甲醇裂解器起燃特性的试验研究

吴亚兰，杨永广，程勇

（1.山东建筑大学机电学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250014；4.德尔福（上海）动力推进系统有限公司，上海200131）

甲醇裂解器起燃特性的试验研究

吴亚兰1，2，杨永广3，程勇4

（1.山东建筑大学机电学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250014；4.德尔福（上海）动力推进系统有限公司，上海200131）

甲醇作为发动机替代燃料，以液态形式直接应用会腐蚀发动机。利用排气余热将甲醇裂解后燃烧，可有效缓解纯甲醇发动机冷起动困难的情况。文章通过台架试验，对甲醇裂解器的起燃过程进行了研究，分析了环境温度和发动机起动后负荷加载情况对裂解器起燃时间的影响。结果表明:环境温度的提高、发动机转速和负荷的增加以及点火提前角的推迟会有效缩短甲醇裂解器的起燃时间；模拟道路工况下，随着排气管及裂解器处的气流运动加剧，导致其散热速率加快，裂解器温度上升缓慢，甲醇裂解率受裂解器入口温度的影响较大。

发动机；甲醇裂解器；起燃特性

0 引言

随着我国石油进口依赖度的增加以及大气污染问题的加剧，人们亟需寻找发动机的替代燃料。甲醇来源广泛，可由煤炭、天然气、海藻等含碳资源生产而来。甲醇是含氧燃料，可在缸内燃烧充分，并且汽化潜热较大，可降低缸内温度，有效降低CO浓度以及排放量。因此研究开发以甲醇为燃料的发动机具有重要意义［1-4］。

液态甲醇对发动机气缸以及供油系统具有腐蚀性，并对输油橡胶管路具有溶胀作用，甲醇汽化潜热是汽油的3.7倍，甲醇机冷起动困难，并且会产生高温气阻。因此，液态甲醇直接应用于内燃机仍存在一些问题。利用发动机排气余热将甲醇裂解，将液态甲醇转化成CO和H2，避免了液态甲醇对内燃机有关部件的腐蚀性，因此，对甲醇裂解气发动机的研究越来越受到关注［5-7］。甲醇吸收废气余热进行汽化、裂解过程中吸收的热量相当于液态甲醇低热值的21%，即甲醇裂解气的低热值较液体甲醇提高了21%左右［8］。

对进气道喷射式汽油机，可将裂解气送入进气管，在进气过程中随空气进入发动机参与燃烧。在发动机刚起动时，尤其是气温低时，甲醇裂解器温度较低，裂解器不能提供足够的能量使甲醇蒸发、裂解。自发动机起动至裂解器能正常工作这段时间称为起燃时间。相同的裂解器的起燃时间受环境温度以及发动机工况的影响。文章通过台架试验，测定和分析了环境温度和发动机起动后负荷加载情况对裂解器起燃时间的影响［9-10］。

1 裂解器结构及试验台架

甲醇裂解器分为蒸发器和反应器两部分，其结构如图1所示。蒸发器中换热器采用翅片管，反应器中采用普通管壳式换热器，在管内放置四川中自尾气净化有限公司提供的钯系催化剂。以耐高温蜂窝体为载体，钯负载量为2 g／L。裂解器采用逆向换热，液体甲醇从排气流向的下游方向喷入蒸发器的翅片管内加热，液态甲醇在蒸发器中蒸发，随后进入反应器，在高温以及催化剂的作用下裂解为CO和H2，产生的裂解气从排气上游方向流出。

图1 甲醇裂解结构示意图

发动机试验台架布置，主要包括湘仪电涡流测功机及控制系统、东风EQ491i汽油机、ECU标定软件Pchud，自行开发的稳态数据采集系统、缸压采集测试系统、甲醇喷射控制系统，以及高浓度在线H2检测仪排放分析仪和相关的传感器。

试验中，发动机通过汽油起动，利用热电偶和自行开发的温度采集系统，记录发动机排气温度和裂解器入口、出口温度，以及裂解器内部催化剂附近的温度（裂解器温度），研究裂解器起燃特性。待甲醇裂解器达到甲醇裂解所需要的温度后，通过喷嘴将液态甲醇喷入，逐渐增加甲醇的喷射量、降低汽油的喷射量最终切换为纯甲醇裂解气工作模式。

文章讨论的环境温度均取自试验时实验室自然环境温度，启动时尽量保证控制模式一致。

2 裂解器起燃特性测试分析

甲醇裂解器的起燃定义为裂解器能够提供足够的热量，使甲醇蒸发、并开始裂解，产生CO和H2。裂解器起燃时间为发动机起动到甲醇裂解器达到裂解所需温度的过程。

发动机采用汽油起动，固定节气门开度及发动机转速，监测裂解器温度，并在裂解器不同温度阶段向裂解器喷入甲醇。试验结果表明，裂解器温度未达到起燃温度时，甲醇在裂解器中无H2产生，相同转速下，发动机的扭矩、不发生明显变化，表明甲醇未发生裂解。而当裂解器温度升到280℃时，喷入甲醇后裂解器管路中H2浓度达到35%，转速不变的情况下，发动机输出扭矩开始逐渐增加，是因为此时甲醇发生了裂解并且进入气缸参与了燃烧。当裂解器温度达到300℃时，增加甲醇后，甲醇裂解器管路中氢气体积浓度达到45%左右，发动机的响应速度明显加快，这是因为有H2进入气缸参与燃烧所致，因此将该裂解器的起燃温度确定为300℃。

发动机冷起动时，裂解器从环境温度升到300℃所需时间是表征裂解器性能的一个重要参数。在发动机及甲醇裂解器一定的情况下，起燃时间取决于环境温度和发动机启动及随后的运转工况等。

2.1 环境温度对起燃时间的影响

在不同的环境温度下，按照相同的起动、加载模式控制发动机工作。测量发动机排气温度、裂解器入口温度以及裂解器催化剂部分的温度变化。测量结果如图2所示，为试验过程中发动机起动、加载模式图如图2（a）所示，发动机启动后，由怠速调节至1500 r／min、30 N·m，并稳定。发动机起动后，甲醇裂解器入口的温度受环境温度影响的变化曲线图如图2（b）所示，裂解器的起燃时间受环境温度的影响如图2（c）所示。

随着环境温度的升高，发动机热机时间降低、排气管散热量减少的影响，起燃时间逐渐缩短。在固定的起动、热机情况下，环境温度每降低1℃，需要延长28 s。

图2 冷起动时环境温度对起燃时间影响

2.2 负荷加载情况对起燃时间的影响

环境温度为10℃时，发动机启动后分别控制在怠速850 r／min，在转遇为1300 r／min其因扭距分别为20 N·m、35 N·m、40 N·m工况下运行，测量记录发动机排温和甲醇裂解器入口温度等参数随时间的变化如图3所示，其中图3（a）为发动机排气温度随时间的变化曲线，图3（b）为甲醇裂解器入口温度随时间的变化曲线。

由图3可知，在环境温度较低的情况下，以怠速工况进行热机，由于散热量较大，废气产生的余热在短时间内无法达到起燃温度。发动机在1300 r／min、20 N·m的工况下甲醇裂解器达到起燃温度需要15min左右。相比怠速工况，随着发动机负荷的增加，裂解器起燃时间明显缩短。

图3 负荷加载模式对起燃时间的影响图

为了尽快达到裂解器的起燃温度，在环境温度一定的情况下，适当提高发动机的负荷和转速有利于缩短裂解器的起燃时间。适当推迟点火提前角，可以提高排气温度，也有利于加快裂解器的起燃。试验结果表明，发动机起动后，如果将发动机转速提高至1800 r／min、扭矩为40 N·m左右，如图4（a）所示，同时将点火提前角相比原机推迟5℃A（A为曲柄转角），甲醇裂解器起燃时间即可缩短至148 s，如图4（b）所示。

图4 甲醇裂解器快速起燃曲线图

2.3 模拟道路工况下的起燃时间

当环境温度较低时，由于排气管及裂解器散热量增加，裂解器起燃时间延长。裂解器实车工作时，存在空气对裂解器的强制冷却，也势必影响裂解器的起燃特性。通过变频风机，对车辆在道路工况下，甲醇裂解器入口温度受风速的影响进行了模拟。试验中，采用北京检测仪器有限公司ZRQF—F30J型智能热球式风速计测量风速，将冷却风机风速调节为50 km／h。试验时环境温度为15℃，发动机排气管及甲醇裂解器未采取保温措施。参照图3所示加载模式，启动后，发动机分别保持怠速、怠速迅速调节至1300 r／min、20 N·m及1300 r／min、40 N·m，测量对比了模拟道路工况和正常台架试验工况时裂解器达到起燃温度的时间，在未对甲醇裂解器采取保温措施时，道路模拟与台架试验起燃时间的对比曲线图如图6所示。由于在道路工况下，排气管以及甲醇裂解器的散热量较大，三种工况下都无法达到起燃温度。因此，在实际应用中，需要对发动机排气管以及甲醇裂解器进行较好的保温处理，减少热量的散失，缩短起燃时间。另外，点火提前角的推迟会有利于起燃时间的缩短。

2.4 不同裂解器的入口温度时的裂解率

甲醇裂解器实车运行时，由于裂解器散热情况不同，会导致裂解器工作温度不同，进而影响裂解器裂解率。通过调节风机风速，改变甲醇裂解器的入口温度，测量甲醇裂解率。通过改变变频风机的风速来监测试验所需的不同甲醇裂解器入口温度。实时监测不同裂解器温度下H2的体积浓度并收集裂解后的甲醇裂解气进行分析，得出甲醇裂解率，甲醇裂解率随入口温度变化规律如图6所示。

图5 道路模拟与台架试验起燃时间对比图

图6 甲醇裂解率随入口温度变化规律图

钯系催化剂具有较宽的温度活性范围，耐高温并具有热稳定性。由图6可知，甲醇裂解率受裂解器温度的影响。随着甲醇裂解器入口温度从450℃增加到600℃，甲醇裂解率由50%增加到80%。甲醇裂解率越高，混合气中CO和H2的含量就越高，越有利于发动机的燃烧，对于发动机经济性和排放特性有明显的增强。

3 结论

通过本研究可知:

（1）随着环境温度的降低，发动机热机时间加长，排气管以及甲醇裂解器的散热量增加，甲醇裂解器的起燃时间增加。增加热机过程中发动机的转速和负荷，以及适当推迟点火提前角，都可以降低甲醇裂解器的起燃时间。

（2）模拟道路工况表明，随着排气管及裂解器处的气流运动加剧，导致其散热速度加快，裂解器温度上升缓慢。随着裂解器温度入口的升高，甲醇裂解率逐渐升高。实际应用中可采取措施尽量提高裂解器入口温度。

［1］ 单卫国.中国石油报告2013［R］.北京:中石油集团经济技术研究院，2013.

［2］ 蒋德明，黄佐华.内燃机替代燃料燃烧学［M］.西安:西安交通大学出版社，2007.

［3］ 林在犁，巫波，刘清泉.本世纪我国内燃机燃料的发展分析［J］.内燃机，2009，12（6）:1-5.

［4］ 赵勇强.车用替代燃料发展状况与前景［J］.中国能源，2009，4（4）:33-36.

［5］ 孙立兵.具有能源战略意义的甲醇—车用替代燃料及其生产［J］.化工管理，2008（4）:59-61.

［6］ 姚春德，徐元利等.一种高效清洁燃烧纯甲醇燃料的新方法探索［J］.天津大学学报，2008，41（10）:1196-1201.

［7］ 纪常伟，邓福山等.内燃机余热甲醇催化重整制氢装置设计及实验研究［J］.北京工业大学学报，2009，35（6）:815-819.

［8］ Finegold J.G..Reformed methanol vehicle system considerations［C］.Proceedings of the 18th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Orlando，Florida，USA，1983.

［9］ 杨永广.甲醇裂解气发动机的试验研究［D］.济南:山东大学，2011.

［10］王进.纯甲醇裂解气发动机试验研究［D］.济南:山东大学，2013.

（责任编辑：吴芹）

Study on the light-off characteristics ofmethanol reformer

Wu Yalan1，2，Yang Yongguang3，Cheng Yong4

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.School of Energy＆Power Engineering，Shandong University，Jinan 250014，China；4.Delphi（Shanghai）Dynamics＆Propulsion Systems Co.，Ltd.，Shanghai200131，China）

As an alternative fuel，methanol directly applied in liquid form will corrode engine.Using exhaust heat to methanol cracking after burning，can effectively alleviate the problem of cold start behavior ofmethanol.This paper focuses on the light-off characteristics ofmethanol reformer and its influencing factors in engine's cold starting.The testing results show that the light-off time significantly increases when engine block and exhaust pipe are at lower temperature.The light-off process can be speeded up by raising engine's load and speed after starting as well as reduce spark advance.Road simulation results indicate that the reformer temperature rising speed would be reduced for heat dissipating caused by airmotion intensification.Methanol reforming is affected by the temperature of methanol reformer，and it is necessary to cover the exhaust pipe and the reformer system with heat insulation materials in real application.

engine；methanol reformer；light-off characteristics

TK418.9

A

1673-7644（2014）06-0525-05

2014-06-06

吴亚兰（1964-），女，副教授，硕士，主要从事汽车设计研究等方面的研究.E-mail:WYLCZF＠126.com