过量空气系数对柴油/甲醇RCCI发动机非常规排放特性的影响

黄粉莲，田茂盛，万明定，申立忠，雷基林

过量空气系数对柴油/甲醇RCCI发动机非常规排放特性的影响

黄粉莲，田茂盛，万明定，申立忠，雷基林

（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

为探究柴油/甲醇反应活性控制压燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）发动机非常规排放特性及影响机理，该研究对某高压共轨柴油机进气歧管进行改造，搭建了柴油/甲醇双燃料RCCI发动机专用试验台架，系统研究了不同甲醇替代率、过量空气系数对发动机非常规排放物的影响规律。结果表明：最大转矩转速（2 000 r/min）、不同负荷工况下，随甲醇替代率增大，柴油/甲醇RCCI发动机甲醇、甲醛、芳香烃碳氢化合物和SO2排放量升高，非甲烷总烃、CO2排放降低；25%负荷、甲醇替代率从0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%；100%负荷、30%甲醇替代率时，CO2排放量较纯柴油模式减少6.8%。随过量空气系数减小，未燃甲醇、甲醛、非甲烷总烃和SO2排放量降低，CO2排放升高；25%负荷下，过量空气系数从3.48减小到3.05，5%、10%、15%替代率下甲醇排放量分别降低16.9%、12.7%和14.5%，甲醛排放量分别降低8.8%、10.8%和10.5%，非甲烷总烃排放量平均下降75%；100%负荷下，过量空气系数从1.6减小到1.38，10%、20%、30%替代率下甲醇排放量分别降低45.6%、45.9%和43.9%, 非甲烷总烃排放分别降低18.2%、27.3%和60%，甲醛排放量平均减少34.4%；高负荷下芳香烃碳氢化合物随过量空气系数的减小而升高，低负荷下变化不明显；RCCI模式下，碳氢化合物的主要成分是未燃甲醇和甲醛，适当关小节气门开度，减小过量空气系数，对降低非常规污染物排放有利。外特性工况下，随发动机转速增加，未燃甲醇、非甲烷总烃、二氧化碳排放降低，甲醛排放增多；不同转速下随着甲醇替代率增加，非甲烷总烃和二氧化碳排放降低，未燃甲醇和甲醛排放量增加。研究结果可为柴油/甲醇双燃料RCCI发动机非常规排放物控制奠定理论基础。

发动机；燃烧；柴油；甲醇；过量空气系数；非常规排放物

0 引 言

面对石化能源日益枯竭和排放法规日趋严苛，开发清洁、可再生的代用燃料及高效、低排放的柴油机燃烧技术已成为内燃机界的首要目标。甲醇作为新兴清洁能源，具有低碳、辛烷值高、含氧量高、低污染和无排烟等特点[1]，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”。实现国家碳排放达峰和碳中和的战略目标，发展甲醇经济是重要的能源取向[2]。甲醇/柴油反应活性控制压燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）技术通过进气道低压喷入低活性、易挥发的甲醇燃料，缸内直喷柴油引燃均质的甲醇空气混合气燃烧，缸内燃油混合过程形成活性分层梯度，实现可控的高效清洁燃烧[3-4]。研究表明，RCCI策略兼具热效率高、排放低、发动机负荷范围宽等优势，与传统柴油机相比，RCCI发动机中氮氧化物（Nitrogen Oxide，NO）和碳烟排放可降低3个数量级，指示热效率可提高16.4%[5-7]。

近年来，随着环保问题日益严峻，鉴于甲醇燃料的清洁特性，世界各国逐渐开始重视甲醇燃料的研究工作。甲醇/柴油混合燃烧技术方面的研究主要针对甲醇喷射方式（进气歧管喷射、进气冲程缸内直喷和压缩冲程缸内直喷）、甲醇替代比例、废气循环率（Exhaust Gas Recirculation，EGR）及柴油喷射策略等对发动机燃烧与排放性能的影响。研究表明，甲醇进气歧管喷射策略可实现NO和碳烟超低排放[8]。随甲醇比例的增加，峰值燃烧压力和放热率降低，NO排放显著下降，采用甲醇多点喷射的RCCI燃烧策略可显著降低碳烟排放[9]。采用26%的EGR可减少发动机循环变动、提高热效率、降低NO和碳烟排放[10]。全负荷工况下颗粒总数浓度较高，且随着甲醇预混比例的增加而升高[11]。引燃柴油采用二次喷射策略可提高峰值放热率和燃烧温度，改善燃烧稳定性；采用后喷策略可降低碳氢化合物（Hydrocarbon，HC）、一氧化碳（Carbon monoxide，CO）、NO和烟度比排放[12]。

国内学者对甲醇/柴油RCCI发动机的研究较多，涉及发动机台架试验、燃烧过程仿真、化学反应动力学模型等方面，甲醇预混比例、进气温度、预混氛围温度、柴油喷射正时、燃空当量比、EGR 率等是甲醇/柴油RCCI 发动机燃烧控制的关键参数[13-14]。采用较高的初始压力、适中的EGR率、较高的预混甲醇比例、较早的喷油时刻以及较高的初始温度，能够同时获得较好的燃油经济性和排放表现[15-16]。在低进气温度和高负荷下，随着甲醇替代率的增加，发动机排气烟度和颗粒物数量均降低[17]。通过优化内部废气再循环（EGR）、外部EGR、进气加热和柴油机喷油正时延迟，可改善甲醇/柴油RCCI发动机低负荷条件下的燃油经济性和污染物排放[18]。随着甲醇替代比例的增加，NO2排放量先增加后降低，EGR的加入可以降低NO2的排放[19]。高负荷下的排气㶲损失相对较小，较高的进气温度有助于提高㶲效率[20]。甲醇喷射时刻对甲醇/柴油RCCI发动机的缸压、放热率、缸温、燃油经济性以及一氧化碳（CO）、NO排放等影响甚微[21]。随甲醇掺烧比例升高，缸内点火延迟增大，燃烧持续期缩短，爆震强度增大，HC和NO排放增加，CO和烟度排放降低。适当推迟柴油主喷时刻，可改善燃烧质量和降低HC、CO排放[22]。引燃柴油采用2次喷射策略会对燃烧室内的燃烧压力、压力升高率曲线的形貌产生明显的影响，整机热效率升高，活塞及气缸周壁热负荷降低，HC排放降低，CO、NO和PM排放升高；高负荷工况下，减少预喷油量可提高燃烧稳定性[23]。

甲醇的着火浓度下限高、汽化潜热高，甲醇燃料发动机容易产生甲醛、未燃甲醇等非常规气体排放[24]。2020年11月10日，生态环境部发布并实施HJ 1137—2020《甲醇燃料汽车非常规污染物排放测量方法》[25]，规范了甲醇燃料汽车非常规污染物排放物的测量方法及型式检验，甲醇汽车的环保信息正式公开。姚春德等[26]在一台电控单体泵增压中冷柴油机上研究了柴油/甲醇二元燃料发动机的非常规排放特性。结果表明：柴油/甲醇二元燃料燃烧模式下的非常规排放物甲醛、未燃甲醇、1,3-丁二烯及N2O的比排放与纯柴油模式相比均有不同程度的增加，且均随着甲醇替代率的增加而增加；甲醛、未燃甲醇及N2O 的比排放随着负荷的增加逐渐降低。在高压共轨增压中冷重载柴油机上的研究表明：随着预喷油量的增加，柴油/甲醇双燃料发动机缸内峰值压力明显上升，HC、CO、CO2、N2O、甲酸和甲醛等常规及非常规排放物呈现逐渐降低的趋势；未燃甲醇、1,3-丁二烯排放在30%替代率下逐渐降低，50%替代率时有所升高[27]。

引燃柴油量较大时，柴油机二元燃料模式下存在柴油的扩散燃烧。研究表明，柴油喷雾扩散燃烧具有不均匀性、理论当量比下为扩散火焰控制的特性，会产生较高的NO和碳烟排放[28]。增强缸内燃油分布的均匀性，控制燃油当量比在化学计量比之内，可降低甲醇/柴油RCCI燃烧㶲损失[29]。为实现双燃料RCCI发动机高效、清洁燃烧，应尽量减少柴油扩散燃烧的比例，尽可能地实现均质混合气压燃着火过程。过量空气系数对柴油机爆震极限、燃烧持续期、热效率与污染物生成均有重要影响[30]。随缸内空燃比增大，柴油/丙烷混合燃料发动机燃烧持续期缩短，缸内最高燃烧压力降低，NO和碳烟排放减少；在小空燃比时，HC、CO排放随空燃比的减小而增加，在大空燃比时变化不大[31]。随过量空气系数（）减小，柴油引燃天然气发动机功率增大，有效燃油消耗率降低，NO排放增加；当λ<1.6时，HC和CO排放随减小而降低，当λ>1.6时，HC和CO排放随减小而升高[32]。50%负荷下，随过量空气系数增大，柴油引燃天然气发动机缸内最高燃烧压力升高，着火时刻提前；100%负荷下，随过量空气系数增大，NO排放先增加后减少[33]。

综上所述，RCCI燃烧控制的关键在于根据缸内燃烧需求实时调控两种燃料的喷射比例、喷射正时及空燃比，通过设计合理的缸内混合气浓度与活性分布，实现高效燃烧和超低排放。柴油/甲醇RCCI发动机易产生甲醛、未燃甲醇等非常规排放物。目前，国内外学者针对柴油/甲醇RCCI发动机非常规排放物影响因素的研究主要涉及甲醇替代率和进气温度，针对过量空气系数对非常规排放特性影响的研究基本空白。本研究基于实验室自主开发的甲醇/柴油RCCI发动机燃油供给及一体化控制系统及试验台架，通过调控甲醇喷射量及控制节气门开度调节缸内可燃混合气浓度，研究甲醇替代率和过量空气系数对柴油/甲醇RCCI 发动机非常规排放特性的影响，以期为柴油/甲醇双燃料RCCI发动机排放性能优化及甲醇、柴油喷射与进气协同控制奠定理论基础。

1 试验装置与方法

对试验用某4缸电控高压共轨直喷柴油机进气道进行改造，在进气歧管处安装4个甲醇喷射器实现甲醇多点顺序喷射，进气总管处加装电子节气门对进气流量进行调节。对原柴油机试验台架进行改造，安装甲醇供给系统、甲醇流量测试系统和排放测量装置，建成柴油/甲醇RCCI发动机专用试验台架。甲醇采用进气道低压喷射，引燃柴油喷入缸内，通过调节2种燃料的喷射量、喷射正时和节气门开度，动态控制缸内混合气的燃料特性与发动机运行工况相适应，实现RCCI燃烧控制。试验研究外特性工况和最大转矩转速（2 000 r/min）、负荷率25%与100%工况下甲醇替代率、过量空气系数对柴油/甲醇RCCI发动机综合性能的影响规律。试验时保持原机的柴油喷射正时不变，根据替代率需求调节柴油和甲醇的喷射量。试验台架如图1所示，采用双纽线发动机进气质量流量计测量进气量，AVL FTIR i60傅立叶红外分析仪可同时测定非甲烷总烃（NMHC）、醇类、醛类、芳香烃类（AHC）、SO2、以及常规排放物NO、NO2、CO及CO2等25中常规和非常规排气污染物组分。试验用柴油和甲醇燃料的特性参数如表1所示，发动机基本参数如表2所示，主要试验设备如表3所示。

采用双燃料RCCI燃烧模式运行时，当量燃油消耗量按等热值将甲醇折合为柴油，即

RCCI发动机的过量空气系数为混合气体中空气质量与燃料所需理论空气量之比，计算公式如下：

表1 甲醇和柴油主要特性参数

表2 发动机基本参数

表3 主要设备参数

甲醇替代率M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：

当量燃油消耗率表示在双燃料RCCI模式下把甲醇消耗率等热值转化为柴油后计算得到的总的有效燃油消耗率，按下式计算：

2 结果与分析

2.1 负荷特性下甲醇替代率对非常规排放物的影响

图2是发动机2 000 r/min、节气门全开时，不同负荷下甲醇替代率对总碳氢化合物排放的影响规律。由图分析可知，纯柴油（甲醇替代率0%）模式下，总碳氢排放量随负荷的变化不明显。双燃料模式下，不同负荷工况下总碳氢排放量随甲醇替代率的增大而逐渐升高，随负荷的升高而降低。25%负荷下，总碳氢排放量随甲醇替代率的增加而急剧升高，15%甲醇替代率时，总碳氢排放量达到原机的43.6倍。负荷率100%时，总碳氢排放变化趋缓，30%甲醇替代率下总碳氢排放量是原机的13.2倍。总碳氢化合物包括燃油中的未燃碳氢，裂解反应和再化合反应的产物、燃烧和氧化反应的中间产物等，其生成机理复杂，影响因素众多。低负荷工况下，发动机循环喷油量少，而甲醇挥发性好，燃料容易与空气过度混合，导致缸内混合气过稀，且甲醇汽化吸热使得缸内燃烧温度过低，造成反应链断裂，不完全燃烧产物增多，且不完全燃烧产物继续氧化困难，导致THC 排放较高。随着负荷率的增大，引燃柴油量增多，火焰传播比稀混合气时要更加稳定，THC排放降低。

THC的生成另一方面是火焰壁面淬熄效应和狭隙效应而导致甲醇燃料不完全燃烧。RCCI燃烧模式下甲醇在进气冲程喷入燃烧室，扫气过程中，部分未燃甲醇混合气被扫出气缸。压缩过程中部分可燃混合气被挤入活塞、活塞环与气缸壁之间的间隙等狭窄缝隙中，火焰难以使缝隙中的燃油完全燃烧，且小负荷工况存在一定壁面淬熄效应，造成THC排放大幅升高。随着发动机负荷的增大，缸内温度和压力逐渐升高，柴油雾化质量改善，排气能量增大，涡轮效率升高而使得进气量增加，缸内工质燃烧更加充分，致使THC排放逐渐减少。随着甲醇替代率增加，甲醇汽化吸热致使缸内初始燃烧温度降低，不利于碳氢氧化和活性自由基累积，THC排放升高。在小负荷时总碳氢排放急剧升高，中、高负荷碳氢排放变缓，中等负荷下甲醇替代率可达40%，低、高负荷工况甲醇替代率范围较窄，低负荷工况最大甲醇替代率受碳氢排放的限制，高负荷工况最大替代率受燃烧粗暴限制。

试验过程中AVL FTIR i60傅立叶红外分析仪检测到NO、CO、NO、NO2、N2O、CO2、烷烃、烯烃、1,3-丁二烯（C4H6）、非甲烷总烃（NMHC）、甲醛（HCHO）、甲醇（MEOH）、乙醛（MECHO）、二氧化硫（SO2）、芳香烃类（AHC）、正辛烷（N-Octane）等25 种物质。图 3a为2 000 r/min、节气门全开、负荷率为25%时，纯柴油模式和15%甲醇替代率下非常规排放物的主要成分。纯柴油模式下，未燃碳氢排放量极低，主要成分是芳香烃类、乙醛（MECHO）、C3H6、正辛烷和C2H6，分别占总碳氢排放的16.6%、15.4%、13.9%、13.6%和10.1%；醛类的主要成分是甲醛（HCHO），占总碳氢排放的3.9%；甲醇排放仅0.29×10-6。15%甲醇替代率时，碳氢化合物的主要成分是未燃甲醇和HCHO，分别占总碳氢排放的89.6%和9.1%，醇类和甲醛的排放总量占总碳氢的98%以上。

图3b为2 000 r/min、节气门全开、负荷率为100%时，纯柴油模式和30%甲醇替代率下非常规排放物的主要成分。纯柴油模式下，未燃碳氢排放较低，主要成分是MECHO、AHC、C3H6、C2H6和C4H6，分别占总碳氢排放的21.4%、15.6%、12.2%、11.8%和10.0%。HCHO占总碳氢排放的3.7%，甲醇排放量仅占1.9%。30%甲醇替代率时，不完全燃烧产生大量的未燃醇类和醛类，未燃甲醇和甲醛排放量分别占总碳氢排放的61.8%和31.9%，醇类和甲醛的排放总量占总碳氢的93.7%。

综合分析图3可知，低、高负荷时，纯柴油模式下总碳氢排放的主要成分是非甲烷总烃、芳香烃族和乙醛。双燃料RCCI模式下，未燃碳氢排放物主要是甲醇和甲醛，高负荷工况下，醛类排放的比例增加，与文献[3]的研究结果相符。纯柴油模式和双燃料RCCI模式下，烯烃排放量均小于5 cm3/m3。不同负荷下，双燃料RCCI模式下SO2排放均略高于纯柴油模式，100%负荷、30%甲醇替代率时SO2排放较原机升高7.2%。

2.2 负荷特性下过量空气系数对非常规排放的影响

2.2.1 甲醇排放特性

图4是2 000 r/min、负荷率为25%和100%时，过量空气系数对甲醇排放量的影响关系。不同负荷下，随着甲醇替代率升高，甲醇排放量急剧增加。25%负荷、节气门全开时（过量空气系数=3.5），甲醇替代率0%～15%范围，甲醇排放体积浓度从0.7增加到1 385 cm3/m3，增幅高达1978倍。100%负荷、节气门全开状态（=1.6）下，10%、20%、30%甲醇替代率时发动机的甲醛排放较纯柴油模式分别增加99倍、161倍和209倍。不同负荷工况下，随过量空气系数减小，甲醇排放量降低。25%负荷下，过量空气系数从3.48减小到3.05，5%、10%、15%甲醇替代率下甲醇排放量分别降低16.9%、12.7%和14.5%。100%负荷下，过量空气系数从1.6减小到1.38，10%、20%、30%甲醇替代率下甲醇排放量分别降低45.6%、45.9%和43.9%。

甲醇排放源于未燃烧的甲醇燃料和燃烧反应生成物。未燃甲醇主要是来自于扫气过程、燃烧室内未燃烧的混合气、狭缝中存在的甲醇等[34]。低负荷工况下，发动机醇、油喷射量少，缸内过量空气系数较大，可燃混合气过稀，不利于火焰传播，部分甲醇未参与燃烧和氧化。此外，甲醇的汽化潜热是柴油的4.2倍，RCCI模式下甲醇的加入致使进气温度下降，导致柴油的着火时刻推迟，且甲醇氛围对柴油着火具有抑制作用，使得低温放热时刻延后，低温放热强度降低，燃料不完全燃烧加剧，导致未燃甲醇排放较高。高负荷工况下，引燃柴油量增多，缸内点火能量增强，可燃混合气浓度升高，缸内工质燃烧更加充分，未燃甲醇排放量减少。甲醇含氧量达50%，理论空燃比低，RCCI模式下喷入甲醇后会产生稀释效应，缸内混合气燃料燃烧所需的空气量减少。此外，由于甲醇的可燃界限宽，H/C值大，燃烧时排气烟度极低。因此，RCCI模式下，适当关小节气门开度，减小过量空气系数，对甲醇燃料的燃烧和降低污染物排放有利。

2.2.2 甲醛排放特性

图5所示为2 000 r/min、负荷率为25%和100%时，各替代率下过量空气系数对甲醛排放量的影响规律。不同负荷下，随着甲醇替代率升高，作为甲醛生成源的甲醇喷射量增加，故甲醛排放量急剧增加。25%负荷、节气门全开（过量空气系数=3.5）时，甲醇替代率0%～15%范围，甲醛排放体积浓度从1.8增加到143cm/m3，增幅高达78.4倍。100%负荷、节气门全开状态（=1.6）下，10%、20%、30%甲醇替代率时的甲醛排放量较纯柴油模式分别增加22.6倍、35.8倍和44倍。不同负荷工况下，随过量空气系数减小，甲醛排放量降低。25%负荷下，过量空气系数从3.48减小到3.05，5%、10%、15%替代率下甲醛排放量分别降低8.8%、10.8%和10.5%。100%负荷下，过量空气系数从1.6减小到1.38，10%替代率下甲醛排放量降低36.5%，20%、30%替代率下甲醛排放量降低33.3%，甲醛排放量平均减少34.4%。

醛类排放物是甲醇燃料燃烧氧化过程的中间产物，柴油/甲醇RCCI燃烧发动机排气中的甲醛主要来自两部分：一是燃烧室内因壁面低温导致甲醇氧化反应中断生成甲醛，二是尾气中的未燃甲醇在排气管中因停留时间长、氧浓度高而氧化为甲醛[27]。甲醛的形成主要是甲醇的氧化反应和脱氢反应，甲醇脱氢反应后主要生成CH2OH和CH3O，这2种物质氧化后形成甲醛。甲醇生成甲醛主要的脱氢反应为

甲醇生成甲醛主要的氧化反应为

随着过量空气系数增大，缸内氧浓度升高，有利于甲醇氧化生成甲醛。过量空气系数较小时，甲醛生成对混合气浓度较敏感，而过量空气系数较大时，甲醛反应所需氧浓度趋于饱和，过量空气系数对甲醛排放的影响减弱。

2.2.3 非甲烷总烃排放特性

图6所示为2 000 r/min、负荷率为25%和100%时，各替代率下过量空气系数对非甲烷总烃排放的影响规律。不同负荷下，随着甲醇替代率升高，非甲烷总烃排放量急剧降低。25%负荷、节气门全开时，甲醇替代率从0%增加到15%，非甲烷总烃排放量降低99%。100%负荷、节气门全开状态下，10%、20%、30%甲醇替代率时的非甲烷总烃排放量较纯柴油模式平均减少62.7%。

不同负荷工况下，随过量空气系数减小，非甲烷总烃排放量降低。25%负荷下，过量空气系数从3.48减小到3.05，5%、10%、15%替代率下非甲烷总烃排放量平均下降75%。100%负荷下，过量空气系数从1.6减小到1.38，10%、20%、30%替代率下非甲烷总烃排放量分别降低18.2%、27.3%和60%。

非甲烷总烃（NMHC）通常指除甲烷以外的碳氢化合物，主要是（C2～C8）的总称，是《大气污染物综合排放标准》控制指标之一[35]。固定工况下，随着甲醇喷射量增加，柴油的喷射量减少，非甲烷总烃排放量必然降低，且甲醇脱氢反应和氧化反应的产物有利于非甲烷总烃的氧化分解。此外，甲醇燃料氧含量高、挥发性好，RCCI模式下柴油机掺入甲醇后，会缓解气缸内燃烧区域的缺氧状态，改善混合气均匀性，促进甲醇、柴油充分燃烧氧化，因而有效降低了NMHC 的排放浓度。

2.2.4 CO2排放特性

图7所示为2 000 r/min、负荷率为25%和100%时，各替代率下过量空气系数对二氧化碳（CO2）排放的影响规律。不同负荷下，随着甲醇替代率升高，CO2排放量降低。25%负荷、节气门全开时，甲醇替代率从0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%。100%负荷、节气门全开状态下，30%甲醇替代率时CO2排放量较纯柴油模式减少6.8%。不同负荷工况下，随过量空气系数减小，CO2排放量升高。25%负荷下，过量空气系数从3.48减小到3.05，5%、10%、15%替代率下CO2排放量分别增高15.3%、14.4%和12.5%。100%负荷下，过量空气系数从1.6减小到1.38，10%、20%、30%替代率下CO2排放量分别升高9.6%、10.7%和11.5%。

柴油含碳量为C10～C21，而甲醇仅含一个碳原子，相同的放热量条件下，燃用甲醇燃料排放的CO2比纯柴油少。因此，随着甲醇替代率的增加，CO2的排放量降低。甲醇/柴油RCCI燃烧模式下的CO2排放大幅降低，对于降低发动机碳排放意义重大。

2.2.5 芳香族碳氢化合物排放特性

图8所示为2 000 r/min、负荷率为25%和100%时，甲醇替代率与过量空气系数对芳香族碳氢化合物排放的影响规律。不同负荷工况下，芳香族碳氢化合物随甲醇替代率升高而增多，与文献[3,36]的结论一致。负荷率100%、节气门全开时，与纯柴油模式相比，10%、20%、30%甲醇替代率下芳香族化合物排放分别增高3.5%、48.4%、53.4%。低负荷下，随过量空气系数降低，芳香族碳氢化合物排放变化不明显；100%负荷下，随过量空气系数减小，芳香族碳氢化合物排放升高，过量空气系数从1.6减小到1.38，各替代率下芳香族碳氢化合物排放浓度平均升高1.79 cm3/m3。

芳香族碳氢化合物是柴油在相对较低的温度下不完全燃烧生成的[36]。芳香族碳氢化合物在低温氧化中表现的是惰性，苯环脱氢反应困难。H×进攻甲基脱氢是甲苯消耗最主要的方式，其次为本位取代、OH×进攻甲基脱氢和OH×进攻苯基脱氢。甲基脱氢反应主要生成苄基，苄基与氧气反应生成过氧基[37]。甲醇汽化潜热值大，随着甲醇替代率增加，缸内燃烧温度降低。由于苯环共振能大，低温环境下过氧基将无法与苯环上的H原子形成过渡环结构并发生环的解离，导致芳香烃类物未参与氧化裂解而排出气缸外。随着过量空气系数增大，缸内氧浓度升高，促进苄基与氧结合生成过氧基；且高负荷时，缸内燃烧温度整体提高，有利于过氧基与其相连的碳原子上的H原子形成四原子过渡环，生成OH×和苯甲醛[37]。因此，高负荷下，芳香烃类排放浓度较低，且随过量空气系数升高而降低。

2.2.6 SO2排放特性

图9为甲醇替代率与过量空气系数对二氧化硫（SO2）排放的影响规律。不同负荷下，二氧化硫排放量均随甲醇替代率的增大而略微升高，随过量空气系数的减小而降低。负荷率25%、过量空气系数为3.48时，5%、10%、15%甲醇替代率下较纯柴油模式分别增加7.1%、14.4%、17.9%；负荷率100%、过量空气系数为1.6时，10%、20%、30%替代率下SO2排放较纯柴油模式分别增加1.6%、5.1%、7.2%。

柴油机中SO2排放主要来自于燃油和润滑油中的硫，燃油含硫量、消耗量及缸内氧浓度直接影响SO2的排放[34]。燃油中的硫在燃烧过程中与氧发生反应，主要产物是SO2和SO3。过量空气系数较低时，除SO2外还产生S、H2S、SO等，当过量空气系数较高时将全部燃烧生成SO2，同时还有少量SO2将进一步氧化而生成SO3[38]。随甲醇替代率增大，当量燃油消耗量增加，燃料中的含硫量增多，且甲醇燃料脱氢和氧化反应生成的OH、O自由基浓度增加，促进S、H2S、SO反应生成SO2。随着过量空气系数减小，混合气中氧浓度降低，SO2排放略微减少。

2.3 外特性工况下甲醇替代率对非常规排放的影响

图10所示为外特性工况下甲醇替代率对未燃甲醇与甲醛排放的影响规律。纯柴油模式下未燃甲醇和甲醛排放量极低，随转速的变化不明显。双燃料模式下甲醇和甲醛的排放量随甲醇替代率的增加而增多；随着发动机转速升高，甲醇的排放量先减少后略微增多，甲醛排放量逐渐增高，高速工况下甲醛排放增高更显著。发动机转速从1 000 r/min增到3 000 r/min，10%、15%甲醇替代率下甲醛排放量分别增多66.7%和62.5%，未燃甲醇排放量分别减少52.8%和59.6%，中高转速（2 200 r/min）下未燃甲醇排放量最低。

随着转速升高，气体在缸内和排气管中的流动速度增大，甲醛在缸内和排气管中参与反应的时间变短，部分甲醛还未来得及参与反应便被排出[34]，导致中高速工况甲醛排放量增多。当发动机处于低速工况时，柴油喷射量较小，缸内燃烧温度较低，且缸内气流运动减弱，火焰传播速度降低，造成未参与燃烧的甲醇增多。随着转速增高，进气压力和缸内燃烧温度提高，促进甲醇氧化燃烧，未燃甲醇排放量降低。高转速下由于燃烧及时性差，导致未燃甲醇排放量略微升高。

图11a所示为外特性工况下非甲烷总烃排放特性，同一转速下，随着甲醇替代率增大，柴油喷射量减少，且甲醇脱氢反应和氧化反应的自由基产物（OH·）有利于非甲烷总烃的氧化分解，致使非甲烷总烃排放降低，低转速下降幅更加显著。相同甲醇替代率下，随着发动机转速升高，非甲烷总烃排放量减少。15%甲醇替代率下，1 000 r/min时非甲烷总烃排放量较纯柴油模式降低60.6%，3 000 r/min时非甲烷总烃排放纯柴油模式降低81.8%。中、高转速下，缸内燃烧温度较高，有利于非甲烷总烃的分解和氧化。

图11b为外特性工况下甲醇替代率对二氧化碳排放的影响规律。不同甲醇替代率下，二氧化碳排放量随转速的增加而降低，15%甲醇替代率时，发动机转速从1 000 r/min升至3 000 r/min，二氧化碳排放量降低21.4%。同一转速下，随着甲醇替代率的增加，二氧化碳排放降低。甲醇燃料含碳量低，双燃料模式下增加甲醇喷射量，有利于降低碳排放。柴油机在高速运行时，其过量空气系数较低，在很短的时间内要组织良好的混合气及燃烧过程较为困难，燃烧不易完善，故CO和碳烟排放增多，二氧化碳排放量减少。

3 结 论

1）柴油/甲醇RCCI发动机在最大转矩转速、不同负荷工况下未燃碳氢化合物排放量随甲醇替代率的增大而逐渐升高，随负荷的升高而降低。低负荷下，总碳氢排放量随甲醇替代率的增加而急剧升高，负荷率25%、15%甲醇替代率时，总碳氢排放量达到原机的43.6倍；高负荷时，总碳氢排放变化趋缓。

2）纯柴油模式下，未燃碳氢排放量极低，主要成分是芳香烃类（AHC）、非甲烷总烃（NMHC）和乙醛。柴油/甲醇RCCI燃烧模式下，碳氢化合物的主要成分是未燃甲醇（CH3OH）和甲醛（HCHO）。高负荷工况下，碳氢化合物排放浓度较低，其中醛类排放的比例增加。

3）随甲醇替代率增大，甲醇、甲醛、芳香烃碳氢化合物和SO2排放量升高，非甲烷总烃、CO2排放降低。25%负荷、甲醇替代率从0%增加到15%，CO2排放量降低4.5%。100%负荷、30%甲醇替代率时，CO2排放量较纯柴油模式减少6.8%。采用柴油/甲醇RCCI燃烧模式，有利于减少CO2排放。

4）随过量空气系数减小，未燃甲醇、甲醛、非甲烷总烃和SO2排放量降低，CO2排放升高。高负荷下芳香烃碳氢化合物随过量空气系数的减小而升高，低负荷时则变化不明显。柴油/甲醇RCCI模式下，适当关小节气门开度，减小过量空气系数，对降低非常规污染物排放有利。

5）外特性工况下，随发动机转速增加，未燃甲醇、非甲烷总烃、二氧化碳排放降低，甲醛排放增多。15%甲醇替代率时，发动机转速从1 000 r/min升至3 000 r/min，未燃甲醇排放量降低59.6%，非甲烷总烃排放降低81.8%，二氧化碳排放降低21.4%，甲醛排放增加62.5%。不同转速下随着甲醇替代率增加，非甲烷总烃和二氧化碳排放降低，未燃甲醇和甲醛排放量增加。

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Effects of excess air coefficient on non-regulated emissions of diesel/methanol RCCI engines

Huang Fenlian, Tian Maosheng, Wan Mingding, Shen Lizhong, Lei Jilin

(,,650500,)

Reactivity-Controlled Compression Ignition(RCCI) is widely expected as a promising dual fuel low-temperature combustion (LTC) strategy in recent engines. The potential strategy can control the in-cylinder fuel reactivity for the low NO and Particulate Matter (PM) emissions with high thermal efficiency. This study aims to investigate the effects of methanol fraction and excess air coefficient on the non-regulated emissions of diesel engines in RCCI mode under different operating conditions. A bench test was performed on a modified 4-cylinder high-pressure common-rail diesel engine under RCCI combustion. The results showed that the total hydrocarbon emissions increased sharply with the rise of methanol substitution rate, while decreased with the increase of load at 2000 r/min. The unburned methanol accounted for about 90% of total hydrocarbons (THC) emissions under the methanol/diesel dual fuel. The emissions of methanol, formaldehyde (HCHO), aromatic hydrocarbons (AHC), and sulfur dioxide (SO2) increased, whereas, the emissions of non-methane hydrocarbons (NMHC) and carbon dioxide (CO2) decreased, as the methanol substitution rate increased. The CO2emission reduced by 4.5% as the methanol substitution rate increased from 0% to 15% at 25% load, while dropped by 6.8% in the methanol proportion from 0% to 30% at 100% load. The emissions of unburned methanol, formaldehyde, NMHC and SO2decreased, while the CO2emission increased at different load rates with the decrease of excess air coefficient. Under 25% load, the emission of unburned methanol decreased by 16.9%, 12.7%, and 14.5%,while the emissions of formaldehyde reduced by 8.8%, 10.8%, and 10.5%, and the NMHC emissions reduced by 66.7% and 83.3% with 5%, 10% and 15% methanol substitution rate, as the excess air coefficient was reduced from 3.48 to 3.05.Under 100% load condition, the methanol emissions reduced by 45.6%, 45.9%, and 43.9%, and the formaldehyde emissions decreased by 36.5% and 33.3%, while the NMHC emissions dropped by 18.2%, 27.3%, and 60% with 10%, 20%, and 30% methanol, as the excess air coefficient decreased from 1.6 to 1.38. The emission of aromatic hydrocarbons rose with the decrease of excess air coefficient at high load, but the change was not obvious at low load conditions. Therefore, the relatively low excess air coefficient was beneficial to reducing the non-regulated emissions, where the valve opening was used to properly control the in-cylinder fuel reactivity during RCCI mode. The findings can provide a potential theoretical basis to balance the methanol/diesel dual-fuel RCCI combustion and pollutant emissions.

engines; combustion; diesel; methanol; excess air coefficient; non-regulated emissions

黄粉莲，田茂盛，万明定，等. 过量空气系数对柴油/甲醇RCCI发动机非常规排放特性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：52-61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006 http://www.tcsae.org

Huang Fenlian, Tian Maosheng, Wan Mingding, et al. Effects of excess air coefficient on non-regulated emissions of diesel/methanol RCCI engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 52-61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006 http://www.tcsae.org

2021-01-03

2021-04-11

云南省科技计划项目（2019FB073），国家自然科学基金项目（52066008）

黄粉莲，副教授，研究方向为内燃机燃烧与排放控制。Email：429019788@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.006

TK422；TK421+.5

A

1002-6819(2021)-08-0052-10