进气道喷甲醇对柴油机性能影响的试验分析*

王炳辉　陈永芳　胡　广（-宁波大学海运学院浙江宁波35-浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院）

·新能源·

进气道喷甲醇对柴油机性能影响的试验分析*

王炳辉1陈永芳2胡广1
（1-宁波大学海运学院浙江宁波3152112-浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院）

在增压中冷柴油机上进行外部循环EGR回路喷甲醇的试验研究，研究了喷入不同的甲醇量对柴油机性能的影响。结果表明，EGR回路喷入的甲醇量越多，负荷特性的烟度会逐步降低，NOx在较小的喷醇量下会有所下降，在较大的喷醇量下有所升高；HC排放在所有负荷都会增加，小负荷时增幅更大；缸压峰值和放热率峰值也会随着喷醇量的增加而增加，峰值对应的曲轴转角有后移的趋势，燃烧起始点滞后。

EGR甲醇碳烟NOx缸压放热率

引言

随着环保问题的重要性日益增加以及能源危机的不断凸显，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能有效降低NOx的排放；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。因此利用EGR技术以及柴油甲醇混燃成为近年来研究的热点课题。

本论文在YC6A220C柴油机上进行台架实验，选用外部循环EGR。甲醇通过可调甲醇泵喷入到EGR回路中，由于甲醇的沸点为64.7℃，可利用高温尾气余热足以将甲醇汽化送入气缸中。在保持柴油机动力性和经济性基本不变的条件下，来降低NOx和碳烟的排放。

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。台架试验所用的主要设备见表2。本试验采用从排气管引出废气，经合适冷却后进入进气道，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，本试验的EGR系统从涡轮增压后引出废气，如图1所示。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，将冷却的气体温度控制在95℃左右可以保证试验中最大的喷醇量喷入的甲醇能全部被汽化。EGR的大小可以通过EGR阀及排气背压阀来调节。EGR率的计算公式［1］为：

式中：φ1为有EGR时进气总管中CO2浓度；φ2为无EGR时环境中CO2浓度。

图1　试验装置示意图

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来分析，负荷依次选取10%，25%，50%，75%，100%。

2　进气道喷甲醇对柴油机性能的影响分析

通过试验可知，在醇耗率为65.5 g/（kW·h）和EGR率为25%时NOx和炭烟排放都能够同时降低到一个最佳水平。因此本论文的同醇耗率（为了方便起见，下文中的甲醇消耗率简称醇耗率）取65.5 g/（kW·h），同EGR率取25%。

2.1进气道喷甲醇对NOx排放的影响

图2为EGR率相同时，在三种不同转速下不同醇耗率对柴油机NOx排放的影响。醇耗率为0时由于采用了25%EGR，因而负荷没有使用100%负荷，选用了86%和90%两个负荷点。由图可知，当醇耗率小于60 g/（kW·h）时，随着醇耗率的增大，NOx的排放量降低，降幅可达3.8%～21%。而当醇耗率超过60g/（kW·h）时，随着醇耗率的增大，NOx反而呈上升的趋势。这是因为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。而当喷入量较多时，甲醇的高含氧量为NOx的生成提供了大量的富氧环境，加剧了雾化过程中的“微爆效应”［2-3］，促进了NOx的生成。所以综合起来看，甲醇对NOx的排放有两面性的作用，喷入适量的甲醇可以降低NOx的排放，但是喷入过量的甲醇，反而会增加NOx的排放。

2.2进气道喷甲醇对碳烟排放的影响

图2　不同醇耗率时NOx的排放

图3为EGR率相同时，在三种不同的转速下，不同醇耗率对柴油机碳烟排放的影响。由图可知，同一负荷下随着醇耗率的增加，碳烟的排放大幅度降低。与不喷入甲醇相比，此处选择25%负荷、50%负荷和75%负荷来分析。转速为1 200 r/min时，相比较醇耗率为0时，当负荷为25%时，四种醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80 g/（kW·h）、100 g/（kW·h）能使碳烟分别降低24.2%、27.3%、33.3%和45.5%；当负荷为50%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低25%、37.5%、45.8%和54.2%；当负荷为75%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低12.5%、25%、45.8%和60.4%；转速为1 600 r/min时，相比较醇耗率为0时，当负荷为25%时，四种醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80g/（kW·h）、100g/（kW·h）能使碳烟分别降低13.6%、37.3%、47.5%和57.6%；当负荷为50%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低8.9%、32.8%、47.4%和59.7%；当负荷为75%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低11%、31.5%、41.1%和50.7%；转速为2 000 r/min时，相比较醇耗率为0时，当负荷为25%时，四种醇耗率40 g/（kW·h）、60 g/（kW·h）、80 g/（kW·h）、100 g/（kW·h）能使碳烟分别降低16.7%、33.3%、37%和42.6%；当负荷为50%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低8.9%、32.8%、47.4%和59.7%；当负荷为75%时，以上四种醇耗率能使碳烟分别降低11.6%、32.5%、39%和45.5%。低转速时喷入的甲醇量越多、负荷越大时，碳烟排放降低更明显。

图3　不同醇耗率时的碳烟排放

碳烟的生成条件是高温低氧［4］，甲醇的加入能够明显降低碳烟排放，主要有以下两个方面：一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，因而能降低碳烟排放。而且喷入的甲醇越多，越有利于柴油中的高分子化合物与氧的接触，从而降低了燃料高温缺氧的热裂解几率；二是甲醇在参与燃烧过程中会生成大量的-OH自由基，-OH自由基能够对已经生成的碳烟有很强的氧化作用，使碳烟进一步减少［5］。

2.3进气道喷甲醇对CO和HC排放的影响

图4为柴油机在1 600 r/min时不同负荷对柴油机HC排放影响关系的特性曲线。由图可知，随着醇耗率的增加，HC排放也随之增加，并且负荷越大，HC增加的幅度越明显。以醇耗率60 g/（kW·h）为例，50%的负荷HC的排放量相比较25%的负荷增加了16.7%，75%的负荷HC的排放量相比较25%的负荷增加了66.7%，在醇耗率为100 g/（kW·h）时这种增加的幅度更加明显。这说明单纯地靠增加甲醇的喷入量并不能减少柴油机HC的排放。甲醇具有较高的汽化潜热以及较低的十六烷值会导致缸内温度下降，燃烧状况变差［6］；而且又由于甲醇有很好的挥发性，增大了燃料喷注外缘熄火区，燃料燃烧不完全，两方面共同作用都会使HC的排放量增加［7］。

图4　HC排放对比

图5为柴油机在1 600 r/min时CO排放量随着醇耗率和负荷的变化情况。可以看出，喷入甲醇比较未喷入甲醇之前，柴油机的CO排放量明显增加，在中、小负荷下，随着醇耗率的增加，CO的排放增幅较大，在大负荷下，CO的增幅较小。原因在于低负荷时，甲醇的喷入会导致缸内温度降低，使柴油/甲醇的混合气局部出现过浓现象，使熄火区增大，而且甲醇的含氧优势不能充分发挥出来，燃烧不完全，这些因素都会导致CO排放增加。CO是HC燃烧过程中的中间产物［8-9］，在高负荷时空燃比小，甲醇较高的含氧量弥补了高汽化潜热的不足，改善了燃烧状况，使CO排放降低。

图5　CO排放对比

2.4进气道喷甲醇对缸压的影响

为了研究EGR率一定时，不同醇耗率对燃烧时缸内压力的影响，本试验选用了五组不同的醇耗率，在低、中、高转速时得到了图6所示的缸压曲线。虽然EGR能稀释进气氧浓度，推迟燃烧进程，但是当喷入的甲醇量大时，此时甲醇的作用效果超过了25%EGR的作用效果，喷入的甲醇占主要影响因素。由图6可以看出，转速越大，同一醇耗率所对应的缸内压力峰值也随之变大，这是由于大转速时，进入的气流较快，更容易促使甲醇蒸汽、柴油以及空气的混合，使燃烧更加充分；在转速不变时，醇耗率越大，压力峰值也越大，且都大于未喷入甲醇时的缸压峰值，醇耗率越大，燃烧时甲醇的占比也越多［10-11］，甲醇比柴油的燃烧速度快，持续期短，缩短了放热时间，导致缸压升高。

图6　不同醇耗率对缸压的影响

2.5进气道喷甲醇对放热率的影响

图7是柴油机在不同转速下五组不同的醇耗率对柴油机放热率的影响。总体来看，在同一转速时，随着醇耗率的增加，燃烧起始点滞后，缸内放热率峰值亦呈现增加的趋势，且峰值都大于纯柴油的放热率峰值。这说明，一方面甲醇的加入会使燃料着火时刻滞后［12-13］，另一方面，甲醇燃烧扩散较快，而且本实验的甲醇是以气态形式进入气缸的，因而减少了甲醇从液态蒸发为气态的时间，也无需汽化吸热，因而累计放热率会随着醇耗率的增加而增加，有助于放热率峰值增大，并且在同一转速下，随着醇耗率的增大，放热率曲线形状也越尖锐。

图7　不同醇耗率对放热率的影响

3　结论

1）随着醇耗率的增大，负荷特性烟度逐渐降低，NOx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，小负荷增时加的幅度更大。

2）EGR回路喷甲醇与EGR技术相结合，当喷醇量小于60 g/（kW·h）时，可以使碳烟和NOx的排放降低到一个最佳水平，但是会增加CO和HC的排放。

3）合适的EGR率和恰当的喷醇量的搭配具有一定的互补性，在试验过程中精心调配喷醇量与EGR率，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。

1陈文淼，陈虎，王建昕，等.柴油机PM排放测试分析方法探讨［J］.车用发动机，2005，156（2）：54-58

2冯星，王铁，王大书，等.低比例甲醇汽油对电喷汽油机排放影响的实验研究［J］.内燃机，2010（3）：52-56

3何超，赵龙庆，贾德文，等.推迟供油提前角对生物柴油发动机燃烧和排放性能的影响［J］.内燃机工程，2010（2）：76-80

4Han D，Ickes A M，Assanis D N，et al.Attainment and load extension of high-efficiency premixed low-temperature combustion with dieseline in a compression ignition engine［J］.Energy Fuels，2010，24（6）:3517-3525

5Egolfopoulos F N，Du D X，Law C K.A study on ethanol oxidation kinetic in laminar premixed flames，flow reactors and shock tubes［C］.24th Symposium on combustion.Pittsburgh:1992

6曹国豪.船舶柴油机示功图测量系统研制［D］.武汉：武汉理工大学，2009

7张全长，尧命发，郑尊清，等.废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究［J］.内燃机学报，2012，30（4）：310-315

8饶海生，王铁，王克亮，等.直喷式柴油机燃用甲醇-柴油微乳化燃料的实验研究［J］.车用柴油机2008（5）：89-92

9American Methanol Institute.Methanol buses return to Los Angeles［EB/OL］.http://www.prnewswire.com/news-releases/methanol-buses-return-to-los-angeles-76504392.html

10杨浩林，赵黛青，鲁冠军.CO2稀释燃料对富氧扩散燃烧中NOx生成的抑制作用［J］.热能动力工程，2006，21（1）：43-47

11周宝龙，内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005

12蒋德明.内燃机代用燃料燃烧学［M］.西安：西安交通大学出版社，2007

13Fu W B，Hou L Y，Wang L P，et al.A unified model for the micro-explosion of emulsified droplets of oil and water［J］. Fuel Processing Technology，2002，79（2）:107-119

Experimental Analysis of Methanol Injection at Intake Port on Diesel Engine Performance

Wang Binghui1，Chen Yongfang2，Hu Guang1
1-Faculty of Maritime and Transportation，Ningbo University（Ningbo，Zhejiang，315211，China）2-School of Shipbuilding Engineering，Zhejiang International Maritime Vocational and Technical College

Experimental study was carried out on the turbocharged and intercooled diesel with methanol spray in the external EGR circulation loop.The effects of different amounts of injected methanol on diesel engine performance are studied.The results showed that the more the amount of methanol injected into the EGR circuit，the smoke of load characteristics will be gradually reduced，NOxin the small amount of alcohol spray will decline，and increase in the larger amount of alcohol spray；HC emissions increased in all load，but increased more under a small load.Cylinder pressure peak and peak heat release rate will increase with the spray amount of alcohol increases，the peak corresponding to the crank angle has a tendency to shift back，and the starting point of the combustion lags.

Exhaust gas recirculation，Methanol，Soot，NOx，Cylinder pressure，Heat release rate

TK427

A

2095-8234（2015）04-0091-06

2015-05-06）

2012A610169宁波市自然科学基金；Y200908480浙江省教育厅科研项目；lj2013201 2013年度浙江省高职高专院校专业带头人专业领军项目。

王炳辉（1969-），男，硕士生导师，主要从事节约能源和环境保护的研究工作。