柴油在甲醇氛圍中高效清潔燃燒機(jī)理

姚春德，夏 琦，陳緒平，陽向蘭，魏立江

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

柴油機(jī)自1892 年由魯?shù)婪颉さ胰麪柊l(fā)明以來，由當(dāng)初的超過20%的熱效率引起世人關(guān)注.100 多年來，柴油機(jī)在多種技術(shù)的支持下，特別是廢氣渦輪增壓、高壓噴射等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使其熱效率得到進(jìn)一步提高，當(dāng)今的增壓中冷、高壓噴射的柴油機(jī)燃料效率已經(jīng)超過45%.由于柴油機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性高，工作可靠，所以除車用外，還廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶動力、軍用車輛和機(jī)車中.柴油機(jī)的燃料效率高，主要原因在于高壓縮比、無泵吸損失、稀混合氣燃燒和高燃油密度.如今在高技術(shù)的支撐下，柴油機(jī)還能進(jìn)一步大幅度提高燃料效率.目前主要途徑集中于采用先進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)強(qiáng)化噴霧，同時(shí)摻入部分廢氣以求得形成均質(zhì)混合氣在低溫下進(jìn)行燃燒，達(dá)到高效和清潔燃燒的目標(biāo).然而，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)配套和輔助設(shè)備條件要求很高，雖然換得發(fā)動機(jī)性能的改善，同時(shí)也帶來了發(fā)動機(jī)制造費(fèi)用的大幅度增加.

近期研究發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)上采用柴油/甲醇組合燃燒方式同樣也可以有效地達(dá)到上述目的.文獻(xiàn)[1]在甲醇摻混柴油的研究中得出，在較小的甲醇摻燒比的情況下，微粒(particulate matter,PM)大幅度降低而NOx則保持不變.本文提出一種柴油/甲醇組合燃燒的方法，其原理是啟動用柴油，待發(fā)動機(jī)溫度上升一定水平后，由電控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的二元變量，按照發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況脈譜，在進(jìn)氣過程中向進(jìn)氣道噴進(jìn)甲醇，使其成均質(zhì)混合氣進(jìn)入汽缸.在壓縮的終點(diǎn)噴進(jìn)柴油引燃甲醇混合氣.甲醇是在低壓條件下用噴嘴霧化的，可以確保其霧化質(zhì)量.臺架試驗(yàn)表明這種燃燒方式可以大幅度地降低微粒和NOx，使原來僅滿足國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)在保持原有供油系統(tǒng)的前提下達(dá)到了國Ⅲ的排放水平.另外道路試驗(yàn)也表明，這種燃燒方式可以將整車的燃料效率提高10%以上.

1 柴油/甲醇組合燃燒試驗(yàn)結(jié)果

1.1 組合燃燒原理

柴油/甲醇組合燃燒(diesel/methanol compound combustion，DMCC)的原理是，甲醇通過安裝在進(jìn)氣道上的噴嘴以低壓噴入，吸收進(jìn)氣道和空氣中的熱量后汽化成均質(zhì)混合氣進(jìn)入汽缸，經(jīng)壓縮后由噴進(jìn)柴油引燃.因而在缸內(nèi)燃燒時(shí)雙燃料同時(shí)進(jìn)行.甲醇噴入時(shí)間和噴入量由電控單元按照預(yù)先標(biāo)定的脈譜隨著實(shí)際運(yùn)行工況適時(shí)控制.圖1 是將一臺產(chǎn)品發(fā)動機(jī)按照柴油/甲醇組合燃燒要求進(jìn)行改裝的DMCC 發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意.

圖1 柴油/甲醇組合燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Scheme of the experimental apparatus of DMCC system

1.2 臺架和道路試驗(yàn)

試驗(yàn)用的發(fā)動機(jī)是增壓中冷型WD615 發(fā)動機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表 1.試驗(yàn)所用主要測試儀器包括JD600 交流電力測功器和PUMA1.2 發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)，用來控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；2 臺AVL735 智能油耗儀分別對柴油和甲醇消耗量進(jìn)行測量；Ricardo流量計(jì)測量進(jìn)氣流量；AVL439 煙度計(jì)測量排氣煙度；發(fā)動機(jī)微粒由SPC472 顆粒采樣分析儀測量；NOx、HC 和CO 等有害排放物用Horiba 氣體分析儀(MEXA 7100DEGR)測量.

表2 給出了穩(wěn)態(tài)循環(huán)(European steady state cycle，ESC)13 點(diǎn)工況和負(fù)載煙度試驗(yàn)(European load response，ELR)排放試驗(yàn)結(jié)果.經(jīng)在改裝后的DMCC發(fā)動機(jī)上安裝DOC 后處理裝置后，在臺架上采用國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的ESC 和ELR 測試，發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)提高了1 個(gè)等級，由原機(jī)的國Ⅱ提升到國Ⅲ，其中微粒改善幅度尤其大，NOx也有很大的降幅，由此可見，甲醇形成的混合氣與柴油在汽缸中共燃，能很好地解決柴油機(jī)在排放上PM 和NOx的trade-off 關(guān)系.對發(fā)動機(jī)進(jìn)行的ELR 測試結(jié)果表明，不透光煙度排放僅為國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)限定值(0.800)的30%.發(fā)動機(jī)最大輸出功率為211.1,kW，比原柴油機(jī)207.06,kW 高出了4.04,kW，達(dá)2%.最大輸出轉(zhuǎn)矩為1,212.8,N·m，比原柴油機(jī)(1,148,N·m)提高了5.6%.雙燃料發(fā)動機(jī)最低燃油油耗率198.7,g/(kW·h)，比原柴油機(jī)最低燃油耗率(203.21,g/(kW·h))降低了2.2%；排氣溫度降低15%；進(jìn)氣溫度降低9.3%.

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of the test engine

表2 ESC和ELR排放試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Weighted emission results according to the ESC and ELR tests

道路試驗(yàn)車和其進(jìn)氣系統(tǒng)的改造分別如圖2 和圖3 所示，在不改變發(fā)動機(jī)原有供油系統(tǒng)的前提下，增加了一個(gè)低壓(0.3,MPa)的醇軌和6 個(gè)電控噴嘴單獨(dú)噴醇，噴醇時(shí)間和噴醇量由專門的電控單元控制.道路試驗(yàn)的車輛是一臺在用的集裝箱車(車號為滬AD8695).該車的載重為20,t，執(zhí)行定點(diǎn)運(yùn)輸任務(wù).行駛里程達(dá)2.5×104km.甲醇對柴油的平均替代率達(dá)到了20%，替代比達(dá)到了1.47，相當(dāng)于1.47,L 甲醇折算1.0,L 柴油.然而甲醇的體積熱值僅為柴油的45%，即2.1,L 甲醇等值于1.0,L 柴油.就此意義說，發(fā)動機(jī)燃料效率提高了30%以上.整車的燃料效率改善10%.因此甲醇/柴油組合燃燒能夠大幅度改善柴油機(jī)的燃料效率.

圖2 道路試驗(yàn)車(車號為滬AD8695)Fig.2 Road test engine(No.AD8695)

圖3 DMCC發(fā)動機(jī)Fig.3 DMCC engine

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4給出了柴油/甲醇組合燃燒對發(fā)動機(jī)p-V圖的影響，虛線和實(shí)線分別表示DMCC 模式下和原機(jī)的熱力循環(huán)過程.發(fā)動機(jī)使用柴油/甲醇組合燃燒在臺架和實(shí)際運(yùn)行過程中獲得大幅度提高柴油機(jī)燃料效率的原因有以下3 個(gè)方面.

(1) 甲醇的汽化潛熱約是柴油的4 倍，甲醇噴入進(jìn)氣道將汽化吸熱，降低了進(jìn)氣溫度.空氣經(jīng)壓氣機(jī)作用后溫度上升，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，壓縮后的空氣溫度上升愈盛.但甲醇噴入后，混合氣溫度隨之下降.不同轉(zhuǎn)速下皆如此，高轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩下的下降幅度更大，大負(fù)荷時(shí)達(dá)到近40,℃，如圖5 所示.甲醇汽化吸熱來自發(fā)動機(jī)自身冷卻系統(tǒng)熱量，回收一部分傳進(jìn)冷卻系統(tǒng)的熱量，有利于節(jié)能.另外，進(jìn)氣溫度的降低，也降低了最終燃燒溫度，有利于減少NOx排放量.同時(shí)，從發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)來說，發(fā)動機(jī)壓縮始點(diǎn)由a變到a1，從而減小了壓縮功.

(2) 壓縮過程中，部分甲醇產(chǎn)生裂解生成H2和CO[2]，反應(yīng)式為

甲醇的裂解所需熱量90,kJ/mol.裂解后的氫氣和一氧化碳，熱值比液體甲醇高21%，比氣態(tài)甲醇高14%.圖6 所示為溫度對甲醇裂解的影響.當(dāng)溫度高于440,℃時(shí)，甲醇便開始裂解.甲醇裂解呈現(xiàn)兩區(qū)域特性，分界點(diǎn)溫度為523,℃，在分界點(diǎn)附近甲醇裂解率很低.低于或超過該值，甲醇的裂解量增大[3].發(fā)動機(jī)在壓縮過程中原本將壓縮中的熱量傳到冷卻水中，現(xiàn)在由甲醇裂解吸收一部分.同時(shí)由于吸收壓縮過程熱量，減少壓縮功，有利于提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率.

圖4 柴油/甲醇組合燃燒對發(fā)動機(jī)p-V 圖的影響Fig.4 Effect of DMCC on p-V curves of engine

圖5 不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下進(jìn)氣溫度Fig.5 Intake temperatures under different engine conditions

(3) 根據(jù)定容燃燒彈中對柴油在甲醇氛圍中著火的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甲醇混合氣會推遲柴油著火時(shí)間.其影響規(guī)律如圖7 所示.

圖6 溫度對甲醇裂解的影響Fig.6 Effect of temperature on dissociation of methanol

圖7 甲醇對滯燃期的影響Fig.7 Effect of methanol on ignition delay

盡管隨著混合氣加熱溫度的上升，著火時(shí)間會有所提前，但是當(dāng)甲醇濃度增加時(shí)，柴油的著火時(shí)刻會推遲.濃度越高，推遲時(shí)間越長.甲醇是作為均質(zhì)混合氣進(jìn)入汽缸，已經(jīng)大幅度提高了預(yù)混合燃料量，另外，由于甲醇替代了部分柴油，使柴油噴進(jìn)汽缸的實(shí)際噴射量減少，這樣著火前的燃料預(yù)混合量進(jìn)一步提高，更增強(qiáng)了均質(zhì)混合氣壓燃的趨勢.筆者此前的研究表明，甲醇替代柴油的量越大，燃燒開始的時(shí)間越遲，爆發(fā)壓力越高[4]，如圖8 所示.此處，不同噴醇始點(diǎn)代表不同的甲醇對柴油的替代率.在65,N·m 時(shí)開始噴醇的甲醇替代率最大，在同樣的負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)的最高燃燒壓力也最高.即隨著甲醇替代率的增加，汽缸壓力升高率也增大.當(dāng)最高爆發(fā)壓力最大時(shí)，發(fā)動機(jī)活塞處于上止點(diǎn)(上止點(diǎn)后20,°CA)附近，散熱面積最小.而柴油機(jī)由于實(shí)行擴(kuò)散燃燒，火焰一般持續(xù)燃燒活塞下行一段時(shí)間，以維持其等壓燃燒過程.在等壓燃燒過程中，超過2,000,K 以上的燃燒高溫將熱量大量傳到燃燒室的四周，進(jìn)而通過冷卻水散走(見圖4 中z1-z).另外，柴油在甲醇混合氣中燃燒，其燃燒持續(xù)期縮短，放熱加快，也減少了傳到燃燒室周邊的熱量.由此可見，當(dāng)柴油在甲醇氛圍中燃燒時(shí)，氣缸壓力由壓縮終點(diǎn)到最高壓力點(diǎn)(即c1-z1')，增加了燃料定容部分的燃燒.因此，燃?xì)庠诟邏合屡蛎?，排氣溫度也降?b-b1).圖9 所示為不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷特性下的排氣溫度，可見在不同的速度下噴入甲醇后的排氣溫度與原純柴油相比都有很大的降低，平均降低幅度為15%.

Fig.8 汽缸壓力隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化Fig.8 Pressure in-cylinder vs. crank angles

圖9 不同工況下的排氣溫度Fig.9 Exhaust temperatures under different conditions

由此可見，采用柴油/甲醇組合燃燒方式時(shí)能流呈現(xiàn)如圖10 所示的新變化，通過甲醇吸熱汽化、壓縮過程的吸熱裂解、推遲著火時(shí)間、提高定容燃燒度、降低排氣溫度，分別從冷卻水和廢氣回收熱量，從而大幅度提高柴油機(jī)的燃料效率.

圖10 柴油/甲醇組合燃燒能流Fig.10 Energy flow of DMCC

3 甲醇成為壓燃式發(fā)動機(jī)燃料的分析

甲醇作為內(nèi)燃機(jī)燃料由來已久，但是由于甲醇自身特點(diǎn)，十六烷值極低，難以在壓燃式發(fā)動機(jī)上應(yīng)用，所以對于甲醇燃料的利用，大多是以與汽油摻混的方式應(yīng)用在點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)中的[5-6].雖然甲醇燃料在壓燃式發(fā)動機(jī)的應(yīng)用方面也做了大量的探索，如乳化、電火花助燃、電熱塞助燃、醇油雙噴嘴等[7-9]，但這些措施不是成本高、耐久性不好，就是過于復(fù)雜難以實(shí)用.特別是醇油雙噴嘴系統(tǒng)，需要在汽缸蓋安裝2個(gè)高壓噴嘴，對發(fā)動機(jī)的改造很大，使得發(fā)動機(jī)汽缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高壓供醇的系統(tǒng)偶件磨損嚴(yán)重.而從進(jìn)氣道噴入甲醇，由柴油引燃的雙燃料燃燒實(shí)現(xiàn)了甲醇對柴油部分替代，成為近年來倍受關(guān)注的一種有效的燃燒方式.本文在不改變其原有供油系統(tǒng)的前提下進(jìn)行柴油/甲醇組合燃燒，甲醇由進(jìn)氣道噴入，臺架試驗(yàn)證明該方法可以同時(shí)降低NOx和PM 排放[10-11].而本文所介紹的柴油/甲醇組合燃燒則不僅完成臺架試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)萬公里道路試驗(yàn)，表明柴油/甲醇組合方式是完全可以實(shí)用的雙燃料燃燒技術(shù)，而且是十分有效地大幅度提高柴油機(jī)燃料的技術(shù)途徑，同時(shí)也將甲醇在壓燃式發(fā)動機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用向前推進(jìn)一大步.

4 結(jié) 論

(1) 采用柴油/甲醇組合燃燒方式，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)NOx和PM 排放的大幅度降低，在使用原機(jī)機(jī)械式噴油系統(tǒng)的條件下，使僅滿足國Ⅱ排放的發(fā)動機(jī)達(dá)到了國Ⅲ排放的標(biāo)準(zhǔn).

(2) 在保證壓燃式發(fā)動機(jī)的動力性、啟動性不受影響的前提下，在柴油發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)了大比例應(yīng)用甲醇燃料，同時(shí)在整車上進(jìn)行道路試驗(yàn)并取得良好的燃料經(jīng)濟(jì)性.

(3) 通過對柴油/甲醇組合燃燒熱力循環(huán)過程的分析，獲得了這種燃燒方式能大幅度提高柴油機(jī)燃料效率的機(jī)理，證明了柴油/甲醇組合燃燒為大幅度提高柴油機(jī)燃料效率提供了一條切實(shí)可行之路.

［1］Huang Zuohua，Lu Hongbing，Jiang Deming，et al.Engine performance and emissions of a compression ignition engine operating on the diesel-methanol blends[J].Proc Inst Mech Engrs D：J Automobile Eng，2004，218：435-447.

［2］Reed T B， Lerner R M. Methanol：A versatile fuel for immediate use[J].Science，1973，182(4119)：1299-1304.

［3］徐元利. 甲醇裂解氣對點(diǎn)燃式電控發(fā)動機(jī)性能影響研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009.Xu Yuanli. Study of Effects of Dissociated Methanol on Performance of SI Electronic Controlled Engine[D].Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2009(in Chinese).

［4］姚春德，段 峰，李云強(qiáng)，等. 柴油/甲醇組合燃燒發(fā)動機(jī)的燃燒特性與排放[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005，11(3)：214-217.Yao Chunde，Duan Feng，Li Yunqiang，et al. Combustion characteristics and emissions of the compound combustion of the diesel engine[J].Journal of Combustion Science and Technology，2005，11(3)：214-217(in Chinese).

［5］Liu Shenghua，Clemente E R C，Hu Tiegang，et al.Study of spark ignition engine fueled with methanol/gasoline fuel blends[J].Applied Thermal Engineering，2007，27(11/12)：1904-1910.

［6］Abu-Zaid M，Badran O，Yamin J. Effect of methanol addition on the performance of spark ignition engines[J].Energy & Fuels，2004，18(2)：312-315.

［7］Tsuchiya K ， Seko T. Combustion improvement of heavy-duty methanol engine by using autoignition system[C]//SAE Paper． 950060，1995.

［8］Popa M J，Negurescu N，Pana C. Results obtained by methanol fuelling diesel engine[C]//SAE Paper.2001-01-3748，2001.

［9］Kanae Niwa，Shigeru Inoue. Advance of technology on methanol fuels and methanol vehicles in Japan[C]//SAE Paper.952753，1995.

［10］Yao Chunde，Cheung C S，Cheng Chuanhui，et al.Effect of diesel/methanol compound combustion on diesel engine combustion and emissions[J].Energy Conversion & Management，2008，49(6)：1696-1704.

［11］Song Ruizhi，Liu Jie，Wang Lijun，et al. Performance and emissions of a diesel engine fuelled with methanol[J].Energy & Fuels，2008，22(6)：3883-3888.