例更大，因此最高燃烧压力 喷孔数×直径/mm 4×0.28 必然增加。 计算所得的柴油机dp/dθ曲线如图3所2、实验结果及分析 示，由图中可以看出随着喷醇量的增加，压2.1 组合燃烧方式对柴油机燃烧性能的影力升高率曲线依次滞后，这与压力曲线的趋响 势相一致。但是，dp/dθ曲线的峰值点却与 采用组合燃烧方式，甲醇开始喷入时对压力曲线不同，工况4时的峰值最高，工况应的负荷值称为喷醇始点。随着喷醇点的降1次之，而工况2时最低.分析其原因，可能低，喷入柴油机的甲醇量不断增加。本文分是因为起喷点是85 N?m时，甲醇量相对较别对比了在同一工况下，采用纯柴油和不同少，而对应的柴油量比较多，压缩终点温度喷醇始点的组合燃烧方式下工作的柴油机相对高一些;当滞燃期内燃料一旦着火，参在2000 r/min、110 N?m时的燃烧特性和排加燃烧的油量较多，因而造成急燃期压力升放特性。图中工况1、工况2、工况3和工高速率较大，dp/dθ曲线的峰值点高于纯柴况4分别代表纯柴油燃烧、喷醇始点为65 油的情况。当起喷点是65 N?m时，对应的 素对NOx的生成作用相反，具体工况下甲醇混合气量较多，尽管滞燃期内参加燃烧的燃料量可能更大，但由于压缩终点温度NOx排放量的多少取决于二者的综合作用。 低，着火发生时，活塞已经处于下行阶段，所以，较迟的着火造成dp/dθ曲线的峰值点 图4 1600r/min时NOx排放对比 图3 2000 r/min、110 N?m时dp/dθ对比 最低。 对上述试验结果计算所得的放热率曲线如图4所示，纯柴油呈典型的双峰形曲线，前一个峰对应预混燃烧放热，后一个峰对应扩散放热。而喷醇后的组合燃烧放热率曲线随喷醇量的增加趋于单峰形状，并且随喷醇量的增大，燃烧起点推迟，放热率曲线的峰值增加，燃烧持续期缩短。这说明甲醇的喷 入一方面使得着火滞后，另一方面一旦燃烧 图5 2200r/min时NOx排放对比 其燃烧速度很快。 2.2 柴油_甲醇组合燃烧方式对柴油机排放特性的影响 2.2.1 NO排放 X 柴油/甲醇组合燃烧模式与纯柴油的在不同转速下NOx排放对比如图4—图6所示，它们分别为1600r/min、2200r/min和3200r/min转速下的对比特性。可以看出:柴油/甲醇组合燃烧模式在各个转速下均比纯柴油的要低，且转速越大下降的幅度越 大，但是在大负荷下降低的幅度不大;两种图6 3200r/min时NOx排放对比 燃烧模式NOx排放的趋势一致，都是随着2.2.2 碳烟排放 负荷的增加而变大。其原因分析如下:和纯不同燃烧模式下，不同转速下的发动机柴油工况相比，NOx生成量的变化取决于以的碳烟排放对比如图7一图9所示。可以看下两个方面因素:研究表明，NOx生成的三出:与原柴油机相比，柴油/甲醇组合燃烧个条件为高温、富氧和高温持续时间，向进发动机的碳烟排放显著降低;在不同转速下气道喷入甲醇，甲醇汽化潜热大，降低了进的负荷特性烟度变化趋势相近，尤其在中高气温度，从而使缸内最高燃烧温度下降，使负荷下，降低幅度更大，可达50,以上，甚NOx排放减少;但另一方面由于掺烧了甲至达到无烟燃烧，这说明醇燃料的加入对降 醇，而甲醇属含氧燃料，含氧有利于NOx低碳烟排放起到很好的效果。 的生成，有使NOx排放增加。以上两种因 火引燃甲醇混合气，使发动机的燃烧过程由 柴油工况时的扩散燃烧转变为柴油,甲醇 的组合燃烧模式，即预混燃烧、扩散燃烧并 存的燃烧模式，提高了燃烧速率，缩短了燃 烧持续期，从而有利于抑制碳烟的形成，使 发动机以柴油,甲醇组合燃烧模式下运行 的碳烟排放降低。 另外，醇燃料对碳烟排放的作用机理， 可以从两方面分析。其一，甲醇本身燃烧时 不生成烟，醇燃料的加入会相应减少柴油 量，也就减少了成烟的原料;其二，可能也图7 1600r/min时烟度排放对比 是更重要的作用，甲醇在燃烧反应中生成大 量自由基OH，OH与柴油分子燃烧反应中 的各中间生成物的反应要比其它自由基H、 O等容易的多，譬如，最容易形成碳核的乙 H与H、O和OH的反应为: 炔C22 CH，H,CH，H 2222 CH，O,CH，CO 222 CH，O,HCCO，H 22 CH，OH,CH，HO 2222 CH，OH,CHCO，H 222 [20]上述4个反应的活化能分别为2243 图8 2200r/min时烟度排放对比 kJ,mol、3178 kJ,mol、12110 kJ,mol、 [21]12035 kJ,mol和1209 kJ/mol。 根据活化能低的反应优先原则，可见 OH破坏乙炔形成碳核的能力是O的3倍， 是H的20倍，所以预混甲醇后，不仅减少 了成烟的柴油量，而且改变了柴油成烟的化 学反应过程，大大减少了碳烟的生成量，同 时OH对已生成的碳烟也有更强的氧化作 用，因此预混醇燃料后碳烟的排放将大幅度 减少。 2.3.3 HC和CO排放 图9 3200r/min时烟度排放对比 不同燃烧模式下，不同转速下的发动机 其原因分析如下:柴油机以柴油为燃料的HC和CO排放对比如图10一图15所示。时，由于柴油与空气混合不均匀，会出现局由图可见，HC和CO排放较纯柴油增加幅部过浓，在燃烧过程中过浓的混合气因高温度比较大，HC和CO在大负荷下都比较高，缺氧将生成碳烟。由于碳烟的生成与混合气和原机相比变化趋势略有不同，在满负荷形成和燃烧速率有关，因此既能改善混合气时，HC增加的幅度更大，而CO较小。 形成和提高燃烧速率的措施均有助于减少HC主要是由于不完全燃烧造成的，其碳烟的生成。甲醇与柴油相比，具有蒸发性主要产生原因为:其一是气缸扫气，柴油机好、十六烷值低、自燃性差等显著特点。当中有少量的新鲜工质直接从气缸中排出，由发动机以柴油,甲醇组合燃烧模式运行时，于柴油,甲醇组合燃烧模式预混了甲醇，因甲醇喷入进气道，在进气过程中就开始与空此扫气必然增加柴油,甲醇模式下的HC排气混合，当柴油喷入燃烧室时，甲醇与空气放:二是在压缩过程中被挤入狭小的缝隙内的混合质量已相当好，柴油喷入燃烧室后着部的甲醇混合气，在余隙容积和表面激冷处 难于燃烧，也会导致HC排放的增加。 图14 2200r/min时CO排放对比 图10 1600r/min时HC排放对比 图15 3200r/min时CO排放对比 试验中在中高负荷下，喷入的甲醇量较图11 2200r/min时HC排放对比 大，混合气浓度较高，扫气损失以及在狭缝 等处未燃甲醇量增加。另外，由于甲醇的汽 化潜热比柴油大很多，且甲醇着火滞后，所 以在低负荷下喷入甲醇导致缸内燃烧温度 下降，难以点燃较稀的甲醇均质混合气，造 成燃料燃烧不充分，从而导致HC排放比纯 柴油多[23]。CO排放增加主要来源于甲醇 的不完全氧化反应，由于在进气中混入甲 醇，甲醇发生不完全氧化反应生成大量的不 完全的氧化产物CO。另一方面，由于甲醇图12 3200r/min时HC排放对比 燃烧会产生大量的氧甲基CHO，氧甲基通3[24]过下面的反应生成CO: CHO，O,CO，HO，OH32 随着负荷的增加，过量空气系数变小， 混合气变浓，使得燃烧不完全，同时存在于 活塞顶岸间隙中充量中的甲醇在膨胀冲程 中流到气缸中央以后，其中的一部分通过氧 化成氧甲基以致生成CO。 从以上的排放分析可以看出，采用柴油 ,甲醇组合燃烧模式，发动机的NOx和碳 图13 1600r/min时CO排放对比 烟和纯柴油模式相比，降低了很多，但CO 和HC急剧增加。 lean burn in an auto ignotion D I 3 结 论 engine[A].In:SA E Paper[C].1998,980531. [12] 何学良,詹永厚,李疏松.内燃机燃料[M].北与纯柴油燃烧模式发动机相比，柴油, 京:中国石化出版社,1999.376—378. 甲醇组合燃烧发动机的动力性、经济性都有 所增加;不同转速和负荷下，过量空气系数[13] 张德先.柴油2甲醇双燃料发动机的研究[D]. 变大，混合气浓度变稀;排气温度也降低。天津:天津大学机械工程学院,1983.27—28. 通过排放的比较知，柴油,甲醇组合燃烧催[14] Imp to K, kiyota Y. New combustion system 化前的HC、CO排放增加幅度较大，但经of the methanolfueled D I diesel 过催化后，达到了原机的排放水平，甚至低engine[A].In:V II International Sym 于原机水平。NOx和烟度排放下降较大，posium on A lcohol Fuels[C].Paris,1986. NOx平均下降可达40,，烟度最大可达[15] 姚春德，李云强，王银山，等。用扩散及准 50,。经过催化后，NOx反而有所增加，但均质混合气压然的组合燃烧降低柴油机碳烟 增加幅度很小，仍低于原机水平;碳烟也进和NOX排放的研究。内燃机学报，[25]一步被氧化而减少。 2004,22(4):310-316 参考文献 [16] Hisakara S, Noriyuki K, Matsuo O. [1] 边耀璋，汽车新能源技术，北京:人民交通出Combustion Control Method of Homogeneous 版社，2003 Charge Diesel Engine. 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