柴油机进气预混甲醇燃烧特性的试验研究

杜家益，陆永佳，张伟勋，张登攀，袁银男，徐 毅

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2. 南通大学 机械与工程学院，江苏 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技术中心，江苏 常州 213002)



柴油机进气预混甲醇燃烧特性的试验研究

杜家益1，陆永佳1，张伟勋1，张登攀1，袁银男2，徐 毅3

(1. 江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2. 南通大学 机械与工程学院，江苏 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技术中心，江苏 常州 213002)

对一台涡轮增压柴油机进行了改造，实现了柴油机进气预混甲醇双燃料燃烧。利用MATLAB软件编写了基于实测气缸压力的双燃料发动机放热规律计算程序，并对柴油机进气预混甲醇进行了试验研究。结果表明：在低转速全负荷和高转速中低负荷时，随着甲醇掺烧比的增加，柴油滞燃期延长，预混燃烧比例增大，放热率峰值增高，燃烧持续期缩短；在高转速大负荷时，较大的甲醇掺烧比会造成放热始点的大幅提前，放热率呈现多个峰值，出现了压力波动；适当推迟供油可以推迟放热始点并降低放热率峰值和最大压力升高率。

车辆工程；柴油机；甲醇；放热规律；燃烧特性

近年来，随着节能减排要求的日益严格，发动机清洁代用燃料研究得到重视。与其他代用燃料相比，甲醇具有来源丰富、成本低、排放低等优点[1]。将甲醇作为代用燃料是解决我国石油资源短缺的一条有效途径。为了实现甲醇在柴油机上的燃烧，可采用的方法主要有乳化法、助燃法、直接压燃法、柴油引燃法等[2-5]。

与柴油相比，甲醇汽化潜热大，十六烷值低，燃烧速度快[6]，掺烧甲醇后柴油机燃烧过程有很大改变，因此有必要对甲醇/柴油双燃料发动机的燃烧特性进行分析。目前针对甲醇/柴油双燃料发动机放热规律的计算大多采用通用的柴油机计算程序，不能准确反映甲醇/柴油双燃料燃烧的放热规律。因此，笔者针对柴油引燃进气预混甲醇的燃烧方式，编写了能反映其放热规律的计算程序，分析了进气预混甲醇柴油机的燃烧特性，为甲醇在柴油机上的应用提供了指导意义。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

笔者采用进气预混甲醇的掺烧方式[7]，对常柴4B26涡轮增压柴油机进行了改造，在进气歧管靠近进气门处安装4个甲醇喷嘴，增设甲醇供给系统。发动机进气道的改造见图1。柴油机主要参数如表1，试验台架布置如图2。

图1 发动机进气道的改造

表1 4B26柴油机性能参数

图2 台架布置结构示意

试验用仪器主要有：AVL INDIMODUL XTENSION燃烧分析仪，上海同圆TOCEIL气体流量计，杭州奕科的HAM03醇耗仪。

1.2 试验方法

通过上位机的标定软件，调整喷射脉宽控制甲醇喷射量，柴油供给仍采用原柴油机供油系统，发动机的运行状态和引燃柴油量由台架控制柜和柴油机全程调速器自动控制，试验采用10 °CA静态供油提前角。甲醇掺烧比φM由式(1)确定：

(1)

式中：BM为甲醇小时耗油量，kg/h；BD为柴油小时耗油量，kg/h。

2 放热规律的计算及对比

计算过程对缸内热力学系统进行了以下的简化与假设：缸内工质为理想气体，不计漏气损失，缸内气体温度、压力、各物质浓度在缸内均匀分布，忽略中间化学反应。

根据热力学第一定律，可得：

(2)

式中：Qb为瞬时放热量，kJ；P为缸压，MPa；V为气缸瞬时工作容积，m3；U为缸内工质总内能，kJ；φ为曲轴转角，°CA；Qw为缸内工质与燃烧室壁面的传热量，kJ。

选用朱方君传热公式[8]进行计算，规定其中工质对燃烧空间壁面传热为正，壁面对工质传热为负。

将缸内工质各组分物质的量Mi的计算分为燃烧开始之前和燃烧开始后两个阶段。燃烧开始前的工质包括残余废气、新鲜空气和甲醇蒸气等3部分，i分别表示水蒸气、CO2、N2、O2和甲醇蒸气。废气中各成分物质的量由残余废气系数、充气量和废气中各成分比例算得。

燃烧过程中新生成的水蒸气物质的量(kmol)：

(3)

式中：x为累计放热百分比；gf1，gf2分别为柴油和甲醇的循环喷油量，kg；H1，H2分别是柴油和甲醇中H元素的质量分数，分别取0.126和0.125。

燃烧过程新生成的CO2物质的量(kmol)：

(4)

式中：C1，C2分别为柴油和甲醇中C元素的质量分数。

燃烧过程消耗的O2物质的量(kmol)：

(5)

式中：O1，O2分别为柴油和甲醇中O元素的质量分数。

燃烧过程中消耗的甲醇的物质的量(kmol)：

(6)

根据以上方程可以计算出瞬时缸内工质各成分的物质的量Mi，而瞬时缸内工质内能增量可由式(7)计算：

(7)

式中：cvi为缸内工质各组分瞬时定容摩尔热容，可以看作是温度的函数，J/(mol·K)；T为瞬时缸内工质平均温度，由理想气体状态方程算得，K。

累计放热率可用式(8)求得：

(8)

式中：Hu1，Hu2分别为柴油和甲醇的低热值，J/g。

结合上述微分方程，利用MATLAB编写了甲醇/柴油双燃料燃烧放热规律计算程序。把示功图、甲醇和柴油各自油耗、进气量作为输入量，用式(8)作为收敛条件，对式(2)～式(7)进行迭代计算，即可得到甲醇/柴油双燃料燃烧的放热规律。

由图3可以看出，与传统算法相比，改进后算法计算所得甲醇/柴油双燃料放热率峰值增大，放热始点稍微推迟。另外，两种方法对温度的计算表明：与传统算法相比，改进后计算方法算得燃烧前缸内温度稍低，燃烧前期温度基本一致，燃烧后期和最高燃烧温度都较低。改进后计算结果更符合甲醇十六烷值低、燃烧火焰传播速度快和汽化潜热大的特点[6]。出现上述情况是由于在同样的工况下，甲醇/柴油双燃料工作时缸内工质的摩尔数比纯柴油时要大，燃烧产物组成和比热容也发生了变化，这些在柴油机模型中并没有考虑到，产生了误差。

图3 放热规律计算结果的比较

3 试验结果及分析

3.1 低转速工况

图4为转速在1 600 r/min，平均有效压力分别为0.284，0.601 2 MPa时甲醇掺烧比对放热规律的影响。

图4 1 600 r/min时双燃料发动机的放热规律

掺烧甲醇后放热始点推迟，滞燃期延长，随着甲醇掺烧比的增加滞燃期进一步延长。这是由于甲醇汽化潜热较大，降低了燃烧前缸内温度[9-10]，甲醇十六烷值小，难以自燃(自燃温度为470 ℃)。随着甲醇掺烧比的增加，放热率峰值升高，这是因为一方面滞燃期的延长造成在滞燃期内形成的预混燃料增多，预混燃烧期燃烧速度加快；另一方面燃烧前甲醇已经形成了均匀混合气，被柴油引燃后，甲醇的燃烧速度远远快于柴油。

甲醇掺烧比较低时(低于45%)，放热率曲线有一个明显的拐点，这是扩散燃烧期放热的一个波动点，掺烧甲醇后，扩散燃烧期有所延后。这是因为滞燃期延长，预混燃烧期参与燃烧的燃料量增多，扩散燃烧期放出的热量所占比例减少。预混燃烧放热比例的增大使得放热率曲线的面心更靠近上止点，提高了发动机热效率。随着甲醇掺烧比的进一步增加〔如图4(b)中的φM=50%，φM=55%〕，扩散燃烧的比例进一步减小，拐点不明显。另外，虽然随着甲醇掺烧比的增加，放热基本结束在同样的曲轴转角，燃烧持续期缩短，这是因为甲醇含氧量高(50%)，具有自供氧效应，加快了扩散燃烧期的燃烧速度。

图5为在1 800 r/min，Pme=0.751 MPa时供油提前角对甲醇/柴油双燃料模式缸内压力和压力升高率以及放热规律的影响。

图5 供油提前角的影响

由图5可以看出，与10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角为12 °CA BTDC时放热始点和放热率峰值对应的曲轴转角提前，燃烧持续期变化不大，放热率峰值较大，缸内最大压力和最大压力升高率较高。这是因为供油较早时，引燃柴油喷入气缸的时刻提前，较早的引燃了甲醇/空气混合气，但由于喷油时缸内温度和压力较低，滞燃期延长，在滞燃期内形成的可燃混合气较多，点火能量较大，开始燃烧后燃烧速度较快，缸内压力和压力升高率升高，另一方面供油较早时，燃烧在上止点前开始，此时活塞还在上行，会造成缸内压力和压力升高率过大。

为保证较好的功率和燃油经济性，一般希望燃烧始点在上止点前5 ～10 °CA之间[11]，以保证燃烧在上止点附近完成。从这一点来说，选用较大的供油提前角较好。但从图5(a)可见，柴油供油提前角为12 °CA BTDC时，最大压力升高率为1.1 MPa/°CA，比供油提前角为10 °CA BTDC时高出0.33 MPa/°CA，导致在试验中采用12 °CA BTDC供油提前角时，易造成柴油机工作粗暴，发生敲缸现象。所以柴油机采用进气预混甲醇工作在双燃料模式时，应稍微推迟喷油。但是如果供油提前角过小，有可能出现着火过迟，燃料燃烧放出的热量不能有效利用，使双燃料发动机动力性、经济性下降。笔者采用10 °CA BTDC供油提前角，可以满足在发动机不发生工作粗暴和发动机经济性的前提下尽可能多的掺烧甲醇。

3.2 高转速工况

图6是转速在2 800 r/min，平均有效压力分别为0.363 6和0.683 6 MPa时甲醇掺烧比对双燃料模式下放热规律的影响。

图6 2 800 r/min时双燃料发动机的放热律

较低负荷(pme=0.363 6 MPa)时，随着甲醇掺烧比的增加，滞燃期增加，放热率峰值升高。但在较高负荷(pme=0.683 6 MPa)、甲醇掺烧比高于28.6%时燃烧始点大幅提前，燃烧持续期增加。说明有部分甲醇在被柴油引燃之前发生了自燃。这可能是因为在高转速高负荷下，接近压缩终点时的温度(1 230 K)和气缸压力都很大，甲醇的氧化速率达到了自燃条件。同时可以看到此时放热规律波动较大，在4 °CA BTDC出现了第1个峰值，此时正处于活塞上升时期，甲醇的急剧燃烧造成缸内压力波动，易发生柴油机工作粗暴。甲醇掺烧比为7.2%时，甲醇浓度较低，没有发生燃烧始点大幅提前的现象。可见高转速高负荷时，不宜大量掺烧甲醇，甲醇掺烧比应控制在25%以内。

4 结 论

笔者实现了柴油引燃预混甲醇的燃烧方式，基于基本组分法编写了甲醇/柴油双燃料发动机放热规律计算程序，对进气预混甲醇柴油机试验结果进行了分析，主要结论如下：

1)低转速时，随着甲醇掺烧比的增加，柴油的滞燃期延长，预混燃烧放热比例增大，扩散燃烧比例减小，燃烧持续期缩短，放热率峰值增大。

2)高转速低负荷时，甲醇掺烧比对进气预混甲醇柴油机燃烧特性的影响与低转速时基本一致，但在高转速较高负荷、甲醇掺烧比高于28%时，甲醇出现提前燃烧，放热规律呈现多个峰值，燃烧不稳定，燃烧持续期增大，此时甲醇掺烧比宜控制在25%以下。

3)双燃料模式时，与10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角为12 °CA BTDC时放热始点和放热率峰值对应的曲轴转角提前，放热率峰值增大，缸内最大压力和最大压力升高率过高。所以宜推迟喷油，选用10 °CA BTDC的供油较为合适。

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Combustion Characteristics Analysis on Pre-mixed Methanol Through Intake Manifold of Diesel Engine

Du Jiayi1, Lu Yongjia1, Zhang Weixun1, Zhang Dengpan1, Yuan Yinnan2, Xu Yi3

(1. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China; 3. Enterprise Technical Center, Changchai Co. Ltd., Changzhou 213002, Jiangsu, China)

A turbocharged diesel engine was altered to a duel fuel engine with intake pre-mixed methanol. Heat release rate calculation program of duel fuel engine based on cylinder pressure was written by Matlab. And test was conducted to study the duel fuel engine. The results show that while the methanol mixing ratio increases, ignition delay period of mixing fuel, the ratio of pre-mixed combustion and the peak of heat release rate increase, but the combustion duration decreases at all loads of low speed and middle and low loads of high speed. At high load of high speed, the timing of combustion is advanced significantly and the heat release rate curve shows multiple peaks when the methanol mixing ratio is high. The heat release time can be delayed; the peak of heat release rate and the maximum rate of pressure rise can be decreased by delaying fuel injection advance angle.

vehicle engineering; diesel engine; methanol; heat release rate; combustion characteristics

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.33

2013-03-02；

2014-01-16

江苏省高校自然科学重大基础研究项目(08KJA47001)；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目(12JDG040)；江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)

杜家益(1968—)，男，江苏镇江人，副教授，主要从事动力机械新能源技术方面的研究。E-mail: jydu@ujs.edu.cn

U464;TK429

A

1674-0696(2015)03-167-04