不同海拔下甲醇替代率对DMDF发动机性能的影响

王 建，王 斌，尹必峰

不同海拔下甲醇替代率对DMDF发动机性能的影响

王 建，王 斌，尹必峰

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

为了探究甲醇进气道喷射的柴油甲醇二元燃料（Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF）发动机在不同海拔条件下的燃烧和排放特性，该研究通过自行设计的内燃机高原大气状态模拟系统，试验研究了DMDF发动机A、B、C工况（A：1 200 r/min，50%负荷；B：1 800 r/min，50%负荷；C：2 200 r/min，50%负荷）在10、700和2 400 m海拔高度下的燃烧和排放特性随甲醇替代率的变化规律。通过标定试验，得出3个工况在各海拔高度下甲醇替代率的最大值。结果表明：相比纯柴油（D100），各海拔下的甲醇替代率达到最大值时，A、B、C工况下缸内最大压力增加了5.74%～26.14%，预混燃烧峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值对应的曲轴转角后移了1.5～5.0 °CA，压力升高率最大值增加了49.99%～211.97%，压力升高率上升段曲线逐渐由双峰变为单峰，缸内最高温度升高了3.99%～8.53%，海拔越高趋势越明显。与D100相比，不同海拔高度下最大甲醇替代率时，A、B、C工况下的滞燃期延长了1.00～2.50 °CA，燃烧持续期缩短了9.80～15.30 °CA，燃烧重心前移了2.10～7.90 °CA。D100时热效率随海拔高度的升高而降低，但甲醇替代率增加至最大值时，各工况在不同海拔条件下的热效率比D100时提高了0.64%～1.82%。不同海拔高度下，3个工况的峰值压力和平均有效压力的循环变动系数均随甲醇替代率的增加而增加，但在高转速、高甲醇替代率时（＞30%），同一甲醇替代率下平均有效压力的循环变动系数随海拔高度的增加出现下降趋势，峰值压力和平均有效压力的循环变动系数的数值均在0.6%～3.5%之间。当甲醇替代率达到最大值时，对比D100，各海拔高度下soot排放降低了26.94%～74.05%，NOX排放降低了4.23%～37.97%。高原环境下，合适的甲醇替代率可优化DMDF发动机的缸内燃烧过程并提升热效率，同时较大幅度降低soot和NOX排放。各海拔高度下，发动机可采用较大的甲醇替代率（≤50%）以改善缸内燃烧过程，提高动力性，并实现高海拔条件下发动机的高效清洁燃烧。

柴油机；燃烧；排放；甲醇；海拔

0 引 言

中国地域辽阔，海拔梯度分布明显。海拔超过1 000 m的土地面积占国家领土总面积的58%，其中青藏高原的平均海拔达到了4 500 m[1]。随着海拔的升高，大气压力不断下降，空气密度降低，导致发动机进气量减少[2]。柴油机在高原地区运行时，燃烧过程恶化，柴油机动力性、经济性和排放性降低[3]。此外，国六轻型汽车排放法规增加了高海拔控制条件，对柴油机在高原地区的排放提出了更严格的要求[4]。因此，高原环境下柴油机性能降低的问题亟待解决。

为改善高原环境下柴油机的环境适应性问题，除了高压共轨燃油喷射系统、多级增压等技术措施外[5-6]，含氧燃料备受关注，其中，甲醇碳含量低、氧含量高，被认为是最具前途的低碳清洁燃料[7-8]。中国是世界上最大的甲醇生产国，制备工艺成熟，截至2020年8月，甲醇累计产量达4 414.5万吨，占全球一半以上。2019年3月，工信部等发布《关于在部分地区推广应用甲醇汽车的指导意见》，明确提出“三个鼓励和支持”意见[9]。综合中国“多煤少油缺气”的资源特点和甲醇的燃料特性，推广甲醇燃料的应用，不仅可调节国内的能源结构，更有助于推动能源绿色循环发展，实现“碳中和”[10]。

姚春德等[11-12]对甲醇在柴油机上的应用进行了研究，采用进气道喷射甲醇、缸内喷射柴油的混合气形成和燃烧组织方式，可提高甲醇使用比例，实现柴油和甲醇2种燃料的协同燃烧，称为柴油/甲醇二元燃料（Diesel Methanol Dual Fuel，DMDF）模式。采用该燃烧模式后缸内燃烧过程会发生明显的变化，相对于柴油机，DMDF发动机动力性增强，燃料经济性得到改善[13]。Chen等[14]通过试验发现，中高负荷时低甲醇替代率下的峰值压力循环变动系数变化小，当甲醇替代率进一步增加时，缸内峰值压力出现显著上升。王忠等[15]通过进气预混甲醇/柴油双燃料发动机的燃烧试验发现，高负荷时，随着甲醇比例的增大，最大爆发压力和放热率峰值明显增加，缸内平均温度略有升高。姬长峰[16]进行了柴油机高原甲醇补氧研究，发现甲醇在燃烧中有自供氧效应，其较高的汽化潜热具有增加工质密度的作用，从而改善燃烧过程并提高柴油机的动力性、排放性和经济性。

已有研究表明，DMDF对改善发动机的动力性、燃油经济性和热效率具有重要作用。然而，这些研究主要集中在海拔不超过50 m的平原地区，DMDF发动机在海拔超过500 m的高原环境下缸内燃烧过程与排放的试验研究极少。因此，本文对DMDF发动机在700和2 400 m高海拔条件下不同甲醇替代率对缸内燃烧特性、有效热效率及排放的影响规律进行试验研究，以期为DMDF发动机在高海拔地区工作时缸内工作过程优化、性能提升提供参考。

1 试验系统与方案

1.1 试验装置与测试仪器

试验样机为4G33TC高压共轨、增压中冷柴油机，主要技术参数如表1所示。进气歧管上安装4个甲醇喷嘴，甲醇通过喷嘴顺序喷射与进气形成甲醇-空气的预混气后进入气缸，由缸内直喷的柴油引燃，以实现柴油/甲醇二元燃料燃烧。海拔高度的增加对大气压力、空气密度和大气温度都会产生影响，其中大气压力的变化最为明显，对柴油机燃烧过程的影响最大，故内燃机高原大气状态模拟试验系统主要对内燃机的进、排气压力进行模拟[17]。课题组自行设计的试验系统通过进气节流和排气抽真空的方式模拟了高海拔地区大气压力[18]，控制精度在±5%。试验台架如图1所示。试验设备主要包括湖南湘仪动力测试仪器有限公司生产的CAC75型电力测功机、FC2210型燃油耗仪，AVL 365C型角标仪，AVL 622型燃烧分析仪，KISTLER 5011B型电荷放大器，KISTLER 6056A型缸压传感器等，甲醇由改装过的杭州中成测试设备有限公司生产的MCS-960型燃油耗仪测得。NOX和soot排放分别由HORIBAMEXA 7200D尾气分析仪与AVL 415s滤纸烟度计测得。试验设备的量程和精度如表 2所示。

表1 试验发动机基本参数

表2 试验设备量程与精度

1.2 试验方案

试验使用内燃机高原大气状态模拟试验系统分别模拟海拔高度为10、700、2 400 m处的大气状态。其中，10 m为试验所在地的海拔高度，700和2 400 m分别为国六轻型汽车排放法规中规定的普通海拔条件和进一步扩展海拔条件。高海拔时大气压力由公式（1）计算，可得700和2 400 m海拔高度处的大气压力分别为93.2和75.6 kPa。

为确保数据准确性，试验前对所有试验设备进行标定校准。试验首先测量10 m海拔时的纯柴油和DMDF模式下的各项数据，然后调整进气节流阀获取不同海拔高度下的进气压力，重复试验，待发动机机油温度稳定且冷却水温度达到80 ℃后，采集每个甲醇替代率下的缸内压力、燃油消耗量和排放数据，并计算平均值作为最终数据。试验过程中，室内的环境温度及湿度基本保持不变，环境温度为23～25 ℃，大气相对湿度为62%～65%。

DMDF发动机的柴油和甲醇喷射分别由各自的电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）独立控制，甲醇ECU通过采集发动机凸轮轴及曲轴位置传感器信号并由CAN通讯获得发动机柴油喷射参数，进而实现与柴油喷射的协同控制。通过调整甲醇喷射脉宽控制甲醇喷射量，柴油和甲醇均为单次喷射。DMDF发动机的喷射参数如表3所示。

表3 DMDF发动机喷射参数

本文引入甲醇替代率（Methanol Substitution Rate，MSR）这一参数对甲醇替代柴油的情况进行定量描述，具体定义如公式（2）所示[19]。

相关研究表明，甲醇替代率过高时，DMDF发动机在高速重载时会爆震[20]，DMDF模式的最佳工作区位于各转速的中等负荷工况。因此，试验工况选择1 200 r/min、50%负荷，1 800 r/min、50%负荷，2 200 r/min、50%负荷，分别记为工况A、工况B和工况C。压力升高率大于1.0 MPa/°CA时认为达到发动机的设计强度极限，停止甲醇替代率的增加。通过标定试验，得出不同工况在各海拔高度下的最大甲醇替代率。A、B、C工况下的最大甲醇替代率在10 m海拔时分别为40%、50%和50%，700 m海拔时分别为40%、50%和50%，2 400 m海拔时分别为40%、40%和50%。将纯柴油记为D100，甲醇替代率为10%、20%、30%、40%和50%时分记为M10、M20、M30、M40和M50。试验方案及试验条件如表4所示。

表4 试验方案与条件

2 结果与分析

2.1 燃烧特性

图2为在不同海拔下甲醇替代率对DMDF发动机各工况的缸内压力及放热率的影响。可以看出，各海拔下随着甲醇替代率的增加，缸内压力和放热率在A、B、C工况下的变化趋势一致：缸内燃烧压力峰值增加了5.74%～26.14%，预混燃烧峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值对应的曲轴转角后移了1.5～5.0 °CA，扩散燃烧峰峰值降低，放热率曲线由双峰向单峰转变，海拔越高趋势越明显。以工况B为例，甲醇替代率达到最大值时，对比D100，各海拔高度下的缸内最大燃烧压力分别增加了11.86%、21.52%和24.27%，对应的曲轴转角分别提前了约2.8、2.9和3.4 °CA，各海拔高度下的预混燃烧峰峰值分别增加了224.18%、234.83%和176.26%，对应的曲轴转角分别后移了约2.0、1.5、2.0 °CA。甲醇的高汽化潜热降低了进气温度，延长了滞燃期，导致着火推迟，使预混燃烧峰峰值对应的相位后移。滞燃期的延长提高了缸内混合气的均匀度，预混燃烧量增加，燃烧速率上升，且甲醇的火焰传播速度快于柴油，一旦柴油被压燃，缸内的甲醇几乎与柴油同时燃烧，放热率急剧升高，放热更集中。此外，随着甲醇替代率的增加，柴油喷射量相应减少，使扩散燃烧减少，且海拔高度的增加延长了滞燃期，进一步提高了预混燃烧量，增加了燃烧等容度，加快了火焰的传播速度，有利于高海拔条件下混合燃料燃烧热量的释放和燃烧热量利用率的提高，从而使得高海拔条件下随着甲醇替代率的增加，缸内压力显著提高。

图3为不同海拔高度下各工况的压力升高率随甲醇替代率的变化情况。可以看出，不同海拔高度下，随着甲醇替代率的增加，A、B、C工况下的压力升高率最大值均大幅增加，增幅为49.99%～211.97%，压力升高率上升段曲线逐渐由双峰变为单峰，海拔越高趋势越明显。以工况B为例，各海拔高度下，当甲醇替代率达到最大值时，压力升高率最大值分别为0.66、0.88和0.99 MPa/°CA，对比D100，分别增加了205.36%、211.97%和176.03%，最大值对应的曲轴转角均后移了约2 °CA。在高海拔地区，燃油的理化特性对压力升高率有显著影响。甲醇汽化潜热高，在高海拔条件下，当甲醇替代率升高时，滞燃期进一步延长，预混燃烧比重进一步增加。此外，甲醇的火焰传播速度较柴油更快，着火界限更宽（体积分数为6.7%～36.5%），在高海拔进气量减小的情况下仍可快速燃烧。因此，DMDF发动机在高海拔、高替代率情况下，放热更加迅速、集中，使压力升高率的峰值大幅升高，对应曲轴转角后移。

图4为各海拔高度下，DMDF发动机缸内温度随甲醇替代率的变化情况。由图4可知，随着甲醇替代率的增加，各海拔高度下A、B、C工况的缸内最高温度均不断升高，相同甲醇替代率下，海拔越高，缸内最高燃烧温度越大。当各海拔下的甲醇替代率达到最大值时，工况A下缸内最高温度分别达1 576、1 687和1 883 K，对比D100，分别增加了6.10%、6.16%和7.60%，工况B下分别增加了3.99%、4.67%和4.89%，工况C下分别增加了6.17%、6.43%和8.53%，海拔越高，上升幅度越大。预混放热量增加是缸内最高温度上升的主要原因。高海拔条件下发动机进气量减少，滞燃期延长，预混燃烧放热量进一步增加，导致缸内最高温度较10 m海拔时更高。

不同海拔高度下甲醇替代率对DMDF发动机缸内燃烧的滞燃期、燃烧持续期和燃烧重心的影响图5所示。定义燃烧始点为CA05，燃烧重心为CA50，滞燃期为喷油始点与CA05之间的曲轴转角，燃烧持续期为CA05和CA90之间的曲轴转角，其中CA05、CA50和CA90分别代表累计放热量占总放热量的5%、50%和90%所对应的曲轴转角。

从图5可以看出，在各海拔高度下，当甲醇替代率逐渐增加至最大值时，对比D100，A、B、C工况下的滞燃期延长了1.00～2.50 °CA，燃烧持续期缩短了9.80～15.30 °CA，且CA50前移了2.10～7.90 °CA。以工况B为例，对比D100，当甲醇替代率达到最大值时，各海拔高度下的滞燃期分别延长了1.75、1.80和1.45 °CA，燃烧持续期分别缩短了10.95、13.45和14.05 °CA，CA50分别提前了5.80、7.45和7.90 °CA。10 m海拔时，甲醇汽化潜热高，降低了进气温度，使得滞燃期延长，期间形成了更多均质混合气，造成预混燃烧量增加，放热更迅速，最终导致CA50提前，燃烧持续期缩短。海拔升高时，进气量减小，上止点附近的缸内压力、缸内温度的降低减缓了燃料的燃烧速度，导致滞燃期进一步延长，燃烧持续期延长。甲醇替代率的增加使得放热更推后，滞燃期内形成了更多的均质混合气，进一步扩大了预混燃烧比例。同时，甲醇汽化潜热高，增加了进气密度。作为含氧燃料，甲醇燃烧时分解出化学氧，改善了燃烧过程。此外，甲醇火焰传播速度快，甲醇替代率的提高加快了燃料整体燃烧速度，使得更多的燃料在预混燃烧阶段氧化放热，因此，高海拔条件下放热更加集中、迅速，CA50进一步提前。

2.2 有效热效率

为计算DMDF模式下的有效热效率（Brake Thermal Efficiency, BTE），将甲醇消耗率换算成相同热值下的柴油消耗率，得出等效比油耗BSFCDMDF，再计算出BTE。BSFCDMDF和BTE的定义分别如式（3）和式（4）所示[20]。

图6所示为不同海拔高度下发动机有效热效率随甲醇替代率的变化情况。各海拔高度下，随着甲醇替代率的增加，A、B、C工况的有效热效率均逐渐提高。对比D100，各海拔高度下，当甲醇替代率达到最大值时，工况A下有效热效率分别提高了1.35%、0.72%和1.35%，工况B下分别提高了1.06%、1.46%和0.97%，工况C下则分别提高了0.83%、0.64%和1.82%。主要原因如下：1）甲醇汽化潜热高，降低了进气温度，延长了滞燃期，预混燃烧量随甲醇替代率的增加而增加；2）DMDF模式下，甲醇与空气在进气歧管已形成均质混合气，且柴油喷射量的减少降低了扩散燃烧比例，进一步增强了混合气均质压燃的趋势，改善了燃烧过程；3）甲醇燃烧速度比柴油快，有利于燃料充分燃烧，燃烧持续期的缩短减少了散热时间，提高了燃料燃烧效率。

海拔高度的增加导致发动机进气量减少，混合气质量变差，燃烧恶化，工质做功能力降低。甲醇替代率的增加替换了部分柴油，减少了缸内混合气过浓区域，提高了缸内可燃混合气均匀度，且甲醇的着火极限较柴油更宽，缓解了燃烧恶化的情况。因此，甲醇提高发动机热效率的潜力在高海拔地区更加明显。

2.3 循环变动系数

图7为不同海拔高度下，峰值压力循环变动系数（COVPP）和平均有效压力循环变动系数（COVIMEP）随甲醇替代率的变化情况。随着甲醇替代率的增加，A、B、C工况下的循环变动系数在各海拔高度下的变化趋势相似。以工况B为例，海拔为700 m时，相比D100，当甲醇替代率达到M50时，COVPP由1.13%增大至2.61%，COVIMEP由0.81%增大至1.34%。高海拔情况下甲醇替代率的增加使滞燃期进一步延长，燃烧始点推迟，预混燃烧量增加，导致缸内最大燃烧压力和最大压力上升率大幅增加，可能造成发动机运转粗暴，且甲醇的十六烷值较小，燃料的着火性差[21]，抑制了高海拔情况下柴油的着火，这些因素最终共同导致COVPP和COVIMEP增大。然而，当甲醇替代率超过30%时，随着海拔的升高，同一甲醇替代率下的COVIMEP降低。以工况B下的M40为例，各海拔高度下的COVIMEP分别为1.64%（10 m）、1.27%（700 m）和1.09%（2 400 m）。高海拔条件下甲醇替代率的升高进一步增加了预混燃烧量，加快了燃烧速度，改善了燃烧过程，从而提高了燃烧过程的可重复性[22]。研究表明，发动机正常运行时COVPP的最大限值为2%～5%，COVIMEP的最大值为2%～5%[23]。A、B、C工况在各海拔条件及甲醇替代率下的COVPP和COVIMEP的值均可控制在0.6%～3.5%之间。这意味着高原环境下DMDF发动机运行稳定。

2.4 NOX与soot排放

如图8所示，各海拔高度下A、B、C工况下的NOX和soot排放随着甲醇替代率增加均不断降低。相比D100，当不同海拔高度下的甲醇替代率达到最大值时，soot排放在A、B、C工况下的降低幅度分别为41.46%～74.05%、35.54%～58.32%和26.94%～70.00%，NOX排放在各工况下的降低幅度分别为4.23%～35.44%、8.97%～25.59%和13.23%～37.97%。缸内温度、氧浓度和高温持续时间是NOX生成的主要因素；对于soot，高温缺氧是其生成的主要因素[24]。甲醇替代率的增加替代了更多的柴油，从源头上减少了soot的生成，且甲醇汽化潜热高、燃烧速度快，减少了缸内局部高温区域，缩短了燃烧持续期，从而减少了高温持续时间。此外，高海拔条件下进气充量减少，但甲醇作为含氧燃料燃烧后生成化学氧，且高海拔条件下预混燃烧量进一步增加，因此，缸内燃烧过程得到改善，对降低soot排放起到显著效果。相比氧浓度，温度对NOX的生成的影响更大，甲醇替代率的增加延长了滞燃期，增加了预混燃烧比例，加快了燃烧速率，缸内最高燃烧温度升高（见图5），从而促进NOX的生成；但燃烧持续期和高温持续时间的缩短抑制了NOX的生成。此外，当海拔升高时，缸内平均温度进一步升高，缸内高温环境对NOX生成的促进作用增加，弱化了甲醇冷却效应与燃烧持续期缩短对NOX生成的抑制作用。因此，随着甲醇替代率的增加，各工况下的NOX排放NOX排放量降低但下降趋势逐渐平缓，且高海拔条件下NOX排放下降幅度较10 m海拔时减小。综上所述，甲醇替代率的增加可同时降低NOX和soot排放，有效缓解了高海拔下柴油机NOX和soot排放的trade-off关系进一步恶化的情况。

3 结 论

通过内燃机高海拔大气状态模拟系统，试验研究了DMDF发动机在A、B、C工况（A：1 200 r/min，50%负荷；B：1 800 r/min，50%负荷；C：2 200 r/min，50%负荷），不同甲醇替代率对10、700以及2 400 m海拔高度时缸内工作过程和排放的影响规律，得到以下主要结论：

1）相比纯柴油（D100），当各海拔条件下的甲醇替代率达到最大值时，A、B、C工况下的缸内最大压力增加了5.74%～26.14%，预混燃烧峰峰值增加了116.98%～234.83%，峰值对应的曲轴转角后移了1.5～5.0 °CA，预混燃烧量增大，压力升高率最大值增加了49.99%～211.97%，压力升高率上升段曲线逐渐由双峰变为单峰，缸内最高温度升高了3.99%～8.53%，海拔越高趋势越明显。

2）各海拔条件下，当甲醇替代率达到最大值时，对比D100，A、B、C工况下的滞燃期延长了1.00～2.50 °CA，燃烧持续期缩短了9.80～15.30 °CA，CA50前移了2.10～7.90 °CA，有效热效率提高了0.64%～1.82%；峰值压力和平均有效压力的循环变动系数随甲醇替代率的增加而增大，海拔越高增幅越大，均在0.6%～3.5%之间，发动机运行稳定。

3）A、B、C工况下，相比D100，当各海拔高度下的甲醇替代率达到最大值时NOX排放下降了4.23%～37.97%，soot排放下降了26.94%～74.05%，甲醇替代率的增加可使发动机在不同海拔下的NOX和soot排放同时降低。

综上可知，各海拔高度下，甲醇在柴油机上的应用有利于改善缸内燃烧过程，提高热效率。采用较大的甲醇替代率（≤50%）可在保证发动机稳定运行的前提下实现高海拔条件下发动机的高效清洁燃烧。

[1] 刘瑞林. 柴油机高原环境适应性研究[M]. 北京：北京理工大学出版社，2013：22-26.

[2] 刘少华，申立中，毕玉华，等. 燃料含氧量在不同海拔下对柴油机性能的影响[J]. 内燃机学报，2012，30(4)：316-321.

Liu Shaohua, Shen Lizhong, Bi Yuhua, et al. Influence of fuel oxygen content on performance of diesel engine in different altitude regions[J]. Transactions of CSICE, 2012, 30(4): 316-321. (in Chinese with English abstract)

[3] 颜文胜，申立中，雷基林，等. 不同大气压力和乙醇/柴油混合掺比对柴油机性能和排放的影响[J]. 内燃机学报，2007，25(6)：539-544.

Yan Wensheng, Shen Lizhong, Lei Jilin, et al. Effects on performance and emissions of a turbocharged diesel engine under different atmospheric pressure and diesel/ethanol fraction[J]. Transactions of CSICE, 2007, 25(6): 539-544. (in Chinese with English abstract)

[4] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段): GB 18352.6—2016[S]. 北京：中国环境科学出版社，2016.

[5] 倪计民，刘越，石秀勇，等. 可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能[J]. 农业工程学报，2016，32(16)：82-88.

Ni Jimin, Liu Yue, Shi Xiuyong, et al. Variable nozzle turbine combined with venturi exhaust gas recirculation system improving emission performance of diesel engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 82-88. (in Chinese with English abstract)

[6] 焦宇飞，刘瑞林，张众杰，等. 高原环境条件下柴油机增压与喷油参数协同优化[J]. 农业工程学报，2019，35(17)：66-73.

Jiao Yufei, Liu Ruilin, Zhang Zhongjie, et al. Optimization of supercharger and injection parameters for diesel engine at plateau environment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 66-73. (in Chinese with English abstract)

[7] Wei L J, Yao C D, Han G P, et al. Effects of methanol to diesel ratio and diesel injection timing on combustion, performance and emissions of a methanol port premixed diesel engine[J]. Energy, 2016, 95: 223-232.

[8] 张学敏，李芳，葛蕴珊，等. 甲醇柴油与生物柴油醛酮类排放物的研究[J]. 农业工程学报，2012，28(8)：247-251.

Zhang Xuemin, Li Fang, Ge Yunshan, et al. Research on carbonyl compound emission of methanol-diesel fuel and bio-diesel fuel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 247-251. (in Chinese with English abstract)

[9] 工业和信息化部，发展改革委，科技部，等. 关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见[J]. 中华人民共和国国务院公报，2019(19)：58-60.

[10] 凌振国. 实现碳中和将为我国高质量发展注入强劲动力[N]. 人民政协报，2020-12-24(5). http://www.rmzxb.com.cn/c/ 2020-12-24/2744712.shtml

[11] 姚春德，李云强，王银山，等. 用扩散及准均质混合气压燃的组合燃烧降低柴油机碳烟与NOX排放的研究[J]. 内燃机学报，2004，22(4)：310-316.

Yao Chunde, Li Yunqiang, Wang Yinshan, et al. Study on reduction of PM and NOXby compound combustion of diffusion combined with quasi-HCCI[J]. Transactions of CSICE, 2004, 22(4): 310-316. (in Chinese with English abstract)

[12] Pan W, Yao C D, Han G P, et al. The impact of intake air temperature on performance and exhaust emissions of a diesel methanol dual fuel engine[J]. Fuel, 2015, 162: 101-110.

[13] Liu H F, Ma G X, Hu B, et al. Effects of port injection of hydrous ethanol on combustion and emission characteristics in dual-fuel Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) mode[J]. Energy, 2018, 145: 592-602.

[14] Chen Z F, Yao C D, Wang Q G, et al. Study of cylinder-to-cylinder variation in a diesel engine fueled with diesel/methanol dual fuel[J]. Fuel, 2016, 170: 67-76.

[15] 王忠，李仁春，张登攀，等. 甲醇/柴油双燃料发动机燃烧过程分析[J]. 农业工程学报，2013，29(8)：78-83.

Wang Zhong, Li Renchun, Zhang Dengpan, et al. Combustion process analysis of methanol/diesel dual fuel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 78-83. (in Chinese with English abstract)

[16] 姬长锋. 机车柴油机高原甲醇补氧方法探讨[J]. 内燃机车，2000(1)：31-34.

Ji Changfeng. A study of locomotive diesel engines burning methanol to add oxygen in plateau[J]. Railway Locomotive and Motor Car, 2000(1): 31-34. (in Chinese with English abstract)

[17] 尹升，毕玉华，申立忠，等. 不同海拔下VGT对含氧燃料柴油机性能的影响[J]. 内燃机工程，2018，39(4)：1-8.

Yin Sheng, Bi Yuhua, Shen Lizhong, et al. Effect of VGT on diesel engine performance using oxygenated fuel at different altitudes[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2018, 39(4): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[18] Wang J, Yuan J S, Liu S J, et al. Controlling emissions and correcting power of non-road naturally aspirated diesel engine operating at high altitude[J]. J. Energy Eng. 2019, 145(6): 04019025.

[19] 刘军恒. 满足国Ⅳ排放法规的DMCC柴油机及其道路试验研究[D]. 天津：天津大学，2014.

Liu Junheng. Experimental Study on DMCC Engine for Conforming Euro IV Emission Standard and Its Road Running Test[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[20] Wang Q G, Wei L J, Wang P, et al. Investigation of operating range in a methanol fumigated diesel engine[J]. Fuel, 2015, 140: 164-170.

[21] Wang Q G, Wang B, Yao C D, et al. Study on cyclic variability of dual fuel combustion in a methanol fumigated diesel engine[J]. Fuel, 2015, 164: 99-109.

[22] Arkadiusz J, Wojciech T, Renata G, et al. Comparative analysis of the combustion stability of diesel-methanol and diesel-ethanol in a dual fuel Engine[J]. Energies, 2019, 12(6): 971-983.

[23] Heywood J B. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. 2nd ed. New York: McGraw-Hill Education, NY, USA, 2018.

[24] 刘少华，申立中，毕玉华，等. 高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(13)：53-59.

Liu Shaohua, Shen Lizhong, Bi Yuhua, et al. Effects of biofuels on performance and emissions of diesel engine under high-altitude hypoxic condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(13): 53-59. (in Chinese with English abstract)

Effects of methanol substitution rate on the performance of DMDF engine at different altitudes

Wang Jian, Wang Bin, Yin Bifeng

(,,212013,)

A high-altitude environment has posed a great challenge to the performance of conventionaldiesel engines. The reduction of intake thin air can lead to the deterioration of the combustion process, when the diesel engine is operating at a high altitude. Particularly, the power performance and thermal efficiency can be reduced significantly during this time, together with the much larger emissions of the diesel engine. Meanwhile, more stringent requirements have been released for the emission of diesel engines at a high altitude under the control conditions in China’s Stage 6 Emission Standard of light-duty vehicles. Therefore, much more attention has been paid to methanol fuel, in order to improve the performance of diesel engines at a high altitude, particularly considering the most promising low-carbon clean fuel. This study aims to investigate the influence of methanol substitution percentage (MSP) on combustion characteristics in a diesel/methanol dual fuel (DMDF) engine at a high altitude. A systematic experiment was also performed with a high-pressure common rail diesel engine. Methanol was injected into the intake manifold through a methanol nozzle mounted on the intake manifold in the diesel engine. Three working conditions of A, B, and C were selected, where the working condition A: the speed of 1 200 r/min, 50% load; the working condition B: the speed of 1 800 r/min, 50% load; the working condition C: the speed of 2 200 r/min, 50% load. A high-altitude atmosphere testing system was designed for the experimental environment of three altitudes, including 10, 700, and 2 400 m. The in-cylinder pressure, fuel consumption, and emissions were also measured during the process. Some key combustion parameters were calculated according to the data of in-cylinder pressure, such as the heat release rate, pressure rise rate, and combustion duration. Correspondingly, the maximum MSP was obtained under the three working conditions at the three altitudes in the calibration test. The results showed that the maximum in-cylinder pressure increased 5.74%-26.14%, compared with diesel (D100), when the MSP of three working conditions reached the maximum at the three altitudes. The first peak value of heat release rate increased 116.98%-234.83% at various altitudes with the increment of MSP, where the crank angle was postponed by 1.5-5.0 °CA. At the same time, the premixed combustion proportion expanded significantly. Furthermore, the variation in the pressure rise rate was similar to that in the heat release rate. The maximum pressure rise rate increased by 49.99%-211.97%, while the curve of pressure rise rate gradually changed from double peak to single peak. The maximum in-cylinder temperature increased 3.99%-8.53% at the three altitudes, compared with D100, when the MSP reached the maximum. It infers that the increase of in-cylinder temperature was greater, as the altitude increased. A combination of parameters was achieved under the maximum MSP of three working conditions, where the ignition delay period was extended by 1.00-2.50 °CA, while the combustion duration was shortened by 9.80-15.30 °CA, and the combustion center was advanced by 2.10-7.90 °CA, indicating the rise of altitude further aggravated this tendency. In addition, the brake thermal efficiency (BTE) increased by 0.64%～1.82%. The coefficient of variation (CV) of peak in-cylinder pressure (COVPP), and indicated mean effective pressure (COVIMEP) also increased with the increment of MSP at different altitudes and working conditions. There was a downward trend of COVIMEPat the same MSP, with the increment of altitude at a high speed and high MSP (>30%). Both COVPPand COVIMEPcould also be controlled between 0.6% and 3.5% during the process. The soot decreased by 26.94%-74.05%, while the NOXemission decreased by 4.23%-37.97% at different altitudes, compared with D100, when the MSP reached the maximum. An optimal MSP was achieved for the in-cylinder combustion of the DMDF engine, thereby improving the thermal efficiency and greatly decreasing the soot and NOXemission simultaneously at high altitudes. The DMDF engine can be expected to apply for a large methanol substitution percentage (≤50%), to improve the combustion process in the cylinder at different altitudes. The finding can contribute to the power performance in the high efficiency, further to clean the combustion of engines at high altitudes.

diesel engine; combustion; emissions; methanol; altitude

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007

TK421

A

1002-6819(2021)-10-0054-10

王建，王斌，尹必峰.不同海拔下甲醇替代率对DMDF发动机性能的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：54-63.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007 http://www.tcsae.org

Wang Jian, Wang Bin, Yin Bifeng. Effects of methanol substitution rate on the performance of DMDF engine at different altitudes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 54-63. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.007 http://www.tcsae.org

2021-01-10

2021-05-06

江苏省高校优势学科建设工程资助项目（苏证办发[2015]）；江苏重点研发计划项目（BE201518）

王建，副教授，研究方向为中小功率内燃机工作过程与性能优化。Email：wangjian@mail.ujs.edu.cn