甲醇替代率對雙燃料發動機燃燒及其循環變動的影響

孫滔，陶文輝，盧康博，石磊，喬信起

（上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240）

0 概述

中國在2021年政府工作報告中指出了實現“碳中和”目標的保障措施，其中綠色能源的應用成為新的經濟增長與社會發展的主線。在眾多替代燃料中，甲醇的制備具有成熟的設備基礎和堅實的產能保證［1-2］，更適應中國能源分布現狀［3］，被作為柴油機重點研究推廣的清潔替代燃料。

在甲醇-柴油雙燃料發動機的研究中，缸內燃燒控制是其中重要的研究方向。文獻［4-6］中提出柴油/甲醇二元燃料（diesel methanol dual fuel，DMDF）燃燒模式，并在4缸柴油機上進行了雙燃料燃燒與排放研究。在DMDF模式下，甲醇可降低進氣溫度和缸內平均溫度［7］，從而改善缸內燃燒。文獻［8］中通過調整噴油時刻和排氣背壓并結合廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）技術，拓展了高負荷下的甲醇替代率。甲醇的增加使得缸內含氧量增加，同時降低缸內溫度，減少熱量損失，從而提高了指示熱效率［9］，文獻［10］中研究發現特定條件下甲醇替代率的增加也使指示熱效率降低。在排放方面，甲醇作為含氧燃料能夠增加缸內含氧量，從而降低顆粒物（particulate matter，PM）的排放［11］。甲醇-柴油雙燃料發動機NOx排放研究有不同的結論：文獻［12］中研究得出甲醇的增加使得排氣溫度增加，NOx排放增加；文獻［13］中研究得出甲醇的增加使得進氣溫度降低，從而降低NOx的排放。燃燒循環變動也是柴油-甲醇雙燃料發動機研究的重要方面，隨著循環變動的加劇，燃燒不正常甚至失火的循環數逐漸增多，碳氫不完全燃燒產物增多，動力性、經濟性下降［14］。文獻［15］中研究了摻混比、負荷率和轉速對循環變動的影響。隨著甲醇替代率的增加，循環變動增加。負荷率增大或轉速升高時，循環變動減小。提高甲醇替代率使發動機各缸不均勻度增加，增加轉速有助于減小各缸不均勻度［16］。文獻［17］中在一臺4缸柴油機上進行研究發現，在低負荷下發動機的不均勻度對甲醇替代率的敏感性更高。文獻［18］中在點火式甲醇發動機上研究稀釋氣CO2和N2對循環變動的影響，結果表明隨著CO2和N2比例的增加，燃燒循環變動增加。

通過文獻分析可以看出，國內外對柴油-甲醇雙燃料發動機燃燒開展了一定研究，表明甲醇替代率對發動機燃燒、排放的影響復雜。本文中針對不同工況開展甲醇替代率對燃燒、排放及循環變動的影響規律進行了全面研究，為甲醇在柴油機上的應用提供了參考。

1 試驗臺架與方法

1.1 試驗臺架

以一臺四沖程高壓共軌單缸機為試驗對象開展研究，試驗臺架裝置如圖1所示，具體參數如表1所示。單缸機采用兩套噴射系統，其中甲醇為進氣道噴射，柴油為缸內直噴。

圖1 甲醇柴油雙燃料發動機試驗系統示意圖

表1 發動機參數

柴油噴射采用博世CR3高壓共軌燃油噴射系統，基于NIcRIO-9012模塊自主編寫了噴油控制程序，實現了噴油次數、噴油正時、噴油脈寬及噴射壓力的精準控制。

加裝的甲醇噴射系統包括油箱、湘儀FC2210Z油耗儀、燃油泵、甲醇噴射器等裝置。甲醇噴射器噴孔直徑為0.39 mm，噴孔數目為4。甲醇噴射器驅動選用了美國國家儀器有限公司的NI-9474數字輸出模塊，實現甲醇噴射時刻與噴射脈寬控制。

1.2 試驗方法

選取1 500 r/min和1 100 r/min兩種發動機轉速不同負荷工況點開展試驗，試驗工況如表2所示。試驗采用固定噴射時刻調整兩種燃料噴射脈寬的方式。柴油和甲醇燃料的噴射時刻分別為上止點前14°和310°，通過增加甲醇的噴射脈寬同時降低柴油噴射脈寬保持指示平均壓力（indicated mean effective pressure，IMEP）恒定，進行不同工況下摻混比例對燃燒特性的影響規律研究。本文中上止點前曲軸轉角記為負值，上止點后曲軸轉角記為正值。

表2 試驗工況

試驗中，甲醇替代率Rm由式（1）計算。

式中，Gd為原機柴油消耗率，kg/h；GDm為加入甲醇后柴油消耗率，kg/h。

燃燒穩定性采用最高燃燒壓力pmax的循環變動率δp進行評價，其計算公式見式（2）。

式中，σp為pmax的標準偏差為pmax的平均值。

2 結果與討論

2.1 甲醇替代率對燃燒與排放的影響

首先開展了甲醇替代率對氣缸壓力和瞬時放熱率的影響研究，如圖2所示。隨甲醇替代率的增加，缸內壓縮沖程初始壓力降低，著火時刻推遲。這是由于甲醇具有較大的汽化潛熱，噴入進氣道后蒸發吸熱，從而降低了缸內初始溫度與壓力；并且反應過程中甲醇將高活性的OH自由基轉化為不活躍的H2O2，抑制了OH的增殖，使得著火時刻推遲［19］。當甲醇替代率從0%增加至32.9%時，放熱速率曲線雙峰現象逐漸消失，放熱速率峰值增加1倍，最高燃燒壓力增加5.4%。這是由于滯燃期的增加使燃料預混燃燒比例增加，擴散燃燒的比例減少，從而放熱雙峰現象逐漸消失；同時甲醇火焰傳播速度快的特性使混合燃料燃燒放熱速率加快，放熱速率峰值增加，最高燃燒壓力增加。

圖2 不同甲醇替代率下曲軸轉角對缸壓和放熱率的影響（1 100 r/min，IMEP為0.7 MPa）

燃燒相位隨甲醇替代率的變化趨勢如圖3所示。圖中著火延遲時間為噴油時刻到著火時刻的曲軸轉角間隔，體現燃料的燃燒反應活性；燃燒持續期為燃燒終點與燃燒始點的曲軸轉角間隔，體現燃料的燃燒速率；CA50為燃燒累計放熱50%的時刻，體現燃燒過程的重心位置。隨著甲醇替代率的增加，著火延遲時間增加，燃燒持續期縮短，CA50提前。這是因為隨著甲醇替代率的增加，甲醇蒸發吸熱引起的缸內降溫效果顯著，并且甲醇抑制了高活性OH的增殖，推遲了著火時刻，造成著火延遲時間增加，同時也造成了缸內燃料預混比例的增加，并且甲醇燃燒速度快造成燃燒速率增加，燃燒持續期縮短，CA50提前。在高轉速下，燃料燃燒相同時間對應的曲軸轉角更多，因此高轉速的CA50位置相較于低轉速更靠后。

圖3 不同轉速下甲醇替代率對燃燒相位參數的影響（IMEP為0.7 MPa）

甲醇替代率對最大壓力升高率的影響規律如圖4所示。在不同工況下，最大壓力升高率均隨甲醇替代率的增加而增加。這是由于甲醇替代率的增加造成滯燃期增加，滯燃期內形成的燃油-空氣混合氣更加均勻，燃料預混燃燒比例增加，同時甲醇燃燒速度快的特點使著火后燃燒更迅速，因此最大壓力升高率增加。

圖4 不同轉速下甲醇替代率對最大壓升率的影響

指示熱效率隨甲醇替代率的變化規律如圖5所示。在1 100 r/min轉速下，隨著甲醇替代率的增加，指示熱效率呈現逐漸降低的趨勢，低負荷時降幅更大。這是由于低速低負荷工況下進氣流速低，且缸內溫度低，使缸內燃油噴霧蒸發變差，同時甲醇的增加使得CA50提前，偏離高效率區，因此指示熱效率降低。在1 500 r/min轉速下，隨著甲醇替代率的增加，指示熱效率相較于低轉速降幅減小，在IMEP為0.8 MPa的高負荷工況下指示熱效率略有上升。這是由于在高速高負荷下，進氣流速增加有利于甲醇蒸發吸熱，缸內進氣溫度降低，使得進氣密度升高，從而提高進氣量，改善缸內燃燒，同時結合圖3可知在高轉速下CA50更接近高效率區域，因此高速高負荷下指示熱效率隨甲醇替代率的增加而增加。由此可知，在高速高負荷下，可適當提高甲醇替代率來提高柴油-甲醇雙燃料發動機的經濟性。

圖5 不同轉速下甲醇替代率對指示熱效率的影響

圖6為不同工況下甲醇替代率對NOx與PM排放的影響。如圖6所示，不同工況下甲醇替代率對排放的影響不同。在低速低負荷工況，隨著甲醇替代率的增加，NOx與PM排放整體變化不大，這主要是由于低速低負荷工況缸內過量空氣系數大，缸內富氧，因此甲醇的影響效果不明顯。但在高負荷工況，由于缸內過量空氣系數低，甲醇增加對排放的影響較為顯著。在低速低負荷工況，NOx排放呈先略有增加后降低的趨勢，PM排放則呈現先降低后略有增加的趨勢。這是由于甲醇替代率的增加使得缸內混合氣的含氧量增加，有利于NOx的生成；同時由于甲醇的汽化潛熱較高，甲醇的增加使得缸內溫度降低，從而抑制了NOx的生成。多種因素的耦合作用在不同甲醇替代率下有所不同。在甲醇替代率較低時，含氧量增加作用顯著，導致NOx排放略有升高；隨著甲醇進一步增加，甲醇蒸發致使進氣溫度降低的因素占主導地位，使得NOx排放降低。對于PM排放，甲醇替代率的增加提高了缸內含氧量，使PM排放降低；在甲醇替代率較高時，進氣溫度的降低使得缸內燃油蒸發不完全，因此PM的生成有所升高。在高速高負荷下，隨甲醇替代率從0%增加至26.0%，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。這是由于在高負荷下缸內溫度高，并且甲醇的增加使得缸內含氧量增加，導致NOx排放增加。含氧量的增加使得缸內燃燒更加完全，因此PM排放隨甲醇替代率的增加呈下降的趨勢。

圖6 不同工況下甲醇替代率對排放的影響

2.2 甲醇替代率對循環變動的影響

甲醇替代率對雙燃料發動機燃燒循環變動的影響規律如圖7所示，在不同工況下δp均隨甲醇替代率的增加而增加。在低速低負荷工況δp變化最為明顯，從3.5%增加至6.0%。在高負荷工況，δp增加僅為1.1%。這是由于甲醇含量的增加使得缸內溫度降低，混合燃料的著火延遲時間增加，引起油氣混合程度波動，尤其在低負荷工況，造成燃燒初期不穩定性增加，導致峰值壓力的循環變動率增加。

圖7 不同工況下δp隨甲醇替代率的變化

不同負荷下對比發現，同一轉速時，隨著負荷的增加，循環變動率變小。這是由于隨著負荷的增加，缸內溫度變高，使得燃料蒸發混合更加均勻，燃燒更加穩定。另一方面，隨著負荷的增加，噴油量逐漸提高，缸內混合氣濃度提高，過量空氣系數減小，混合氣更易燃燒，燃燒狀況變好，使得循環變動率減小。

2.3 甲醇替代率對峰值壓力位置分布影響

甲醇替代率對峰值壓力位置的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著甲醇替代率的增加，峰值壓力位置分布趨于分散。這是由于隨甲醇替代率的增加，甲醇的高汽化潛熱使得缸內溫度降低，燃燒的滯燃期延長，燃燒不穩定性增加，因此峰值壓力的分布趨于分散。峰值壓力出現的時刻逐漸提前，低速低負荷下正態分布曲線的對稱軸從2.0°逐漸提前至0°，高速高負荷下正態分布曲線的對稱軸從7.6°逐漸提前至6.0°。隨著燃料中甲醇替代率的增加，由于甲醇揮發性高，混合氣混合更加均勻，著火后燃燒更加迅速，CA50提前，因此峰值壓力出現的時刻逐漸提前。低速低負荷下峰值壓力對應曲軸轉角的分散程度更大，這是由于低速低負荷下缸內溫度較低，燃料蒸發混合不均勻，燃燒不穩定性增加，使得峰值壓力對應曲軸轉角的分散程度較大。轉速由1 100 r/min提高到1 500 r/min后，峰值壓力對應曲軸轉角趨于集中，正態分布曲線形態由扁平變成高聳，說明燃燒更加穩定。這是由于轉速的升高使得缸內氣流運動增強，燃料混合更加充分，燃燒環境得到改善，燃燒穩定性增強，峰值壓力的分布趨于集中。

圖8 不同工況下峰值壓力對應曲軸轉角隨甲醇替代率的變化

3 結論

（1）不同工況下，甲醇替代率對柴油-甲醇雙燃料發動機燃燒、排放及其循環變動的影響規律的研究表明：隨著甲醇替代率的增加，缸內著火延遲時間增加，預混燃燒比例增加，燃燒持續期降低，最高燃燒壓力增加，最大壓力升高率增加，CA50提前。甲醇替代率對低轉速工況指示熱效率影響較大，指示熱效率隨甲醇替代率增加而降低。

（2）不同工況下，甲醇替代率對NOx和PM排放影響不同。在低速低負荷下，甲醇比例增加對NOx和PM排放影響較小。在高速高負荷工況下，甲醇對排放的影響較為顯著，當甲醇替代率從0%增加至26.0%時，NOx排放增加60.8%，PM排放降低62.0%。

（3）在不同工況下，最高燃燒壓力的循環變動率δp均隨著甲醇替代率的增加而增加。隨著負荷的增加，過量空氣系數減小，δp變小。隨著發動機轉速的增加，δp增大。隨著甲醇替代率的增加，峰值壓力對應曲軸轉角的分布更加分散。