杜家益，陸永佳，張偉勛，張登攀，袁銀男，徐 毅

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南通大學 機械與工程學院，江蘇 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技術中心，江蘇 常州 213002)

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柴油機進氣預混甲醇燃燒特性的試驗研究

杜家益1，陸永佳1，張偉勛1，張登攀1，袁銀男2，徐 毅3

(1. 江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 南通大學 機械與工程學院，江蘇 南通 226019；3. 常柴股份有限公司 技術中心，江蘇 常州 213002)

對一臺渦輪增壓柴油機進行了改造，實現(xiàn)了柴油機進氣預混甲醇雙燃料燃燒。利用MATLAB軟件編寫了基于實測氣缸壓力的雙燃料發(fā)動機放熱規(guī)律計算程序，并對柴油機進氣預混甲醇進行了試驗研究。結果表明：在低轉速全負荷和高轉速中低負荷時，隨著甲醇摻燒比的增加，柴油滯燃期延長，預混燃燒比例增大，放熱率峰值增高，燃燒持續(xù)期縮短；在高轉速大負荷時，較大的甲醇摻燒比會造成放熱始點的大幅提前，放熱率呈現(xiàn)多個峰值，出現(xiàn)了壓力波動；適當推遲供油可以推遲放熱始點并降低放熱率峰值和最大壓力升高率。

車輛工程；柴油機；甲醇；放熱規(guī)律；燃燒特性

近年來，隨著節(jié)能減排要求的日益嚴格，發(fā)動機清潔代用燃料研究得到重視。與其他代用燃料相比，甲醇具有來源豐富、成本低、排放低等優(yōu)點[1]。將甲醇作為代用燃料是解決我國石油資源短缺的一條有效途徑。為了實現(xiàn)甲醇在柴油機上的燃燒，可采用的方法主要有乳化法、助燃法、直接壓燃法、柴油引燃法等[2-5]。

與柴油相比，甲醇汽化潛熱大，十六烷值低，燃燒速度快[6]，摻燒甲醇后柴油機燃燒過程有很大改變，因此有必要對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機的燃燒特性進行分析。目前針對甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機放熱規(guī)律的計算大多采用通用的柴油機計算程序，不能準確反映甲醇/柴油雙燃料燃燒的放熱規(guī)律。因此，筆者針對柴油引燃進氣預混甲醇的燃燒方式，編寫了能反映其放熱規(guī)律的計算程序，分析了進氣預混甲醇柴油機的燃燒特性，為甲醇在柴油機上的應用提供了指導意義。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

筆者采用進氣預混甲醇的摻燒方式[7]，對常柴4B26渦輪增壓柴油機進行了改造，在進氣歧管靠近進氣門處安裝4個甲醇噴嘴，增設甲醇供給系統(tǒng)。發(fā)動機進氣道的改造見圖1。柴油機主要參數(shù)如表1，試驗臺架布置如圖2。

圖1 發(fā)動機進氣道的改造

表1 4B26柴油機性能參數(shù)

圖2 臺架布置結構示意

試驗用儀器主要有：AVL INDIMODUL XTENSION燃燒分析儀，上海同圓TOCEIL氣體流量計，杭州奕科的HAM03醇耗儀。

1.2 試驗方法

通過上位機的標定軟件，調整噴射脈寬控制甲醇噴射量，柴油供給仍采用原柴油機供油系統(tǒng)，發(fā)動機的運行狀態(tài)和引燃柴油量由臺架控制柜和柴油機全程調速器自動控制，試驗采用10 °CA靜態(tài)供油提前角。甲醇摻燒比φM由式(1)確定：

(1)

式中：BM為甲醇小時耗油量，kg/h；BD為柴油小時耗油量，kg/h。

2 放熱規(guī)律的計算及對比

計算過程對缸內(nèi)熱力學系統(tǒng)進行了以下的簡化與假設：缸內(nèi)工質為理想氣體，不計漏氣損失，缸內(nèi)氣體溫度、壓力、各物質濃度在缸內(nèi)均勻分布，忽略中間化學反應。

根據(jù)熱力學第一定律，可得：

(2)

式中：Qb為瞬時放熱量，kJ；P為缸壓，MPa；V為氣缸瞬時工作容積，m3；U為缸內(nèi)工質總內(nèi)能，kJ；φ為曲軸轉角，°CA；Qw為缸內(nèi)工質與燃燒室壁面的傳熱量，kJ。

選用朱方君傳熱公式[8]進行計算，規(guī)定其中工質對燃燒空間壁面?zhèn)鳠釣檎?，壁面對工質傳熱為負。

將缸內(nèi)工質各組分物質的量Mi的計算分為燃燒開始之前和燃燒開始后兩個階段。燃燒開始前的工質包括殘余廢氣、新鮮空氣和甲醇蒸氣等3部分，i分別表示水蒸氣、CO2、N2、O2和甲醇蒸氣。廢氣中各成分物質的量由殘余廢氣系數(shù)、充氣量和廢氣中各成分比例算得。

燃燒過程中新生成的水蒸氣物質的量(kmol)：

(3)

式中：x為累計放熱百分比；gf1，gf2分別為柴油和甲醇的循環(huán)噴油量，kg；H1，H2分別是柴油和甲醇中H元素的質量分數(shù)，分別取0.126和0.125。

燃燒過程新生成的CO2物質的量(kmol)：

(4)

式中：C1，C2分別為柴油和甲醇中C元素的質量分數(shù)。

燃燒過程消耗的O2物質的量(kmol)：

(5)

式中：O1，O2分別為柴油和甲醇中O元素的質量分數(shù)。

燃燒過程中消耗的甲醇的物質的量(kmol)：

(6)

根據(jù)以上方程可以計算出瞬時缸內(nèi)工質各成分的物質的量Mi，而瞬時缸內(nèi)工質內(nèi)能增量可由式(7)計算：

(7)

式中：cvi為缸內(nèi)工質各組分瞬時定容摩爾熱容，可以看作是溫度的函數(shù)，J/(mol·K)；T為瞬時缸內(nèi)工質平均溫度，由理想氣體狀態(tài)方程算得，K。

累計放熱率可用式(8)求得：

(8)

式中：Hu1，Hu2分別為柴油和甲醇的低熱值，J/g。

結合上述微分方程，利用MATLAB編寫了甲醇/柴油雙燃料燃燒放熱規(guī)律計算程序。把示功圖、甲醇和柴油各自油耗、進氣量作為輸入量，用式(8)作為收斂條件，對式(2)～式(7)進行迭代計算，即可得到甲醇/柴油雙燃料燃燒的放熱規(guī)律。

由圖3可以看出，與傳統(tǒng)算法相比，改進后算法計算所得甲醇/柴油雙燃料放熱率峰值增大，放熱始點稍微推遲。另外，兩種方法對溫度的計算表明：與傳統(tǒng)算法相比，改進后計算方法算得燃燒前缸內(nèi)溫度稍低，燃燒前期溫度基本一致，燃燒后期和最高燃燒溫度都較低。改進后計算結果更符合甲醇十六烷值低、燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌推瘽摕岽蟮奶攸c[6]。出現(xiàn)上述情況是由于在同樣的工況下，甲醇/柴油雙燃料工作時缸內(nèi)工質的摩爾數(shù)比純柴油時要大，燃燒產(chǎn)物組成和比熱容也發(fā)生了變化，這些在柴油機模型中并沒有考慮到，產(chǎn)生了誤差。

圖3 放熱規(guī)律計算結果的比較

3 試驗結果及分析

3.1 低轉速工況

圖4為轉速在1 600 r/min，平均有效壓力分別為0.284，0.601 2 MPa時甲醇摻燒比對放熱規(guī)律的影響。

圖4 1 600 r/min時雙燃料發(fā)動機的放熱規(guī)律

摻燒甲醇后放熱始點推遲，滯燃期延長，隨著甲醇摻燒比的增加滯燃期進一步延長。這是由于甲醇汽化潛熱較大，降低了燃燒前缸內(nèi)溫度[9-10]，甲醇十六烷值小，難以自燃(自燃溫度為470 ℃)。隨著甲醇摻燒比的增加，放熱率峰值升高，這是因為一方面滯燃期的延長造成在滯燃期內(nèi)形成的預混燃料增多，預混燃燒期燃燒速度加快；另一方面燃燒前甲醇已經(jīng)形成了均勻混合氣，被柴油引燃后，甲醇的燃燒速度遠遠快于柴油。

甲醇摻燒比較低時(低于45%)，放熱率曲線有一個明顯的拐點，這是擴散燃燒期放熱的一個波動點，摻燒甲醇后，擴散燃燒期有所延后。這是因為滯燃期延長，預混燃燒期參與燃燒的燃料量增多，擴散燃燒期放出的熱量所占比例減少。預混燃燒放熱比例的增大使得放熱率曲線的面心更靠近上止點，提高了發(fā)動機熱效率。隨著甲醇摻燒比的進一步增加〔如圖4(b)中的φM=50%，φM=55%〕，擴散燃燒的比例進一步減小，拐點不明顯。另外，雖然隨著甲醇摻燒比的增加，放熱基本結束在同樣的曲軸轉角，燃燒持續(xù)期縮短，這是因為甲醇含氧量高(50%)，具有自供氧效應，加快了擴散燃燒期的燃燒速度。

圖5為在1 800 r/min，Pme=0.751 MPa時供油提前角對甲醇/柴油雙燃料模式缸內(nèi)壓力和壓力升高率以及放熱規(guī)律的影響。

圖5 供油提前角的影響

由圖5可以看出，與10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角為12 °CA BTDC時放熱始點和放熱率峰值對應的曲軸轉角提前，燃燒持續(xù)期變化不大，放熱率峰值較大，缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率較高。這是因為供油較早時，引燃柴油噴入氣缸的時刻提前，較早的引燃了甲醇/空氣混合氣，但由于噴油時缸內(nèi)溫度和壓力較低，滯燃期延長，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣較多，點火能量較大，開始燃燒后燃燒速度較快，缸內(nèi)壓力和壓力升高率升高，另一方面供油較早時，燃燒在上止點前開始，此時活塞還在上行，會造成缸內(nèi)壓力和壓力升高率過大。

為保證較好的功率和燃油經(jīng)濟性，一般希望燃燒始點在上止點前5 ～10 °CA之間[11]，以保證燃燒在上止點附近完成。從這一點來說，選用較大的供油提前角較好。但從圖5(a)可見，柴油供油提前角為12 °CA BTDC時，最大壓力升高率為1.1 MPa/°CA，比供油提前角為10 °CA BTDC時高出0.33 MPa/°CA，導致在試驗中采用12 °CA BTDC供油提前角時，易造成柴油機工作粗暴，發(fā)生敲缸現(xiàn)象。所以柴油機采用進氣預混甲醇工作在雙燃料模式時，應稍微推遲噴油。但是如果供油提前角過小，有可能出現(xiàn)著火過遲，燃料燃燒放出的熱量不能有效利用，使雙燃料發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性下降。筆者采用10 °CA BTDC供油提前角，可以滿足在發(fā)動機不發(fā)生工作粗暴和發(fā)動機經(jīng)濟性的前提下盡可能多的摻燒甲醇。

3.2 高轉速工況

圖6是轉速在2 800 r/min，平均有效壓力分別為0.363 6和0.683 6 MPa時甲醇摻燒比對雙燃料模式下放熱規(guī)律的影響。

圖6 2 800 r/min時雙燃料發(fā)動機的放熱律

較低負荷(pme=0.363 6 MPa)時，隨著甲醇摻燒比的增加，滯燃期增加，放熱率峰值升高。但在較高負荷(pme=0.683 6 MPa)、甲醇摻燒比高于28.6%時燃燒始點大幅提前，燃燒持續(xù)期增加。說明有部分甲醇在被柴油引燃之前發(fā)生了自燃。這可能是因為在高轉速高負荷下，接近壓縮終點時的溫度(1 230 K)和氣缸壓力都很大，甲醇的氧化速率達到了自燃條件。同時可以看到此時放熱規(guī)律波動較大，在4 °CA BTDC出現(xiàn)了第1個峰值，此時正處于活塞上升時期，甲醇的急劇燃燒造成缸內(nèi)壓力波動，易發(fā)生柴油機工作粗暴。甲醇摻燒比為7.2%時，甲醇濃度較低，沒有發(fā)生燃燒始點大幅提前的現(xiàn)象。可見高轉速高負荷時，不宜大量摻燒甲醇，甲醇摻燒比應控制在25%以內(nèi)。

4 結 論

筆者實現(xiàn)了柴油引燃預混甲醇的燃燒方式，基于基本組分法編寫了甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機放熱規(guī)律計算程序，對進氣預混甲醇柴油機試驗結果進行了分析，主要結論如下：

1)低轉速時，隨著甲醇摻燒比的增加，柴油的滯燃期延長，預混燃燒放熱比例增大，擴散燃燒比例減小，燃燒持續(xù)期縮短，放熱率峰值增大。

2)高轉速低負荷時，甲醇摻燒比對進氣預混甲醇柴油機燃燒特性的影響與低轉速時基本一致，但在高轉速較高負荷、甲醇摻燒比高于28%時，甲醇出現(xiàn)提前燃燒，放熱規(guī)律呈現(xiàn)多個峰值，燃燒不穩(wěn)定，燃燒持續(xù)期增大，此時甲醇摻燒比宜控制在25%以下。

3)雙燃料模式時，與10 °CA BTDC供油提前角相比，供油提前角為12 °CA BTDC時放熱始點和放熱率峰值對應的曲軸轉角提前，放熱率峰值增大，缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率過高。所以宜推遲噴油，選用10 °CA BTDC的供油較為合適。

[1] 毛功平,劉永啟,潘立國.內(nèi)燃機燃用甲醇的研究進展和發(fā)展前景[J].山東內(nèi)燃機,2005(2):34-38. Mao Gongping,Liu Yongqi,Pan Liguo.The study progress and development prospect of methanol used on the internal-combustion engine[J].Shandong Internal Combustion Engine,2005(2):34-38.

[2] 張俊強,盧紅兵,王錫斌,等.直噴式柴油機燃用甲醇-柴油混合燃料的燃燒及排放特性[J].燃燒科技與技術,2004,10(2):171-175. Zhang Junqiang,Lu Hongbing,Wang Xibin,et al.Combustion and emission characteristics of a DI diesel engine fueled by diesel-methanol blends[J].Journal of Combustion Science and Technology,2004,10(2):171-175.

[3] 方顯忠,劉巽俊,金文華,等.直噴式發(fā)動機用雙噴射系統(tǒng)燃用柴油-甲醇的研究[J].內(nèi)燃機學報,2003,21(6):411-414. Fang Xianzhong,Liu Xunjun,Jin Wenhua,et al.A study on a DI compression ignition engine with diesel-methanol injection by dual injection systems[J].Transactions of CSICE,2003,21(6):411-414.

[4] Seko T,Kuroda E,Hamano Y.Methanol Lean Burn in an Auto Ignition DI Engine[R].U.S.A.:SAE,1998.

[5] Impto K,Kiyota Y.New combustion system of the methanol fueled IDI diesel engine[C]// VII International Symposium on Alcohol Fuels.Paris:Institut Franca is du Ptrole Agence,1986:266-271.

[6] 蔣德明,黃佐華.內(nèi)燃機替代燃料燃燒學[M].西安:西安交通大學出版社,2007:6-7. Jiang Deming,Huang Zuohua.Internal Combustion Engine Alternative Fuel Combustion[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,2007:6-7.

[7] 張登攀,袁銀男,杜家益,等.不同噴射方法柴油機進氣甲醇預混過程的模擬[J].內(nèi)燃機學報,2012,30(4):305-309. Zhang Dengpan,Yuan Yinnan,Du Jiayi,et al.Simulation of diesel engine intake premixed methanol with different injection modes[J].Transactions of CSICE,2012,30(4):305-309.

[8] 何學良,李疏松.內(nèi)燃機燃燒學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990:292- 295. He Xueliang,Li Shusong.Combustion Science of Internal Combustion Engine[M].Beijing:China Machine Press,1990:292-295.

[9] 姚春德,代乾,許漢君,等.一種研究柴油甲醇雙燃料的定容燃燒彈試驗裝置[J].中國機械,2012,23(3):278-281. Yao Chunde,Dai Qian,Xu Hanjun,et al.An experimental system of constant volume combustion bomb for dual-fuel of diesel/ methanol[J].China Mechanical Engineering,2012,23 (3):278- 281.

[10] 孫志遠,王樹奎.在高溫高壓容彈中甲醇滯燃期的研究[J].小型內(nèi)燃機,1994,23(3):1-4. Sun Zhiyuan,Wang Shukui.The study on delay period of methanol in constant volume bomb of high temperature and high pressure[J].Small Internal Combustion Engine,1994,23(3):1-4.

[11] 周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009. Zhou Longbao.Principles of Internal Combustion Engine[M].Beijing:China Machine Press,2009.

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

江蘇省高校自然科學重大基礎研究項目(08KJA47001)；江蘇大學高級專業(yè)人才科研啟動基金項目(12JDG040)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目(PAPD)

杜家益(1968—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，主要從事動力機械新能源技術方面的研究。E-mail: jydu@ujs.edu.cn

U464;TK429

A

1674-0696(2015)03-167-04