预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆柴油机排放的影响

第16卷第30期2016年10月1671 — 1815(2016)30-0221-06科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 16 No. 30 Oct. 2016
©2016 Sci. Tech. Engrg.
预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆
柴油机排放的影响
郭宇杰朱建军*韩卫苏志伟吴子龙
(太原理工大学机械工程学院，太原〇3〇〇24)
摘要针对防爆柴油机尾气中排量高，单使用尾气净化装置效果有限的现状，通过在C Y25型柴油机上加装防 爆装置，研究了甲醇预混合气聚甲氧基二甲醚（P0D E)引燃燃烧模式下甲醇占能比对防爆柴油机排放的影响。

试验结果表 明：随甲醇占能比增加，P M和N O,排放下降，较F-T柴油引燃P M排放最大降幅达70% ;而THC、CO、H C H0排放会随甲醇占 能比提高而上升。

甲醇预混合气P0D E引燃燃烧模式可以使防爆柴油机同时有效降低N O,和P M排放。

关键词防爆柴油机 预混合引燃 甲醇 聚甲氧基二甲醚 NO，颗粒物（PM)
中图法分类号TK421.5; 文献标志码B
防爆柴油机是在普通柴油机的基础上对进、排 气系统进行加装防爆排气管、水洗箱等辅助设施的 防爆处理，但防爆同时也增加了进、排气系统的流动 阻力，降低了充气效率，进而导致防爆柴油机燃烧和 排放恶化，尾气中的有害污染物尤以^^和PM (微 粒）为甚[1]。

特别是在煤矿井下巷道，由于空间和 通风条件有限，有害气体易积聚，造成局部浓度增 大，严重威胁井下作业工人的身体健康。

目前降低排放常用的方法是加装尾气净化装 置，虽可有效减少排放量，但由于井下工作环境恶 劣，严重缩短了净化装置的使用寿命，效果有限。

而 采用机内净化措施可更直接地降低防爆柴油机的排 放。

国内外学者对此也做了多种探索，如利用EGR 实现低温燃烧，改变供油提前角，研究新型燃烧模式 等技术。

这其中，清华大学王建昕，于超，等[^4]提 出的汽油预混合气柴油引燃燃烧模式可以实现碳烟 和NO.的大幅降低，甚至能实现碳烟零排放。

天津 大学姚春德，等[5’6]在甲醇/柴油双燃料燃烧的研究 中发现，甲醇与柴油组合燃烧的燃烧方式可获得极 低的N O J PM排放。

吉林大学方显忠，等[7]等利 用柴油引燃压燃式醇类发动机，发现碳烟和NO,排 放均大幅下降。

以上研究为降低防爆柴油机排放提 高了新的研究方向，因此，将预混引燃燃烧模式应用 于防爆柴油机对排放的影响进行研究。

2016年5月16日收到
第一作者简介:郭宇杰（1990—），男，硕士研究生。

研究方向：替代 燃料发动机燃烧与排放控制。

E-mail:woshiguoyujie@126. c o m。

*通信作者简介:朱建军(1974—），男，副教授，硕士生导师。

研究方 向:替代燃料发动机燃烧与排放控制。

E-mail: m^+sys@ 163. c o m。

预混引燃燃烧模式中，用于进气道喷射的高辛 烷值燃料及用于引燃的高十六烷值燃料选择性较 多。

甲醇在发动机中燃烧时，碳烟排放极低，c o及 H C的排放也优于柴油；甲醇的辛烧值高于汽油，其较 高的氧含量可以使得燃烧温度有所降低，有利于NO.排放量的降低;再加之产量大、价格低的特点，使得甲 醇作为替代燃料具有很好的应用前景。

所以用甲醇 作为进气道喷射燃料是很好的选择。

聚甲氧基二甲 醚（PODEn),平均十六烷值可达76,比0#柴油高得 多。

试验表明:在柴油中添加5% ~30%的PODEn,可以降低颗粒物及氮氧化物的排放。

而且由于其与 柴油的物理化学性质相近，也可直接作为柴油机燃 料。

因此本文利用聚甲氧基二甲醚引燃甲醇预混合 气，研究此预混引燃燃烧模式下不同的甲醇占能比对 防爆柴油机NO^PM及其他污染物排放的影响[8]。

1试验设备及方法
1.1试验设备
试验所用防爆柴油机，是在原柴油机基础上加 装进排气阻燃器，防爆水洗箱来实现防爆功能。

发 动机参数如表1所示。

表1试验发动机运行参数
Table 1 Parameters of the engine
参数类别属性
发动机型号CY25
发动机型式单缸、四冲程
缸径/mm X行程/mm115 x120
排量/L 1. 25
压缩比17
额定功率/kW15. 6 (2200 r/min)
喷射压力/M Pa19
供油时刻/°C A BTDC22 ±2
222科学技术与工程16卷
试验中，通过在原机基础上加装一套甲醇供给 系统，来实现利用聚甲氧基二甲醚（PODE)引燃甲 醇的燃烧模式，该喷射系统由耐醇油泵、调压阀、滤 清器和喷嘴等组成。

试验台架的总体布局如图1所 示，主要由发动机、测功机、控制系统、排放收集分析 系统等组成。

1为燃油油箱，2为油耗仪，3为燃油滤清器，4为甲醇喷射控制
单元，5为甲醇喷嘴，6为燃油滤清器，7为甲醇油箱，8为电子 称，9为进气阻燃器，10为缸压传感器，11为EG R，12为DOC，13
为傅里叶红外光谱分析，14为烟度计，15为排气阻燃器，16为防
爆水洗箱，17为燃烧分析仪，18为角标仪，19为电涡流测功机，20为计算机，21为发动机，22为测控系统
图1台架示意图
Fig. 1Diagram of the test bench
对于试验中排放物的测定，分别利用AVL公司 的傅里叶红外光谱分析仪和不透光烟度计来测量气 态排放物和碳烟。

发动机测试系统则来自四川诚邦 科技有限公司，具体设备型号见表2。

表2主要测控设备
Table 2 Main equipment and instruments
设备仪器型号生产厂家柴油机测试系统ET2000四川诚邦科技有限公司
电涡流测功机DW100四川诚邦科技有限公司
智能油耗仪ET2400四川诚邦科技有限公司
傅里叶红外光谱分析仪A V L SESA M I60 FT奥地利A V L公司不透光烟度计A V L D ISM OKE 4800奥地利A V L公司
1.2试验方法
试验在一台防爆柴油机上进行，要实现预混引 燃燃烧模式，需要两套燃料供给系统。

引燃的 P0D E由原机的缸内直喷系统供给，而甲醇由加装 的喷射系统供给。

此系统中，甲醇喷嘴安装在进气 管，喷射压力设置为3.5 MPa,甲醇喷射时刻为10°CA BTDC，通过甲醇喷射控制单元实现对甲醇喷射周期 和脉宽的控制。

试验中，利用测控系统将发动机转速固定在1 200 r/min及1 800 r/min，工况设定小负荷为0.3 MPa平均有效压力和大负荷0.5 MPa平均有效压力。

通过改变甲醇喷射脉宽及P0D E的油门开度，维持一定负荷，寻找此工况点下的最大甲醇占能比，即循环供油量中甲醇能量与总能量最大比值点。

然 后逐渐减小甲醇喷射量，增大P0D E油门开度，降低 甲醇占能比，记录同一工况下五个甲醇占能比。

2试验燃料
表3试验燃料的理化特性
Table 3 Physical and chemical characteristics
of testing fuels
参数p o d e2_4.F-T柴油甲醇液态密度(20 °C)/(g• cm_3) 1.020.760.796低热值/(M J• k g-1)19. 144.219.66
汽化潜热/(k j• k g-1)——1109
十六烷值78.6743
比热容—— 2.55
含氧量/%47050
自燃温度/°c—200 ~220470运动黏度(60 °C)/(m m2•s-1) 1.05 1.32 1.00
馏程T90/°C156310—
由表3可知，PODE2_4和甲醇均为高含氧燃料，可以改善发动机大负荷时缸内局部缺氧情况，增加 空燃比，有效降低PM及不完全燃烧产物CO，H C的排放量，同时高含氧燃料燃烧速度极快，是缸内燃烧 中心主要集中在上止点附近，燃烧等容度较高，有利 于提高发动机热效率。

P〇DE2_4的十六烷值极高，其极易着火的性能将增加点火能量，燃烧相对充分 将进一步降低小负荷时的C0和H C排放量。

甲醇 的汽化潜热非常大，由进气道喷射进入汽缸的甲醇 混合气将吸收缸内上一燃烧循环的余热，降低缸内 压缩终了的温度，进一步降低燃烧温度基点，有利于 最高燃烧温度的降低，促进N0x排放物降低。

P〇DE2_4运动黏度较低，喷入缸内后燃油粒径较小，雾化效果较好，有利于混合气均勻性改善，极大促进 了碳烟的进一步降低。

3试验结果与分析
试验用十六烷值高的聚甲氧基二甲醚（P0DE)引燃高辛烷值的甲醇，研究降低碳烟、氮氧化物等污 染物排放的机理。

P0D E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，P0D E在上止点前喷入缸内，扩散燃烧，随着 P0D E多点同时着火，甲醇均质混合气被多点引燃。

甲醇占能比实际上反映了缸内燃烧过程中预混合燃 烧和扩散燃烧的比例，能有效控制燃烧的反应速 率，
对排放特性有重要的影响。

30期郭宇杰，等:预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆柴油机排放的影响223
3.1颗粒物（PM)排放
对于燃烧颗粒物排放的研究，由于采用预混引 燃燃烧模式可实现PM的超低排放，因此P M的测 量结果不与原机对比，而是与同样采用预混引燃燃 烧模式的非防爆F-T柴油引燃、防爆F-T柴油引燃 及防爆PODE引燃三种模式作对比，前两种模式可 以有效降低PM排放[9’1()]。

1 200 r/m in和1 800 r/m in小负荷工况下微粒 排放随甲醇比例的变化情况如图2所示。

防爆柴油 机利用PODE引燃在低转速时与非防爆柴油机F-T 柴油引燃的微粒排放相当，在高转速是比非防爆柴 油机F-T柴油引燃微粒排放还要低，这充分说明 PODE燃料燃烧时微粒排放低的优良品质。

图2不同甲醇比例对碳烟排放的影响
Fig. 2 PM emission changes with methanol proportion
比较两图可知，预混引燃燃烧模式可以有效降 低发动机的微粒排放，尤其是防爆柴油机甲醇加入 对于消减微粒排放作用最为明显，随着甲醇比例的 增加三种模式下微粒排放都不同程度的下降，对于 防爆柴油机PODE引燃下，1 200 r/min 0.3 MPa工 况的微粒排放降幅高达70%以上，在1 800 r/min 0.3 MPa工况下的消减幅度也在60%以上。

防爆柴油机在未喷射甲醇时，微粒排放与无防爆柴油机相比增加幅度高达100%，主要由于防爆 柴油机进排气阻力大，新鲜充量进入迟缓和燃烧废 气排出延迟导致缸内温度升高，导致高温缺氧，微粒 排放增大，但随甲醇比例的增加，防爆柴油机微粒排 放迅速下降，载甲醇比例高于60%后，微粒排放与 非防爆柴油机相当。

这是因为预混引燃燃烧主燃烧 方式变为预混合燃烧，因此不会出现局部混合气过 浓的情况，同时甲醇的含氧量较高，燃烧后产生碳烟 极少。

而且发动机转速越高，缸内涡流的强度也就 越大，进而极大地促进油气混合过程，有利于燃烧更 充分，即原机本身在高速时的燃烧过程就更接近预 混合燃烧，所以预混引燃对高速工况下微粒排放没 有低速时改善明显。

3.2氮氧化物（NO x)排放
图3给出了防爆柴油机在1 200 r/m in和1 800 r/m in工况下N0%排放随甲醇占能比的变化情况。

由图可知，防爆柴油机预混引燃燃烧模式下，不同转 速的N0%排放均随甲醇占能比的增加排放逐渐降 低。

且同一负荷，同一甲醇比例下，高转速下N0X排 放较低转速下NO.排放更低。

图3不同甲醇比例对N0x排放的影响
Fig. 3 N0V emission changes with methanol proportion
NO,有以上排放规律的原因是：由于甲醇的气 化潜热较大，同一转速下，甲醇占能比越大，因甲醇 的汽化而被吸收的热量也越多，
缸内温度降幅越大，
224科学技术与工程16卷
而且随着甲醇占能比的增大，缸内氧气的浓度逐渐 降低。

而N0X的生成条件为高温、富氧，因此甲醇占 能比增大能有效抑制N(\的生成。

当转速升高时，高温持续时间减少，且排气冲程时间较短，缸内残余 废气较多，发动机燃烧速率降低，使得燃烧温度降 低，从而减少了 N0X的排放。

3.3总碳氢（TH C)排放
图4 给出了 1 200 r/min工况和 1 800 r/min 丁况下甲醇比例对预混引燃发动机的尾气排放中T H C排放的影响。

由图可知：防爆柴油机组合燃烧 模式下，随甲醇比例增加，THC排放上升，且在小甲 醇比例情况下，T H C排放上升极少。

图4不同甲醇比例对TH C排放的影响
Fig. 4 THC emission changes with methanol proportion
甲醇比例增加意味着甲醇/空气的预混合气量 增加，这部分预混合气在进气冲程进入气缸内直到 上止点附近才被引燃，其进入活塞头部与气缸壁的 间隙当中，在膨胀和排气冲程中未燃的混合气随废 气一起排出形成大量T H C，随甲醇比例增加，缸内 温度降低，壁面淬熄层厚度增加，也是导致T H C上 升的又一个原因。

可能是由于P0D E雾化效果好，含氧量高燃烧速度快，缸内温度较高，所以小甲醇比 例下THC上升不明显。

从实验结果看，在甲醇比例低于20%时，P0D E 引燃甲醇防爆柴油机的T H C排放变化不大，充分体 现了 P0D E的对于T H C排放物有抑制作用。

3.4—氧化碳（C O)排放
C0作为燃烧反应的中间产物，主要来源是燃 料的不充分燃烧。

1 200 r/min工况和1 800 r/min 工况下CO排放随甲醇比例的变化如图5所示。

图5不同甲醇比例对C0排放的影响
Fig. 5 CO emission changes with methanol proportion
由图5可以看出，防爆柴油机PODE引燃模式 下随甲醇比例增加，C0排放上升。

这是因为随着 甲醇比例增加，同一循环总喷油量中，可燃预混合气 量减少，点火能量大大降低，同时甲醇较大的汽化潜 热使缸内温度进一步降低，P0D E雾化受阻，引燃区 域减小导致不完全燃烧比例增加，C0排放上升。

甲醇占能比相同时，随转速升高C0排放呈下降趋 势。

这是因为转速升高，气流运动随之增强，燃烧也 会更充分。

而高负荷下C0排放较低负荷低，是由 于负荷升高，燃烧温度升高，利于氧化，从而减少C0 排放。

3.5甲醛（HCHO)排放
图6给出了 1 200 r/min工况和1 800 r/m in下 HCH0排放随甲醇比例的变化情况，随甲醇占能比 提高，HCH0排放增多。

甲醛的主要来源是已燃区 内未燃甲醇的燃后氧化，
还有部分来自于排气管中
30期郭宇杰，等:预混引燃燃烧模式下甲醇比例对防爆柴油机排放的影响
225
甲醇的低温氧化。

因此，HCHO 随甲醇占能比升高 排放增多的原因是甲醇占能比越大，因甲醇气化吸
收的热量越多，缸内燃烧温度也就越低，且甲醇起始 氧化温度低于甲醛，所以在两者均能发生氧化时，温 度越低，越有利于甲醇氧化生产甲醛，因而甲醛排放 越多。

在高转速工况下，可发现高负荷甲醛排放要 少于低负荷，这是由于负荷增加，缸温上升，促进甲 醛的氧化速度快于生成速度，从而排放下降。

图6不同甲醇比例对HCHO 排放的影响
Fig. 6 HCHO emission changes with
methanol proportion
4结论
试验在防爆柴油机上采用甲醇均质混合气聚甲
氧基二甲醚引燃燃烧模式，探究了不同甲醇比例对 此燃烧模式下排放特性的影响，得到如下结论。

(1) 预混引燃燃烧模式中，非防爆F -T 柴油引 燃、防爆F-T 柴油引燃及防爆P 0D E 引燃三种模式 下随甲醇比例的增加微粒排放逐渐降低，利用 P 0D E 引燃可以有效降低碳烟排放，较防爆F -T 柴
油引燃微粒排放降幅最高可达70%。

(2) 防爆柴油机采用甲醇均质混合气P 0D E 引 燃燃烧模式，随甲醇占能比的增加NO .排放逐渐降 低，较原机NO ,降幅最大为50% ,
(3) THC 、C 0和HCHO 排放均随甲醇占能比的 增大逐渐升高，升高幅度较大，其中P 0D E 引燃甲醇 比例小于20%时，THC 排放变化不大。

在实际应用 中可加装氧化型催化转化器（D 0C )作相应处理Q
参考文献
1
魏勇刚，赵明岗，孟K 背.煤矿下防爆柴油机尾制技术探 讨*煤炭科f 技术，2008; (12) :63—65
Wei Yonggang,Zhao Minggang,Meng Guoying. Discussion on tail gas control technology of mine flame proof diesel engine in underground coalmine. Coal Science and Technology ,2008 ；( 12 ) ：63 —65 2
He B Q, Wang J X , Shuai S J , al. Homogeneous charge combus­
tion and emissions of ethanol ignited by pilot diesel on diesel engines.
SAE Paper 2004-01-00943
于超，王建昕，王志，等.汽训均质混IV C 架汕引燃低温燃烧 的试验.内燃机学报，2013;31(2) :120—125
Yu Chao,Wang Jianxin,Wang 7hi,M al. Experiment on low tempera­ture combustion of gasoline homogeneous charge induced ignition by diesel. Transactions of CSICE,2013 ；31 (2) ：12〇—125
4于超，i 进听志/$均质浞燃发动机的燃烧和排
放特件.汽乍安令能卞报，2011 ;2(3) :263—270
Yu Chao, Wang Jianxin, Wang Zhi, et al. Combustion and emission characteristics of homogeneous charge induced ignition engines. Auto­motive Safety and Energy,2011 ;2(3) ：263一270 5
姚奍徳，程传辉，张镇顺，等.柴汕/甲醇组合燃烧发动机的微粒 排放特性.内燃机学报，2008;26(4) :302—306
Yao Chunde,Cheng Chuanhui,Zhang Zhenshun,e^ al. Characteristics of particulate matter emission from a diesel/methanol compound com­bustion engine. Transactions of CSICE ,2008 ；26(4) ：302—306
6姚春德，复琦，陈绪平，等.柴汕Y k …醇MN 彳巾高效清沾燃烧揽 理.天汴大，学报，2011 ;44(8) :671—676
Yao Chunde, Xia Qi, Chen Xuping, et al. Mechanism of diesel fuel burning in methanol mixture with high efficiency and low emission. Journal of Tianjin University,2011 ；44(8) ：671 —676
7方显忠，刘巽俊，金义平卩[喷:燃式发动机用双喷射系统燃 用柴油-娜醇的研究•内燃机学报，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. Transactions of CSICE ,2003 ；21 (6) ：411 —414
s 时米东，王王巨龙，等.聚甲氣撼二合成」i:艺介绍.置 然化工（C1 化，^ 化 I:) ,2015;(04) :91—96
Shi Midong, Wang Yunfang, Wang Julong, et al. A review on processes for synthesis of polyoxymethylene dimethyl ethers. Natural Gas Chemical Industry (C l chemistry and chemical engineering), 2015； (04) ：91—96
9 Alleman T L , McCormick R L. Fischer-tropsch diesel fuels and ex­
haust emissions ： a literature review. SAE paper 2003-01-0763
鳩苏志彳I!，朱It!军，安ffi 们，等.II1醇均质混介气F -T 柴油引燃发
动机排放特性研究•可再生能源，2015 ;(10) : 1577—1581
Su Zhiwei, Zhu Jianjun, An Qiaoqiao, et al. Study on the emission characteristics of homogeneous charge induced ignition for diesel en­gine. Renewable Energy Resources ,2015 ；( 10) ：1577—
1581
226科学技术与工程16卷
Effects of Methanol Energy Proportion on Exhaust Emission of Premixed Charge Induced Ignition for Flameproof Diesel Engine
GUO Yu-jie,ZHU Jian-jun* ,HAN Wei,SU Zhi-wei,W U Zi-long
(Department of Vehicle Engineering ,Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024,P. R. China) [Abstract]Based on the flameproof diesel engine exhaust gas of high capacity NOx and PM,just use the exhaust gas purifier has a limited effect.A set of explosion-proof devices was added on a CY25 diesel engine to research the effects of methanol energy proportion on exhaust emission of premixed methanol charge induced ignition by PODE for flameproof diesel engine.The result show that with the increase of methanol energy proportion,the emission of NO%and PM is reduced,compared with ignition by F-T fuel the emission of PM has the greatest decline of70 per­cent.However the emission of THC,CO,HCHO increased with the increase of methanol energy proportion.The flameproof diesel engine use the combustion mode of premixed methanol charge induced ignition by PODE can ef­fectively reduce the emission of NO%and PM at the same time.
[Key words ]flameproof diesel premixed charge induced ignition methanol PODE NOx PM (上接第22〇页）
Study of Combustion Chamber Parameters on Performance of Rapid Combustion of a High Power Density Diesel Engine
LI Shu-yu,XU Yan-fang,LIU Ruo-fan,MAO Hu-ping
(North University of China,Taiyuan 030051 ,P. R. China)
[Abstract ]To study the effects of combustion chamber parameters on rapid combustion of a high power density single-cylinder engine,under the condition of the same compression ratio,three combustion chamber schemes with different diameter depth ratio were established.Then using AVL_Fire,it simulates combustion process of the single cylinder Diesel engine,analysis the influences of air distribution,spray characteristics and combustion characteristics with diameter-depth ratio.Simulation results show that,when diameter-depth ratio varies from3.49 to 5.73 turbu­lent mixing rate increased first and then decreased，turbulent kinetic energy decreased,squeeze flow value de­creased,spray penetration distance increased,oil beam developed to the pit wall,the remaining liquid fuel quantity increased.II type combustion chamber had better dynamic performance and more benifited to the diffusion combus­tion.
[Key words ]diameter-depth ratio combustion chamber parameters high power density diesel engine rapid combustion。