劉勇強, 耿洪剛, 徐昌春, 莊 遠

(1.合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.韓國國立公州大學 機械汽車工學部,韓國 天安 31080)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,汽車保有量增加,石油消耗量也迅速增加,能源和環(huán)境問題日益突出。而我國是一個貧油富煤的國家,因此尋求替代石油作為車用燃料的工作具有重要意義。

盡可能提高熱效率和減少排氣中的有害成分是目前對柴油機提出的兩點要求,試驗發(fā)現(xiàn)這兩點要求經(jīng)常發(fā)生矛盾,例如,提高效率和功率的措施往往會增加排氣中的碳煙或NO排放物。在柴油機噴水的研究中,文獻[1]指出在發(fā)動機高溫、高負荷、高轉(zhuǎn)速下噴水最有效,在低溫怠速時噴水有滅車和廢油現(xiàn)象;文獻[2]指出利用進氣道噴水技術(shù)能夠大幅度降低氮氧化合物(NOx)排放量,同時具有節(jié)能的作用。水可以利用自身潛熱大的特點吸收熱量而汽化成為過熱蒸汽,從而降低缸內(nèi)燃燒溫度。同時在高溫條件下,水蒸汽參與燃燒,部分水分子與未完全燃燒的熾熱的炭粒發(fā)生水煤氣反應(yīng),形成可燃性氣體,從而減少火焰中的炭煙,提高燃油燃燒的完善程度,改善燃燒狀況,提高燃油的燃燒效率。然而,柴油機中噴水需要解決冬天零下溫度水的結(jié)冰問題。

甲醇原料來源廣泛,如煤炭、天然氣、生物質(zhì)均可制得甲醇,因此甲醇作為石油的替代能源,已得到越來越多的關(guān)注。文獻[3]對柴油機摻燒甲醇蒸汽與燃燒純柴油時的負荷特性、速度特性等進行了對比,并利用示功圖對不同摻燒比的燃燒進行了分析;結(jié)果表明,在大負荷、高轉(zhuǎn)速下,摻燒甲醇蒸汽可提高燃料經(jīng)濟性,改善排煙特性,降低排氣溫度。文獻[4]對一臺4102QB型直噴式柴油機分別燃用柴油和甲醇-柴油混合燃料時的動力性和排放特性進行對比試驗;結(jié)果表明,在柴油機參數(shù)和基本結(jié)構(gòu)不作任何改動的情況下,隨著混合燃料中甲醇添加比例的增加,柴油機的動力性有所下降,煙度和CO的排放量明顯降低,碳氫化合物(HC)和NOx的排放量有所增加,但變化幅度不大。

目前關(guān)于柴油機摻燒甲醇水溶液的研究不多。文獻[5]配置了摻水甲醇(M90,即甲醇體積分數(shù)為90%),研究結(jié)果表明摻水甲醇(M90)的NOx、HC、CO排放量比純甲醇(M100,即甲醇體積分數(shù)為100%)略低;文獻[6]研究了水/柴油、甲醇/柴油、水+甲醇/柴油液滴的碰撞合并和燃燒行為。水中摻甲醇可降低凝固點,解決零下溫度水的凍結(jié)問題,甲醇中摻水可以綜合甲醇和水的優(yōu)勢,進一步節(jié)能降排。在國內(nèi)外的文獻中,單獨噴水、單獨噴甲醇、噴含10%水的甲醇的研究較多,但關(guān)于噴含更高含水量的甲醇水溶液的研究還較少。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗在一臺云內(nèi)生產(chǎn)的國五柴油發(fā)動機上進行。該型號柴油機采用高壓共軌(噴射壓力最高可達160 MPa)、廢氣渦輪增壓、多段噴射、螺旋和切向雙進氣道、四氣門、雙頂置凸輪軸等先進技術(shù),排放標準滿足國五標準,主要技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 云內(nèi)D30TCIE1發(fā)動機主要參數(shù)

試驗過程中:采用260 kW凱邁電渦流測功機及FST-Open發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)檢測并控制發(fā)動機扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù);采用FCMM-3油耗儀測量柴油消耗量;采用F3000X微小流量計測量甲醇消耗量;采用HORIBA MEXA-584L氣體分析儀測量NOx、HC、CO等有害排放物。MEXA-584L為日本HORIBA公司的產(chǎn)品,其采用化學發(fā)光分析儀(chemiluminescent detector or analyzer,CLD或CLA)測量NOx,不分光紅外線吸收型分析儀(nondispersive infrared analyzer,NDIR)測量CO、CO2,氫火焰離子化檢測器(flame ionization detector,FID)測量HC。

送入燃燒分析儀的曲軸轉(zhuǎn)角信號由HRC-F15-720BM系列角編碼器產(chǎn)生,Kistler 6056A型缸壓傳感器測得的壓力信號經(jīng)過5018型電荷放大器送至HR-CA-B1型燃燒分析儀采集卡,采集卡采集的缸壓數(shù)據(jù)傳到電腦軟件中進行處理。在INCA軟件中通過調(diào)整甲醇電子控制單元(electronic control unit,ECU)中噴射周期來調(diào)整流量,同時保持柴油噴射時刻、噴油壓力、預噴量和后噴量等參數(shù)不變。

臺架試驗裝置連接示意圖如圖1所示。其中:甲醇水溶液在進氣歧管里的4個位置處同時噴射;缸壓傳感器安裝在發(fā)動機第4個氣缸上。

圖1 試驗裝置連接示意圖

1.2 試驗方案

試驗前:用合適的標準砝碼對油耗儀進行標定,以保證油耗測量的準確性;用標定氣體對尾氣分析儀進行標定,以保證尾氣污染物含量測量的準確性;在燃燒分析儀電腦軟件中,用柴油機倒拖壓力對相位進行校正,調(diào)整角度使峰值壓力位于360°曲軸轉(zhuǎn)角下;配置甲醇水溶液中甲醇的體積分數(shù)分別為0%、30%、60%、90%、100%。

試驗時:保持柴油機扭矩為200 N·m,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min;在INCA軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)以保持柴油ECU中預噴時刻、預噴量、主噴時刻、后噴時刻、后噴量和噴油壓力等參數(shù)不隨甲醇體積分數(shù)和流量變化;調(diào)整甲醇溶液的噴射周期,使5種溶液分別以體積流量10、20、30、40 mL/min多點噴射噴入柴油機進氣歧管內(nèi)。

試驗過程中:保持冷卻水溫穩(wěn)定并且恒定在80 ℃左右;調(diào)整噴射流量,待發(fā)動機進氣歧管溫度穩(wěn)定后,采集燃燒分析儀中記錄的缸壓數(shù)據(jù)、平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(coefficient of variation,COVimep);記錄柴油油耗量及尾氣分析儀測得的排放數(shù)據(jù)等。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 對燃燒特性的影響

用燃燒分析儀來觀察或記錄相對于不同曲軸轉(zhuǎn)角時氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化,所得的結(jié)果即為示功圖。由示功圖可以觀察到內(nèi)燃機工作循環(huán)的不同階段,通過數(shù)據(jù)處理并運用熱力學知識,將之與所積累的試驗數(shù)據(jù)進行分析比較,即可對整個工作過程或工作過程不同階段進展的完善程度作出判斷。因此示功圖是研究內(nèi)燃機工作過程的一個重要依據(jù)。

試驗中氣缸壓力用壓電壓力傳感器來測量。這種類型的傳感器含有1個石英晶體。晶體的一端通過隔膜暴露在氣缸壓力上;隨著氣缸壓力的增加,晶體被壓縮并產(chǎn)生與壓力成正比的電荷;然后使用電荷放大器產(chǎn)生與該電荷成比例的輸出電壓。在執(zhí)行以下步驟后,可以準確獲得隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的氣缸壓力數(shù)據(jù):① 使用正確的參考壓力將測量的壓力信號轉(zhuǎn)換為絕對壓力;② 壓力與曲軸轉(zhuǎn)角(或體積)相位精確到約0.2°以內(nèi);③ 發(fā)動機循環(huán)期間由壁面熱流變化而導致的傳感器溫度變化(可導致傳感器校準系數(shù)的改變)要保持在最小值。lgp和lgV圖可用于檢查氣缸壓力數(shù)據(jù)的質(zhì)量,使得上述前2個步驟導致的誤差降至最小。

對于柴油機,在燃燒開始前的壓縮沖程末期,lgp和lgV曲線的斜率[7]約為1.35。而由于試驗中最早的預噴角在-35°左右,燃燒起始角在-20°左右(規(guī)定壓縮上止點為0°,進氣上止點為-360°),為避免燃油噴射對多變指數(shù)帶來影響,試驗中取-70°～40°作為多變指數(shù)擬合值的角度范圍,并取這段角度的多變指數(shù)為1.37,用以提高缸壓數(shù)據(jù)的準確性。由此可見,絕對缸壓存在一定系統(tǒng)誤差,這段角度的多變指數(shù)可能會隨著工況的不同而不同。試驗發(fā)現(xiàn)在所做的工況下,壓力誤差范圍在±0.1 MPa,這可能會對缸壓大小帶來微弱影響,但不會對壓升率及相位帶來此誤差。

在放熱率的處理中,工程應(yīng)用時通常用下式進行柴油機放熱率的分析[7],即

(1)

其中,方程左邊項表示燃料放熱率和工質(zhì)與壁面對流換熱的和。壁面對流換熱采用Woschni公式[8]。

對于柴油放熱率分析,合適的范圍在1.30～1.35之間,且通常用一個在此范圍內(nèi)的常數(shù)[7];在壓縮末期,該值為1.35。γ為比熱比,大小等于cp/cV;在所有當量比范圍內(nèi),燃燒之后膨脹過程的γ值在1.26～1.30之間;合適的γ值可以使放熱信息準確,然而對于燃燒期間合適的γ值還沒有被很好地定義[9-10]。在本文試驗中,放熱率分析時γ取為1.30。

由此可見,放熱率分析存在一定誤差,用于放熱率分析中的多變指數(shù)可能會隨著工況的不同而不同,這會對放熱率的大小帶來影響,但對相位沒有影響。

柴油機進氣摻混不同甲醇體積分數(shù)(分別為0%、30%、60%、90%、100%)的溶液在不同流量(10、20、30、40 mL/min)下缸壓和瞬時放熱率的變化曲線如圖2所示。

圖2中,整體在上方的曲線為缸壓曲線簇,在下方的曲線為瞬時放熱率曲線簇。

圖2 缸壓和瞬時放熱率隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化

圖2中放熱率有3個峰:上止點前的峰是柴油預噴燃燒放熱引起的;第2個峰是由預混燃燒引起的,此階段燃燒的燃料為滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料,且在著火前已蒸發(fā)并與空氣混合;第3個峰是柴油一邊與空氣混合一邊燃燒導致的,其放熱速率低于預混燃燒[11]。

由圖2可知,在柴油機進氣中噴甲醇水溶液時,在各流量下的缸內(nèi)峰值壓力均有增加,放熱率峰值略有降低,同時峰值壓力對應(yīng)的相位略微提前。這可能是由于當進氣摻甲醇水溶液時油耗升高,柴油機循環(huán)噴油量增大,導致峰值壓力升高。

預噴滯燃期(認為瞬時放熱率斜率大于0.5時開始著火)隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 滯燃期隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

從圖3可以看出,當甲醇體積分數(shù)為30%、60%、90%時,滯燃期隨著流量的增大而增大。這是由于流量的增大導致溫度降低,從而增大了滯燃期。同時從圖3還可以看出,當體積流量一定時,除進氣噴水外,滯燃期隨甲醇體積分數(shù)的升高而呈減小趨勢。盡管隨甲醇體積分數(shù)的升高導致燃油的十六烷值微量降低,但甲醇體積分數(shù)升高,甲醇的高揮發(fā)性增加了混合氣的湍動能,有利于油氣混合,因此減小了滯燃期。

內(nèi)燃機的可靠性和平穩(wěn)性可以根據(jù)單個循環(huán)的不重復性來評估,其通常用平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(COVimep)[12]來表示。根據(jù)文獻[7]的研究,當COVimep超過2%到達5%時,通常會導致車輛操縱性問題。2 000 r/min、200 N·m工況下COVimep隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖4所示。

圖 4 COVimep隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

從圖4可以看出:當甲醇體積分數(shù)一定時,COVimep隨混合液體積流量的增大而呈增大趨勢;當流量一定時,COVimep隨甲醇水溶液甲醇體積分數(shù)的增大而增大。COVimep的影響因素包括:① 湍流強度變化引起的空氣-燃料混合物質(zhì)量的變化,特別是摻醇柴油機,可能影響火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性[13];② 氣缸內(nèi)混合氣成分的循環(huán)變動。對于甲醇柴油雙燃料發(fā)動機,甲醇的十六烷值遠低于柴油的十六烷值,使得甲醇燃料難于被壓燃,一旦著火,燃燒速度會急劇上升[14],可能導致COVimep隨甲醇體積分數(shù)的升高而升高;同時由于甲醇水混合液和空氣的混合過程是非均質(zhì)的,隨著甲醇水溶液流量的增加,可能導致氣缸內(nèi)混合氣不均勻度增大,從而導致COVimep增大。

比油耗是衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標,柴油比油耗隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5可以看出:當甲醇體積分數(shù)為0%、30%、60%時,比油耗幾乎不隨混合液體積流量變化;當甲醇體積分數(shù)為90%、100%時,比油耗隨流量的增大而逐漸呈下降趨勢;當混合液體積流量一定時,比油耗隨甲醇體積分數(shù)的升高而降低。從圖5還可以看出:只有當甲醇體積分數(shù)為100%時,柴油的比油耗才得到降低,且當流量為40 mL/min時,柴油比油耗最低,比原機降低約4.2%;其他體積分數(shù)的混合液均增加了柴油的消耗量。這表明甲醇體積分數(shù)越高,對柴油比油耗的降低作用越明顯。

圖5 比油耗隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

比油耗僅反映了柴油消耗量的變化,有效熱效率則考慮了甲醇燃料的發(fā)熱量,等于輸出功率與燃料總發(fā)熱功率之比。有效熱效率隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 有效熱效率隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

從圖6可以看出,進氣噴甲醇水溶液后的有效熱效率均低于原機的熱效率。從圖6還可以看出:在各個甲醇水溶液流量下,有效熱效率均隨甲醇體積分數(shù)的升高而升高;當體積分數(shù)一定時,有效熱效率隨流量的增大而減小。這是由于當流量不變時,隨著甲醇體積分數(shù)的增大,燃料的總低熱值增大,從而有效熱效率增大;但甲醇低熱值低于柴油,當甲醇體積分數(shù)為100%時的有效熱效率也低于純柴油,減小了約5.3%;當體積分數(shù)不變時,隨著流量的增大,替代了部分燃料,燃料的總熱值減小,燃油能量品質(zhì)降低,從而導致有效熱效率減小。

2.2 對排放特性的影響

CO排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7可以看出,CO體積分數(shù)隨流量的增大而增大,隨混合液中甲醇體積分數(shù)的增大而增大。CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物,如果反應(yīng)氣的氧含量、溫度足夠高,化學反應(yīng)所占有的時間足夠長,CO會氧化成CO2。隨著混合液體積流量增大,占有了一部分空氣的體積,導致工質(zhì)中氧含量降低,從而導致CO含量升高。當甲醇體積分數(shù)升高時,氣化潛熱增大,使得缸內(nèi)溫度降低,導致燃油不能充分燃燒,也會引起CO含量的升高。同時,圖7中進氣摻水時的CO排放量比原機低,這是由于水中氧的比例高,增加了氧含量,導致CO排放量降低。

圖7 CO排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

柴油機進氣噴甲醇水溶液后HC排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 HC排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

從圖8可以看出,HC排放量幾乎不隨混合液體積流量的變化而變化。當流量一定時,低體積分數(shù)的甲醇水溶液可以有效降低柴油機的HC排放,但當甲醇體積分數(shù)大于60%時,HC排放量比原機大。由于甲醇體積分數(shù)低時,柴油比油耗比原機有所增加,使得缸內(nèi)燃燒溫度上升,從而導致HC排放比原機低;而甲醇體積分數(shù)高時,柴油比油耗比原機有所降低,同時甲醇熱值低,使燃燒溫度比原機有所下降,從而導致HC排放比原機高。

NOx是柴油機尾氣的主要組成部分之一,對環(huán)境和人體都有較大危害,降低NOx排放具有重要意義。NOx排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 NOx排放隨甲醇體積分數(shù)和混合液流量的變化規(guī)律

從圖9可以看出:NOx排放量隨著混合液流量的增大而減小,隨甲醇體積分數(shù)的增大而減小;當甲醇體積分數(shù)為100%、流量為40 mL/min時,NOx排放量降幅最大,降低了15.1%。在柴油機排放的NOx中占比最多的是NO,根據(jù)熱力型NO形成機理,其與溫度、氧濃度以及滯留時間相關(guān)[14]。NO的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)級急劇增加。當甲醇體積分數(shù)保持一定時,隨著混合液流量的增加,缸內(nèi)工質(zhì)的熱容增大,導致缸內(nèi)燃燒的溫度降低,從而降低了NOx含量;當混合液流量一定、甲醇體積分數(shù)增加時,由于甲醇的揮發(fā)性強、氣化潛熱高,在甲醇水混合液中,甲醇體積分數(shù)越高,溶液的揮發(fā)性越好,在進氣歧管內(nèi)吸收的熱量也多,導致進氣歧管溫度降低,密度增大,增大了進氣質(zhì)量流量和過量空氣系數(shù),降低了缸內(nèi)燃燒溫度,從而導致NOx含量降低。

從圖9還可以看出,當甲醇體積分數(shù)大于60%時,才起到降低NOx排放量的作用。這是由于在低甲醇體積分數(shù)下,增大了柴油油耗,相較于不摻混甲醇溶液的原機增加了缸內(nèi)燃燒溫度,從而增大了NOx排放。

3 結(jié) 論

1) 在2 000 r/min、200 N·m工況下,柴油機進氣中噴甲醇溶液時,發(fā)動機燃燒特性參數(shù)(如缸內(nèi)峰值壓力)均有增加,放熱率峰值略微降低,同時峰值壓力對應(yīng)的相位略微提前;平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)有所升高,且隨甲醇體積分數(shù)的升高而升高,隨流量的增大而增大。

2) 在進氣中噴流量為40 mL/min、甲醇體積分數(shù)為100%的溶液時,柴油比油耗最低,降低約4.2%,而有效熱效率減小5.3%;其他體積分數(shù)均增加了比油耗,且隨甲醇體積分數(shù)的減小而增大;有效熱效率均比原機有所降低,且隨甲醇體積分數(shù)的減小而減小,而隨混合液體積流量的增大而減小。

3) 在排放方面,進氣噴水時CO和HC排放相較于原機有所降低,進氣摻混甲醇體積分數(shù)為30%的溶液時的HC排放量降低,進氣摻混甲醇體積比分數(shù)60%、90%、100%溶液時的NOx排放量降低,在進氣中噴流量為40 mL/min、甲醇體積分數(shù)為100%的溶液時的NOx排放量最小,相較于原機降低了15.1%。

4) 在2 000 r/min、200 N·m工況下,向柴油機進氣中噴流量為40 mL/min、甲醇體積分數(shù)為100%的溶液可以最大幅度地降低柴油比油耗和NOx排放量。