某柴油-甲醇双燃料重型发动机性能试验研究*

李海庆 殷海红 于翠玉 肖有强

（1-潍坊职业学院机电工程学院 山东 潍坊262737 2-内燃机可靠性国家重点实验室 3-潍柴动力股份有限公司）

引言

传统发动机一般采用柴油作为燃料，特别是重型发动机。近十几年新型燃料发动机发展迅速，其中甲醇也作为一种新型燃料与柴油一起作为发动机的燃料，这种柴油-甲醇组合燃烧（DMCC-Diesel/Methanol Compound Combustion），能够同时降低柴油机碳烟和NOx排放[1]。组合燃烧方式按照发动机运行阶段和运行工况等来选择柴油和甲醇作为燃料，一般发动机在冷启动阶段、暖机阶段和低速及小负荷工况下，发动机仍然采用单一的柴油进行扩散燃烧，而在中负荷工况以后，甲醇从进气管喷入，与空气均匀混合形成预燃混合气，进入气缸后再由柴油进行引燃，从而实现预混合燃烧扩散燃烧。这种燃烧方式不仅可以保持原传统发动机冷启动的优势，又可以减少低速和低负荷工况未燃HC、醛类等有害物的排放，同时也降低中负荷工况碳烟和NOx的排放。但是这种组合燃烧的关键问题是根据发动机不同工况对甲醇喷射量的精确控制。若甲醇喷射过多，会使燃烧温度降低过多，柴油引燃困难，会造成燃烧不充分，未燃HC 排放过多，发动机还会排出大量蓝烟，严重时会造成发动机喘振和熄火；若甲醇喷射过少，导致甲醇的作用降低，达不到降低碳烟和NOx等排放的效果。国内外对柴油-甲醇双燃料发动机试验研究[2-3]、发动机燃烧与排放研究[4-8]以及双燃料整车的推广与应用[9]做了大量的研究，为柴油-甲醇双燃料发动机应用提供了理论基础和研究方向。

1 柴油机试验仪器和设备

1.1 试验用柴油机

试验所用的WP10SM280 柴油-甲醇双燃料发动机是在WD615.50 柴油机基础上开发的，其主要技术参数如表1 所示。它保留了原WD615 系列柴油机的结构特点，增加了燃料共轨管、喷醇器、ECU 等甲醇燃料供给系统。燃料共轨管安装在进气歧管上方，喷醇器安装在燃料共轨管上，再插入进气歧管内，同时进气管的各歧管加长，增加了喷醇器安装孔和燃料共轨管安装孔。

表1 发动机主要技术参数

1.2 试验用测试设备

试验中发动机控制和测试仪器如表2 所示。

表2 发动机控制和测试的仪器

2 试验方法

发动机分别采用纯柴油和柴油-甲醇双燃料进行外特性试验和WHTC 排放试验，对比其动力性、经济性和排放性。其中包括对甲醇的合理控制和燃烧优化，研究分析甲醇燃料的特性对发动机的性能影响。

3 试验结果与分析

3.1 动力性对比分析

如图1 所示，柴油-甲醇双燃料发动机比纯柴油发动机的动力性增加了，特别是低速工况，最高提升5%，使得转矩随转速变化比较小，表现在曲线上比较平坦，转矩储备能力增强。但在2 200 r/min 额定工况两者的转矩大小几乎相同，这是因为在额定转速下由于受到发动机强度的限制，甲醇的喷射量不宜过大，功率增加的幅度也不宜过大。

图1 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机外特性转矩对比图

3.2 经济性对比分析

如图2 所示，在同一工况下，柴油-甲醇双燃料发动机的燃油消耗量比原机的还要小，这是由于柴油-甲醇双燃料发动机向进气道喷射了一定量的甲醇，形成的均质混合气被燃烧的柴油点燃，燃烧充分，燃烧效率增加，做功能力增强，不仅提升发动机动力性，也降低了燃料的消耗量。

图2 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机外特性油耗量对比图

3.3 排放性对比分析

3.3.1 NOx排放对比

对纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机分别进行了WHTC 排放试验，其中NOx的试验结果对比如图3 所示，可以看出，三次WHTC 排放试验NOx排放物都是柴油-甲醇双燃料发动机比纯柴油发动机低。NOx排放物的生成需要三个条件即为高温、富氧和高温的持续时间。柴油-甲醇双燃料发动机由于增加了甲醇这种燃料，而甲醇本身有汽化作用，当在进气管喷入甲醇后，由于甲醇的汽化作用可以降低进气温度，从而降低了缸内最高燃烧温度，打破了NOx排放物生成的高温条件，从而使NOx减少。但同时甲醇又属于含氧燃料，而富氧的条件又有利于NOx排放物的生成。故甲醇的喷射量以及缸内燃烧情况都对NOx排放产生影响。

图3 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机NOx 排放物对比图

第一次WHTC 排放试验结果NOx值比第二次高，这是因为在第二次WHTC 排放试验中增加了甲醇的喷射量，进一步降低了进气温度，使最高燃烧温度下降，从而使NOx排放量减少，NOx排放量由5.6 g/（kW·h）降到5.5 g/（kW·h），下降了1.8%。为了进一步降低NOx排放，在第三次WHTC 排放试验中将喷油提前角由9°CA 降为7°CA，推迟喷油可以降低最高燃烧温度和燃烧压力，使得燃烧变得柔和，从而降低NOx生成量，NOx排放物降为4.8 g/（kW·h），又下降了12.7%。通过合理控制甲醇喷射量和燃烧优化能够有效降低NOx排放物，柴油-甲醇双燃料比纯柴油能够降低NOx排放物高达26%。

3.3.2 HC 和CO 排放对比

纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机的WHTC 排放试验中HC 排放物的对比结果如图4 所示，可以看出，柴油-甲醇双燃料较纯柴油发动机HC 排放物呈现指数倍增加。HC 排放主要是由于不完全燃烧造成的，柴油-甲醇双燃料发动机造成HC 排放增加的原因主要有三点，一是甲醇喷射方式采用连续喷射，一部分甲醇有可能还没来得及参与燃烧就直接被排出；二是进入气缸中的甲醇不能足以被柴油引燃，造成甲醇燃烧不充分；三是由于甲醇的加入使得壁面淬熄、狭隙效应以及润滑油膜的吸附和析出等未燃HC 增多。

图4 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机HC 排放物对比图

CO 排放物的对比结果如图5 所示。从试验结果可以看出，柴油-甲醇发动机CO 的排放明显高于纯柴油发动机，这是因为纯柴油发动机的柴油在燃烧时，其中的碳首先生成CO 排放物，在有足够的氧、温度及反应条件下，CO 氧化生成CO2，而柴油-甲醇发动机在喷射甲醇后由于甲醇汽化作用，使得气缸内气体温度降低，氧化作用变弱，从而使CO 排放升高。

图5 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机CO 排放物对比图

基于柴油-甲醇发动机对HC 和CO 排放增加太大，在排气管后加装后处理器（氧化催化转化器），验证能否通过后处理器降低HC 和CO 的排放。如图6和图7 所示，通过加装后处理器可以有效地降低HC和CO，其中HC 的降低非常明显，故柴油-甲醇发动机HC 和CO 的排放可以通过后处理器来降低。

图6 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机带后处理HC 排放物对比图

图7 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机带后处理CO 排放物对比图

3.3.3 PM 排放对比

纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机的WHTC 排放试验中PM 排放物的对比结果如图8 所示，柴油-甲醇双燃料发动机能有效降低PM，最高达45%。这是因为柴油-甲醇发动机和纯柴油发动机相比，增加了有汽化能力的甲醇，可以有效降低缸内最高温度，从而降低PM 排放；同时甲醇属含氧燃料，增加与碳燃烧的机率，有利于阻止PM 的生成。

图8 纯柴油和柴油-甲醇双燃料发动机PM 排放物对比图

4 结论

通过对纯柴油发动机和柴油-甲醇双燃料发动机的动力性、经济性及WHTC 排放试验结果对比，得到以下结论：

1）与纯柴油发动机相比，柴油-甲醇双燃料发动机不仅能够提高低转速工况的转矩，还降低了燃料消耗量，在提高动力性的同时，还保证了发动机的经济性。

2）与纯柴油发动机相比，柴油-甲醇双燃料发动机能够同时降低NOx和PM 排放物，NOx排放物能下降26%，PM 排放下降45%。

3）与纯柴油发动机相比，柴油/甲醇双燃料发动机HC 和CO 排放物有了很大的提高，但可以通过在排气管后加装后处理器（氧化催化转化器）可以有效的降低HC 和CO 排放。