高海拔下预喷策略对甲醇/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的影响

王贵勇,詹益嘉,申立中,雷基林,王伟超,姚国仲

(昆明理工大学 交通工程学院,云南 昆明 650500)

0 引 言

随着国家碳达峰、碳中和战略的实施及节能减排指标不断提高,排放法规日益严苛,低排放、高效率的新型燃料动力需求急剧增加.柴油机是交通运输、国防装备、工农业机械及船用领域的动力主导装置,而柴油机要实现碳中和有赖于燃料领域的改变[1-2].甲醇仅含一个碳原子,生产原料十分丰富,煤炭、焦炉气、天然气、生物质以及温室气体二氧化碳(CO2)均可以制备甲醇,是完全可以实现碳中性循环的可再生合成能源,被誉为“液态阳光”[3-4].发展清洁的甲醇液体燃料符合我国能源禀赋和环保要求,是快速高效实现碳中和的重要途径.

甲醇/柴油双燃料反应活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)技术充分利用柴油机压缩比高、柴油着火性好以及甲醇含碳量低、含氧量高、燃烧速率快的特点,能实现可控的高效、清洁燃烧,有利于降低碳排放、提高发动机热效率及解决传统柴油机NOx(氮氧化物)和颗粒物(Particulate matter,PM)排放矛盾,是内燃机替代燃料的主要应用方式之一[5-11].

国内外学者针对甲醇/柴油RCCI发动机燃烧机理分析、燃烧控制策略等方面开展了大量研究.文献[12-19]研究了柴油甲醇双燃料(Diesel Methanol Dual Fuel,DMDF)发动机燃烧边界、燃烧特性与燃烧机理,结果表明,RCCI包含柴油的预混燃烧和扩散燃烧、甲醇的火焰传播、甲醇末端混合气自燃和甲醇直接压燃等多种燃烧现象;随甲醇掺烧比变化,在不同负荷下其燃烧可能出现爆震、失火和燃烧不完全等情况;甲醇对柴油着火具有抑制作用.文献[20-24]研究了平原海拔下喷射策略对RCCI燃烧与排放特性的影响,结果表明,多次喷射改善了RCCI的降温效应,改变了化学反应活性与燃烧速率,提高了燃烧稳定性,NOx、HC(碳氢化合物)等排放减少;通过控制喷射比例与正时,在不同负荷下都能取得较好的燃烧效果与排放.文献[25]研究了不同海拔下甲醇替代率(Methanol Substitution Ratio,MSR)对燃烧特性、NOx和碳烟的影响,结果表明,随甲醇替代率增加,预混燃烧峰值增大,预混滞燃期延长,燃烧持续期缩短;NOx和碳烟排放同时降低.

综上所述,采用RCCI策略能够实现甲醇/柴油双燃料低温预混燃烧,提高热效率、降低污染物排放,预喷策略可以有效改善RCCI燃烧稳定度,降低NOx、HC、CO等排放[26-29],天津大学Wei等[24]研究了6缸DMDF发动机在 1400 r/min、30%低负荷下预喷策略对RCCI燃烧与排放的影响,通过控制预喷正时与油量,可以避免低负荷下的失火与HC排放超标.长安大学的Li等[23]研究了6缸DMDF发动机 1 400 r/min、50%负荷下单次喷射与多次喷射的燃烧与排放特性,中负荷下,通过预喷策略可以改善燃烧,降低HC、NOx等排放.以上学者的研究工作清晰地揭示了中低负荷条件下预喷策略对RCCI燃烧模式的影响,但中高负荷下预喷策略对DMDF发动机燃烧与排放的影响尚不明确.

同时,目前甲醇柴油双燃料燃烧模型研究通常在平原环境进行,我国地幅辽阔,海拔 2 km 以上土地约占国土面积的33%,高海拔下柴油机因进气含氧量下降而出现燃烧性能变差、燃烧始点推迟、滞燃期延长、燃烧温度升高、排放变差和动力性不足等特点.国六排放法规也首次提出了柴油机高海拔控制要求.RCCI模式加入甲醇燃料导致进气温度降低,提高了进气量,降低了燃烧温度.甲醇的物理和化学作用同样使滞燃期延长,改变了传统柴油机的高原特性.

平原状态下DMDF发动机改变预喷策略的燃烧与排放性能已经取得了较为明确的研究成果,但在高海拔条件下是否能获得相似结论还需进一步的研究.而目前关于RCCI双燃料发动机的高海拔性能变化与控制参数高原修正方面的研究相对较少.

因此,在以上学者研究工作的基础上,通过一台4缸甲醇/柴油发动机研究了 2 000 m 海拔下预喷策略对柴油机中高负荷(70%)下燃烧与排放的影响.本研究基于实验室自主开发的甲醇/柴油RCCI发动机燃油供给及集成控制系统和试验台架,在海拔 2 000 m条件下,通过调控甲醇喷射量及柴油预喷正时、预喷油量,研究甲醇替代率和预喷策略对柴油/甲醇RCCI 发动机高原燃烧放热规律、常规排放物和非常规排放特性的影响,以期为柴油/甲醇双燃料RCCI发动机高原性能优化及排放控制提供一定参考.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

表1 发动机基本参数

试验采用配备涡轮增压器和废气再循环的某4缸高压共轨柴油机.发动机具体参数见表1.试验环境海拔 2 000 m,大气压力为 80 kPa.对原发动机进行改造,加装甲醇供给与喷射系统.系统包含甲醇油箱、聚四氟乙烯输醇管、24 V 电控甲醇泵、压力计量表、甲醇共轨管、甲醇喷射器.甲醇喷射器安装在进气歧管位置.采用歧管喷射,甲醇汽化吸热效果最明显,使整个燃烧过程保持在合适的低温燃烧温度,提高燃料预混合程度[30].发动机电控系统采用自主开发的甲醇/柴油双燃料电子控制单元,通过调节喷油参数、喷醇参数、进气参数等,可实现纯柴油模式和甲醇/柴油双燃料的RCCI燃烧模式控制.

双燃料试验台架如图1所示.采用层流流量发动机进气质量流量计测量进气量,AVL FTIR i60傅立叶红外分析仪同时测量非甲烷碳氢化合物、醇类、醛类以及常规排放物NO(一氧化氮)、NO2(二氧化氮)、CO(一氧化碳)及CO2(二氧化碳)等25种常规和非常规排气污染物组分.缸压曲线由缸压传感器GH13P采集.主要设备及参数如表2所示.试验用柴油和甲醇燃料的特性参数如表3所示.

甲醇替代率γM定义为每循环喷入缸内的甲醇热值占循环供油量总热值的比例,按下式计算:

式中:mD为RCCI模式下的柴油喷射量,kg/h;mM为RCCI模式下的甲醇喷射量,kg/h;hM=19.89 MJ/kg 为甲醇的低热值;hD=42.5 MJ/kg 为柴油的低热值.

图1 柴油/甲醇双燃料发动机台架示意图Fig.1 Diesel/methanol dual-fuel engine bench diagram

表2 主要设备参数

表3 燃料理化性质参数

1.2 试验方法

试验工况为转速 1 800 r/min、负荷70%,试验地点海拔为 2 000 m.转速选取为该机型最佳经济转速,搭载该机型的轻卡运行时主要处于 1 800 r/min,选择该转速进行研究具有一定实用价值,研究结果可以为该机型在高海拔下性能研究提供参考.Wei等[24]和Li等[23]学者详细研究了30%负荷与50%负荷下预喷策略对DMDF发动机性能的影响,而中高负荷(70%)的性能尚不明确.因此试验负荷设定为70%.

为减少试验误差,试验过程中,控制冷却水温度在 353.15 K(±1 K)、进气温度 298.15 K、EGR阀开度为0.试验控制策略所采用的角度均为BTDC(Before Top Dead Center,上止点前).主喷正时固定为2°CA,喷油压力 100 MPa,转速设定为 1 800 r/min,负荷设定为70%(321.3 N·m).甲醇替代率范围按公式(1)计算,取0～20%,记为M0、M10、M15、M20,上限为该工况下最大甲醇替代率20%.预喷正时选取控制策略可控范围内6组值(9、12、15、18、21、24).试验工况点见表4.

表4 试验工况点

预喷油量下限取喷油针阀打开关闭最短脉宽油量 1 mg,上限取产生甲醇爆燃发动机爆震预喷油量 4 mg,取4组值.进行预喷正时试验时固定预喷油量为系统默认值 2 mg,进行预喷油量试验时固定预喷正时为15°CA.调整相应参数至发动机燃烧与排放数据不再变化后,采集缸压、NOx、CO、HC、CH3OH (甲醇)、CH2O(甲醛)等数据.每组试验采集3组数据取平均值.

为分析高海拔下甲醇/双燃料对燃烧性能起到了怎样的作用,进行了一组同机型在 101 kPa 大气压力下的相同工况的试验数据进行对比.

2 高原与平原DMDF发动机燃烧压力与排放特性对比

2.1 高原与平原缸内燃烧压力对比

大气环境压力下降是高海拔下影响发动机燃烧性能恶化的主要因素.国内外文献对不同海拔下柴油机燃烧性能与排放性能研究已经做了大量工作,而有关高海拔下甲醇/柴油DMDF发动机性能变化的相关报道较少.为研究高海拔下DMDF发动机性能恶化程度,进行了相同机型在平原条件下的试验.

图2 80 kPa与101 kPa缸内燃烧压力对比Fig.2 Comparison diagram of in-cylinder combustion pressure between 80 kPa and 101 kPa

图2为试验工况点在 2 000 m-80 kPa 与 0 m-101 kPa 大气环境压力下,固定预喷正时15°CA,油量 2 mg 时缸内燃烧压力对比.总体上看,虽然DMDF发动机高海拔缸内燃烧压力随甲醇替代率变化趋势与平原基本一致,但存在两点不同:(1)随着海拔提升,大气压力的下降会引起滞燃期的延长,滞燃期时的缸内燃烧压力明显低于标准大气压时的缸内燃烧压力;(2)由于高海拔地区进气密度低于平原地区,进气氧含量减少,而进气甲醇喷射降低了进气温度,提高了进气量.随着甲醇替代率提高,缸内燃烧压力在缓燃期可以恢复到接近平原水平,改善了高海拔下的燃烧恶化[27].甲醇作为含氧燃料在燃烧中一定程度上弥补了高海拔的氧气损失.

甲醇燃料的加入,同样会导致燃烧推迟.海拔与甲醇喷射的共同作用,使滞燃期充分延长,促进了醇气混合气与柴油的充分混合,进一步提高了预混燃烧比例.但过长的滞燃期也可能会导致燃烧过于激烈,缸压超过缸体强度设计极限[31].因此高海拔DMDF发动机可以通过预喷策略控制滞燃期以期达到最优燃烧性能.甲醇与海拔共同作用改变了滞燃期和缸内燃烧压力,改变预喷参数可以调节滞燃期与燃烧压力.通过优化预喷策略,可以在一定程度上改善DMDF发动机高原着火点推迟和燃烧压力的降低.

2.2 高原与平原RCCI排放特性对比

由图3可以看出,2 000 m 海拔下的NOx、CO、HC、CH3OH、CH2O排放趋势与平原趋势基本一致.高海拔NOx排放略低于平原,这是由于进气压力减小导致进气含氧量减少,破坏了NOx生成的高温富氧环境[25].2 000 m 中高负荷下CO排放高于平原,且随着甲醇替代率的增加而增加.这是因为中高负荷下大量甲醇不完全氧化生成CO,且高海拔下的低含氧量促进了不完全氧化[25].DMDF发动机大部分HC生成条件与CH3OH、CH2O基本一致,均来源于燃料的不充分燃烧,因此变化趋势相同,高原情况下CH3OH和CH2O排放略高于平原情况.这是由于高海拔导致缸内压力降低影响了燃料的雾化,甲醇燃烧不充分造成CH3OH和CH2O增加.

3 预喷策略对燃烧特性的影响

3.1 预喷油量对燃烧特性的影响

3.1.1 预喷油量对滞燃期的影响

图4为70%负荷不同甲醇替代率下,柴油预喷油量对滞燃期的影响.滞燃期随甲醇替代率的增大而延长,随预喷油量的增大而缩短.滞燃期是表征燃料低温氧化速率的关键参数,滞燃期长短直接决定了燃料燃烧特征.甲醇与柴油的化学耦合作用抑制了燃料着火.甲醇氧化消耗了OH·自由基,抑制了柴油的低温氧化,在低温氧化过程中起消极作用,延长了滞燃期.甲醇的低温氧化抑制了柴油主要成分燃烧,延长了滞燃期[32].预喷油量增大,预喷阶段燃烧燃料增多,加速了主喷柴油的雾化与扩散,缩短了物理滞燃期.预喷燃烧的升温效果同时促进了化学滞燃期的缩短,柴油液滴还未完全与甲醇、空气混合形成预混燃烧便已着火.

相比于平原条件近似直线的滞燃期规律[28],在高海拔70%负荷下滞燃期随预喷油量增大下降更快,呈现出二次曲线形式,随着甲醇替代率增加,滞燃期缩短更为明显.这是由于甲醇自身携带的部分氧在一定程度上抵消了高海拔带来的含氧量下降,缩短了滞燃期.高海拔下的长滞燃期受预喷影响更明显.

3.1.2 预喷油量对缸内燃烧压力的影响

图5 (a)～图5(d)分别为70%负荷M0、M10、M15、M20替代率,1～4 mg 预喷油量下的缸内燃烧压力变化规律.随着预喷油量的增加,预喷燃烧峰值压力增大.随着甲醇替代率的增加,缸内燃烧压力逐渐增大,预喷油量对缸内燃烧压力的影响更为明显.在相同预喷油量情况下,预喷油量为 4 mg、M20替代率时缸内燃烧压力为 11.617 MPa,较纯柴油燃烧模式提高了5.41%.预喷油量增多,柴油多点着火引燃混合气,预喷阶段起火燃烧的甲醇增多.甲醇迅速燃烧,释放大量热量,促使更多燃料着火,缸内压力迅速升高.预喷油量过小,燃烧不足以引燃足量甲醇形成链式反应,主喷柴油没有获得较好的着火环境,燃烧恶化,燃料燃烧不完全,燃烧压力较低.控制合适的预喷油量能改善主喷柴油与甲醇燃烧前的着火环境.

(a) M0不同预喷油量对缸内燃烧压力的影响 (b) M10不同预喷油量对缸内燃烧压力的影响

(c) M15不同预喷油量对缸内燃烧压力的影响 (d) M20不同预喷油量对缸内燃烧压力的影响图5 不同预喷油量对缸内燃烧压力的影响Fig.5 Effect of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

分析图5可知,在高替代率情况下,预喷油量对缸内燃烧的影响较大,预喷油量从 1 mg 提高到 4 mg,缸内压力大幅提高.当预喷油量为 4 mg 时,预喷阶段大量甲醇被柴油引燃,在主喷未喷射前,甲醇持续燃烧致使缸压上升,预喷与主喷燃烧峰值由双峰向单峰转变.

图6为不同预喷油量下的最大缸压对比.纯柴油模式下,预喷油量从 1 mg 提高到 4 mg 时,预喷燃烧峰值压力提升6.92%,主喷燃烧峰值压力提高1.56%.随着预喷油量增加,M10、M15、M20替代率下最大燃烧峰值压力分别提高3.4%、4.27%、5.95%.平原低负荷(30%)情况下[24],峰值压力与预喷油量变化呈线性关系.而在 2 000 m-70%负荷条件下,在预喷油量相同时,甲醇替代率越大,缸内燃烧峰值压力上升越快.随着预喷油量增大,缸内压力上升趋势变陡.增大预喷油量在一定程度上抵消了高海拔引起的滞燃期延长,在较大预喷油量时,滞燃期缩短,缸内燃料氧化加速剧烈燃烧,使缸内压力迅速升高,形成了图6所示趋势.

3.2 预喷正时对燃烧特性的影响

3.2.1 预喷正时对滞燃期的影响

图7为预喷正时对滞燃期的影响.由图可知,滞燃期随甲醇替代率增大而延长,随预喷正时的增加先减小后增大,在12～15°CA附近最短.预喷过晚(9～12°CA),预喷燃料燃烧不完全便已进入主喷阶段,预热效果差,低温氧化阶段延长,着火点推迟.在15°CA左右的预喷柴油燃烧引燃油束附近甲醇,对主喷燃烧起到了良好的预热效果,主喷滞燃期缩短.随着预喷正时增大,预喷距主喷过远,对主喷燃烧影响效果就越小,柴油、甲醇有足够时间充分混合[24],甲醇抑制柴油着火,滞燃期延长.

由图7可知,改变预喷正时滞燃期变化趋势与平原条件下[28]基本一致,但 2 000 m-70%负荷的滞燃期变化范围大于平原低负荷.中高负荷下DMDF发动机滞燃期呈现出“V”形趋势.

由图4和图7可知,甲醇的加入改变了滞燃期与预喷油量、正时的关系.协调控制预喷油量、正时和甲醇替代率,可以使滞燃期处于合理范围之内,改善DMDF发动机高原环境下滞燃期延长与燃烧恶化.

3.2.2 预喷正时对缸内燃烧压力的影响

图8 (a)～图8(d)分别为M0、M10、M15、M20替代率下,预喷正时为9～24°CA时的缸压变化规律.随着甲醇替代率增加,M10、M15、M20替代率下燃烧峰值压力较M0时提高1.18%、1.85%、3.68%.

随预喷提前角增大,预喷燃烧峰值压力升高.预喷正时从9°CA提前到24°CA时,各替代率下预喷燃烧缸压峰值分别提高1.5%、1.73%、1.96%和2.97%.提前预喷,延长了预喷燃烧持续时间,预喷柴油燃烧持续引燃部分甲醇,预喷燃烧峰值压力升高.

(a) M0不同预喷正时对缸内燃烧压力的影响 (b) M10不同预喷正时对缸内燃烧压力的影响

(c) M15不同预喷正时对缸内燃烧压力的影响 (d) M20不同预喷正时对缸内燃烧压力的影响图8 不同预喷正时对缸内燃烧压力的影响Fig.8 Effect of different pilot injection timing on in-cylinder combustion pressure at different MSR

甲醇的汽化潜热是柴油的4.2倍,甲醇强吸热作用造成预喷滞燃期延长,高海拔下预喷柴油需要更长时间混合与低温氧化,预喷阶段燃烧不充分致使甲醇在主喷阶段集中燃烧,高速放热导致燃烧压力升高.

图9 M0-M20不同预喷油量下缸内燃烧峰值压力对比Fig.9 Comparison diagram of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

由图8～图9可知,燃烧峰值压力随甲醇替代率的增大而增大,随预喷正时呈现“ω形”关系.预喷正时从9°CA到12°CA,燃烧峰值压力先减小.预喷正时为9°CA时预喷脉宽接近主喷脉宽,预喷结束后立即开始主喷,燃料还未完全着火便开始第二次喷油混合.其燃烧效果趋近于单次喷射,主喷燃烧峰值压力较高.预喷正时从12°CA到21°CA,燃烧峰值压力呈现先增大后减小趋势.预喷正时为15～18°CA时预喷起到良好预热效果,缸内温度有利于柴油着火,柴油油束在高温缺氧条件下集中燃烧,火焰锋面引燃大量甲醇[14],燃烧压力峰值较大.

2 000 m-70%负荷的缸内峰值压力在12～18°CA的趋势与平原低负荷工况[24]基本一致,在18°以上时,预喷距离主喷正时较远,预喷预热效果变差,燃料不完全燃烧导致峰值压力降低.继续提前预喷至24°CA以上,此时预喷柴油与甲醇、空气已经基本混合,着火后形成预混燃烧,预喷燃烧压力整体上升,主喷燃烧峰值压力提高.通过协调控制预喷正时与甲醇替代率,避免燃料不完全燃烧和燃烧恶化.

4 预喷策略对排放特性的影响

4.1 预喷油量对排放特性的影响

4.1.1 预喷油量对常规排放的影响

图10(a)为中高负荷下不同替代率的预喷油量对NOx排放的影响.随着甲醇替代率的增加,NOx排放显著降低;随着预喷油量的增加,各替代率下NOx均有不同程度的升高.

NOx随预喷油量与替代率变化的趋势与平原低负荷工况[24]基本一致.高海拔下缸内混合气浓度增大,缸内燃烧温度增加,缸温成为影响NOx生成的主要因素.纯柴油模式下,提高预喷油量使得缸内温度迅速升高,主喷柴油高温扩散燃烧,促进NOx的生成.RCCI模式下,甲醇汽化导致缸内温度降低,使燃烧避开了高温区域,抑制NOx生成.甲醇燃烧速率高于柴油,有利于缩短燃烧持续期,减少NOx生成时间.提高预喷油量,柴油燃烧放热的热量使缸内温度迅速升高,达到甲醇着火条件,大量甲醇燃烧使缸内温度急剧升高,高温富氧燃烧促进NOx生成.

图10(b)为中高负荷下不同替代率的预喷油量对CO排放的影响.2 000 m 海拔下CO随预喷油量变化的趋势与平原低负荷[24]变化趋势一致.纯柴油模式基本不排放CO.RCCI模式下,CO随甲醇替代率的增加而增大.甲醇不完全燃烧产生大量燃烧中间产物CO,CO氧化为CO2需要高浓度氧、高温、长反应时间,而甲醇燃烧速率快,燃烧持续期短,CO没有足够时间转化为CO2.随预喷油量增加,CO排放呈现减少趋势.预喷油量增加改善了主喷燃烧前的缸内热力环境,甲醇在预喷阶段便开始燃烧,燃烧持续期延长,减少了CO的生成.高温促进部分CO氧化为CO2.

图10(c)为中高负荷下不同替代率的预喷油量对HC排放的影响.2 000 m 海拔下HC随预喷油量变化趋势与低负荷[24]略有差别.中高负荷下甲醇燃烧较为完全,HC排放相较于低负荷有所减少,整体表现为预喷油量增加,HC减少.最小预喷油量与最大预喷油量的HC排放差异较小.甲醇的掺烧对燃烧具有抑制作用,形成未燃烧的HC排放,HC随替代率增大而增多.预喷油量增大,提高了主喷燃烧之前的缸内温度,减少了过度稀燃、甲醇冷壁淬熄[28],促使燃烧更为充分,HC生成减小.在中高负荷下,预喷油量对HC排放影响较小,在低负荷[24]下影响较大.

(a) 不同替代率下预喷油量对 (b) 不同替代率下预喷油量对 (c) 不同替代率下预喷油量 NOx排放的影响 CO排放的影响 对HC排放的影响图10 不同替代率下预喷油量对常规排放物的影响Fig.10 Effect of different pilot quantity on NOx,CO and HC emissions at different MSR

4.1.2 预喷油量对非常规排放的影响

燃料不完全燃烧导致未燃甲醇(CH3OH)排放.图11(a)为中高负荷下不同替代率的预喷油量对CH3OH排放的影响.在平原低负荷条件下[24],随着预喷油量的增大,CH3OH排放在不同替代率下表现出不同趋势.预喷油量增大促进了主喷燃烧之前的缸温上升,低负荷下过大的预喷油量会引起滞燃期过短导致混合气不完全燃烧.低负荷M10-M30条件下,随预喷油量增加CH3OH排放呈现先增多后减少的趋势.

而在中高负荷条件下,缸内温度较高,大预喷油量预热影响减小.柴油火核更易引燃醇气混合气.预喷阶段参与燃烧的甲醇比例增大,缸内温度提高,高温促进了可燃混合气的化学活性,缸内燃料的化学反应动力学对燃烧控制作用明显增强,燃烧速率加快,甲醇充分燃烧[31],使得甲醇排放量随预喷油量的增加而减少.

甲醇的不完全燃烧生成甲醛(CH2O).图11(b)为中高负荷下不同替代率的预喷油量对CH2O排放的影响.2 000 m 中高负荷下甲醛排放随预喷油量变化趋势与平原低负荷[24]基本一致.纯柴油模式下基本不产生甲醛排放,随着甲醇喷射量增多,甲醛排放明显增加.预喷油量的增加有利于甲醛的减少.甲醛来源于甲醇的不完全氧化,主喷燃烧前温度提高使更多甲醇达到了着火条件,甲醇早期氧化生成了部分甲醛.甲醇持续燃烧造成的高温环境有利于甲醛进一步氧化,致使甲醛排放减少.

(a) 不同替代率下预喷油量对CH3OH排放的影响 (b) 不同替代率下预喷油量对CH2O排放的影响图11 不同替代率下预喷油量对非常规排放物的影响Fig.11 Effect of different pilot quantity on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

4.2 预喷正时对排放特性的影响

4.2.1 预喷正时对常规排放的影响

图12(a)为70%负荷下不同替代率的预喷正时对NOx排放的影响.2 000 m 中高负荷下甲醛排放随预喷油量变化趋势与平原低负荷[24]基本一致.NOx主要在高温富氧条件下生成,缸内高温燃烧持续时间影响NO生成.预喷正时提前导致缸内高温时间延长,促进了NOx生成.甲醇的加入使NOx大幅降低,甲醇高汽化潜热降低了缸内温度,冷却效应使缸内燃烧温度降低.预喷柴油引燃甲醇,甲醇迅速燃烧,减少了高温燃烧持续期.预喷正时为9°CA时,各替代率下NOx较原机正时15°CA时降低3.8%、6.39%、5.01%.

图12(b)为70%负荷下不同替代率的预喷正时对CO排放的影响.在平原低负荷下[24],预喷正时对CO排放影响较小.而在中高负荷下,CO排放随预喷正时提前呈现波浪形规律.改变预喷正时,缸内燃烧效果受到影响.甲醇在预喷阶段或主喷阶段燃烧都会生成CO,过晚预喷正时下燃料集中高温燃烧,燃烧持续期长,促使CO部分转化为CO2, CO排放减少.随预喷正时增大到12°CA,预喷预热变差,燃料不完全燃烧促使CO增加.当预喷正时处于15～18°CA时,燃料充分燃烧降低了CO排放.进一步增大预喷正时,预热效果变差,部分甲醇不完全燃烧导致CO排放增加.

RCCI燃烧HC排放高于纯柴油燃烧,随着甲醇替代率增加,HC排放增加.图12(c)为70%负荷下不同替代率的预喷正时对HC排放的影响.2 000 m-70%负荷HC排放变化趋势与平原低负荷工况[24]变化趋势有所不同.低负荷高替代率下增大预喷正时,HC降低.HC排放主要来源于燃料低温与高温氧化过程中未完全燃烧或燃烧结束后还未参与反应的燃料.

(a) 不同替代率下预喷正时对 (b) 不同替代率下预喷正时对 (c) 不同替代率下预喷正时对 NOx排放的影响 CO排放的影响 HC排放的影响图12 不同替代率下预喷正时对常规排放物的影响Fig.12 Effect of pilot injection timing on NOx,CO and HC emissions at different MSR

在 2 000 m-70%下,缸内高温促进了HC的氧化,柴油喷雾在燃烧室内滞留时间短,柴油扩散燃烧不会形成较多HC排放.HC主要生成于壁面附近及距离油束较远区域[31].甲醇汽化吸热造成缸温降低,壁面与狭缝处混合气难以着火,未燃燃料增多,HC排放增加.预喷正时过早或过晚,HC排放均有所上升.预喷提前角较大时,壁面与狭缝处混合气浓度增大,火焰在该区域淬熄[28],HC排放增加.预喷过晚预热效果较差,生成大量HC.

4.2.2 预喷正时对非常规排放的影响

图13 (a)为70%负荷下不同替代率的预喷正时对CH3OH排放的影响.在低负荷情况[24]下,不同替代率的CH3OH排放趋势随预喷正时变化不同.主要是由于滞燃期缩短,且缸温较低,导致部分未燃甲醇直接排放.在中高负荷下,缸内温度升高,未燃CH3OH减少.高海拔造成的燃油雾化效果变差使得未燃排放物受预喷影响程度增大.CH3OH排放随预喷正时增加呈现二次函数趋势,过早或过晚预喷均会造成预热效果变差,CH3OH排放增加.

随着甲醇替代率的增大,醇气混合气中甲醇浓度增加.甲醇在进气过程便已进入气缸,距油束过远燃烧区域与狭缝处未燃甲醇增多,未燃甲醇排放增加[31].

图13 (b)为70%负荷下不同替代率的预喷正时对CH2O排放的影响.甲醛排放规律与甲醇基本一致,70%负荷下排放规律与平原低负荷[24]不同.CH2O为HC燃料未完全燃烧的中间产物,甲醇与OH活性基团脱氢反应并氧化后生成CH2O.CH2O排放主要由两部分组成.第一部分为缸内燃烧过程中甲醇燃料的不完全氧化,较低的壁面温度和狭窄部分导致火焰传播过程中发生淬熄[28].淬熄部分甲醇无法燃烧而发生低温氧化,生成大量甲醛.剩余部分由废气中的甲醇于排气管中发生氧化.预喷过早或过晚都会导致CH2O排放增多.

(a) 不同替代率下预喷正时对CH3OH排放的影响 (b) 不同替代率下预喷正时对CH2O排放的影响 图13 不同替代率下预喷正时对非常规排放物的影响Fig.13 Effect of pilot injection timing on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

5 结 论

1) 在海拔 2 000 m、转速 1 800 r/min、70%负荷下,滞燃期、最大峰值压力、NOx和CO随预喷参数变化趋势虽然与平原低负荷工况一致,但在高海拔、高负荷条件下变化幅度更大,受预喷油量影响更明显.HC和CH3OH排放受负荷和缸温影响,排放趋势与平原低负荷不同,HC排放量因在高负荷条件下甲醇燃烧充分而不太受预喷油量的影响;CH3OH排放量在高负荷条件下,因缸内温度较高,随预喷油量的增加而减少.

2) 在 1 800 r/min、高负荷下,DMDF发动机滞燃期与预喷正时呈“ω”形关系,过早预喷和过晚预喷都会造成滞燃期延长.预喷正时对NOx排放有明显影响,在相同甲醇替代率时,随预喷正时增大,NOx排放分别增加了4.77%、4.56%、6.89%、7.05%.过早预喷,壁面与狭缝处混合气浓度增大导致HC增大.过晚预喷燃料预混程度差,燃料集中燃烧导致NOx增大,不完全燃烧致使HC、CO、CH3OH、CH2O增加.合理预喷正时可以降低NOx、HC排放.甲醇的加入大幅延长了滞燃期,提高了预喷正时的可控范围.

3) 预喷油量对滞燃期的影响大于预喷正时.在相同甲醇替代率时,随预喷正时增大,滞燃期分别缩短了55.84%、43.46%、35.58%、23.21%,NOx排放分别增加了4.76%、5.11%、6.74%、12.51%.预喷油量增大,甲醇混合气在主喷之前被大量引燃,预混燃烧比例减少,燃料高温燃烧生成大量NOx,CO、HC、CH3OH、CH2O等略微降低.过小的预喷油量对主喷起不到预热效果,造成燃烧恶化.通过控制预喷油量可以使滞燃期处于合理范围之内,促进主喷柴油与醇气混合气充分混合,提高缸内燃烧压力,同时减少NOx和HC排放.

4) 预喷策略改善了 2 000 m 海拔下主喷柴油与甲醇燃烧前的着火环境,减少了NOx、CO、CH3OH和CH2O排放.通过预喷策略与甲醇替代率的协调控制可以减少高海拔下的滞燃期延长,降低燃烧压力,进而改善DMDF发动机的高原性能,达到减排的效果.