甲醇和EGR相结合对柴油机排放的影响*

胡　广　王炳辉　苏永衡　苗永超（宁波大学海运学院　浙江　宁波　315211）

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甲醇和EGR相结合对柴油机排放的影响*

胡广王炳辉苏永衡苗永超
（宁波大学海运学院浙江宁波315211）

在YC6A220C柴油机上进行了往外部EGR回路中喷入甲醇的试验，研究了不同的甲醇消耗率和不同的EGR率对柴油机排放的影响。试验结果表明：往EGR回路中喷入甲醇，能够有效降低碳烟排放，但是会导致CO和HC增加。喷醇量太小，对于降低碳烟和NO x效果不明显；喷醇量过大，能够大幅度降低碳烟，但是会导致NO x排放增加。当甲醇消耗率控制在65.5g/（kW·h）左右，EGR率在25%时，NO x和碳烟都能够降低到一个最低水平。

柴油机EGR甲醇碳烟NO x

引言

柴油机由于其动力性能和经济性能好而被广泛应用于工业、农业和机械交通运输业等各个领域。但由于柴油机的碳烟与颗粒以及NO x等尾气排放比较严重而将面临严峻挑战。随着环保问题的重要性日益增加，能源危机不断凸显，排放法规的日益严格，节能减排是世界各国需要迫切解决的问题。EGR作为一种降低NO x的有效手段而有着广泛的应用前景；甲醇是一种清洁、高效的燃料，而且来源广泛，价格相对柴油低廉，柴油机燃用含甲醇燃料可以大大降低碳烟的排放[1]。因此利用EGR技术和在柴油机中掺入甲醇成为近年来研究的热点课题[2，3]。

由于柴油和甲醇互不相溶，本文构想出在柴油机外部EGR回路中喷入甲醇，利用尾气余热将甲醇汽化，随着尾气一同进入气缸中，这样既解决了柴油和甲醇不互溶的问题，而且用部分甲醇代替柴油有利于节约成本，降低尾气排放。本文在YC6A220C型柴油机上进行了EGR回路喷甲醇的试验，对比分析了采用不同的EGR率以及不同的甲醇消耗率（为方便起见，以下简称醇耗率）时对柴油机经济性和排放性的影响，并达到用甲醇替代部分柴油和降低尾气排放的目的。

1　试验燃料的特点

本试验所采用的燃料为0#柴油和甲醇，其特性参数见表1。甲醇的分子结构简单，含氧量为50%，因而甲醇参与混合燃烧在一定范围内可以降低碳烟和CO的排放。甲醇的热值低，仅为柴油热值的46%，理论上燃烧所需的空气量是柴油的45.1%。甲醇分子式为CH3OH，里面含有一个羟基，是极性化合物，能与水互溶，亲水性强，与柴油互不相溶[4，5]。由于本试验利用EGR回路中尾气余热将甲醇汽化，随着尾气一同进入气缸，避免了甲醇和柴油互不相溶的问题。

表1甲醇和柴油理化特性参数

2　试验装置及方案

本试验采用YC6A220C发动机，主要技术参数见表2。试验时发动机的参数未做试调整，试验所需的主要测试设备规格见表3。EGR选用外部循环，方便向EGR回路中喷入甲醇。甲醇喷入量的多少可以用自主设计的甲醇泵调控。由于要保证回路喷入的甲醇全部被汽化，试验表明，当回路的温度控制在95℃左右可以保证试验中喷入的甲醇全部被汽化。回路上装有热电偶温度计，以方便检测并调控温度；排气管接汽车排气分析仪和烟度计，可以测量尾气和碳烟含量；通过电子示功器来分析柴油机燃烧情况。试验装置示意图如图1所示。

表2YC6A220C柴油机主要技术参数

EGR率的大小可以通过调节EGR阀和排气背压阀来调节，EGR率的计算公式[6]为：

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

对于所选取的每个EGR率，在保证柴油机动力性不降低和所喷入的甲醇能够被全部汽化的前提下，用尽量多的甲醇去取代柴油，以达到节油的目的。

3　试验结果及分析

本试验主要是从EGR率和负荷两个方面来分析EGR率和醇耗率的大小对柴油机尾气排放的影响。由于本试验需要控制的变量过多，因此只能选择部分有代表性的工况点来说明。通过试验可知，当醇耗率为65.5g/（kW·h），EGR率为25%时，NO x和碳烟的排放都能降低到一个最低的水平。因此，本论文没有特别说明的醇耗率都取为65.5g/（kW·h），EGR率都取为25%，负荷取额定负荷的50%，即81kW，转速取额定转速n=1500r/min。

表3 主要测试设备

图1　试验装置示意图

3.1EGR率对排放的影响

3.1.1NO x的排放浓度

图2为不同醇耗率和不同EGR率对柴油机NO x排放的影响。由图可以看出，当EGR率一定时，随着醇耗率的增大NO x的排放量先减少后增加。且在同一EGR率下，使用较小的EGR时，NO x排放的末值大于初值；使用较大的EGR时，NO x排放的末值小于初值。这是由于当喷醇量较小时，甲醇的汽化吸热降低了气缸内的温度，缩短了燃气在高温下的滞留时间。而且引入的废气又稀释了进气氧浓度，两者的共同作用抑制了NO x的生成。当喷醇量较大时，甲醇的作用占主导地位，大量甲醇的喷入使混合气的含氧量增加，为NO x的生成提供了有利的富氧条件[7]促进了NO x的生成。

图2　 NO x排放对比

3.1.2碳烟的排放

图3为不同醇耗率和不同EGR率对碳烟排放的影响。虽然EGR可以降低NO x的排放，但是会导致碳烟有所升高。尤其是当EGR率超过40%时，碳烟急剧增加。从图中很明显可以看出喷入甲醇后碳烟能够得到很好的改善，这是因为：一方面甲醇的O/ C比例高，可以促进燃烧，减少碳烟的排放[8]；另一方面，甲醇的汽化潜热高，能够降低气缸内的温度。而且，甲醇的引入会使甲醇和柴油混合燃烧过程“微中的爆效应”[9]更剧烈，使燃烧更加充分，减少了碳烟的形成。

图3　 碳烟排放对比

3.1.3HC和CO的排放

图4、图5分别为HC和CO随着醇耗率和EGR率的变化关系。两图表明：当柴油机的负荷不变时，HC和CO的排放量随着醇耗率和EGR率的增大而增加。且当醇耗率和EGR率较大时HC增幅也较大。HC和CO的产生是由于燃料不完全燃烧产生的，由于引入的EGR稀释了进气氧浓度，导致燃烧室中局部缺氧地区增加，为HC和CO的生成提供了条件。又由于喷入的甲醇容易蒸发，导致油滴外围过稀区混合气量的增加，进而导致HC和CO的排放增加。综上可以说明，EGR的使用和喷入的甲醇都会增加HC和CO的排放，其原因不仅和喷醇量的大小及EGR率的大小有关，还与混合气的均匀性等多种因素有关[10]。

图4　 HC排放对比

图5　 CO排放对比

3.2负荷对排放的影响

3.2.1NO x的排放浓度

图6为NO x的排放量随着醇耗率和负荷的变化关系。由图可知，在相同的醇耗率下，负荷越大，NO x排放浓度越高；在相同的负荷下，NO x随着醇耗率的增加先减少后增加。原因在于：醇耗率小时，甲醇汽化吸热，降低了气缸内的温度；而且又有25%的废气循环，稀释了进气氧浓度，都能抑制NO x的生成。当醇耗率超过60 g/（kW·h）时，甲醇的富氧作用就比较明显[11]。且负荷越大，燃烧室内最高温度也越高，因此，在大负荷与大的醇耗率共同作用下，NO x会急剧增加。

图6　 NO x排放对比

3.2.2烟度的排放

图7为负荷和醇耗率的大小对碳烟排放量的影响。从图可以看出，高负荷比低负荷时的碳烟排放大，这是由于高负荷时柴油机需要提供更多的动能，燃烧室燃烧强度更大，产生的温度更高。并且又由于25%EGR的影响，过量空气系数相对较小，导致热裂解反应速率上升[12，13]，此时便会产生较多的碳烟。当喷入甲醇后，部分甲醇替代了柴油，使燃料总的含氧量增加，碳氢比降低，从而在一定程度上制约了碳烟的生成。

图7　 碳烟排放对比

3.2.3HC和CO的排放浓度

图8、图9为柴油机在1500r/min、EGR率为25%时HC和CO排放量随着醇耗率和负荷的变化情况。由图可以看出，喷入甲醇后柴油机的HC和CO排放量都有所增加，且HC在小负荷时的增量比大负荷时明显。当负荷保持不变时，甲醇的高汽化潜热和低十六烷值使缸内温度降低，导致燃料的着火性变差[14]。而且又由于甲醇有很好的挥发性，增大了使燃料喷注外缘熄火区，两者的共同作用使HC和CO的排放量增加。尤其是在小负荷时，过稀和卒熄的作用更加明显[15]，使HC排放量更大。

图8　 HC排放对比

图9　 CO排放对比

4　结论

1）进气道喷甲醇在一定程度上能够缓解柴油机燃烧室不理想燃烧，减少碳烟排放。

2）进气道喷甲醇与EGR技术相结合，当喷醇量小于65.5g/（kW·h）时，可以使碳烟和NOx的排放降低到一个最低水平，但是会增加CO和HC的排放。这说明喷入甲醇后，尾气处理要更加严格。

3）随着醇耗率的增大，负荷特性烟度逐渐降低，NO x在小的醇耗率时有所下降，大的醇耗率时有所升高；HC排放在所有负荷都增加，小负荷时增加的幅度更大。

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15杨向东，陆克久.甲醇柴油混合燃料对柴油机排放特性影响的研究[J].小型内燃机与摩托车，2013，42（5）:67～70

A Combination ofMethanoland EGR Effectson Diesel Em issions

Hu Guang,W ang Binghui,Su Yongheng,M iao Yongchao
Ningbo University（Ningbo，Zhejiang，315211，China）

Experimentalmethanol injection atintake portwith EGR inmodel YC6A220C dieselenginewas carried out，influences of differentmethanol consumption rates and different EGR rates on engine power characteristicswere studied.The resultsshow thatsootemissions can be effectively reduced whenmethanol is injected into the intake port，but itwill lead to an increase of CO and HC emission.When the spray amountofalcohol is little，reducing sootand NO x isnotobvious;when the amountofmethanol isexcessive, it can significantly reduce sootemissions，but leads to the increase of NO x emissions.When themethanol consumption ratewas controlled at65.5g/（kW·h）about,EGR rate of 25%，NO x and soot can be reduced toan optimum level.

Dieselengine，Exhaustgas recirculation，Methanol，Soot，NO x

TK427

A

2095-8234（2014）06-0072-05

宁波市基金项目（2012A610619）；浙江省高职高专院校专业带头人专业领军项目（1j2013201）

胡广（1987-），男，硕士研究生，主要从事节约能源和环境保护的研究工作。

（2014-05-22）