EGR回路喷甲醇在柴油机上的应用研究

胡广，王炳辉，陈永芳，苏永衡

(1.宁波大学海运学院，浙江 宁波 315211； 2.浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院，浙江 舟山 316021)



EGR回路喷甲醇在柴油机上的应用研究

胡广1，王炳辉1，陈永芳2，苏永衡1

(1.宁波大学海运学院，浙江 宁波 315211； 2.浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院，浙江 舟山 316021)

在YC6A220C柴油机上进行了进气道喷甲醇结合EGR的试验研究，在保持原柴油机动力性基本不变的基础上，研究了在不同负荷下，选用不同的EGR率和不同甲醇消耗率对原机的动力性、经济性、NOx和炭烟排放的影响。研究结果表明：单纯地使用EGR对于降低NOx效果比较明显，但是难以同时降低炭烟的排放，尤其当EGR率超过30%时，随着EGR率或者负荷的增加炭烟也急剧增加。向回路喷入适量甲醇后，不但可以保证NOx排放减少，而且炭烟排放也可以大幅度降低。在1 500 r/min(最大扭矩转速)下，在EGR率为20%～35%，甲醇消耗率为50～70 g/(kW·h)范围内，可以同时降低NOx和炭烟排放。发动机的动力性和燃油消耗略有降低，排放水平均低于燃用0号柴油。

柴油机； 废气再循环； 动力性； 经济性； 氮氧化合物； 炭烟

目前，国内对于柴油机上燃用甲醇的研究一般都着重于柴油-甲醇的乳化燃料方面。柴油-甲醇乳化液的性质不稳定，久置易分层，且不利于储存，为此，本试验采用在外部循环EGR回路进气道内喷甲醇的方式，避免了柴油-甲醇直接乳化所产生的问题。柴油机正常工作时尾气余热温度可高达300～400 ℃，而甲醇的沸点为64.7 ℃，利用尾气余热足以将甲醇汽化，随着尾气一同进入柴油机气缸中。甲醇还可以起到增氧的作用，减少废气排放量，使尾气中的HC含量降低。而且由于甲醇具有较高的汽化潜热，在汽化形成混合气时吸收热量，能有效降低进气温度，提高充气系数，在一定程度上还可以减少NOx的生成。

本研究在YC6A220C柴油机上进行进气道汽化甲醇结合EGR技术的台架试验，对比分析甲醇消耗率和EGR率对柴油机经济性和排放性的影响，选择合适的EGR率和甲醇消耗率，在维持原机动力性和经济性基本不变的基础上，降低NOx和炭烟的排放。

1 试验装置及方法

试验采用YC6A220C柴油机，其主要技术参数见表1。主要试验设备见表2。本试验从排气管引出废气，废气冷却后进入进气道，在进气道中喷入甲醇，利用废气余热将甲醇汽化，甲醇蒸汽随着废气一起进入气缸内燃烧。

表1 YC6A220C柴油机主要技术参数

表2 主要测试设备

由于受原机结构的限制，本试验EGR系统从涡轮后引出废气(见图1)。高温废气引出后，利用柴油机的冷却水冷却至合适的温度。试验表明，将气体温度控制在95 ℃左右可以保证试验中按最大喷醇量喷入的甲醇能被全部汽化。EGR率可以通过EGR阀及排气背压阀来调节。EGR率的计算公式[1]为

γEGR=1-φeo(CO2)/φee(CO2)。

式中：φee(CO2)为采用EGR时排气管中CO2的体积分数；φeo(CO2)为未采用EGR时排气管中CO2体积分数。无EGR时φee(CO2)=φeo(CO2)。

为了研究不同工况下进气道喷甲醇结合EGR技术对燃烧和排放的影响，用测功机改变柴油机的功率，选取一系列具有代表性和实用性的工况点进行分析，负荷依次选取10%，25%，50%，75%，100%。

2 EGR与进气道喷甲醇相结合对柴油机性 能的影响分析

由于需要控制的变量很多，因此，本试验分别采用以下三种组合方式：1)同EGR率、同甲醇消耗率；2)不同EGR率、同甲醇消耗率；3)同EGR率、不同甲醇消耗率。通过这三种不同的组合方式来分析EGR与进气道喷甲醇相结合对柴油机性能的影响。

通过试验可知，在甲醇消耗率为65.5 g/(kW·h)、EGR率为25%时，NOx和炭烟排放能够同时降低到最佳水平，因此本研究甲醇消耗率固定不变时取65.5 g/(kW·h)，EGR率固定不变时取25%。

2.1 同EGR率、同甲醇消耗率时的性能分析

图2示出甲醇消耗率为65.5 g/(kW·h)、EGR率为25%时柴油机的动力性和经济性的对比。由图2可知，采用25%的EGR率时，与原机无EGR时相比，扭矩下降了4.7%～9.3%，燃油消耗率(仅指消耗的柴油，不包括喷入的甲醇)增加了2.2%～5.6%。这是由于柴油机应用EGR技术后，引入的废气稀释了进入气缸的新鲜空气，提高了混合气的热容量，导致最高燃烧压力降低[2]，进而使柴油机的动力性下降。燃油消耗率增加的主要原因是由于EGR稀释了进气中的O2，使气缸内的过量空气系数减小，导致燃料不能够完全燃烧，后燃增加，燃料利用率降低，燃油消耗率增加。

EGR回路喷入甲醇后，扭矩下降的幅度进一步增大，燃油消耗率相比原机略有降低，与只采用EGR相比，扭矩降低了4.9%～5.8%。这是因为甲醇的热值低于0号柴油，在每循环供油量没增加的情况下，燃料放出的热量减少，必然会导致柴油机动力性降低。由于喷入的甲醇代替了部分燃油，使得燃油消耗率也降低了9.4%～14.4%。

图3示出柴油机在1 500 r/min时NOx的排放随负荷的变化关系。总体来看，随着负荷的增加，NOx排放大幅度增加。与原机相比，采用EGR技术后NOx排放降低了15.9%～31.2%。原因在于：一方面，这是热容原理的具体应用；另一方面，废气的引入稀释了进气中的O2。两个方面共同作用破坏了NOx高温富氧的生成条件，因此使用EGR可以降低NOx的生成。而喷入甲醇后，NOx降低了29.9%～40.6%，这是由于甲醇汽化的过程中吸收了大量的热，不但有利于降低气缸内的温度，而且甲醇的燃烧速度快，缩短了混合气在高温下的滞留时间，减少了后燃，两个因素都能够抑制NOx的生成。NOx排放降低的效果比单纯采用EGR效果更好。

图4示出在1 500 r/min时炭烟的排放随负荷的变化关系。由图4可知，在只采用EGR技术的情况下，当负荷小于31%时，炭烟略有降低，当负荷超过31%时，炭烟的排放量超过原机。这说明只采用EGR技术难以降低炭烟的排放。EGR回路中喷入甲醇可以大幅度降低炭烟的排放[3-4]，与原机相比炭烟的排放量降低了15.7%～32.6%。这是因为：1)甲醇的含氧量高达50%，能起到增氧的作用；2)本试验的甲醇是以气态进入气缸参与燃烧，能够与空气形成较均匀的混合气，使燃烧更加充分；3)由于甲醇不含C—C键，燃烧不生成炭烟颗粒，用甲醇取代柴油减少了炭烟颗粒的生成。

2.2 不同EGR率、同甲醇消耗率时的性能分析

由于试验中喷入的甲醇必须要借助废气循环才能够到达气缸，当EGR率为5%时，废气能将喷醇量为65.5 g/(kW·h)的甲醇送入气缸，因此本组试验取最低EGR率为5%。

图5示出在转速为1 500 r/min，甲醇消耗率为65.5 g/(kW·h)时不同负荷下EGR率对柴油机动力性的影响。由图可以看出，随着EGR率的增大，柴油机的动力性降低，在小负荷时下降趋势比大负荷时明显。在同一负荷下，EGR率越高，下降越明显。这是因为当EGR率较低时，废气中喷入的甲醇导致进气含氧量仍然较高，占主导因素，EGR率的影响较小。当EGR率增大后，大量的废气稀释了进入气缸的新鲜空气，提高了混合气的热容量，降低了最高燃烧压力，使输出扭矩减小，动力性降低。

图6示出在1 500 r/min，甲醇消耗率为65.5 g/(kW·h)时不同负荷下EGR率对柴油机燃油消耗率的影响。由图6可以看出，柴油机的燃油消耗率随着EGR率的增大而升高，尤其当EGR率超过30%时比较明显。且负荷越大，升高的幅度也越大，在75%负荷时，最大升高幅度可达4.2%。原因是大的EGR率降低了进气空气的氧浓度，使缸内过量空气系数减小，燃料不能完全燃烧，后燃增加，燃料利用率降低，增加了燃料消耗率。所以，有效燃油消耗率随着EGR率的增大而不断增加，EGR率越大，效果越明显。

由图7可知，在同一负荷时随着EGR率的不断增大，NOx的排放大幅度降低，且负荷越大，降低越明显。EGR对降低发动机NOx排放的主要机理有以下几个方面：1)引入的废气中含有大量的CO2和水蒸气等三原子气体分子，而三原子气体的比热容较高[5]，可以降低气缸内的燃烧温度，抑制了NOx的生成；2)废气稀释了进气中的氧气，破坏了生成NOx的富氧条件；3)由于废气中含有大量的N2和CO2等接近惰性的气体，起到了掺合新鲜进气的作用，减缓了燃烧速度；4)EGR气体替代了进入气缸中的部分N2，使NOx排放大幅度减小。这些因素都能有效抑制NOx的生成。

图8示出EGR率对柴油机炭烟排放的影响。由图可知，当EGR率在30%以下时，随着EGR率的增加，炭烟会有小幅度的增加。当EGR率超过30%时，炭烟随着EGR率的增大而急剧增加，且负荷越大，炭烟增幅就越大。这是由于在低EGR率时，引入的废气较少，且喷入的甲醇起到了增氧的作用，抑制了炭烟的生成。而在高EGR率时，引入的大量废气使燃料在高温条件下严重缺氧，燃烧恶化，从而使炭烟的生成量急剧增加[6]。

2.3 同EGR率、不同甲醇消耗率时的性能分析

图9示出EGR率相同时甲醇消耗率对柴油机动力性的影响。由图9可以看出，进气道喷入的甲醇量越多，柴油机输出的扭矩下降的也越多，当甲醇消耗率为100 g/(kW·h)时，相比较不喷入甲醇时，柴油机的最大扭矩由707.2 N·m下降到664.1 N·m，减少了6.1%。甲醇的加入使混合燃料的低热值降低，导致发动机功率有下降趋势。又由于甲醇的沸点低，含氧量高，有利于柴油的扩散[7]，进而改善燃烧，使燃烧的持续期缩短。因此，随着混合气中甲醇质量分数的增加，燃烧特性的改变使发动机的功率下降幅度慢慢变小。

图10示出EGR率相同时甲醇消耗率对柴油机NOx排放的影响。由图10可知，当甲醇消耗率小于60 g/(kW·h)时，随着甲醇消耗率的增大，NOx的排放量降低，降幅可达3.8%～21%。而当甲醇消耗率超过60 g/(kW·h)时，随着甲醇消耗率的增大，NOx排放反而呈上升的趋势。当喷入的甲醇量较少时，甲醇能降低NOx排放，这是由甲醇的理化特性决定的。首先，甲醇的汽化潜热高，降低了混合气的温度，使整个燃烧的最高温度降低，从而抑制了NOx的生成和排放；其次，甲醇的燃烧速度比柴油快，缩短了高温滞留时间，减少了后燃，抑制了NOx的生成。而当甲醇喷入量较多时，甲醇的高含氧量为NOx的生成提供了富氧环境，加剧了雾化过程中的“微爆效应”[8-9]，促进了NOx的生成。所以综合来看，喷入甲醇可以降低NOx的排放，但是喷入甲醇的量应该适中，过大反而会增加NOx的排放。

图11示出EGR率相同时甲醇消耗率对柴油机炭烟排放的影响。由图11可知，随着甲醇消耗率的增加，炭烟的排放大幅度降低。与不喷入甲醇相比，当甲醇消耗率为100 g/(kW·h)时，炭烟的降幅高达50.7%～59.7%。其原因是喷入的甲醇代替了部分柴油，由于甲醇含氧量高，混合燃料的空燃比也提高，且甲醇易于雾化，使得混合燃料在扩散燃烧时过浓区减少，因而炭烟排放降低[10]，当甲醇消耗率不超过100 g/(kW·h)时，喷入的甲醇量越多，则炭烟排放越低。

3 结论

a) EGR回路喷甲醇的技术可以实现同时降低NOx和炭烟的排放，但是会使柴油机的动力性下降4.7%～9.3%，在中、高负荷时柴油机燃油消耗率增加2.2%～5.6%；

b) 当发动机转速为1 500 r/min时，EGR率在20%～35%，甲醇消耗率在50～70 g/(kW·h)范围内，既能保证柴油机的动力性和经济性下降不超过6%，又能够有效降低NOx和炭烟的排放；

c) 当甲醇消耗率小于65.5 g/(kW·h)时，随着喷醇量的增加，NOx和炭烟都有所降低；当甲醇消耗率超过65.5 g/(kW·h)时，还能继续降低炭烟，但是NOx的排放反而有上升的趋势；

d) EGR率和喷醇量合理匹配，不但可以维持发动机的动力性和经济性基本不变，而且在一定程度上能改善发动机的燃烧过程，拓宽发动机的工作范围，降低NOx和炭烟的排放。

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Application of Methanol Injection in EGR Intake Port on Diesel Engine

[编辑：潘丽丽]

HU Guang1，WANG Bing-hui1，CHEN Yong-fang2，SU Yong-heng1

(1.Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University，Ningbo 315211, China；

2.Ship Engineering College，Zhejiang International Maritime College，Zhoushan 316021，China)

The experiment of methanol injection in EGR intake port was conducted on YC6A220C diesel engine.Based on the original power of diesel engine, the influences of EGR rate and methanol consumption on power, fuel economy, NOxand soot emissions were researched.The results showed that single EGR strategy could reduce NOxemission obviously, but could hardly reduce soot emission at the same time.Especially, soot emission would increase rapidly with the increase of EGR rate or load when EGR rate was beyond 30%.The methanol addition guaranteed the simultaneous reduction of NOxand soot emissions.At the condition of maximum torque rotating speed of 1 500 r/min, 20%～35% EGR rate and 50～70 g/(kW·h) methanol specific consumption, NOxand soot emissions could decrease simultaneously.Moreover, the engine power and fuel consumption decreased slightly and the emissions were lower than that of 0# diesel.

diesel engine； EGR； power； fuel economy； nitrogen oxides； soot

2014-10-13；

2014-11-26

胡广(1987—)，男，硕士，研究方向为节约能源和环境保护；longxiaoxia2014@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.008

TK427

B

1001-2222(2015)02-0040-05