甲醇替代率對雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒及其循環(huán)變動(dòng)的影響

孫滔，陶文輝，盧康博，石磊，喬信起

（上海交通大學(xué)動(dòng)力機械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200240）

中國在2021年政府工作報告中指出了實(shí)現“碳中和”目標的保障措施，其中綠色能源的應用成為新的經(jīng)濟增長(cháng)與社會(huì )發(fā)展的主線(xiàn)。在眾多替代燃料中，甲醇的制備具有成熟的設備基礎和堅實(shí)的產(chǎn)能保證［1-2］，更適應中國能源分布現狀［3］，被作為柴油機重點(diǎn)研究推廣的清潔替代燃料。

在甲醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機的研究中，缸內燃燒控制是其中重要的研究方向。文獻［4-6］中提出柴油/甲醇二元燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）燃燒模式，并在4缸柴油機上進(jìn)行了雙燃料燃燒與排放研究。在DMDF模式下，甲醇可降低進(jìn)氣溫度和缸內平均溫度［7］，從而改善缸內燃燒。文獻［8］中通過(guò)調整噴油時(shí)刻和排氣背壓并結合廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）技術(shù)，拓展了高負荷下的甲醇替代率。甲醇的增加使得缸內含氧量增加，同時(shí)降低缸內溫度，減少熱量損失，從而提高了指示熱效率［9］，文獻［10］中研究發(fā)現特定條件下甲醇替代率的增加也使指示熱效率降低。在排放方面，甲醇作為含氧燃料能夠增加缸內含氧量，從而降低顆粒物（particulate matter，PM）的排放［11］。甲醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機NOx排放研究有不同的結論：文獻［12］中研究得出甲醇的增加使得排氣溫度增加，NOx排放增加；
文獻［13］中研究得出甲醇的增加使得進(jìn)氣溫度降低，從而降低NOx的排放。燃燒循環(huán)變動(dòng)也是柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機研究的重要方面，隨著(zhù)循環(huán)變動(dòng)的加劇，燃燒不正常甚至失火的循環(huán)數逐漸增多，碳氫不完全燃燒產(chǎn)物增多，動(dòng)力性、經(jīng)濟性下降［14］。文獻［15］中研究了摻混比、負荷率和轉速對循環(huán)變動(dòng)的影響。隨著(zhù)甲醇替代率的增加，循環(huán)變動(dòng)增加。負荷率增大或轉速升高時(shí)，循環(huán)變動(dòng)減小。提高甲醇替代率使發(fā)動(dòng)機各缸不均勻度增加，增加轉速有助于減小各缸不均勻度［16］。文獻［17］中在一臺4缸柴油機上進(jìn)行研究發(fā)現，在低負荷下發(fā)動(dòng)機的不均勻度對甲醇替代率的敏感性更高。文獻［18］中在點(diǎn)火式甲醇發(fā)動(dòng)機上研究稀釋氣CO2和N2對循環(huán)變動(dòng)的影響，結果表明隨著(zhù)CO2和N2比例的增加，燃燒循環(huán)變動(dòng)增加。

通過(guò)文獻分析可以看出，國內外對柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒開(kāi)展了一定研究，表明甲醇替代率對發(fā)動(dòng)機燃燒、排放的影響復雜。本文中針對不同工況開(kāi)展甲醇替代率對燃燒、排放及循環(huán)變動(dòng)的影響規律進(jìn)行了全面研究，為甲醇在柴油機上的應用提供了參考。

1.1 試驗臺架

以一臺四沖程高壓共軌單缸機為試驗對象開(kāi)展研究，試驗臺架裝置如圖1所示，具體參數如表1所示。單缸機采用兩套噴射系統，其中甲醇為進(jìn)氣道噴射，柴油為缸內直噴。

圖1 甲醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機試驗系統示意圖

表1 發(fā)動(dòng)機參數

柴油噴射采用博世CR3高壓共軌燃油噴射系統，基于NIcRIO-9012模塊自主編寫(xiě)了噴油控制程序，實(shí)現了噴油次數、噴油正時(shí)、噴油脈寬及噴射壓力的精準控制。

加裝的甲醇噴射系統包括油箱、湘儀FC2210Z油耗儀、燃油泵、甲醇噴射器等裝置。甲醇噴射器噴孔直徑為0.39 mm，噴孔數目為4。甲醇噴射器驅動(dòng)選用了美國國家儀器有限公司的NI-9474數字輸出模塊，實(shí)現甲醇噴射時(shí)刻與噴射脈寬控制。

1.2 試驗方法

選取1 500 r/min和1 100 r/min兩種發(fā)動(dòng)機轉速不同負荷工況點(diǎn)開(kāi)展試驗，試驗工況如表2所示。試驗采用固定噴射時(shí)刻調整兩種燃料噴射脈寬的方式。柴油和甲醇燃料的噴射時(shí)刻分別為上止點(diǎn)前14°和310°，通過(guò)增加甲醇的噴射脈寬同時(shí)降低柴油噴射脈寬保持指示平均壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）恒定，進(jìn)行不同工況下?lián)交毂壤龑θ紵匦缘挠绊懸幝裳芯?。本文中上止點(diǎn)前曲軸轉角記為負值，上止點(diǎn)后曲軸轉角記為正值。

表2 試驗工況

試驗中，甲醇替代率Rm由式（1）計算。

式中，Gd為原機柴油消耗率，kg/h；
GDm為加入甲醇后柴油消耗率，kg/h。

燃燒穩定性采用最高燃燒壓力pmax的循環(huán)變動(dòng)率δp進(jìn)行評價(jià)，其計算公式見(jiàn)式（2）。

式中，σp為pmax的標準偏差為pmax的平均值。

2.1 甲醇替代率對燃燒與排放的影響

首先開(kāi)展了甲醇替代率對氣缸壓力和瞬時(shí)放熱率的影響研究，如圖2所示。隨甲醇替代率的增加，缸內壓縮沖程初始壓力降低，著(zhù)火時(shí)刻推遲。這是由于甲醇具有較大的汽化潛熱，噴入進(jìn)氣道后蒸發(fā)吸熱，從而降低了缸內初始溫度與壓力；
并且反應過(guò)程中甲醇將高活性的OH自由基轉化為不活躍的H2O2，抑制了OH的增殖，使得著(zhù)火時(shí)刻推遲［19］。當甲醇替代率從0%增加至32.9%時(shí)，放熱速率曲線(xiàn)雙峰現象逐漸消失，放熱速率峰值增加1倍，最高燃燒壓力增加5.4%。這是由于滯燃期的增加使燃料預混燃燒比例增加，擴散燃燒的比例減少，從而放熱雙峰現象逐漸消失；
同時(shí)甲醇火焰傳播速度快的特性使混合燃料燃燒放熱速率加快，放熱速率峰值增加，最高燃燒壓力增加。

圖2 不同甲醇替代率下曲軸轉角對缸壓和放熱率的影響（1 100 r/min，IMEP為0.7 MPa）

燃燒相位隨甲醇替代率的變化趨勢如圖3所示。圖中著(zhù)火延遲時(shí)間為噴油時(shí)刻到著(zhù)火時(shí)刻的曲軸轉角間隔，體現燃料的燃燒反應活性；
燃燒持續期為燃燒終點(diǎn)與燃燒始點(diǎn)的曲軸轉角間隔，體現燃料的燃燒速率；
CA50為燃燒累計放熱50%的時(shí)刻，體現燃燒過(guò)程的重心位置。隨著(zhù)甲醇替代率的增加，著(zhù)火延遲時(shí)間增加，燃燒持續期縮短，CA50提前。這是因為隨著(zhù)甲醇替代率的增加，甲醇蒸發(fā)吸熱引起的缸內降溫效果顯著(zhù)，并且甲醇抑制了高活性OH的增殖，推遲了著(zhù)火時(shí)刻，造成著(zhù)火延遲時(shí)間增加，同時(shí)也造成了缸內燃料預混比例的增加，并且甲醇燃燒速度快造成燃燒速率增加，燃燒持續期縮短，CA50提前。在高轉速下，燃料燃燒相同時(shí)間對應的曲軸轉角更多，因此高轉速的CA50位置相較于低轉速更靠后。

圖3 不同轉速下甲醇替代率對燃燒相位參數的影響（IMEP為0.7 MPa）

甲醇替代率對最大壓力升高率的影響規律如圖4所示。在不同工況下，最大壓力升高率均隨甲醇替代率的增加而增加。這是由于甲醇替代率的增加造成滯燃期增加，滯燃期內形成的燃油-空氣混合氣更加均勻，燃料預混燃燒比例增加，同時(shí)甲醇燃燒速度快的特點(diǎn)使著(zhù)火后燃燒更迅速，因此最大壓力升高率增加。

圖4 不同轉速下甲醇替代率對最大壓升率的影響

指示熱效率隨甲醇替代率的變化規律如圖5所示。在1 100 r/min轉速下，隨著(zhù)甲醇替代率的增加，指示熱效率呈現逐漸降低的趨勢，低負荷時(shí)降幅更大。這是由于低速低負荷工況下進(jìn)氣流速低，且缸內溫度低，使缸內燃油噴霧蒸發(fā)變差，同時(shí)甲醇的增加使得CA50提前，偏離高效率區，因此指示熱效率降低。在1 500 r/min轉速下，隨著(zhù)甲醇替代率的增加，指示熱效率相較于低轉速降幅減小，在IMEP為0.8 MPa的高負荷工況下指示熱效率略有上升。這是由于在高速高負荷下，進(jìn)氣流速增加有利于甲醇蒸發(fā)吸熱，缸內進(jìn)氣溫度降低，使得進(jìn)氣密度升高，從而提高進(jìn)氣量，改善缸內燃燒，同時(shí)結合圖3可知在高轉速下CA50更接近高效率區域，因此高速高負荷下指示熱效率隨甲醇替代率的增加而增加。由此可知，在高速高負荷下，可適當提高甲醇替代率來(lái)提高柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性。

圖5 不同轉速下甲醇替代率對指示熱效率的影響

圖6為不同工況下甲醇替代率對NOx與PM排放的影響。如圖6所示，不同工況下甲醇替代率對排放的影響不同。在低速低負荷工況，隨著(zhù)甲醇替代率的增加，NOx與PM排放整體變化不大，這主要是由于低速低負荷工況缸內過(guò)量空氣系數大，缸內富氧，因此甲醇的影響效果不明顯。但在高負荷工況，由于缸內過(guò)量空氣系數低，甲醇增加對排放的影響較為顯著(zhù)。在低速低負荷工況，NOx排放呈先略有增加后降低的趨勢，PM排放則呈現先降低后略有增加的趨勢。這是由于甲醇替代率的增加使得缸內混合氣的含氧量增加，有利于NOx的生成；
同時(shí)由于甲醇的汽化潛熱較高，甲醇的增加使得缸內溫度降低，從而抑制了NOx的生成。多種因素的耦合作用在不同甲醇替代率下有所不同。在甲醇替代率較低時(shí)，含氧量增加作用顯著(zhù)，導致NOx排放略有升高；
隨著(zhù)甲醇進(jìn)一步增加，甲醇蒸發(fā)致使進(jìn)氣溫度降低的因素占主導地位，使得NOx排放降低。對于PM排放，甲醇替代率的增加提高了缸內含氧量，使PM排放降低；
在甲醇替代率較高時(shí)，進(jìn)氣溫度的降低使得缸內燃油蒸發(fā)不完全，因此PM的生成有所升高。在高速高負荷下，隨甲醇替代率從0%增加至26.0%，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。這是由于在高負荷下缸內溫度高，并且甲醇的增加使得缸內含氧量增加，導致NOx排放增加。含氧量的增加使得缸內燃燒更加完全，因此PM排放隨甲醇替代率的增加呈下降的趨勢。

圖6 不同工況下甲醇替代率對排放的影響

2.2 甲醇替代率對循環(huán)變動(dòng)的影響

甲醇替代率對雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響規律如圖7所示，在不同工況下δp均隨甲醇替代率的增加而增加。在低速低負荷工況δp變化最為明顯，從3.5%增加至6.0%。在高負荷工況，δp增加僅為1.1%。這是由于甲醇含量的增加使得缸內溫度降低，混合燃料的著(zhù)火延遲時(shí)間增加，引起油氣混合程度波動(dòng)，尤其在低負荷工況，造成燃燒初期不穩定性增加，導致峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)率增加。

圖7 不同工況下δp隨甲醇替代率的變化

不同負荷下對比發(fā)現，同一轉速時(shí)，隨著(zhù)負荷的增加，循環(huán)變動(dòng)率變小。這是由于隨著(zhù)負荷的增加，缸內溫度變高，使得燃料蒸發(fā)混合更加均勻，燃燒更加穩定。另一方面，隨著(zhù)負荷的增加，噴油量逐漸提高，缸內混合氣濃度提高，過(guò)量空氣系數減小，混合氣更易燃燒，燃燒狀況變好，使得循環(huán)變動(dòng)率減小。

2.3 甲醇替代率對峰值壓力位置分布影響

甲醇替代率對峰值壓力位置的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著(zhù)甲醇替代率的增加，峰值壓力位置分布趨于分散。這是由于隨甲醇替代率的增加，甲醇的高汽化潛熱使得缸內溫度降低，燃燒的滯燃期延長(cháng)，燃燒不穩定性增加，因此峰值壓力的分布趨于分散。峰值壓力出現的時(shí)刻逐漸提前，低速低負荷下正態(tài)分布曲線(xiàn)的對稱(chēng)軸從2.0°逐漸提前至0°，高速高負荷下正態(tài)分布曲線(xiàn)的對稱(chēng)軸從7.6°逐漸提前至6.0°。隨著(zhù)燃料中甲醇替代率的增加，由于甲醇揮發(fā)性高，混合氣混合更加均勻，著(zhù)火后燃燒更加迅速，CA50提前，因此峰值壓力出現的時(shí)刻逐漸提前。低速低負荷下峰值壓力對應曲軸轉角的分散程度更大，這是由于低速低負荷下缸內溫度較低，燃料蒸發(fā)混合不均勻，燃燒不穩定性增加，使得峰值壓力對應曲軸轉角的分散程度較大。轉速由1 100 r/min提高到1 500 r/min后，峰值壓力對應曲軸轉角趨于集中，正態(tài)分布曲線(xiàn)形態(tài)由扁平變成高聳，說(shuō)明燃燒更加穩定。這是由于轉速的升高使得缸內氣流運動(dòng)增強，燃料混合更加充分，燃燒環(huán)境得到改善，燃燒穩定性增強，峰值壓力的分布趨于集中。

圖8 不同工況下峰值壓力對應曲軸轉角隨甲醇替代率的變化

（1）不同工況下，甲醇替代率對柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機燃燒、排放及其循環(huán)變動(dòng)的影響規律的研究表明：隨著(zhù)甲醇替代率的增加，缸內著(zhù)火延遲時(shí)間增加，預混燃燒比例增加，燃燒持續期降低，最高燃燒壓力增加，最大壓力升高率增加，CA50提前。甲醇替代率對低轉速工況指示熱效率影響較大，指示熱效率隨甲醇替代率增加而降低。

（2）不同工況下，甲醇替代率對NOx和PM排放影響不同。在低速低負荷下，甲醇比例增加對NOx和PM排放影響較小。在高速高負荷工況下，甲醇對排放的影響較為顯著(zhù)，當甲醇替代率從0%增加至26.0%時(shí)，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。

（3）在不同工況下，最高燃燒壓力的循環(huán)變動(dòng)率δp均隨著(zhù)甲醇替代率的增加而增加。隨著(zhù)負荷的增加，過(guò)量空氣系數減小，δp變小。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的增加，δp增大。隨著(zhù)甲醇替代率的增加，峰值壓力對應曲軸轉角的分布更加分散。