柴油/甲醇不同掺烧方式燃烧过程和排放对比分析

李仁春，王忠，袁银男，2，张登攀，李铭迪

(1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013;2.南通大学 机械工程学院，江苏 南通226019)

0 引言

柴油机热效率高、经济性好、性能可靠，但NOx和碳烟排放较高。柴油机掺烧含氧燃料有助于改善燃烧，降低NOx和碳烟的排放［1-2］。甲醇作为含氧燃料的一种，有含氧量高、燃烧速度快、着火界限宽等优势。柴油机掺烧甲醇最常用的方式是:柴油/甲醇直接混合［3］、气道喷射甲醇柴油引燃［4］。柴油/甲醇直接混合是在燃料喷入气缸之前使甲醇与柴油均与混合，这种方式几乎无需改变原柴油机结构，甲醇掺烧比不高，易于实际应用，适合农用机械等非道路用柴油机实现甲醇掺烧;气道喷射甲醇柴油引燃是将甲醇喷入柴油机进气道，柴油由高压油嘴喷入气缸来引燃甲醇，该方式可以灵活控制甲醇喷射参数，调整掺烧比，最大掺烧比可以达到70%，这种方式对柴油机的改动较小，适合在车用柴油机推广应用。研究表明［3-6］:无论是柴油/甲醇直接混合还是气道喷射甲醇掺烧，碳烟排放明显降低，NOx排放也有所改善。滞燃期延长，预混放热比例增大，燃烧温度降低，HC 和CO 排放有所增加。

柴油/甲醇直接混合与气道喷射甲醇在混合气形成方式、燃烧模式以及排放特性等方面存在着诸多差异。本文着重对这两种方式掺烧甲醇燃烧过程和排放进行对比分析。对4B26 直喷式增压柴油机进气歧管进行了改造，安装了甲醇电控喷射系统［7］，研究柴油/甲醇不同掺烧方式的燃烧过程和排放。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

试验主要仪器:杭州奕科机电技术有限公司产WE32 水力测功机、EIM0301D 台架控制柜、HAM03醇耗仪;奥地利AVL 公司产AVL 525 燃烧分析仪、AVL415S 烟度计、AMA 4000 排放分析仪。

试验是在4B26 增压柴油机上进行的，柴油机主要技术参数为:缸径90 mm;活塞行程100 mm，活塞排量2.5 L;燃烧室型式ω 型，压缩比18;标定功率55 kW，标定转速3 200 r/min，最大转矩183 N·m，最大转矩转速2 200 r/min，柴油供油提前角为12°CA，甲醇喷射时刻为排气上止点前150°CA.

1.2 试验方案

气道喷射甲醇方式是通过安装在气道上的喷嘴喷入甲醇，甲醇吸收气道和空气中的热量汽化、蒸发，形成均质混合气进入气缸。柴油是在甲醇氛围中雾化、着火，引燃甲醇均质混合气。柴油/甲醇直接混合是由喷油器喷入燃烧室，柴油和甲醇都是一边喷入气缸、一边与空气混合，一边燃烧，两种方式的燃烧模式存在较大的差异。

柴油和甲醇的理化性质差异较大，不添加任何助溶剂的情况下，直接混合时甲醇比例不高。试验选择在相同甲醇掺烧比情况下，进行两种掺烧方式的对比，选择掺烧比为10%进行分析。

试验燃料为0#柴油、99.8%无水甲醇，不掺烧甲醇时即为燃烧纯柴油，记为Diesel;柴油/甲醇直接混合是通过机械搅拌将两种燃料混合均匀，不添加任何助溶剂，记为B-M10.气道喷射甲醇由甲醇电控喷射系统控制，记为IJ-M10.气道喷射方式甲醇掺烧比的定义为

式中:bm、bd分别为实测的甲醇、柴油消耗率(g/(kW·h)).

选取柴油机转速2 200 r/min，4 个负荷(47 N·m、94 N·m、141 N·m 和158 N·m)为研究工况(依据控制发动机运行工况策略，为防止发生爆震，全负荷工况时不掺烧甲醇)。试验过程中测量了不同负荷的示功图、污染物排放以及甲醇、柴油的燃油消耗率，并进行了柴油/甲醇双燃料燃烧过程的放热规律计算。

2 燃烧过程对比分析

2.1 气缸压力、放热率和缸内平均温度

图1为柴油机不同方式掺烧甲醇在47 N·m 和158 N·m 时的气缸压力对比。可以看出，对比两种掺烧方式，气缸压力相差不大。与燃烧柴油相比:低负荷时，柴油/甲醇直接混合和气道喷射甲醇掺烧最大爆发压力都略有降低，对应的曲轴转角滞后;高负荷时，掺烧甲醇最大爆发压力略有升高，对应的曲轴转角提前。因此在实际应用中，无论是柴油/甲醇直接混合还是气道喷射甲醇方式，掺烧比例较低时，柴油机的动力性变化不大。

图1 气缸压力对比Fig.1 Comparison of in cylinder pressures

图2为柴油机不同方式掺烧甲醇在47 N·m 和158 N·m 时的放热率对比。可以看出:随着负荷的增加，燃烧预混放热比例增加。低负荷时，两种方式的放热率峰值相差不大，呈单峰放热。高负荷时，放热率曲线呈双峰，对于气道喷射甲醇方式，预混放热率较高，燃烧终点提前。二者差异的原因主要是由于混合气形成方式的不同。气道喷射甲醇与空气的混合过程主要是在进气道中进行的，柴油喷射之前缸内已经形成了均质的甲醇预混合气，一旦着火，燃烧初期放热速率极为迅速，预混放热量增加。与燃烧柴油相比，低负荷时，两种方式掺烧甲醇，放热率峰值都有所增加;高负荷时，放热率峰值降低，预混放热量增加。

图2 放热率对比Fig.2 Comparison of heat release rates

柴油机不同方式掺烧甲醇在47 N·m 和158 N·m时的缸内平均温度对比如图3所示。从图3可以看出，与燃烧纯柴油相比，掺烧10%甲醇后缸内平均温度都有所降低。对于气道喷射甲醇掺烧方式，缸内平均温度降低幅度较明显。这主要是因为:由气道喷入的甲醇经汽化吸热，降低了进气温度，进一步导致压缩终了温度降低。对于柴油/甲醇直接混合方式，甲醇高汽化潜热也会使得温度有所降低，但是气道喷射甲醇降低进气温度对缸内平均温度的影响更突出。

2.2 滞燃期

图4为柴油机不同方式掺烧甲醇滞燃期的对比。滞燃期为从柴油喷油始点到缸内混合气着火燃烧始点的时间段。喷油始点依据原机的供油提前角确定，燃烧始点以上止点前放热率曲线从最低点突然回升点确定。可以看出:中低负荷时，对于气道喷射甲醇掺烧方式，滞燃期延长较明显;高负荷时，与柴油/甲醇直接混合方式相比，柴油机气道喷射方式掺烧甲醇，滞燃期略有提前。

图3 缸内平均温度的对比Fig.3 Comparison of in-cylinder temperatures

图4 滞燃期的对比Fig.4 Comparison of ignition delay periods

混合气形成方式的不同直接造成燃烧室温度的差异。负荷较低时，气道喷射掺烧甲醇大幅度降低燃烧室温度，不利于柴油在甲醇氛围中的雾化、着火［8］，导致滞燃期延长。高负荷时，燃烧室温度较高，当温度超过1 000 K 时，甲醇大量分解得到的CH2O，通过多步链式反应释放出大量的OH［9］，OH大量转化为H2O2.H2O2的分解是开启高温放热反应的关键，温度升高有助于低温反应中积累的H2O2提前分解，从而有助于促进缸内混合气的着火。与燃烧柴油相比，两种方式掺烧甲醇，着火几乎都有延迟的趋势。

3 排放对比分析

3.1 HC 排放

图5为柴油机不同方式掺烧甲醇的HC 排放对比。与气道喷射甲醇掺烧方式相比，燃烧柴油/甲醇混合燃料的HC 排放较低，且随着负荷的增加，与燃烧柴油的HC 排放接近。低负荷时，气道喷射甲醇HC 排放增加明显。

图5 HC 排放对比Fig.5 Comparison of HC emissions

气道喷射甲醇柴油引燃方式的混合气形成过程与燃烧柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，甲醇的喷雾、汽化、蒸发过程几乎是在气道内进行的，大幅度降低了混合气的温度，壁面冷激效应、狭隙效应、油膜附吸和沉积物吸附作用增强。负荷较低时，喷油量少，混合气浓度过稀，导致HC 排放急剧增加。随着负荷的增加，混合气浓度和燃烧温度都升高，HC 排放降低。高负荷时，与柴油相比，HC 排放增加幅度减小。

3.2 CO 排放

图6为柴油机不同方式掺烧甲醇的CO 排放对比。从图6可以看出:与燃烧柴油/甲醇直接混合相比，气道喷射甲醇掺烧的CO 排放大幅度增加。柴油/甲醇直接混合方式的CO 排放与燃烧柴油相当。

图6 CO 排放对比Fig.6 Comparison of CO emissions

CO 是烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一。气道喷射甲醇掺烧的混合气形成方式决定了其不完全燃烧程度增加。由气道喷入的甲醇经汽化吸热与空气混合，进入气缸参与燃烧，降低了燃烧温度，使得甲醇与空气形成的均质混合气发生了不完全氧化反应［10］，导致CO 排放增加。

3.3 NOx 排放

图7为柴油机不同方式掺烧甲醇的NOx排放对比。从图7可以看出:柴油/甲醇直接混合在低负荷时降低NOx排放作用明显，随着负荷的增加，与燃烧柴油的NOx排放相差不大;气道喷射甲醇掺烧方式在试验的4 种负荷时，对降低NOx排放作用都较明显。

图7 NOx 排放对比Fig.7 Comparison of NOx emissions

NOx生成条件为高温、富氧和高温持续时间。气道喷射甲醇掺烧的燃烧模式与燃烧柴油、柴油/甲醇混合燃料不同，柴油是在甲醇均质混合气氛围中着火，燃烧室局部地区一旦着火，引燃周围的甲醇均质预混合气，燃烧速度加快，缩短了高温持续时间。同时甲醇降低了进气温度及燃烧最高温度;另一方面，甲醇含氧量高，在一定程度上提高了混合气活性氧浓度。负荷较低时，前者的作用更明显，所以NOx排放大幅度减少。随着负荷的增加，两个方面综合作用下，NOx排放下降幅度减小。

3.4 碳烟排放

图8为柴油机不同方式掺烧甲醇的碳烟排放对比。从图8可以看出:与柴油/甲醇直接混合方式相比，气道喷射甲醇掺烧方式在高负荷时降低碳烟排放效果更好。负荷较低时，两种方式碳烟排放基本相当。

碳烟生成的条件是高温和缺氧。甲醇替代了部分柴油，减少了燃料中碳的比例。另外，甲醇的加入提高了预混合燃烧比例，同时甲醇在燃烧初期反应生成大量具有强氧化作用的OH，有助于减少碳烟的生成。气道喷射形成的甲醇均质混合气，避免了局部高温、缺氧的情况，燃烧速度加快，降低燃烧最高温度，有利于减少碳烟的生成。

图8 烟度对比Fig.8 Comparison of smoke intensities

4 结论

1)柴油/甲醇直接混合与气道喷射甲醇方式的混合气形成过程和燃烧模式存在较大的差异;对于气道喷射方式，柴油是在甲醇氛围中雾化、着火，引燃甲醇均质混合气。

2)与燃烧柴油相比，两种方式掺烧10% 甲醇，动力性变化不大，预混放热量增加。低负荷时，气道喷射甲醇降低燃烧温度、延长滞燃期作用较明显。

3)与柴油/甲醇直接混合相比，气道喷射甲醇排气温度有较大的降低，HC 和CO 排放较高，NOx和碳烟排放降低较显著。

References)

［1］ 李瑞娜，王忠，李铭迪，等.过氧化改质对生物柴油及排放影响的研究［J］.兵工学报，2012，33(12):1545 -1548.LI Rui-na，WANG Zhong，LI Ming-di，et al.Study on effect of peroxide properties for biodiesel and emissions［J］.Acta Armamentarii，2012，33(12):1545 -1548.(in Chinese)

［2］ Labeckas G，Slavinskas S.Study of exhaust emissions of direct injection diesel engine operating on ethanol，petrol and rapeseed oil blends［J］.Energy Conversion and Management，2009，50(3):802 -812.

［3］ Huang Z H，Lu H B，Jiang D M，et al.Study on combustion characteristics of a DI diesel engine operating on diesel/methanol blends［J］.Transactions of Chinese Society for Internal Combustion Engines，2003，21(6):401 -410.

［4］ Popa M G，Negurescu N，Pana C，et al.Results obtained by methanol-fuelling diesel engine［C］∥SAE Technical Paper.Detroit:SAE，2001:2001-01-3748.

［5］ 姚春德，程传辉，段峰，等.柴油/甲醇的组合燃烧对废气涡轮增压柴油机排放的影响研究［J］.燃烧科学与技术，2005，23(2):119 -123.YAO Chun-de，CHENG Chuan-hui，DUAN Feng，et al.Combustions characteristics and emissions of the compound combustion of the diesel engine［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2005，23(2):119 -123.(in Chinese)

［6］ Anand K，Sharma R P，Mehta P S.Experimental investigations on combustion，performance and emissions characteristics of neat Karanji biodiesel and its methanol blend in a diesel engine［J］.Biomass and Bioenergy，2011，35(1):533 -541.

［7］ 张登攀，袁银男，杜家益，等.不同喷射方法柴油机进气甲醇预混过程的模拟［J］.内燃机学报，2012，30(4):305 -309.ZHANG Deng-pan，YUAN Yin-nan，DU Jia-yi，et al.Simulation of diesel engine intake premixed methanol with different injection modes［J］.Transactions of CSICE，2012，30(4):305 -309.(in Chinese)

［8］ 许汉君，姚春德，徐广兰.正庚烷-甲醇二元燃料着火的23 步反应模型［J］.内燃机学报，2011，29(5):391 -397.XU Han-jun.YAO Chun-de，XU Guang-lan.A skeletal chemical kinetic model containing 23 reactions for the ignition of n-heptane/methanol dual fuel［J］.Transactions of CSICE，2011，29(5):391 -397.(in Chinese)

［9］ 吕兴才，侯玉春，吉丽斌，等.甲醇添加剂对柴油类燃料HCCI着火与燃烧的影响［J］.燃烧科学与技术，2006，12(6):551 -556.LYU Xing-cai，HOU Yu-chun，JI Li-bin，et al.Ignition and combustion inhibition of n-heptane homogenous charge compression ignition(HCCI)combustion by methanol additive［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2006，12(6):551 -556.(in Chinese)

［10］ Udayakumar R，Sivakumar K，Sundaram S.Engine performance and exhaust characteristics of dual fuel operation in DI diesel engine with methanol［C］∥SAE Technical Paper.Detroit:SAE，2004:2004-01-0096.