柴油机燃用二元煤基燃料的燃烧和碳烟排放特性

柴油机燃用二元煤基燃料的燃烧和碳烟排放特性
韩卫;朱建军;安俏俏;高聪慧;苏志伟
【摘要】为缓解石油短缺现状并降低柴油机有害物排放,采用二元煤基燃料在1115型单缸柴油机上进行了甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧试验,对比分析了不同F-T柴油供油时刻和引燃量对燃烧和碳烟排放的影响.研究结果表明:随着供油时刻由16℃A BTDC提前至24℃A BTDC,碳烟排放最高降低27％,滞燃期变长,燃烧持续期先减小后增大,放热率中心先靠近后远离上止点;随着引燃量的增加,放热率中心缓慢接近上止点,滞燃期和燃烧持续期变短,中低负荷下,碳烟排放趋于平稳,高负荷下,碳烟排放逐渐变大.通过调整F-T柴油的供油时刻和引燃量可以对燃烧和碳烟排放进行匹配优化.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2015(033)010
【总页数】5页(P1572-1576)
【关键词】柴油机;甲醇均质混合;F-T柴油引燃;燃烧;碳烟
【作者】韩卫;朱建军;安俏俏;高聪慧;苏志伟
【作者单位】太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024;太原理工大学车辆工程系,山西太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】TK421.2
随着环境保护法的不断完善，柴油机碳烟（PM）和氮氧化物排放必须严格控制。

因此，如何进一步降低柴油机PM和氮氧化物排放成为柴油机替代燃料领域的研
究重点[1]。

其中，替代燃料煤基F-T柴油和甲醇以其优良的特性备受各国科研工
作者的关注。

F-T柴油、甲醇以及柴油的理化特性如表1所示。

F-T柴油具有十六烷值高，硫含量和芳香烃含量极低的优良特性，可以通过煤间接液化制取，与美国标准2号柴油相比，在重型柴油机上燃用F-T柴油时，可以降
低9.1%的PM排放和32.1%的氮氧化物排放[2]。

甲醇是含氧量为50%的液体燃料，理论空燃比小，具有辛烷值高，抗爆性好，燃烧快，着火界限宽，排放清洁等优点，可以通过煤、天然气等多种原料生产[3]。

甲醇汽化潜热大，能够降低最高
燃烧温度，对降低柴油机氮氧化物和碳烟排放有明显作用[4]。

F-T柴油和甲醇作
为发动机替代燃料使用，不仅能降低PM和氮氧化物排放，还可以缓解能源短缺
现状，并改善燃油经济性，有良好的发展前景。

本试验以十六烷值高的F-T柴油引燃高辛烷值甲醇，研究降低碳烟、氮氧化物排
放和提高柴油机效率[5]的机理。

F-T柴油引燃甲醇燃烧方式中，甲醇预先喷入进
气道与空气形成均质混合气后进入缸内，F-T柴油在上止点前喷入缸内，扩散燃烧，随着F-T柴油多点同时着火，甲醇均质混合气被多点引燃。

引燃F-T柴油的空间
颗粒分布状态和引燃量决定了缸内的燃烧状态，进而影响发动机排放特性，因此，碳烟的生成与引燃F-T柴油有着密切关系。

F-T柴油供油时刻和引燃量作为该燃烧模式下柴油机的重要参数，影响着着火时刻、初始着火点数量和位置，进而影响柴油机的燃烧和排放。

因此，本文将对引燃F-T柴油的供油时刻和引燃量与缸内燃
烧状况以及碳烟排放之间的关系展开研究。

1.1 试验设备及燃料
本试验所使用的F-T柴油引燃甲醇发动机是在原单缸柴油机的基础上加装了一套
甲醇供给系统，该系统由耐醇供给装置、调压阀、管路和喷嘴等组成。

发动机台架
示意图和发动机主要技术参数如图1和表2所示。

试验所用仪器的信息见表3。

不透光烟度计是以光衰减的物理作用为工作原理，测量室两端分别是光源和光接收板，当光线通过导入尾气的测量室时，部分光线被微粒吸收，由光接收板测得光线的衰减量，最后计算出不透光度或消光系数，不透光度值分辨率为0.1%。

以试验测得的排气不透光度值表征柴油机的瞬态碳烟排放特性。

1.2 试验方法
本试验中F-T柴油引燃甲醇发动机采用的甲醇喷嘴安装在进气管中央，甲醇喷射
方向与进气管轴线平行，甲醇喷射由一套甲醇电控喷射装置控制，甲醇电控喷射装置的触发信号由霍尔开关提供，均匀安装在飞轮圆周面上的36个霍尔元件，使曲轴转角分辨率为10°，甲醇启喷时刻为10°CA B TDC，F-T柴油喷射由原机供油系统完成。

由于循环变动的存在和一定F-T柴油喷射量对应的循环数不确定，因此，定义F-T柴油的20 s油耗量为F-T柴油引燃量。

为了更好地观察F-T柴油引燃量对燃烧和碳烟排放的影响，将其分为三级，即一级（F），二级（S），三级（T）引燃量。

本试验维持柴油机转速（n）为1 600 r/min，通过改变甲醇喷射脉宽和油门开度，维持柴油机在平均有效压力（BMEP）为 0.3，0.45，0.6 MPa 时稳定运转，定义B为该转速下平均有效压力为0.6 MPa的条件下无甲醇喷入时 F-T的油耗量，F=0.28B，S=0.38B，T=0.48B。

在柴油机处于稳定状态时，进气温度为10℃，机油温度为80℃的条件下，分别研究 3 种引燃量 mi（0.6，0.8，1.0
kg/h）和 5 种引燃油供油时刻θinj（16，18，20，22，24 °CA BTDC）对柴油
机燃烧和碳烟排放的影响。

王忠 [6]在增压柴油机上采用进气道甲醇喷射，实现了甲醇/柴油双燃料燃烧，研究了双燃料燃烧模式下柴油机的放热率、滞燃期、持续期和缸压等参数随甲醇掺烧比的变化。

姚春德[7]在柴油机上采用进气道喷射甲醇，研究了柴油/甲醇组合燃烧方
式的微粒排放特性。

本试验在此基础上，采用煤基燃料F-T柴油引燃甲醇，根据
放热率曲线，滞燃期（θD），放热率中心（θC）和燃烧持续期（ΔC）等参数的
变化分析柴油机燃烧状况，并解释与此相关的碳烟排放问题。

2.1 供油时刻对燃烧和碳烟排放的影响2.1.1供油时刻对燃烧的影响
图2，3表示不同供油时刻下（n=1 600 r/min，BMEP=0.6 MPa，mi=0.8 kg/h）放热率曲线和燃烧特性曲线。

从图 2，3中可看出：供油时刻为20°CA BTDC时，瞬时放热率最大；随着供油
时刻的提前，滞燃期逐渐变长，呈现先急后缓的增长趋势，燃烧持续期先减小后增加，放热率中心先靠近后远离上止点。

滞燃期的确定方法：以原机供油时刻表征喷油时刻，以放热率dQB/dφ=0点为终点，由于喷油时刻与供油时刻存在一定的差值，因此，图中滞燃期要大于实际滞燃期，但是滞燃期的变化趋势会保持不变。

温度是影响滞燃期的主要因素之一[8]，在压缩行程喷入相同引燃量，随着供油时刻
的提前，更多的油滴受热蒸发，在滞燃期内形成大量混合气，由于F-T柴油的汽
化导致缸内温度大幅降低，如果供油时刻过早，缸内温度不能使引燃油快速着火，因而滞燃期变长；由于甲醇的汽化潜热随温度的升高而降低，而且温度愈高，汽化潜热下降的速度愈快[9]，而高负荷和较长的滞燃期都会带来较高的燃烧温度，此
时进入缸内的甲醇具有较低汽化潜热，使得缸内温度较高；公式（1），（2）可
以解释温度升高对化学反应有明显的促进作用，对应较快的放热速率和较陡峭的放热率曲线；烃类燃料燃烧速率主要受温度、浓度和组分的影响[10]，燃烧终点以累计放热率的95%确定，供油时刻由16°CA BTDC提前至20°CA BTDC，由于滞燃期的快速变长，缸内形成大量混合气，燃烧初期温度急剧升高，缸内温度对化学反应的影响超过浓度，燃烧加快，燃烧持续期变短，放热率中心逐渐靠近上止点，供油时刻由20°CA BTDC提前至24°CA BTDC，滞燃期变长的速度减慢，浓度成为
影响化学反应的主要因素，引燃油过度稀薄，抑制燃烧的快速进行，燃烧持续期逐
渐变长，放热率中心缓慢远离上止点，表明整个燃烧过程的高温区域远离上止点，带来较长的燃烧持续期。

式中：v 为化学反应速率，mol/（L·min）；k 为反应的速率常数，min-1；k0 为指前因子，min-1；Ea为反应活化能，J/mol；R 为气体常数，J/（mol·℃）；T 为绝对温标下的温度，℃。

2.1.2 供油时刻对碳烟排放的影响
供油时刻（n=1 600 r/min，mi=0.8 kg/h）对碳烟排放的影响如图4所示。

由图4看出：供油时刻提前会降低该燃烧模式下的碳烟排放；同一供油时刻下，高负荷碳烟排放超过低负荷。

供油时刻改变，引起缸内可燃混合气数量的差异，直接影响碳烟排放；相同负荷下，供油时刻的滞后带来较短的滞燃期，减少了滞燃期内混合气的生成量，势必造成大量燃油在着火后的高温高压下蒸发混合，容易因空气不足而裂解成碳烟，带来较高的碳烟排放；高负荷时，缸内温度较高，且混合气浓度变大，导致燃烧不完全和碳烟氧化速率降低，因此碳烟排放增加；另外，高负荷需要喷入更多的甲醇，缸内甲醇接触润滑油膜，加速润滑油氧化变质，也是高负荷时碳烟增加的一种可能。

2.2 引燃量对燃烧和碳烟排放的影响
2.2.1 引燃量对燃烧的影响
图 5，6 所示为引燃量（n=1 600 r/min，BMEP=0.6 MPa，θinj=20 °CA BTDC）对放热率和燃烧过程的影响。

从图5，6可以看出，相同供油时刻下，引燃量mi
由0.6 kg/h增加至1.0 kg/h，燃烧放热率显著增加，燃烧持续期和滞燃期均缩短，放热率中心逐渐靠近上止点。

这是因为增加引燃量，使缸内工质的比定容热容减小，因此滞燃期变短；引燃量的增加使得缸内初始着火能量和初始着火点数量增加，更快地引燃周围甲醇混合气，缩短工质在缸内的滞留时间，提高燃烧放热率，缩短燃烧持续期；放热率中心随引燃量增加缓慢靠近上止点，表明整个放热过程集中在高
温区域，带来较高的燃烧放热率和较短的燃烧持续期。

2.2.2 引燃量对碳烟排放的影响
图 7 所示为引燃量（n=1 600 r/min，θinj=20 °CA BTDC）与碳烟排放的关系。

从图7可以看出：相同引燃量下，负荷越大，碳烟排放越高；高负荷时，引燃量增加导致碳烟排放的增加；中低负荷时，碳烟排放随引燃量增加无明显变化。

这主要是因为中低负荷时，缸温相对较低，甲醇进气道喷射降低进气温度，增加了进气充量，而且甲醇含氧，使工质O/C比变大，改善了缸内局部缺氧状况[11]，甲醇对碳烟排放的抑制起到主要作用，使得碳烟排放稳定在较低水平；高负荷时，随着引燃量增加，一方面，燃烧持续期变短，燃烧放热率加快，燃料的不充分燃烧使碳烟排放呈增加趋势，另一方面，引燃量增加，需要的甲醇量变少，进气充量降低，造成大量燃油因空气不足而裂解成碳烟；同一引燃量下，随负荷增加，需要更多甲醇喷入，造成缸内过冷现象，抑制了燃烧初期生成碳烟的进一步氧化，从而使碳烟排放增加。

本试验在单缸柴油机上采用甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧，探究了不同供油时刻和引燃量对此燃烧模式下柴油机的燃烧特性和碳烟排放特性的影响，得到如下结论。

①供油时刻由16°CA BTDC提前至24°CA BTDC，滞燃期缓慢增加，燃烧持续期先减小后增加，最高放热率出现在供油时刻为20°CA BTDC时；随着供油时刻提前，碳烟排放逐渐变低；同一供油时刻，高负荷碳烟排放高于低负荷。

②引燃量mi由0.6 kg/h增至1.0 kg/h时，燃烧放热率逐渐增加，滞燃期和燃烧持续期逐渐减小；中低负荷下，碳烟排放随引燃量变化不明显，高负荷下，碳烟排放随引燃量增加而增加；因此，高负荷时适当降低引燃量会减少碳烟排放。

③适当提前供油时刻并合理减少引燃量，可以找到F-T柴油引燃甲醇发动机燃烧
和排放特性的较优区域。

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