进气温度对DMDF发动机燃烧特性和烟度排放的影响

姚春德，潘 望，魏立江，刘军恒，王全刚，余海涛

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

进气温度对DMDF发动机燃烧特性和烟度排放的影响

姚春德，潘 望，魏立江，刘军恒，王全刚，余海涛

(天津大学机械工程学院，天津 300072)

在一台电控单体泵增压中冷发动机上，研究在固定柴油和甲醇供给时刻和供给量条件下，进气温度变化对柴油甲醇二元燃料燃烧特性的影响．结果表明：相同工况下，进气温度从 40,℃变化到 70,℃可以使爆发压力相差4,MPa，着火时刻相差 15°,CA；进气温度的升高，不仅会造成滞燃期缩短、最大爆发压力和压力升高率增大，而且最大爆发压力出现的时刻变早、燃烧相位前移；在部分工况，变化进气温度还伴随燃烧模式的转变．温度变化还表现出柴油甲醇二元燃料燃烧和发动机转速的极大关联：在低速、较大负荷时，进气温度升高会导致输出扭矩下降和当量比油耗升高；在高速时，进气温度升高能提高输出扭矩并降低当量比油耗，但过高的进气温度会使大量甲醇在上止点之前燃烧，降低输出扭矩并提高当量比油耗．进气温度对碳烟排放也有较大影响：随进气温度降低，碳烟排放降低．综合研究结果表明，柴油甲醇二元燃料燃烧进气温度控制在50～70,℃时，可以获得最佳的经济和排放性能.关键词：进气温度；二元燃料燃烧；甲醇；燃烧特性；碳烟排放

随着中国能源结构的日益严峻和环境保护的强烈要求，先进的燃烧方式结合替代燃料成为解决目前资源与环境所遇到问题的最有希望的途径之一．甲醇生产资源广泛，技术成熟，燃烧清洁，在中国有相当大的富余产能，因此使用甲醇作为柴油替代燃料以应对能源危机有着重要意义．甲醇辛烷值高，难以单独在柴油机上使用．关于甲醇在柴油机上的应用，国内外进行了大量的研究．通常采用与柴油在机外通过乳化剂帮助掺混形成混合燃料(乳化法)，或进气预混甲醇在缸内和柴油实施双燃料共燃的两种方法加以应用．研究发现，上述两种方法都能在减少碳烟和NOx的同时提高经济性，但相比较而言，后一种方法因可以更高比例地使用甲醇燃料，所以近年来得到高度重视[1-2]．本课题组围绕后一种燃烧方式进行了大量的研究，并已经实现在实际车辆上的初步应用．实际使用中发现，当柴油机应用柴油甲醇二元燃料燃烧方式时，着火时间推迟、燃烧等容度提高、排气温度降低[3]，可以显著降低 NOx和碳烟排放．对排气中出现的HC和CO排放，则可以通过加装氧化催化转化器来消除[4]．在重型卡车上进行的道路试验发现，柴油甲醇二元燃料燃烧模式对柴油的替代率达到了28.28%，替换比仅为 1.36，百公里平均燃烧效率提高了 11.15%[5]．该项技术为甲醇应用到柴油机提供了良好的应用前景．

然而，在实际道路试验中也发现，对一台台架标定完全一样的柴油机，当其运行柴油甲醇二元燃料时，燃料经济性在冬季和夏季也存在较大区别．原因在于，甲醇的汽化潜热大，直接喷入气道雾化，然后吸热形成混合气，此间进气温度不同，势必影响混合气的形成质量，从而影响缸内的燃烧．根据柴油甲醇二元燃料燃烧的特性，包括柴油与甲醇的预混燃烧、柴油的扩散燃烧、甲醇的火焰传播甚至甲醇的自燃等复杂形式，在这些不同的燃烧模式工作中，混合气质量起着至关重要的作用．鉴于甲醇柴油二元燃料燃烧方式是一种较为新型的方式，其燃烧机理尚未完全了解，为了使其燃烧具有更高的效率和更清洁的排放，有必要充分研究进气温度对燃烧和排放的影响．

为此，本文研究了在固定柴油和甲醇供给时刻和供给量条件下，进气温度变化对柴油甲醇二元燃料燃烧特性和烟度排放的影响．结果表明：相同工况下，进气温度的升高，不仅会造成滞燃期缩短、最大爆发压力和压力升高率增大，而且最大爆发压力出现的时刻变早、燃烧相位前移；在部分工况，变化进气温度还伴随燃烧模式的转变．进气温度对烟度排放也有较大影响：随进气温度降低，烟度排放降低．

1 试验装置及方法

试验在一台直列 6缸增压中冷电控单体泵柴油机上进行．发动机主要技术参数如表1所示．

表1 发动机参数Tab.1 Parameters of the engine

对其进气道进行柴油甲醇二元燃料燃烧的改造，每缸进气歧管处加装了甲醇喷嘴，并通过自行开发的ECU来控制喷醇量和喷醇时刻．喷射的甲醇在进气管内和空气混合形成甲醇混合气，然后在缸内由柴油引燃，以实现二元燃料燃烧．试验系统如图1所示．

图1 试验用发动机台架系统Fig.1 Schematic of the experimental apparatus system

试验所用的主要测试设备有：杭州奕科机电技术公司的CW5-5000/15000测功机及FST2E发动机测控系统，控制发动机扭矩和转速；柴油和甲醇的消耗量由奕科的 2台 FCMM-2智能油耗仪分别测量；Kistler公司生产的型号为 6052CU20缸压传感器与AVL公司生产的燃烧分析仪结合使用来测量发动机的燃烧过程．不透光烟度通过AVL439不透光烟度计进行测量．干碳烟排放量通过 AVL415S滤纸烟度计进行测量，其计算式[6]为

式中：ci为各次采样测得的烟度；Pact为净功率；mair、mfuel分别为空气和燃料的总质量．

甲醇喷射压力恒定保持在 0.42,MPa，甲醇喷射由专门研制的电控单元控制．进气温度的改变通过一个带 PID的步进电机调节中冷器水流量来控制，传感器安装在中冷器后，传感器误差±0.1,℃．试验用柴油为市场上购买的 0号轻柴油，硫含量低于350×10-6．甲醇纯度为质量分数99.9%．

在常用低转速 1,300,r/min和常用高转速1,800,r/min下，固定甲醇与柴油的喷射量和喷射时刻，保持平均有效压力BMEP基本不变，试验工况如表 2所示．试验时，待试验工况稳定后，采集 100个循环的缸内压力信号做平均，经过处理得到缸内压力、放热率、CA5(累积放热 5%)和 CA90(累积放热90%)，然后对其进行详细的对比分析．

表2 试验工况Tab.2 Operating conditions

2 试验结果与分析

2.1 进气温度对缸内压力的影响

进气预混甲醇对柴油的燃烧有非常显著的影响，会延长滞燃期，使燃烧等容度提高[7]．然而，进气预混甲醇后的燃烧状况又与进气温度密切相关．图2(a)为 1,300,r/min、较小负荷时进气温度对缸内压力和放热率的影响．从图中可以看出，随着进气温度升高，最大爆发压力升高，最大爆发压力出现的时刻前移，整个压力曲线上移．这主要是因为较高的进气温度使缸内热氛围温度升高，加速了着火和燃烧反应，促使压力升高，着火提前．此外，早的着火时刻也使燃烧相位更接近上止点，进一步促进了爆发压力升高．由于着火时刻提前，放热相位相应前移，如图2(a)中所示，预混燃烧前移，这在一定程度上使柴油混合时间减少，减小了柴油预混燃烧的比例．图2(b)为1,300,r/min、较大负荷时进气温度对缸内压力和放热率的影响．与较小负荷时类似，随着进气温度升高，最大爆发压力变大，最大爆发压力出现的时间变早，预混燃烧前移．和较小负荷时不同，1,300,r/min、较大负荷时其爆发压力上升幅度不大，但是着火时刻提前了近 10°,CA．从放热率图中可以看出，1,300 r/min、较大负荷时，预混燃烧大幅前移，扩散燃烧变化不大，燃烧持续期变长．图 2(c)为 1,800,r/min、较小负荷时进气温度对缸内压力和放热率的影响．随进气温度升高，最大爆发压力变大，最大爆发压力出现的时间变早，整个缸压曲线向前向上移动．从图中可以看出，1,800,r/min、较小负荷，在进气温度为40,℃时，由于进气温度较低和甲醇对柴油着火的延迟作用[8]，其燃烧相位靠后，给柴油相当充分的混合时间，充分混合的柴油甲醇空气混合气出现单峰放热(类似于化学反应动力学控制压燃[9-11])．随着进气温度的升高其着火相位快速提前，燃烧模式也逐渐发生改变，当进气温度到达 70,℃时，柴油甲醇的预混放热与扩散燃烧就已区分明显．图2(d)为1,800,r/min、较大负荷时进气温度对缸内压力和放热率的影响．与之前的结果类似，随进气温度升高，最大爆发压力增大，最大爆发压力出现的时间变早，整个缸压曲线向前向上移动．从图中可以看出，1,800,r/min、较大负荷，在进气温度为 40,℃时，由于进气温度较低和甲醇对柴油着火的延迟作用，其着火时刻较迟．随着进气温度的升高，其预混放热快速前移，而扩散燃烧基本不变．值得注意的是，当进气温度超过 60,℃时，大量放热发生于上止点前，促使压缩负功增加，效率降低．可见，当进气温度过高时，缸内的甲醇混合气已经在压缩过程中被充分地活化，以致在柴油喷进前便自行着火．

图2 进气温度对缸内压力和放热特性的影响Fig.2 Effect of intake temperature on cylinder pressure and heat release rate

上述研究表明，进气温度对柴油甲醇二元燃料的燃烧有很大的影响：相同工况下，进气温度从 40,℃变化到 70,℃可使爆发压力相差 4,MPa，着火时刻相差 15,°CA．进气温度主要会影响着火的时间，控制预混柴油的量，从而影响柴油甲醇的燃烧和排放．因此在工程实践中应将进气温度控制在适当的范围之内，确保柴油甲醇二元燃料发动机的稳定高效运行．

2.2 进气温度对滞燃期的影响

滞燃期是针阀开始升起到快速放热开始的时间间隔．滞燃期是燃烧控制的重要参数，对控制柴油甲醇二元燃料燃烧高效运行工况范围具有重要作用．进气预混甲醇能够延长柴油的滞燃期[7-8]．图 3为进气温度对滞燃期的影响．从图中可以看出随着进气温度的升高，各个工况滞燃期都缩短，这与传统柴油机的变化规律一致．但是不同工况，滞燃期变化的情况差异很大．1,300,r/min、较小负荷时，随进气温度的升高，滞燃期变化不超过 1°,CA．1,300,r/min、较大负荷时，随进气温度升高，滞燃期大幅缩短，进气温度从 40,℃到 80,℃，滞燃期缩短了近 10°,CA. 1,800,r/min时进气温度对滞燃期影响的规律与1,300,r/min时类似，较小负荷时，进气温度从40,℃变化到 80,℃，滞燃期缩短了约 16°,CA，而较大负荷时进气温度从 40,℃变化到 80,℃，滞燃期缩短了约15°,CA．综上，进气温度对柴油甲醇二元燃料燃烧的滞燃期有较大影响，进气温度对较高转速时滞燃期的影响要比低转速时大．快，燃烧的等容度高，相比于传统柴油机具有很好的经济性[3-5]．图 4是不同工况下输出扭矩和进气温度及当量比油耗的关系．当量比油耗计算式为

式中：HLd和HLm为柴油和甲醇的质量热值；Gd和Gm

图4 进气温度对输出扭矩和当量比油耗的影响Fig.4 Effect of intake temperature on specific fuel consumption and output torque

图3 进气温度对滞燃期的影响Fig.3 Effect of intake temperature on ignition delay

2.3 进气温度对经济性的影响

柴油甲醇二元燃料燃烧由于压缩功小，放热速率为柴油和甲醇的消耗量；Pe为有效功率．图中原柴油机油耗是指进气温度为50,℃时柴油机在纯柴油下工作所测得的油耗．图4(a)为1,300,r/min、较小负荷时进气温度对扭矩和当量比油耗的影响．随进气温度的升高，扭矩和当量比油耗变化不明显，但该工况柴油甲醇二元燃料的当量比油耗总体低于原柴油机油耗．图4(b)为1,300,r/min、较大负荷时进气温度对扭矩和当量比油耗的影响．从图中可以看出，随进气温度上升，输出扭矩下降，当量比油耗上升，可见进气温度的升高对低速较大负荷工况有不利影响．主要因为随着进气温度的上升，燃烧持续期变长，热效率下降，如图2(b)所示．图4(c)是1,800,r/min、较小负荷时进气温度对扭矩和当量比油耗的影响．随着进气温度的上升，输出扭矩逐渐上升，当量比油耗降低．主要是由于放热相位得到了较好的改进，热效率提高，如图2(c)所示．图4(d)是1,800,r/min、较大负荷时进气温度对扭矩和当量比油耗的影响．从图中可以看出，从 50,℃到 74,℃的过程中，随进气温度上升，扭矩提高，当量比油耗下降，但是当进气温度从74,℃上升到 80,℃的过程中，随进气温度上升，扭矩下降，当量比油耗升高．与 1,800,r/min、较小负荷类似，从 50,℃到 74,℃的过程中，随进气温度上升当量比油耗降低，主要是因为燃烧相位改进，而进气温度从74,℃上升到80,℃的当量比油耗升高，主要是因为过高的进气温度使大量甲醇在上止点前燃烧，使压缩负功增加，如图 2(d)所示．综上，进气温度对柴油甲醇二元燃料燃烧的输出扭矩和当量比油耗有较大影响，在低速较大负荷时，进气温度升高会导致输出扭矩下降和当量比油耗降低；在高速时，进气温度升高能提高输出扭矩并降低当量比油耗，但过高的进气温度会使大量甲醇在上止点之前燃烧，降低输出扭矩并提高当量比油耗．

2.4 进气温度对碳烟排放的影响

进气喷入甲醇能大幅降低柴油机的碳烟排放.从图 5(a)、(b)中可以看到，随着进气温度的上升，1,300,r/min时，较小负荷和较大负荷下的不透光烟度与干碳烟排放都升高，而较大负荷时的不透光烟度和干碳烟排放都比较小负荷时高．图 5(c)和(d)与图5(a)、(b)类似，随进气温度升高，1,800,r/min时，两个负荷下的不透光烟度排放都升高．总体上较小负荷时不透光烟度排放比较大负荷时高，但是当温度超过 70,℃时，较大负荷的不透光烟度急速升高，超过较小负荷时的不透光烟度．1,800,r/min、较大负荷时，随进气温度上升，干碳烟排放逐渐上升；而较小负荷时，干碳烟排放随进气温度上升变化不大，但总体也呈现上升趋势．

图5 进气温度对不透光烟度和碳烟排放的影响Fig.5 Effect of intake temperature on smoke opacity and soot

综上，随着进气温度的升高，柴油甲醇二元燃料燃烧的不透光烟度和干碳烟排放逐渐升高．相同工况下，进气温度从 50,℃上升到 80,℃，干碳烟排放最多可升高 10倍．说明提高进气温度对甲醇柴油二元燃料发动机的烟度排放有不利影响．各个工况下柴油甲醇二元燃料发动机碳烟排放上升，主要是由于随着进气温度的上升，滞燃期缩短，使得柴油的预混燃烧减少，如图2和图3所示．

3 结 论

(1) 进气温度对柴油甲醇二元燃料的燃烧有巨大的影响，相同工况下，进气温度不同可使爆发压力相差4,MPa，着火时刻相差15°,CA．进气温度主要会影响其着火的时间，控制预混柴油的量，从而影响柴油甲醇的燃烧和排放．因此在工程实践中应将进气温度控制在适当的范围之内，确保柴油甲醇二元燃料发动机的稳定高效运行．

(2) 进气温度对柴油甲醇二元燃料燃烧的滞燃期有较大影响，随进气温度升高，各工况滞燃期一致缩短．进气温度对高转速时滞燃期的影响较低转速时大．

(3) 进气温度对柴油甲醇二元燃料燃烧的输出扭矩和当量比油耗有较大影响，在低速、较大负荷时，进气温度升高会导致输出扭矩下降和当量比油耗升高；在高速时，进气温度升高能提高输出扭矩并降低当量比油耗，但过高的进气温度会使大量甲醇在上止点之前燃烧，降低输出扭矩并提高当量比油耗．

(4) 进气温度对柴油甲醇二元燃料燃烧的碳烟排放有较大影响，相同工况下，进气温度从 50,℃上升到80,℃，不透光烟度最多可升高10倍．70,℃是不透光烟度的转折点．

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(责任编辑：金顺爱)

Effect of Intake Air Temperature on Combustion and Soot Emission Characteristics of Diesel-Methanol Dual Fuel Engine

Yao Chunde，Pan Wang，Wei Lijiang，Liu Junheng，Wang Quangang，Yu Haitao
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Effect of intake air temperature on combustion and soot emission of a compression ignition engine operated on diesel-methanol dual fuel(DMDF)was investigated. The results show that increasing the intake air temperature would increase peak pressure and shorten the ignition delay. The centre of the premixed heat release curve was closer to the top-dead-center with the increase of the intake air temperature. For a specific operation point，the brake pressure increased by 4,MPa and ignition was delayed by 15°,CA with intake air temperature changes from 40,℃ to 70,℃. The engine power and specific fuel consumption experienced a slight variation with the increase of the intake temperature. The specific fuel consumption decreased and the output torque increased with the increase of the intake air temperature at high speed. The specific fuel consumption increased and the output torque decreased with the increase of intake air temperature at low speed and high load. This would be due to the change of combustion characteristics. The soot emission decreased with the decreasing of intake air temperature. It is proved that DMDF holds the best combustion and emission characteristics when the intake air temperature is fixed between 50—70,℃.

intake air temperature；dual fuel combustion；methanol；combustion characteristics；soot emission

TK464

A

0493-2137(2015)04-0328-06

10.11784/tdxbz201310050

2013-10-18；

2013-12-20.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA111719)；国家自然科学基金资助项目(51176135).

姚春德（1955— ），男，博士，教授，arcdyao@tju.edu.cn.

潘 望，whuttju@tju.edu.cn.

时间：2014-01-03.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201310050.html.