高压缩比甲醇发动机的性能和排放研究

醇的研究也很有价值。 农用机械一般都以单缸柴油
表 １ 发动机参数
型号
气 缸 直 径 ×行 程 ／ｍｍ
排量 ／Ｌ
标定功率 ／ｋＷ
标定转速 ／ｒ· ｍｉｎ －１
最大扭矩 ／Ｎ· ｍ
压缩比
喷油提前角 ＣＡ 喷油泵柱塞直径
／（ °）
／ｍｍ
１１１５（ 原机） １１１５－Ｍ（ 改装后）
１１５ ×１１５ １１５ ×１１５
２０１４ 年 ９ 月 农 机 化 研 究 第 ９ 期
高压缩比甲醇发动机的性能和排放研究
王 晋， 朱建军， 王 勇， 刘 磊， 高聪慧
（ 太原理工大学 车辆工程系， 太原 ０３００２４）
摘 要： 用一辆农用拖拉机的柴油机进行台架试验。 在 一 台 １１１５ 单 缸 柴 油 机 上，经 过 加 装 电 热 塞、 增 大 压 缩 比
·２３０·
２０１４ 年 ９ 月 农 机 化 研 究 第 ９ 期
浓，局部缺氧现象增多，ＣＯ 排放再次变高，但比柴油 机要低很多。 燃油品质对 ＣＯ 浓度排放 也有明显影 响，燃油芳烃含量愈高，十六烷值愈低，则 ＣＯ 浓度愈 高。 在对尾气进行三元催化后，在转矩由小到大的范 围内 ＣＯ 都能保持很低。
［２］ 宫艳峰，胡铁刚，李跟宝，等．甲醇柴油混合燃料对柴油 机性能的影响［ Ｊ］ ．农业机械学报，２００７，３８（１） ：５０－５３．
［３］ 姚春德，段峰，李云强，等．柴油 ／甲醇组合燃烧发动机的 燃烧特 性 和 排 放 ［ Ｊ ］．燃 烧 科 学 与 技 术 学 报，２００５，１１
１ 试验设备及方法
油的机理、此外还有一种甲醇柴油双喷射方式，需要
本试验是在一台 １１１５ 单缸柴油机上进行的，分别
安装两套燃油供给系统， 改装复 杂， 控制、 制 造 难 度 进行了原机燃用柴油的和改装后燃用 Ｍ１００ 甲醇的性
大，费用高，但节能减排效果非常明显。 因此，无论从 能和排放性的试验研究。 发动机基本参数如表 １ 所
１ ．１９４ １ ．１９４
１４ ．７ １６ ．３
２ ２００ ２ １００
７１ ．４６ ７５
１７ １９ ．３
２２ ±２ １８
Φ９ ．５ Φ１０．５
收稿日期： ２０１３－０９－２７ 基金项目： 山西省自然科学基金项目（２０１３０１１０４１－３ ） 作者简 介： 王 晋 （ １９８９ －） ， 男， 山 西 太 原 人， 硕 士 研 究 生， （ Ｅ －ｍａｉｌ）
图 １ 外特性曲线和排气温度对比图
燃料经济性通常用燃油消耗率和热效率指标来评
价。 本试验进行 Ｍ１００ 和 ０ 号柴油进行经济性对比
时，燃油消耗率应转换成燃料的当量热值燃油消耗率
对比，则
Ｍｂｅ ＝ｂｍｅ ×ＨＨｍｕｕ
（１）
ηｅｔ
＝３
．６ ｂｅ
×１０ ×Ｈｕ
６
（２）
其中，Ｍｂｅ 是甲醇的当量燃油消耗率（ ｇ ／ｋＷ· ｈ） ；
能源危机还是日益严格的排放法规的角度考虑，甲醇 示。 试验测试设备：四川诚邦科技有限公司的 ＥＴ２０００
都体现出它强大的优势。 虽然以上试验研究都是在 柴油机测试系统，ＥＴ２５００ 智能油耗仪，ＤＷ１６０ 电涡流
中、高速柴油机上进行的，对低速单缸柴油机燃用甲 测功机和 ＡＶＬ ＤＩＣＯＭ ４０００ 五组分尾气排放仪。
ｓｕｉｘｉａｎｇｗｊ＠１６３．ｃｏｍ。 通讯作者： 朱建军（１９７４ －） ，男，太 原人，副教授，（ Ｅ －ｍａｉｌ） ｎｒｊｓｙｓ＠１６３．
ｃｏｍ。
本试验 在 一 台 单 缸 柴 油 机 缸 盖 上 加 装 一 个 电 热 塞，安装在进排气门中心线靠喷油嘴一侧，不影响其 他机构的同时在喷油嘴一侧安装电热塞。 甲醇的低 热值很低，仅为柴油的 ４６．７％；但其辛烷值很高，有很 好的抗爆性。 为了改装后能使甲醇稳定燃烧的同时
和 ＣＯ 排放降低到与柴油机一样 。 通过试验对比，对甲醇替代柴油的可能提供了理论依据，对柴油 机 节 能 减 排 具
有重大意义。
关键词： 拖拉机； 电热塞； Ｍ１００ 甲醇燃料； 甲醇发动机
中图分类号： ＴＫ４１１＋．５ 文献标识码： Ａ
文章编号： １００３－１８８Ｘ（２０１４）０９－０２２９－０４
３）改装后甲醇发动机的排放明显降低。 甲醇发 动机 ＮＯｘ 的排放比柴油低很多。 尽管 ＣＯ 和 ＨＣ 排放 高，但 通 过 尾 气 三 元 催 化 器 处 理 后 排 放 降 低 很 多， 排 放浓度与柴油机相当，对拖拉机节能减排具有重大意 义。
图 ４ １ ８００ ｒ ／ｍｉｎ 时的 ＨＣ 排放曲线图
０ 引言
机为输出动力，在把柴油机改装成甲醇发动机后燃料 价格大幅度降低，对农用机械发展有一定帮助。
当今甲醇作为公认的清洁替代燃料，人们通过大
甲醇很低的十六烷值和较高的自燃温度以及其它
量的发动机试验对其进行了深入研究。 首先进行过 理化性质决定了纯甲醇在柴油机中压缩燃烧困难。
甲醇柴油混合燃料的掺烧试验［１－２］ ，对发动机改动不 因此，采用一种在柴油机缸盖上加装一个电热塞，使
２ 试验结果分析
２．１ 甲醇发动机与原单缸柴油机动力性和经济性对 比
图 １ 为发动机外特性曲线对比图。 由图 １ 可知： 在外特性曲线中，单缸柴油机进行改装后燃用 Ｍ１００ 甲醇获得的外特性转矩比燃用 ０ 号柴油大，转矩平均 提高 ６．８％，最大提高 １５％，动力性提升较大。 外特性 曲线表明甲醇在柴油机中的应用潜力很大。 虽然甲 醇的热值不到柴油的 １ ／２，但在理论空燃比附近甲醇 与空气混合气的热值与石油燃料混合气的热值相当， 在增大压缩 比 喷 油 泵 柱 塞 直 径 后 甲 醇 发 动 机 动 力 性 升高。 从图 １ 中还可看出，燃用 Ｍ１００ 发动机的排气 温度比燃用 ０ 号柴油降低了很多，缓解了负荷压力。 但排气管安 装 三 元 催 化 转 换 器 后 排 气 温 度 有 明 显 的 升高，这主要是尾气在进入三元催化器的节流作用和 尾气在三元 催 化 器 内 进 行 复 杂 的 化 学 反 应 大 量 放 热 导致排气温度升高。
图 ５ １ ８００ｒ ／ｍｉｎ 时的 ＮＯｘ 排放曲线
３ 结论
１）１１１５ 单缸柴油机经改装为甲醇发动机的动力 性平均提高 ６．８％；同时提高了甲醇能量转换效率，经 济性得到改善；排气温度平均下降了 ９．８％，减轻了发 动机排气系统热负荷。
２）甲醇发动机的当量燃油消耗率平均降低 １６％， 燃油经济性改善；同时有效热效率在负荷变高时比原 柴油机的热效率高。 从这两方面比较，柴油机燃用甲 醇有较大优势，使经济性得到改善。
和喷油泵直径的改装后燃用 Ｍ１００ 甲醇燃料，并对改装后的甲醇发动机与原柴油机进行对比试验。 试验结果表
明：甲醇发动机的动力性比原柴油机高， 经 济 性 得 到 改 善； 尾 气 排 放 中 甲 醇 发 动 机 ＮＯｘ 平 均 降 低 ４５ ％， 尽 管 ＨＣ 和 ＣＯ 的排放整体比柴油机高 ，但在大负荷时 可 以 平 均 降 低 ７０ ％； 并 且 在 尾 气 进 行 三 元 催 化 处 理 后， 可 以 使 ＨＣ
大，但由于甲醇和柴油不相溶，即使添加互溶剂后长 发动机运转的过程中一直通电处于加热状态，以提高
时间放置混合燃料稳定性依然不好。 近几年关于进 缸内温度；利用热面点火的方式点火，把一台农用单
气道喷甲醇、柴油引燃的方式来研究的试验很多，并 缸柴油机改装成甲醇发动机，对其进行性能研究。
且在降低有害排放和碳烟取得了很大成绩，对缸内燃 烧特性也进行了研究分析［３－６］ ，初步了解甲醇替代柴
图 ２ １ ８００ ｒ ／ｍｉｎ 有效热效率和当量燃油消耗率曲线对比图
出现上述现象的原因是由于低转矩时负荷小，缸 内温度低，甲醇汽化困难，扩散燃烧速度慢，容易出现 间歇失火，使发动机性能较燃用柴油时差；转矩变大 后，发动机缸内温度升高，甲醇汽化容易，混合气形成 及时，滞燃期变短而燃烧速度变快，这样获得了较高 的能量转换效率［７］ 。 １ ８００ｒ ／ｍｉｎ 时，甲醇燃料当量燃 油消耗率在大负荷时均降低 １３％， 经济性得到了改 善。 ２．２ 甲醇发动机与原单缸柴油机排放对比
图 ３ １ ８００ ｒ ／ｍｉｎ 时的 ＣＯ 排放曲线图
图 ４ 是 ＨＣ 排放对比曲线图。 由图 ４ 可知甲醇发 动机比柴油机的 ＨＣ 排放高。 柴油机的 ＨＣ 排放在整 个转矩范围内很低，而甲醇发动机的 ＨＣ 排放先降低 后升高。 ＨＣ 排放在柴油机中主要是受燃油雾化质量 差和混合不均匀的影响。 由于甲醇易蒸发， 雾化较 好，在柴油机上的燃烧是扩散燃烧的方式，比柴油与 空气混合快一些，但没有充足的混合时间，主要以扩 散燃 烧 为 主； 低 负 荷 时 混 合 气 过 稀， 可 能 出 现 间 歇 着 火现象。 甲醇十六烷值仅为 ３，滞燃期长，未然碳氢和 裂解碳氢增多；负荷变大时，缸内温度升高，也提高了 电热塞点火的性能，甲醇汽化容易，滞燃期变短，改善 了燃烧，ＨＣ 降低；在大转矩下又升高是由于爆燃的发 生导致了燃烧的恶化。 由图 ４ 还可以看出，大负荷时 ＨＣ 排放比小负荷时低；尾气经三元催化转换器转化 后明显的降低了 ＨＣ 排放。
图 ５ 是甲醇发动机和柴油机 ＮＯｘ 排放对比图。 甲 醇发动机的 ＮＯｘ 比柴油机低很多。 ＮＯｘ 的生成主要是 在高温富氧的环境中。 甲醇气化潜热大，燃烧温度的 降低可以减少 ＮＯｘ ；另一方面甲醇是含氧燃料，促进了 ＮＯｘ 的生成。 但甲醇滞燃期比柴油长，在预混合阶段 与更多的空气混合，并且燃烧速度快，这样被氧气氧 化成 ＮＯｘ 的反应时间短，可以抑制其生成。 因此，燃用 Ｍ１００ 甲醇降低 ＮＯｘ 很多。 从图 ５ 中看出，尾气进行三 元催化后 ＮＯｘ 的排放稍有增加，这是由于在尾气管中 安装三元催化器后增加了节流效果， 提高了尾气温 度，混合气稀薄，三元催化效果对 ＮＯｘ 不明显，增加了 ＮＯｘ 排放，但比原柴油机低很多。
出现上述情况的原因是由于低负荷时，发动机燃 烧温度低，虽然甲醇含氧多，燃烧比柴油完全；但其汽 化潜热大，使温度进一步降低，ＣＯ 氧化的过程缓慢， 同时大部分混合气非常稀薄，而扩散燃烧的方式会使 混合气不均匀，造成局部的浓混合气缺氧，致使燃烧 不完全 ＣＯ 的排放比燃用柴油时高。 负荷高时，燃烧 温度高，甲醇含氧的特点变为主要因素，此时 ＣＯ 大量 被氧 化， 使 排 放 降 低； 百度文库 负 荷 进 一 步 升 高 时 混 合 气 变
参考文献：
［１］ 张俊强，卢红兵，王锡斌，等．直喷式柴油机燃用甲醇 ／柴 油混合燃料的燃烧及排放特性［ Ｊ］ ．燃烧 科 学与 技术， ２００４，１０（２） ：１７１－１７５．
·２３１·
２０１４ 年 ９ 月 农 机 化 研 究 第 ９ 期
ｂｍｅ 是甲醇有效燃油消耗率；Ｈｍｕ 是甲醇低热值（ Ｊ ／ｋｇ） ； Ｈｕ 是柴油低热值；ηｅｔ 是有效热效率。
图 ２ 是 １ ８００ｒ ／ｍｉｎ 时甲醇发动机和原单缸柴油机 的有效热效率和当量燃油消耗率的曲线对比图。 由 图 ２ 可以看出：在低转矩时，燃用 Ｍ１００ 甲醇燃料的有 效热效率低于 ０ 号柴油；转矩变大时，燃用 Ｍ１００ 的有 效热效率高于 ０ 号柴油，性能明显改善。
·２２９·
２０１４ 年 ９ 月 农 机 化 研 究 第 ９ 期
动力性维持原机，增大了压缩比和喷油泵柱塞直径， 并且调整了供油提前角。 尾气后处理装置采用了三 元催化转换器，因为单缸机价格便宜，加装电热塞会 提高成本，考虑降低成本采用了一个小的三元催化转 换器进行尾气处理。
图 ３ 是 １ ８００ｒ ／ｍｉｎ 下进行的 ＣＯ 排放对比，还有 甲醇发动机进行尾气后处理（ 三元催化转换器尾气处 理）前后排放的对比。 由图 ３ 可以清楚地看到，甲醇 发动机的 ＣＯ 排放曲线随扭矩的增大呈现出先降低后 增大的趋势，０ 号柴油的 ＣＯ 排放逐渐增大； 低 负 荷 时，甲醇发动机的 ＣＯ 排放比原柴油机高很多；但在高 负荷时低很多。 甲醇发动机进行三元催化转换后 ＣＯ 排放始终能保持很低，对降低 ＣＯ 排放有很好的效果。