甲醇清洁燃料在防爆柴油机上的应用研究

梁志武

摘要：为改善煤矿井下环境污染，推进智慧矿山、清洁矿山，同时降低防爆胶轮车的维护成本，研究防爆柴油机清洁代用燃料势在必行。本文通过对防爆柴油机进、排气系统结构和缸内燃烧分析，结合性能试验，研究了不同比例的甲醇柴油燃料对防爆增压柴油机排放性能改善。

关键词：智慧矿山;清洁矿山;防爆增压柴油机;二次雾化;冷激效应;气化潜热值

中图分类号：TK464                                     文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0018-02

0  引言

智慧矿山、清洁矿山，我国煤矿安全管理目标从“减少事故，减少死亡”，提高到“洁净生产，关爱健康”的高度。然而随着煤矿机械化程度的提高，防爆胶轮车在煤矿井下的使用越来越广泛，作为其动力源的防爆增压柴油机的尾气排放污染，成为井下工作环境污染重要因素之一。

2018年12月28日，国家煤矿安全监察局发布了《关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第四批）的通知》明确要求：对排气标准在国II及以下的防爆柴油机“自发布之日起禁止新选用、采购，在用设备自发布之日起2年后禁止使用”。企业均以防爆电喷柴油机作为防爆胶轮车主要动力源，适应新规。然而防爆电喷柴油机在煤矿井下高湿度环境下使用，传感器、电控模块故障率大大提高，使用寿命缩短，增加了防爆胶轮车使用、维护成本。在煤炭价格持续走低的大环境下，加重煤炭企业负担。

为降低尾气排放污染，建设清洁矿山，减少煤炭企业负担，清洁燃料在非电喷防爆柴油机的应用研究成为迫切需求。甲醇作为一种国际公认柴油机可替代清洁燃料在防爆增压非电喷柴油机上应用研究尤为重要。

1  实验部分

本次在不改变原增压非电喷防爆柴油机结构的基础上，研究燃用BM10、BM15、BM20三种甲醇柴油燃料对其尾气排放性能的影响，为今后甲醇燃料在防爆柴油机上的应用提供基础数据。

1.1 实验原料  本次试验基准柴油采用-30#柴油与甲醇，按照体积比例混合，正丁醇、异戊醇等作为助溶剂，配置3种甲醇掺混比例10%、15%、20%（BM10、BM15、BM20）的甲醇柴油混合燃料。

1.2 试验柴油机参数及检测仪器  实验选用某四缸涡轮增压水冷柴油机（具体参数见表1），其燃用柴油燃料的尾气排放性能符合国家非道路国Ⅱ排放要求。

试验仪器：电力涡轮测功机、AVL CEBⅡ排放分析仪、 AVL409烟度计等检测仪器。

1.3 试验方法  依据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及其测量方法（中国第三、四 阶段）》（GB20891-2014 ）检测方法、标准，在保持防爆柴油机动力参数不变的情况下，分别燃用-30#柴油和BM10、BM15、BM20甲醇柴油，测定八工况点排放浓度的变化规律。最后，按照GB20891-2014计算得到燃用某比例甲醇柴油燃料达到最佳综合排放性能的防爆柴油机比排放量。

2  试验结果及分析

2.1 甲醇柴油燃料对CO排放的影响  柴油机CO排放生产量的主要受燃烧室内混合气空气浓度的影响，在混合气中其过量空气系数Φa<1时，燃烧室内混合气氧含量稀缺，燃料中的C不能完全氧化成CO2，会大量生成其中间产物CO;在混合气中其过量空气系数Φa>1时，理论上不应有CO产生，但实际燃烧过程中，缸内燃料与空气混合不均匀，尤其缸体壁附近，温度较低，空气流动较慢，造成燃烧室内局部空间中其过量空气系数Φa<1，引起局部存在燃烧不完全现象，燃烧产生部分CO;另外缸内高温可能引起已生成燃烧产物的CO2热裂解反应，将CO2热裂解、生成CO。

甲醇的沸点和凝固点均较低，喷入缸内后，促进混合气体快速均匀混合;甲醇含氧量为50%，可以弥补防爆增压柴油机进气栅栏阻力和水冷涡轮增压器效率低引起进气量不足的缺点。

同时，柴油自燃温度低于甲醇，甲醇柴油混合燃料有助于“二次燃烧”的形成，有助于缸内燃烧充分的同时，降低缸内燃烧最高温度，阻止了CO2在后期燃烧过程中的裂解，抑制了CO裂解，大大降低CO排放量。

图1 为燃用柴油和不同比例甲醇柴油，在八点工况下，CO排放量变化曲线。如图1所示采用甲醇柴油燃料能有效降低CO的排放，尤其低速大负荷状态下，CO的排放降低效果明显可达到75%。然而随着甲醇浓度增加，尤其甲醇浓度超过60%，防爆柴油机压燃过程中，混合气含氧量过大处于稀混合状态，同时甲醇气化缸内温度急剧降低，导致混合气的燃烧困难，严重影响到CO的排放性能。

2.2 甲醇柴油燃料对HC排放的影响  柴油机HC排放量主要取决于缸内混合气的均匀性（局部过浓或过稀）和壁面的冷激效应，以及在燃烧过程后期低速，燃烧室内压力低，燃料雾化能力降低，造成局部混合气形成质量较差，导致燃烧室内混合气不能充分燃烧或局部不完全燃烧而引起的。

甲醇气化潜热值是柴油的3倍多，引起缸内温度降低，缸壁温度较低，缸壁附近HC含量增加，随着缸内温度增加和“二次燃烧”的作用，燃烧后期会消耗一部分HC，HC的排放性能降低有限。试验结果显示燃用甲醇柴油机燃料其HC的排放性能有所恶化。

如图2所示，随着甲醇浓度增加，在高转速、小负荷工况下，HC排放量增加较多;在低转速或高负荷工况下，HC排放量增加较少。参考《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及其测量方法（中国第三、四阶段）》（GB20891-2014 ），综合考虑HC排放量增加3～8%。

2.3 甲醇柴油燃料对NOX排放的影响

NOX的生成重要途径是由缸内吸入空气中的N2和柴油中氮元素在燃烧室内混合气燃烧高温时段反应生成。

根据捷里道维奇NOX反应机理，温度型NOX生成速度：

柴油机生成的NOX排放量主要取决于燃烧室内最高燃烧温度、氧元素浓度、氮元素含量和燃料在燃烧高温反应区域中的停留时间，柴油机NOX的排放量与燃烧反应最高温度呈指数关系。

甲醇中N的含量较柴油较低几乎为零，气化潜热值达到柴油的3倍以上，甲醇柴油燃料喷入缸内后，甲醇汽化吸收大量热量，降低缸内温度，甲醇柴油混合燃料的“二次燃烧”，进一步降低了缸内最高温度，缩短了高温停留时间。燃用甲醇柴油能有效降低NOX的排放量。

如图3 所示，随着甲醇混合比例的增加，NOX的排放量减少，尤其在大负荷工况下，NOX降低幅度较大，最高可达到50%。

2.4 甲醇柴油燃料对碳烟微粒排放的影响

柴油机尾气中碳烟微粒的形成主要因燃烧室内混合燃料在高温、缺氧燃烧状态下，部分发生氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，经脱氢、聚合、碰撞形成碳煙聚集物。根据碳烟生成原理，降低柴油机碳烟的主要指导思想，即燃烧前期应避免高温缺氧，以减少碳烟的生成;同时在燃烧室内混合气燃烧后期应确保高温富氧、加强混合气扰流强度，以加速碳烟的氧化。甲醇氧含量高，保障了缸内充分燃烧;甲醇气化吸热量，降低了缸内最高燃烧温度，有效抑制了燃烧前期的碳烟生成。如图4所示，试验结果显示燃用BM10、BM15、BM20燃料，排放烟度分别下降约10%、20%和30%，有效减低了碳烟排放浓度。

3  结论

防爆增压柴油机燃用甲醇浓度较高的甲醇柴油燃料，对CO、NOX和烟度的排放均有明显的改善，尤其燃用BM20甲醇柴油，除HC排放有所恶化外，其余排放量降低达20～50%，低转速大负荷工况达到60%以上，可大大改善井下尾气排放的污染。依据《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及其测量方法（中国第三、四阶段）》（GB20891-2014）测算，燃用BM20甲醇柴油的防爆柴油机CO比排放值可达到为1.97g/kW·h;NOX和HC比排放值之和为3.94g/kW·h;颗粒比排放值为0.245g/（kW·h），能够满足非道路国三稳态八工况排放要求。

参考文献：

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[2]周龙保，等.内燃机学[M].机械工业出版社，2000：192-229.

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