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双燃料发动机燃烧与排放特性的研究


第41卷第1期 2007年1月

西



交通





学报

V01.41

N01

JOURNAL OF XI 7AN JIAOTONG UNIVERSITY

Ja

n.2007

高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧
与排放特性的研究
王利军,刘圣华,邹洪波,马静
(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

摘要:在一台TYll00单缸柴油机的进气管上安装了一套电控甲醇喷射装置,进行了高比例甲醇

柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的试验研究.研究表明:在相同的平均有效压力和转速条件下, 随着甲醇质量分数的增加,双燃料燃烧的滞燃期增加,主燃期缩短,放热率曲线第1峰值增大,第2 峰值减小,表明预混燃烧量增加而扩散燃烧量减少;高负荷时放热率曲线型心向上止点靠近,燃烧 等容度提高,当量柴油燃料消耗率显著下降;在高比例甲醇柴油双燃料工作模式下,发动机的HC 和CO排放有所升高,但NQ和碳烟排放大幅度下降.
关键词:柴油机;甲醇;燃烧特性;排放特性 中图分类号:TK42 文献标识码:A文章编号:0253—987X(2007)01—0014—04 and

Combustion  
on

Emission Characteristics

of



DI Engine Operating Dual Fuel

High Proportion of Wang Lijun,Liu

Methanol-Diesel

Shenghua,Zou Hongbo,Ma Jing Jiaotong


(School of Energy and Power Engineering,Xi’an

University,Xi’an 710049,China)

Abstract:Combustion and emission characteristics of

TYl 100 diesel operating

on

high propor—
an

tion of methanol—diesel dual fuel were investigated when the engine was equipped with

elec—

tronically controlled methanol port injection system.Under the same brake mean effective pres— sure(bmep)and engine speed,the ignition delay increases while the main combustion duration
decreases with the increase of methanol mass fraction.The first peak value of heat release rate in—
creases

and the second peak value decreases,which indicates that the fraction of premixed burn—
center

ing amount increases while diffusive burning amount decreases.Moreover,the lease rate
curve

of heat

re—

closes

to

the top-dead-center under high-load condition and diesel equivalent fuel con—

sumption decreases.NOx and smoke decrease significantly while HC and CO concentration increase. Keywords:diesel engine;methanol;combustion characte“stics;emission characteristics

柴油机具有较高的热效率,但NQ和碳烟排放 较高.为了同步降低柴油机中Nq和碳烟的排放,
许多研究者采用在柴油中添加含氧燃料,甲醇就是 其中的一种.甲醇作为柴油机的添加燃料,对其研究
主要有甲醇与柴油混合u。2J、甲醇与柴油缸内双喷

二者互溶难度较大,需要较多的助溶剂,这会使燃料 的价格提高.若采用双喷射系统,需在一个缸盖上安
装两套喷油器,控制、制造难度大,费用高,因此采用

进气管甲醇低压喷射、柴油缸内引燃的方法比较实 用.在文献[4—9]的研究中,当采用甲醇与柴油双燃 料低比例燃烧时,最高爆发压力下降,压力升高率上 升,放热率曲线呈单峰形,碳烟和NQ排放同时降
基金项

射L3]、甲醇进气管低压喷射柴油缸内引燃双燃料燃 烧方式[4。9]等.由于甲醇的物性与柴油的相差较大,
收稿日期:2006—06—26.

作者简介:王利军(1976~),男,博士生;刘圣华(联系人),男,教授,博士生导师.

目:国家重点基础研究规划资助项目(2001CB209206).

万   方数据

第1期

王利军,等:高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的研究

低,但文献[4—9]对于发动机燃用高比例甲醇柴油双 燃料的研究较少.


率曲线.图中w(CHsOH)为0时代表纯柴油.从图

中可以看出,随着甲醇质量分数的增加,放热率曲线 第1峰值增大,第2峰值减小,直至不明显.这是因 为甲醇在喷人进气管后,与空气形成均匀的混和气,
柴油在引燃甲醇的自燃过程中,二者混在一起,相应

本文着重研究发动机燃用高比例甲醇柴油双燃 料的燃烧与排放特性.为此,在柴油机的进气管靠近
缸盖处,安装一套电控低压甲醇喷射装置.电子控制

装置可以根据发动机的转速和负荷将一定量的甲醇 喷入进气管中,随进气进入气缸形成均匀的混合气. 引燃燃料柴油由原供油系统供给,供油提前角为210.

的混合燃料蒸气的十六烷值降低,与燃用纯柴油相 比,着火时间延迟,双燃料燃烧的滞燃期(仇)增加, 如图2a所示.由于滞燃期的增加,滞燃期内形成的

1试验条件和方法
试验用发动机为TYll00型柴油机(立式、单 缸、四冲程、强制水冷),主要性能和结构参数如下:
缸径为100 mm;活塞行程为115 mm,活塞排量为
0.903

L;燃烧室型式60型,压缩比e为18;额定转速
300

I_^。一.h\H.一昏勺一.∞ 々

咒为2

r/min,功率为11 kW.试验用AVL

619


燃烧分析仪测录发动机缸内燃烧压力随曲轴转角的 变化,通过计算得到压力升高率、主燃期、滞燃期、瞬 时燃烧放热率等发动机燃烧过程的特征参数,来研 究甲醇柴油双燃料发动机的燃烧特性.排放测量所 用仪器为:AVL五组分分析仪和AVLDismoke4000 不透光烟度计.五组分分析仪可测量HC、CO、C02、 02、NQ及A(过量空气系数),不透光烟度计可测量 柴油发动机的颗粒污染物,所得碳烟度结果有消光 系数KVALt厄和不透光度两种,本文采用前者. 文中甲醇质量分数、当量柴油燃料消耗率和放 热率曲线型心分别定义如下
I-一。一.h、_.一昏qv.∞q口

妒/(。)

(a)6啷一O.35 MPa

 

9,(。)

w(CHsoH)一熹
b。一bD+bMHM 7HD

(b)‰=O.77

MPa

图1双燃料燃烧放热率曲线

可燃混合气增加,一旦着火,就会形成多点点火,且 火焰传播距离缩短,加上此时由进气涡流和挤流造 成的湍流强度大和甲醇燃烧速度(0.48 m/s)快,其 燃烧速度必然要比采用扩散燃烧方式的柴油快,导 致放热率曲线峰值增大,这也是双燃料燃烧的主燃 期(‰)缩短的原因所在,如图2b所示.
图3为放热率曲线型心所对应的曲轴转角随甲

侬一e(等)妒d圳兰(鬻)却
式中:6D为柴油的消耗率;bM为甲醇的消耗率;HM
为甲醇的低热值;HD为柴油的低热值;仇为燃烧始

点;纯为燃烧终点.燃烧始点和燃烧终点分别定义 为燃料燃烧掉的10%和90%时所对应的曲轴转角, 主燃期为燃烧始点至燃烧终点对应的曲轴转角,滞 燃期为针阀升程信号确定的喷油始点至燃烧始点对
应的曲轴转角.

醇质量分数的变化.放热率曲线型心曲轴转角是燃
烧放热率面积的型心距离上止点的曲轴转角,相应

型心曲轴转角越小,表明整个燃烧放热过程越靠近 上止点,燃烧过程的等容度好,热效率高,发动机的
经济性改善.由图3可以看出,低负荷(brae,一0.35 MPa)时放热率曲线型心远离上止点,中负荷(bme。一
0.56

2燃烧特性研究
1 600

r/min是发动机的最大转矩点,原机在该

点的燃油经济性和排放性最差,试验主要集中在
1 600

r/min转速上.

MPa)时基本不变,高负荷(6m。。=0.77 MPa)

图1给出了甲醇的质量分数不同时燃烧的放热

时趋于靠近上止点.这是因为在低负荷时,发动机的

热负荷小,甲醇喷人后汽化吸热,降低了进气温度,

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西安交通大学学报

第41卷

动机适合于高负荷运转. 由图5、图6可以看出:低负荷(6m印一0.35 MPa)时,正如上述原因,缸内气体最高爆发压力和 最大压力升高率随着甲醇质量分数的增大而减小; 在中高负荷(6唧----0.56、0.77 MPa)时,甲醇较快的 燃烧速度占主导因素,缸内气体最高爆发压力和最
w(CH30H)/%

大压力升高率随着甲醇质量分数的增大而增大.但 是,由于燃烧滞后,尤其是最大压力升高率发生在上 止点后,使最大压力和发动机的燃烧噪声未有明显 的增大,且最大压力较柴油更靠近上止点,使平均指 示压力增大,动力性提高,这也是甲醇柴油双燃料发 动机工作的一个特点.

(a)滞燃期

一。一≥

3;



20

40

60

w(CH30H)/%

盂≮唾#目气

(b)主燃期 图2滞燃期和主燃期
w(CH30H)/%

图5缸内气体最高压力

 

图3放热率曲线型心对应的曲轴转角
w(CH30H)/%

使压缩终点温度也同时降低,滞燃期增加,放热率曲 线整体后移(见图la).随着甲醇喷入量的增加,上 述情况加剧,导致整个曲线远离上止点,同时燃油消 耗率上升,热效率下降.在高负荷时,与燃用纯柴油 相比,虽然滞燃期有所增加,但燃烧持续期缩短,放 热比较集中(见图lb),整个曲线向上止点移动.由 图4可看出:随着负荷的增大,当量柴油燃料消耗率 嵋明显减小,尤其在高负荷时,k随着甲醇质量分 数的增大显著减小,上述两点充分说明了双燃料发

图6最大压力升高率

3排放特性研究
从图7可以看出,在相同负荷下,HC排放随着 甲醇质量分数的增大而增加.出现这种现象是因为 在柴油引燃甲醇的双燃料燃烧模式下,甲醇与空气 在进入燃烧室前形成均质混合气,壁面淬熄和狭隙 效应导致HC排放增加.由图8可以看出:CO排放






—u}I一昏×b一



O O 20 40 60

w(CH30H)/%

w(CH30H)/%

图4当量柴油燃料消耗率曲线

图7

HC排放

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第1期

王利军,等:高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的研究

随着甲醇质量分数的增大而增加.原因在于:Co是
燃烧过程的中间产物,它的生成主要是受燃烧室温

度影响,随着甲醇喷人量的增加,缸内燃烧温度下 降,CO氧化反应速率变慢,且在膨胀和排气过程中 受到化学反应动力学的控制,CO排放增加.此外,
双燃料模式下HC和CO排放较高还是由于甲醇均 质混合气属稀薄燃烧造成的.
20 40 60 80

w(CH30H)/%

图10

NQ排放

此导致预混燃烧量增加,放热率曲线第1峰值增大, 第2峰值减小. (2)在高负荷时,双燃料发动机放热率曲线型心
趋于靠近上止点,燃烧等容度和热效率均提高,当量 柴油燃料消耗率曲线显著下降.
图8 CO排放

(3)在中高负荷时,随甲醇质量分数的增大,双
燃料发动机燃烧的缸内最高爆发压力和最大压力升

从图9可以看出,在低负荷时,由于氧气充足, 燃烧温度较低,发动机燃用纯柴油和双燃料时的碳 烟排放浓度相差不大.随着负荷的增加,柴油机的排

高率均增大,最大压力升高率处于上止点后,但缸内 气体最高爆发压力较柴油更加靠近上止点. (4)虽然HC和CO排放有所升高,但Nq和 碳烟排放却大幅下降,这说明采用甲醇柴油双燃料 是同步降低柴油机NQ和碳烟排放的一种有效方
法.

  气烟度迅速增加,但当发动机燃用双燃料时,碳烟排
放显著下降.这是因为碳烟主要在扩散燃烧中生成, 随着甲醇质量分数的增加,滞燃期延长,大大减少了 柴油的扩散燃烧量,同时甲醇不含有C_C链,燃烧 过程不会产生碳烟,因此甲醇柴油双燃料工作模式 是降低发动机碳烟/颗粒排放的有效方法之一.从图 10可以看出,NQ排放随着甲醇质量分数的增大而 减少.这是因为甲醇的绝热燃烧温度低,加上发动机 燃烧的滞燃期增加,燃烧总体上以火焰传播为主,缸 内燃烧温度下降,使得NQ排放降低.

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4结论
(1)在相同的平均有效压力和转速下,甲醇质量 分数的增加改变了双燃料发动机预混燃烧和扩散燃 烧比例,从而使发动机滞燃期增加,主燃期缩短,由

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(编辑王焕雪)

万   方数据

高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 王利军, 刘圣华, 邹洪波, 马静, Wang Lijun, Liu Shenghua, Zou Hongbo, Ma Jing 西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安 西安交通大学学报 JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY 2007,41(1) 5次

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引证文献(5条) 1.宋睿智.王利军.张志进.刘圣华 甲醇/柴油双燃料发动机工作区域的试验研究[期刊论文]-内燃机工程 2008(5) 2.Hongbo ZOU.Lijun WANG.Shenghua LIU.Yu LI Ignition delay of dual fuel engine operating with methanol ignited by pilot diesel[期刊论文]-中国高等学校学术文摘·能源与动力工程 2008(3) 3.王利军.宋睿智.邹洪波.刘圣华.李彧 甲醇柴油双燃料发动机甲醇掺烧比例的正交试验研究[期刊论文]-西安交通 大学学报 2007(11) 4.邹洪波.王利军.刘圣华.李彧 柴油引燃甲醇双燃料发动机滞燃期的研究[期刊论文]-西安交通大学学报 2007(7) 5.邹洪波.王利军.刘圣华 引燃柴油量对甲醇/柴油双燃料发动机性能和排放的影响[期刊论文]-内燃机学报 2007(5)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xajtdxxb200701004.aspx


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