甲醇替代率对双燃料发动机燃烧及其循环变动的影响

孙滔，陶文辉，卢康博，石磊，乔信起

（上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240）

0 概述

中国在2021年政府工作报告中指出了实现“碳中和”目标的保障措施，其中绿色能源的应用成为新的经济增长与社会发展的主线。在众多替代燃料中，甲醇的制备具有成熟的设备基础和坚实的产能保证［1-2］，更适应中国能源分布现状［3］，被作为柴油机重点研究推广的清洁替代燃料。

在甲醇-柴油双燃料发动机的研究中，缸内燃烧控制是其中重要的研究方向。文献［4-6］中提出柴油/甲醇二元燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）燃烧模式，并在4缸柴油机上进行了双燃料燃烧与排放研究。在DMDF模式下，甲醇可降低进气温度和缸内平均温度［7］，从而改善缸内燃烧。文献［8］中通过调整喷油时刻和排气背压并结合废气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）技术，拓展了高负荷下的甲醇替代率。甲醇的增加使得缸内含氧量增加，同时降低缸内温度，减少热量损失，从而提高了指示热效率［9］，文献［10］中研究发现特定条件下甲醇替代率的增加也使指示热效率降低。在排放方面，甲醇作为含氧燃料能够增加缸内含氧量，从而降低颗粒物（particulate matter，PM）的排放［11］。甲醇-柴油双燃料发动机NOx排放研究有不同的结论：文献［12］中研究得出甲醇的增加使得排气温度增加，NOx排放增加；文献［13］中研究得出甲醇的增加使得进气温度降低，从而降低NOx的排放。燃烧循环变动也是柴油-甲醇双燃料发动机研究的重要方面，随着循环变动的加剧，燃烧不正常甚至失火的循环数逐渐增多，碳氢不完全燃烧产物增多，动力性、经济性下降［14］。文献［15］中研究了掺混比、负荷率和转速对循环变动的影响。随着甲醇替代率的增加，循环变动增加。负荷率增大或转速升高时，循环变动减小。提高甲醇替代率使发动机各缸不均匀度增加，增加转速有助于减小各缸不均匀度［16］。文献［17］中在一台4缸柴油机上进行研究发现，在低负荷下发动机的不均匀度对甲醇替代率的敏感性更高。文献［18］中在点火式甲醇发动机上研究稀释气CO2和N2对循环变动的影响，结果表明随着CO2和N2比例的增加，燃烧循环变动增加。

通过文献分析可以看出，国内外对柴油-甲醇双燃料发动机燃烧开展了一定研究，表明甲醇替代率对发动机燃烧、排放的影响复杂。本文中针对不同工况开展甲醇替代率对燃烧、排放及循环变动的影响规律进行了全面研究，为甲醇在柴油机上的应用提供了参考。

1 试验台架与方法

1.1 试验台架

以一台四冲程高压共轨单缸机为试验对象开展研究，试验台架装置如图1所示，具体参数如表1所示。单缸机采用两套喷射系统，其中甲醇为进气道喷射，柴油为缸内直喷。

图1 甲醇柴油双燃料发动机试验系统示意图

表1 发动机参数

柴油喷射采用博世CR3高压共轨燃油喷射系统，基于NIcRIO-9012模块自主编写了喷油控制程序，实现了喷油次数、喷油正时、喷油脉宽及喷射压力的精准控制。

加装的甲醇喷射系统包括油箱、湘仪FC2210Z油耗仪、燃油泵、甲醇喷射器等装置。甲醇喷射器喷孔直径为0.39 mm，喷孔数目为4。甲醇喷射器驱动选用了美国国家仪器有限公司的NI-9474数字输出模块，实现甲醇喷射时刻与喷射脉宽控制。

1.2 试验方法

选取1 500 r/min和1 100 r/min两种发动机转速不同负荷工况点开展试验，试验工况如表2所示。试验采用固定喷射时刻调整两种燃料喷射脉宽的方式。柴油和甲醇燃料的喷射时刻分别为上止点前14°和310°，通过增加甲醇的喷射脉宽同时降低柴油喷射脉宽保持指示平均压力（indicated mean effective pressure，IMEP）恒定，进行不同工况下掺混比例对燃烧特性的影响规律研究。本文中上止点前曲轴转角记为负值，上止点后曲轴转角记为正值。

表2 试验工况

试验中，甲醇替代率Rm由式（1）计算。

式中，Gd为原机柴油消耗率，kg/h；GDm为加入甲醇后柴油消耗率，kg/h。

燃烧稳定性采用最高燃烧压力pmax的循环变动率δp进行评价，其计算公式见式（2）。

式中，σp为pmax的标准偏差为pmax的平均值。

2 结果与讨论

2.1 甲醇替代率对燃烧与排放的影响

首先开展了甲醇替代率对气缸压力和瞬时放热率的影响研究，如图2所示。随甲醇替代率的增加，缸内压缩冲程初始压力降低，着火时刻推迟。这是由于甲醇具有较大的汽化潜热，喷入进气道后蒸发吸热，从而降低了缸内初始温度与压力；并且反应过程中甲醇将高活性的OH自由基转化为不活跃的H2O2，抑制了OH的增殖，使得着火时刻推迟［19］。当甲醇替代率从0%增加至32.9%时，放热速率曲线双峰现象逐渐消失，放热速率峰值增加1倍，最高燃烧压力增加5.4%。这是由于滞燃期的增加使燃料预混燃烧比例增加，扩散燃烧的比例减少，从而放热双峰现象逐渐消失；同时甲醇火焰传播速度快的特性使混合燃料燃烧放热速率加快，放热速率峰值增加，最高燃烧压力增加。

图2 不同甲醇替代率下曲轴转角对缸压和放热率的影响（1 100 r/min，IMEP为0.7 MPa）

燃烧相位随甲醇替代率的变化趋势如图3所示。图中着火延迟时间为喷油时刻到着火时刻的曲轴转角间隔，体现燃料的燃烧反应活性；燃烧持续期为燃烧终点与燃烧始点的曲轴转角间隔，体现燃料的燃烧速率；CA50为燃烧累计放热50%的时刻，体现燃烧过程的重心位置。随着甲醇替代率的增加，着火延迟时间增加，燃烧持续期缩短，CA50提前。这是因为随着甲醇替代率的增加，甲醇蒸发吸热引起的缸内降温效果显著，并且甲醇抑制了高活性OH的增殖，推迟了着火时刻，造成着火延迟时间增加，同时也造成了缸内燃料预混比例的增加，并且甲醇燃烧速度快造成燃烧速率增加，燃烧持续期缩短，CA50提前。在高转速下，燃料燃烧相同时间对应的曲轴转角更多，因此高转速的CA50位置相较于低转速更靠后。

图3 不同转速下甲醇替代率对燃烧相位参数的影响（IMEP为0.7 MPa）

甲醇替代率对最大压力升高率的影响规律如图4所示。在不同工况下，最大压力升高率均随甲醇替代率的增加而增加。这是由于甲醇替代率的增加造成滞燃期增加，滞燃期内形成的燃油-空气混合气更加均匀，燃料预混燃烧比例增加，同时甲醇燃烧速度快的特点使着火后燃烧更迅速，因此最大压力升高率增加。

图4 不同转速下甲醇替代率对最大压升率的影响

指示热效率随甲醇替代率的变化规律如图5所示。在1 100 r/min转速下，随着甲醇替代率的增加，指示热效率呈现逐渐降低的趋势，低负荷时降幅更大。这是由于低速低负荷工况下进气流速低，且缸内温度低，使缸内燃油喷雾蒸发变差，同时甲醇的增加使得CA50提前，偏离高效率区，因此指示热效率降低。在1 500 r/min转速下，随着甲醇替代率的增加，指示热效率相较于低转速降幅减小，在IMEP为0.8 MPa的高负荷工况下指示热效率略有上升。这是由于在高速高负荷下，进气流速增加有利于甲醇蒸发吸热，缸内进气温度降低，使得进气密度升高，从而提高进气量，改善缸内燃烧，同时结合图3可知在高转速下CA50更接近高效率区域，因此高速高负荷下指示热效率随甲醇替代率的增加而增加。由此可知，在高速高负荷下，可适当提高甲醇替代率来提高柴油-甲醇双燃料发动机的经济性。

图5 不同转速下甲醇替代率对指示热效率的影响

图6为不同工况下甲醇替代率对NOx与PM排放的影响。如图6所示，不同工况下甲醇替代率对排放的影响不同。在低速低负荷工况，随着甲醇替代率的增加，NOx与PM排放整体变化不大，这主要是由于低速低负荷工况缸内过量空气系数大，缸内富氧，因此甲醇的影响效果不明显。但在高负荷工况，由于缸内过量空气系数低，甲醇增加对排放的影响较为显著。在低速低负荷工况，NOx排放呈先略有增加后降低的趋势，PM排放则呈现先降低后略有增加的趋势。这是由于甲醇替代率的增加使得缸内混合气的含氧量增加，有利于NOx的生成；同时由于甲醇的汽化潜热较高，甲醇的增加使得缸内温度降低，从而抑制了NOx的生成。多种因素的耦合作用在不同甲醇替代率下有所不同。在甲醇替代率较低时，含氧量增加作用显著，导致NOx排放略有升高；随着甲醇进一步增加，甲醇蒸发致使进气温度降低的因素占主导地位，使得NOx排放降低。对于PM排放，甲醇替代率的增加提高了缸内含氧量，使PM排放降低；在甲醇替代率较高时，进气温度的降低使得缸内燃油蒸发不完全，因此PM的生成有所升高。在高速高负荷下，随甲醇替代率从0%增加至26.0%，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。这是由于在高负荷下缸内温度高，并且甲醇的增加使得缸内含氧量增加，导致NOx排放增加。含氧量的增加使得缸内燃烧更加完全，因此PM排放随甲醇替代率的增加呈下降的趋势。

图6 不同工况下甲醇替代率对排放的影响

2.2 甲醇替代率对循环变动的影响

甲醇替代率对双燃料发动机燃烧循环变动的影响规律如图7所示，在不同工况下δp均随甲醇替代率的增加而增加。在低速低负荷工况δp变化最为明显，从3.5%增加至6.0%。在高负荷工况，δp增加仅为1.1%。这是由于甲醇含量的增加使得缸内温度降低，混合燃料的着火延迟时间增加，引起油气混合程度波动，尤其在低负荷工况，造成燃烧初期不稳定性增加，导致峰值压力的循环变动率增加。

图7 不同工况下δp随甲醇替代率的变化

不同负荷下对比发现，同一转速时，随着负荷的增加，循环变动率变小。这是由于随着负荷的增加，缸内温度变高，使得燃料蒸发混合更加均匀，燃烧更加稳定。另一方面，随着负荷的增加，喷油量逐渐提高，缸内混合气浓度提高，过量空气系数减小，混合气更易燃烧，燃烧状况变好，使得循环变动率减小。

2.3 甲醇替代率对峰值压力位置分布影响

甲醇替代率对峰值压力位置的影响如图8所示。由图8可知，随着甲醇替代率的增加，峰值压力位置分布趋于分散。这是由于随甲醇替代率的增加，甲醇的高汽化潜热使得缸内温度降低，燃烧的滞燃期延长，燃烧不稳定性增加，因此峰值压力的分布趋于分散。峰值压力出现的时刻逐渐提前，低速低负荷下正态分布曲线的对称轴从2.0°逐渐提前至0°，高速高负荷下正态分布曲线的对称轴从7.6°逐渐提前至6.0°。随着燃料中甲醇替代率的增加，由于甲醇挥发性高，混合气混合更加均匀，着火后燃烧更加迅速，CA50提前，因此峰值压力出现的时刻逐渐提前。低速低负荷下峰值压力对应曲轴转角的分散程度更大，这是由于低速低负荷下缸内温度较低，燃料蒸发混合不均匀，燃烧不稳定性增加，使得峰值压力对应曲轴转角的分散程度较大。转速由1 100 r/min提高到1 500 r/min后，峰值压力对应曲轴转角趋于集中，正态分布曲线形态由扁平变成高耸，说明燃烧更加稳定。这是由于转速的升高使得缸内气流运动增强，燃料混合更加充分，燃烧环境得到改善，燃烧稳定性增强，峰值压力的分布趋于集中。

图8 不同工况下峰值压力对应曲轴转角随甲醇替代率的变化

3 结论

（1）不同工况下，甲醇替代率对柴油-甲醇双燃料发动机燃烧、排放及其循环变动的影响规律的研究表明：随着甲醇替代率的增加，缸内着火延迟时间增加，预混燃烧比例增加，燃烧持续期降低，最高燃烧压力增加，最大压力升高率增加，CA50提前。甲醇替代率对低转速工况指示热效率影响较大，指示热效率随甲醇替代率增加而降低。

（2）不同工况下，甲醇替代率对NOx和PM排放影响不同。在低速低负荷下，甲醇比例增加对NOx和PM排放影响较小。在高速高负荷工况下，甲醇对排放的影响较为显著，当甲醇替代率从0%增加至26.0%时，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。

（3）在不同工况下，最高燃烧压力的循环变动率δp均随着甲醇替代率的增加而增加。随着负荷的增加，过量空气系数减小，δp变小。随着发动机转速的增加，δp增大。随着甲醇替代率的增加，峰值压力对应曲轴转角的分布更加分散。