高海拔下預噴策略對甲醇/柴油雙燃料發動機燃燒與排放特性的影響

王貴勇,詹益嘉,申立中,雷基林,王偉超,姚國仲

(昆明理工大學 交通工程學院,云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著國家碳達峰、碳中和戰略的實施及節能減排指標不斷提高,排放法規日益嚴苛,低排放、高效率的新型燃料動力需求急劇增加.柴油機是交通運輸、國防裝備、工農業機械及船用領域的動力主導裝置,而柴油機要實現碳中和有賴于燃料領域的改變[1-2].甲醇僅含一個碳原子,生產原料十分豐富,煤炭、焦爐氣、天然氣、生物質以及溫室氣體二氧化碳(CO2)均可以制備甲醇,是完全可以實現碳中性循環的可再生合成能源,被譽為“液態陽光”[3-4].發展清潔的甲醇液體燃料符合我國能源稟賦和環保要求,是快速高效實現碳中和的重要途徑.

甲醇/柴油雙燃料反應活性控制壓燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)技術充分利用柴油機壓縮比高、柴油著火性好以及甲醇含碳量低、含氧量高、燃燒速率快的特點,能實現可控的高效、清潔燃燒,有利于降低碳排放、提高發動機熱效率及解決傳統柴油機NOx(氮氧化物)和顆粒物(Particulate matter,PM)排放矛盾,是內燃機替代燃料的主要應用方式之一[5-11].

國內外學者針對甲醇/柴油RCCI發動機燃燒機理分析、燃燒控制策略等方面開展了大量研究.文獻[12-19]研究了柴油甲醇雙燃料(Diesel Methanol Dual Fuel,DMDF)發動機燃燒邊界、燃燒特性與燃燒機理,結果表明,RCCI包含柴油的預混燃燒和擴散燃燒、甲醇的火焰傳播、甲醇末端混合氣自燃和甲醇直接壓燃等多種燃燒現象;隨甲醇摻燒比變化,在不同負荷下其燃燒可能出現爆震、失火和燃燒不完全等情況;甲醇對柴油著火具有抑制作用.文獻[20-24]研究了平原海拔下噴射策略對RCCI燃燒與排放特性的影響,結果表明,多次噴射改善了RCCI的降溫效應,改變了化學反應活性與燃燒速率,提高了燃燒穩定性,NOx、HC(碳氫化合物)等排放減少;通過控制噴射比例與正時,在不同負荷下都能取得較好的燃燒效果與排放.文獻[25]研究了不同海拔下甲醇替代率(Methanol Substitution Ratio,MSR)對燃燒特性、NOx和碳煙的影響,結果表明,隨甲醇替代率增加,預混燃燒峰值增大,預混滯燃期延長,燃燒持續期縮短;NOx和碳煙排放同時降低.

綜上所述,采用RCCI策略能夠實現甲醇/柴油雙燃料低溫預混燃燒,提高熱效率、降低污染物排放,預噴策略可以有效改善RCCI燃燒穩定度,降低NOx、HC、CO等排放[26-29],天津大學Wei等[24]研究了6缸DMDF發動機在 1400 r/min、30%低負荷下預噴策略對RCCI燃燒與排放的影響,通過控制預噴正時與油量,可以避免低負荷下的失火與HC排放超標.長安大學的Li等[23]研究了6缸DMDF發動機 1 400 r/min、50%負荷下單次噴射與多次噴射的燃燒與排放特性,中負荷下,通過預噴策略可以改善燃燒,降低HC、NOx等排放.以上學者的研究工作清晰地揭示了中低負荷條件下預噴策略對RCCI燃燒模式的影響,但中高負荷下預噴策略對DMDF發動機燃燒與排放的影響尚不明確.

同時,目前甲醇柴油雙燃料燃燒模型研究通常在平原環境進行,我國地幅遼闊,海拔 2 km 以上土地約占國土面積的33%,高海拔下柴油機因進氣含氧量下降而出現燃燒性能變差、燃燒始點推遲、滯燃期延長、燃燒溫度升高、排放變差和動力性不足等特點.國六排放法規也首次提出了柴油機高海拔控制要求.RCCI模式加入甲醇燃料導致進氣溫度降低,提高了進氣量,降低了燃燒溫度.甲醇的物理和化學作用同樣使滯燃期延長,改變了傳統柴油機的高原特性.

平原狀態下DMDF發動機改變預噴策略的燃燒與排放性能已經取得了較為明確的研究成果,但在高海拔條件下是否能獲得相似結論還需進一步的研究.而目前關于RCCI雙燃料發動機的高海拔性能變化與控制參數高原修正方面的研究相對較少.

因此,在以上學者研究工作的基礎上,通過一臺4缸甲醇/柴油發動機研究了 2 000 m 海拔下預噴策略對柴油機中高負荷(70%)下燃燒與排放的影響.本研究基于實驗室自主開發的甲醇/柴油RCCI發動機燃油供給及集成控制系統和試驗臺架,在海拔 2 000 m條件下,通過調控甲醇噴射量及柴油預噴正時、預噴油量,研究甲醇替代率和預噴策略對柴油/甲醇RCCI 發動機高原燃燒放熱規律、常規排放物和非常規排放特性的影響,以期為柴油/甲醇雙燃料RCCI發動機高原性能優化及排放控制提供一定參考.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

表1 發動機基本參數

試驗采用配備渦輪增壓器和廢氣再循環的某4缸高壓共軌柴油機.發動機具體參數見表1.試驗環境海拔 2 000 m,大氣壓力為 80 kPa.對原發動機進行改造,加裝甲醇供給與噴射系統.系統包含甲醇油箱、聚四氟乙烯輸醇管、24 V 電控甲醇泵、壓力計量表、甲醇共軌管、甲醇噴射器.甲醇噴射器安裝在進氣歧管位置.采用歧管噴射,甲醇汽化吸熱效果最明顯,使整個燃燒過程保持在合適的低溫燃燒溫度,提高燃料預混合程度[30].發動機電控系統采用自主開發的甲醇/柴油雙燃料電子控制單元,通過調節噴油參數、噴醇參數、進氣參數等,可實現純柴油模式和甲醇/柴油雙燃料的RCCI燃燒模式控制.

雙燃料試驗臺架如圖1所示.采用層流流量發動機進氣質量流量計測量進氣量,AVL FTIR i60傅立葉紅外分析儀同時測量非甲烷碳氫化合物、醇類、醛類以及常規排放物NO(一氧化氮)、NO2(二氧化氮)、CO(一氧化碳)及CO2(二氧化碳)等25種常規和非常規排氣污染物組分.缸壓曲線由缸壓傳感器GH13P采集.主要設備及參數如表2所示.試驗用柴油和甲醇燃料的特性參數如表3所示.

甲醇替代率γM定義為每循環噴入缸內的甲醇熱值占循環供油量總熱值的比例,按下式計算:

式中:mD為RCCI模式下的柴油噴射量,kg/h;mM為RCCI模式下的甲醇噴射量,kg/h;hM=19.89 MJ/kg 為甲醇的低熱值;hD=42.5 MJ/kg 為柴油的低熱值.

圖1 柴油/甲醇雙燃料發動機臺架示意圖Fig.1 Diesel/methanol dual-fuel engine bench diagram

表2 主要設備參數

表3 燃料理化性質參數

1.2 試驗方法

試驗工況為轉速 1 800 r/min、負荷70%,試驗地點海拔為 2 000 m.轉速選取為該機型最佳經濟轉速,搭載該機型的輕卡運行時主要處于 1 800 r/min,選擇該轉速進行研究具有一定實用價值,研究結果可以為該機型在高海拔下性能研究提供參考.Wei等[24]和Li等[23]學者詳細研究了30%負荷與50%負荷下預噴策略對DMDF發動機性能的影響,而中高負荷(70%)的性能尚不明確.因此試驗負荷設定為70%.

為減少試驗誤差,試驗過程中,控制冷卻水溫度在 353.15 K(±1 K)、進氣溫度 298.15 K、EGR閥開度為0.試驗控制策略所采用的角度均為BTDC(Before Top Dead Center,上止點前).主噴正時固定為2°CA,噴油壓力 100 MPa,轉速設定為 1 800 r/min,負荷設定為70%(321.3 N·m).甲醇替代率范圍按公式(1)計算,取0～20%,記為M0、M10、M15、M20,上限為該工況下最大甲醇替代率20%.預噴正時選取控制策略可控范圍內6組值(9、12、15、18、21、24).試驗工況點見表4.

表4 試驗工況點

預噴油量下限取噴油針閥打開關閉最短脈寬油量 1 mg,上限取產生甲醇爆燃發動機爆震預噴油量 4 mg,取4組值.進行預噴正時試驗時固定預噴油量為系統默認值 2 mg,進行預噴油量試驗時固定預噴正時為15°CA.調整相應參數至發動機燃燒與排放數據不再變化后,采集缸壓、NOx、CO、HC、CH3OH (甲醇)、CH2O(甲醛)等數據.每組試驗采集3組數據取平均值.

為分析高海拔下甲醇/雙燃料對燃燒性能起到了怎樣的作用,進行了一組同機型在 101 kPa 大氣壓力下的相同工況的試驗數據進行對比.

2 高原與平原DMDF發動機燃燒壓力與排放特性對比

2.1 高原與平原缸內燃燒壓力對比

大氣環境壓力下降是高海拔下影響發動機燃燒性能惡化的主要因素.國內外文獻對不同海拔下柴油機燃燒性能與排放性能研究已經做了大量工作,而有關高海拔下甲醇/柴油DMDF發動機性能變化的相關報道較少.為研究高海拔下DMDF發動機性能惡化程度,進行了相同機型在平原條件下的試驗.

圖2 80 kPa與101 kPa缸內燃燒壓力對比Fig.2 Comparison diagram of in-cylinder combustion pressure between 80 kPa and 101 kPa

圖2為試驗工況點在 2 000 m-80 kPa 與 0 m-101 kPa 大氣環境壓力下,固定預噴正時15°CA,油量 2 mg 時缸內燃燒壓力對比.總體上看,雖然DMDF發動機高海拔缸內燃燒壓力隨甲醇替代率變化趨勢與平原基本一致,但存在兩點不同:(1)隨著海拔提升,大氣壓力的下降會引起滯燃期的延長,滯燃期時的缸內燃燒壓力明顯低于標準大氣壓時的缸內燃燒壓力;(2)由于高海拔地區進氣密度低于平原地區,進氣氧含量減少,而進氣甲醇噴射降低了進氣溫度,提高了進氣量.隨著甲醇替代率提高,缸內燃燒壓力在緩燃期可以恢復到接近平原水平,改善了高海拔下的燃燒惡化[27].甲醇作為含氧燃料在燃燒中一定程度上彌補了高海拔的氧氣損失.

甲醇燃料的加入,同樣會導致燃燒推遲.海拔與甲醇噴射的共同作用,使滯燃期充分延長,促進了醇氣混合氣與柴油的充分混合,進一步提高了預混燃燒比例.但過長的滯燃期也可能會導致燃燒過于激烈,缸壓超過缸體強度設計極限[31].因此高海拔DMDF發動機可以通過預噴策略控制滯燃期以期達到最優燃燒性能.甲醇與海拔共同作用改變了滯燃期和缸內燃燒壓力,改變預噴參數可以調節滯燃期與燃燒壓力.通過優化預噴策略,可以在一定程度上改善DMDF發動機高原著火點推遲和燃燒壓力的降低.

2.2 高原與平原RCCI排放特性對比

由圖3可以看出,2 000 m 海拔下的NOx、CO、HC、CH3OH、CH2O排放趨勢與平原趨勢基本一致.高海拔NOx排放略低于平原,這是由于進氣壓力減小導致進氣含氧量減少,破壞了NOx生成的高溫富氧環境[25].2 000 m 中高負荷下CO排放高于平原,且隨著甲醇替代率的增加而增加.這是因為中高負荷下大量甲醇不完全氧化生成CO,且高海拔下的低含氧量促進了不完全氧化[25].DMDF發動機大部分HC生成條件與CH3OH、CH2O基本一致,均來源于燃料的不充分燃燒,因此變化趨勢相同,高原情況下CH3OH和CH2O排放略高于平原情況.這是由于高海拔導致缸內壓力降低影響了燃料的霧化,甲醇燃燒不充分造成CH3OH和CH2O增加.

3 預噴策略對燃燒特性的影響

3.1 預噴油量對燃燒特性的影響

3.1.1 預噴油量對滯燃期的影響

圖4為70%負荷不同甲醇替代率下,柴油預噴油量對滯燃期的影響.滯燃期隨甲醇替代率的增大而延長,隨預噴油量的增大而縮短.滯燃期是表征燃料低溫氧化速率的關鍵參數,滯燃期長短直接決定了燃料燃燒特征.甲醇與柴油的化學耦合作用抑制了燃料著火.甲醇氧化消耗了OH·自由基,抑制了柴油的低溫氧化,在低溫氧化過程中起消極作用,延長了滯燃期.甲醇的低溫氧化抑制了柴油主要成分燃燒,延長了滯燃期[32].預噴油量增大,預噴階段燃燒燃料增多,加速了主噴柴油的霧化與擴散,縮短了物理滯燃期.預噴燃燒的升溫效果同時促進了化學滯燃期的縮短,柴油液滴還未完全與甲醇、空氣混合形成預混燃燒便已著火.

相比于平原條件近似直線的滯燃期規律[28],在高海拔70%負荷下滯燃期隨預噴油量增大下降更快,呈現出二次曲線形式,隨著甲醇替代率增加,滯燃期縮短更為明顯.這是由于甲醇自身攜帶的部分氧在一定程度上抵消了高海拔帶來的含氧量下降,縮短了滯燃期.高海拔下的長滯燃期受預噴影響更明顯.

3.1.2 預噴油量對缸內燃燒壓力的影響

圖5 (a)～圖5(d)分別為70%負荷M0、M10、M15、M20替代率,1～4 mg 預噴油量下的缸內燃燒壓力變化規律.隨著預噴油量的增加,預噴燃燒峰值壓力增大.隨著甲醇替代率的增加,缸內燃燒壓力逐漸增大,預噴油量對缸內燃燒壓力的影響更為明顯.在相同預噴油量情況下,預噴油量為 4 mg、M20替代率時缸內燃燒壓力為 11.617 MPa,較純柴油燃燒模式提高了5.41%.預噴油量增多,柴油多點著火引燃混合氣,預噴階段起火燃燒的甲醇增多.甲醇迅速燃燒,釋放大量熱量,促使更多燃料著火,缸內壓力迅速升高.預噴油量過小,燃燒不足以引燃足量甲醇形成鏈式反應,主噴柴油沒有獲得較好的著火環境,燃燒惡化,燃料燃燒不完全,燃燒壓力較低.控制合適的預噴油量能改善主噴柴油與甲醇燃燒前的著火環境.

(a) M0不同預噴油量對缸內燃燒壓力的影響 (b) M10不同預噴油量對缸內燃燒壓力的影響

(c) M15不同預噴油量對缸內燃燒壓力的影響 (d) M20不同預噴油量對缸內燃燒壓力的影響圖5 不同預噴油量對缸內燃燒壓力的影響Fig.5 Effect of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

分析圖5可知,在高替代率情況下,預噴油量對缸內燃燒的影響較大,預噴油量從 1 mg 提高到 4 mg,缸內壓力大幅提高.當預噴油量為 4 mg 時,預噴階段大量甲醇被柴油引燃,在主噴未噴射前,甲醇持續燃燒致使缸壓上升,預噴與主噴燃燒峰值由雙峰向單峰轉變.

圖6為不同預噴油量下的最大缸壓對比.純柴油模式下,預噴油量從 1 mg 提高到 4 mg 時,預噴燃燒峰值壓力提升6.92%,主噴燃燒峰值壓力提高1.56%.隨著預噴油量增加,M10、M15、M20替代率下最大燃燒峰值壓力分別提高3.4%、4.27%、5.95%.平原低負荷(30%)情況下[24],峰值壓力與預噴油量變化呈線性關系.而在 2 000 m-70%負荷條件下,在預噴油量相同時,甲醇替代率越大,缸內燃燒峰值壓力上升越快.隨著預噴油量增大,缸內壓力上升趨勢變陡.增大預噴油量在一定程度上抵消了高海拔引起的滯燃期延長,在較大預噴油量時,滯燃期縮短,缸內燃料氧化加速劇烈燃燒,使缸內壓力迅速升高,形成了圖6所示趨勢.

3.2 預噴正時對燃燒特性的影響

3.2.1 預噴正時對滯燃期的影響

圖7為預噴正時對滯燃期的影響.由圖可知,滯燃期隨甲醇替代率增大而延長,隨預噴正時的增加先減小后增大,在12～15°CA附近最短.預噴過晚(9～12°CA),預噴燃料燃燒不完全便已進入主噴階段,預熱效果差,低溫氧化階段延長,著火點推遲.在15°CA左右的預噴柴油燃燒引燃油束附近甲醇,對主噴燃燒起到了良好的預熱效果,主噴滯燃期縮短.隨著預噴正時增大,預噴距主噴過遠,對主噴燃燒影響效果就越小,柴油、甲醇有足夠時間充分混合[24],甲醇抑制柴油著火,滯燃期延長.

由圖7可知,改變預噴正時滯燃期變化趨勢與平原條件下[28]基本一致,但 2 000 m-70%負荷的滯燃期變化范圍大于平原低負荷.中高負荷下DMDF發動機滯燃期呈現出“V”形趨勢.

由圖4和圖7可知,甲醇的加入改變了滯燃期與預噴油量、正時的關系.協調控制預噴油量、正時和甲醇替代率,可以使滯燃期處于合理范圍之內,改善DMDF發動機高原環境下滯燃期延長與燃燒惡化.

3.2.2 預噴正時對缸內燃燒壓力的影響

圖8 (a)～圖8(d)分別為M0、M10、M15、M20替代率下,預噴正時為9～24°CA時的缸壓變化規律.隨著甲醇替代率增加,M10、M15、M20替代率下燃燒峰值壓力較M0時提高1.18%、1.85%、3.68%.

隨預噴提前角增大,預噴燃燒峰值壓力升高.預噴正時從9°CA提前到24°CA時,各替代率下預噴燃燒缸壓峰值分別提高1.5%、1.73%、1.96%和2.97%.提前預噴,延長了預噴燃燒持續時間,預噴柴油燃燒持續引燃部分甲醇,預噴燃燒峰值壓力升高.

(a) M0不同預噴正時對缸內燃燒壓力的影響 (b) M10不同預噴正時對缸內燃燒壓力的影響

(c) M15不同預噴正時對缸內燃燒壓力的影響 (d) M20不同預噴正時對缸內燃燒壓力的影響圖8 不同預噴正時對缸內燃燒壓力的影響Fig.8 Effect of different pilot injection timing on in-cylinder combustion pressure at different MSR

甲醇的汽化潛熱是柴油的4.2倍,甲醇強吸熱作用造成預噴滯燃期延長,高海拔下預噴柴油需要更長時間混合與低溫氧化,預噴階段燃燒不充分致使甲醇在主噴階段集中燃燒,高速放熱導致燃燒壓力升高.

圖9 M0-M20不同預噴油量下缸內燃燒峰值壓力對比Fig.9 Comparison diagram of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

由圖8～圖9可知,燃燒峰值壓力隨甲醇替代率的增大而增大,隨預噴正時呈現“ω形”關系.預噴正時從9°CA到12°CA,燃燒峰值壓力先減小.預噴正時為9°CA時預噴脈寬接近主噴脈寬,預噴結束后立即開始主噴,燃料還未完全著火便開始第二次噴油混合.其燃燒效果趨近于單次噴射,主噴燃燒峰值壓力較高.預噴正時從12°CA到21°CA,燃燒峰值壓力呈現先增大后減小趨勢.預噴正時為15～18°CA時預噴起到良好預熱效果,缸內溫度有利于柴油著火,柴油油束在高溫缺氧條件下集中燃燒,火焰鋒面引燃大量甲醇[14],燃燒壓力峰值較大.

2 000 m-70%負荷的缸內峰值壓力在12～18°CA的趨勢與平原低負荷工況[24]基本一致,在18°以上時,預噴距離主噴正時較遠,預噴預熱效果變差,燃料不完全燃燒導致峰值壓力降低.繼續提前預噴至24°CA以上,此時預噴柴油與甲醇、空氣已經基本混合,著火后形成預混燃燒,預噴燃燒壓力整體上升,主噴燃燒峰值壓力提高.通過協調控制預噴正時與甲醇替代率,避免燃料不完全燃燒和燃燒惡化.

4 預噴策略對排放特性的影響

4.1 預噴油量對排放特性的影響

4.1.1 預噴油量對常規排放的影響

圖10(a)為中高負荷下不同替代率的預噴油量對NOx排放的影響.隨著甲醇替代率的增加,NOx排放顯著降低;隨著預噴油量的增加,各替代率下NOx均有不同程度的升高.

NOx隨預噴油量與替代率變化的趨勢與平原低負荷工況[24]基本一致.高海拔下缸內混合氣濃度增大,缸內燃燒溫度增加,缸溫成為影響NOx生成的主要因素.純柴油模式下,提高預噴油量使得缸內溫度迅速升高,主噴柴油高溫擴散燃燒,促進NOx的生成.RCCI模式下,甲醇汽化導致缸內溫度降低,使燃燒避開了高溫區域,抑制NOx生成.甲醇燃燒速率高于柴油,有利于縮短燃燒持續期,減少NOx生成時間.提高預噴油量,柴油燃燒放熱的熱量使缸內溫度迅速升高,達到甲醇著火條件,大量甲醇燃燒使缸內溫度急劇升高,高溫富氧燃燒促進NOx生成.

圖10(b)為中高負荷下不同替代率的預噴油量對CO排放的影響.2 000 m 海拔下CO隨預噴油量變化的趨勢與平原低負荷[24]變化趨勢一致.純柴油模式基本不排放CO.RCCI模式下,CO隨甲醇替代率的增加而增大.甲醇不完全燃燒產生大量燃燒中間產物CO,CO氧化為CO2需要高濃度氧、高溫、長反應時間,而甲醇燃燒速率快,燃燒持續期短,CO沒有足夠時間轉化為CO2.隨預噴油量增加,CO排放呈現減少趨勢.預噴油量增加改善了主噴燃燒前的缸內熱力環境,甲醇在預噴階段便開始燃燒,燃燒持續期延長,減少了CO的生成.高溫促進部分CO氧化為CO2.

圖10(c)為中高負荷下不同替代率的預噴油量對HC排放的影響.2 000 m 海拔下HC隨預噴油量變化趨勢與低負荷[24]略有差別.中高負荷下甲醇燃燒較為完全,HC排放相較于低負荷有所減少,整體表現為預噴油量增加,HC減少.最小預噴油量與最大預噴油量的HC排放差異較小.甲醇的摻燒對燃燒具有抑制作用,形成未燃燒的HC排放,HC隨替代率增大而增多.預噴油量增大,提高了主噴燃燒之前的缸內溫度,減少了過度稀燃、甲醇冷壁淬熄[28],促使燃燒更為充分,HC生成減小.在中高負荷下,預噴油量對HC排放影響較小,在低負荷[24]下影響較大.

(a) 不同替代率下預噴油量對 (b) 不同替代率下預噴油量對 (c) 不同替代率下預噴油量 NOx排放的影響 CO排放的影響 對HC排放的影響圖10 不同替代率下預噴油量對常規排放物的影響Fig.10 Effect of different pilot quantity on NOx,CO and HC emissions at different MSR

4.1.2 預噴油量對非常規排放的影響

燃料不完全燃燒導致未燃甲醇(CH3OH)排放.圖11(a)為中高負荷下不同替代率的預噴油量對CH3OH排放的影響.在平原低負荷條件下[24],隨著預噴油量的增大,CH3OH排放在不同替代率下表現出不同趨勢.預噴油量增大促進了主噴燃燒之前的缸溫上升,低負荷下過大的預噴油量會引起滯燃期過短導致混合氣不完全燃燒.低負荷M10-M30條件下,隨預噴油量增加CH3OH排放呈現先增多后減少的趨勢.

而在中高負荷條件下,缸內溫度較高,大預噴油量預熱影響減小.柴油火核更易引燃醇氣混合氣.預噴階段參與燃燒的甲醇比例增大,缸內溫度提高,高溫促進了可燃混合氣的化學活性,缸內燃料的化學反應動力學對燃燒控制作用明顯增強,燃燒速率加快,甲醇充分燃燒[31],使得甲醇排放量隨預噴油量的增加而減少.

甲醇的不完全燃燒生成甲醛(CH2O).圖11(b)為中高負荷下不同替代率的預噴油量對CH2O排放的影響.2 000 m 中高負荷下甲醛排放隨預噴油量變化趨勢與平原低負荷[24]基本一致.純柴油模式下基本不產生甲醛排放,隨著甲醇噴射量增多,甲醛排放明顯增加.預噴油量的增加有利于甲醛的減少.甲醛來源于甲醇的不完全氧化,主噴燃燒前溫度提高使更多甲醇達到了著火條件,甲醇早期氧化生成了部分甲醛.甲醇持續燃燒造成的高溫環境有利于甲醛進一步氧化,致使甲醛排放減少.

(a) 不同替代率下預噴油量對CH3OH排放的影響 (b) 不同替代率下預噴油量對CH2O排放的影響圖11 不同替代率下預噴油量對非常規排放物的影響Fig.11 Effect of different pilot quantity on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

4.2 預噴正時對排放特性的影響

4.2.1 預噴正時對常規排放的影響

圖12(a)為70%負荷下不同替代率的預噴正時對NOx排放的影響.2 000 m 中高負荷下甲醛排放隨預噴油量變化趨勢與平原低負荷[24]基本一致.NOx主要在高溫富氧條件下生成,缸內高溫燃燒持續時間影響NO生成.預噴正時提前導致缸內高溫時間延長,促進了NOx生成.甲醇的加入使NOx大幅降低,甲醇高汽化潛熱降低了缸內溫度,冷卻效應使缸內燃燒溫度降低.預噴柴油引燃甲醇,甲醇迅速燃燒,減少了高溫燃燒持續期.預噴正時為9°CA時,各替代率下NOx較原機正時15°CA時降低3.8%、6.39%、5.01%.

圖12(b)為70%負荷下不同替代率的預噴正時對CO排放的影響.在平原低負荷下[24],預噴正時對CO排放影響較小.而在中高負荷下,CO排放隨預噴正時提前呈現波浪形規律.改變預噴正時,缸內燃燒效果受到影響.甲醇在預噴階段或主噴階段燃燒都會生成CO,過晚預噴正時下燃料集中高溫燃燒,燃燒持續期長,促使CO部分轉化為CO2, CO排放減少.隨預噴正時增大到12°CA,預噴預熱變差,燃料不完全燃燒促使CO增加.當預噴正時處于15～18°CA時,燃料充分燃燒降低了CO排放.進一步增大預噴正時,預熱效果變差,部分甲醇不完全燃燒導致CO排放增加.

RCCI燃燒HC排放高于純柴油燃燒,隨著甲醇替代率增加,HC排放增加.圖12(c)為70%負荷下不同替代率的預噴正時對HC排放的影響.2 000 m-70%負荷HC排放變化趨勢與平原低負荷工況[24]變化趨勢有所不同.低負荷高替代率下增大預噴正時,HC降低.HC排放主要來源于燃料低溫與高溫氧化過程中未完全燃燒或燃燒結束后還未參與反應的燃料.

(a) 不同替代率下預噴正時對 (b) 不同替代率下預噴正時對 (c) 不同替代率下預噴正時對 NOx排放的影響 CO排放的影響 HC排放的影響圖12 不同替代率下預噴正時對常規排放物的影響Fig.12 Effect of pilot injection timing on NOx,CO and HC emissions at different MSR

在 2 000 m-70%下,缸內高溫促進了HC的氧化,柴油噴霧在燃燒室內滯留時間短,柴油擴散燃燒不會形成較多HC排放.HC主要生成于壁面附近及距離油束較遠區域[31].甲醇汽化吸熱造成缸溫降低,壁面與狹縫處混合氣難以著火,未燃燃料增多,HC排放增加.預噴正時過早或過晚,HC排放均有所上升.預噴提前角較大時,壁面與狹縫處混合氣濃度增大,火焰在該區域淬熄[28],HC排放增加.預噴過晚預熱效果較差,生成大量HC.

4.2.2 預噴正時對非常規排放的影響

圖13 (a)為70%負荷下不同替代率的預噴正時對CH3OH排放的影響.在低負荷情況[24]下,不同替代率的CH3OH排放趨勢隨預噴正時變化不同.主要是由于滯燃期縮短,且缸溫較低,導致部分未燃甲醇直接排放.在中高負荷下,缸內溫度升高,未燃CH3OH減少.高海拔造成的燃油霧化效果變差使得未燃排放物受預噴影響程度增大.CH3OH排放隨預噴正時增加呈現二次函數趨勢,過早或過晚預噴均會造成預熱效果變差,CH3OH排放增加.

隨著甲醇替代率的增大,醇氣混合氣中甲醇濃度增加.甲醇在進氣過程便已進入氣缸,距油束過遠燃燒區域與狹縫處未燃甲醇增多,未燃甲醇排放增加[31].

圖13 (b)為70%負荷下不同替代率的預噴正時對CH2O排放的影響.甲醛排放規律與甲醇基本一致,70%負荷下排放規律與平原低負荷[24]不同.CH2O為HC燃料未完全燃燒的中間產物,甲醇與OH活性基團脫氫反應并氧化后生成CH2O.CH2O排放主要由兩部分組成.第一部分為缸內燃燒過程中甲醇燃料的不完全氧化,較低的壁面溫度和狹窄部分導致火焰傳播過程中發生淬熄[28].淬熄部分甲醇無法燃燒而發生低溫氧化,生成大量甲醛.剩余部分由廢氣中的甲醇于排氣管中發生氧化.預噴過早或過晚都會導致CH2O排放增多.

(a) 不同替代率下預噴正時對CH3OH排放的影響 (b) 不同替代率下預噴正時對CH2O排放的影響 圖13 不同替代率下預噴正時對非常規排放物的影響Fig.13 Effect of pilot injection timing on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

5 結 論

1) 在海拔 2 000 m、轉速 1 800 r/min、70%負荷下,滯燃期、最大峰值壓力、NOx和CO隨預噴參數變化趨勢雖然與平原低負荷工況一致,但在高海拔、高負荷條件下變化幅度更大,受預噴油量影響更明顯.HC和CH3OH排放受負荷和缸溫影響,排放趨勢與平原低負荷不同,HC排放量因在高負荷條件下甲醇燃燒充分而不太受預噴油量的影響;CH3OH排放量在高負荷條件下,因缸內溫度較高,隨預噴油量的增加而減少.

2) 在 1 800 r/min、高負荷下,DMDF發動機滯燃期與預噴正時呈“ω”形關系,過早預噴和過晚預噴都會造成滯燃期延長.預噴正時對NOx排放有明顯影響,在相同甲醇替代率時,隨預噴正時增大,NOx排放分別增加了4.77%、4.56%、6.89%、7.05%.過早預噴,壁面與狹縫處混合氣濃度增大導致HC增大.過晚預噴燃料預混程度差,燃料集中燃燒導致NOx增大,不完全燃燒致使HC、CO、CH3OH、CH2O增加.合理預噴正時可以降低NOx、HC排放.甲醇的加入大幅延長了滯燃期,提高了預噴正時的可控范圍.

3) 預噴油量對滯燃期的影響大于預噴正時.在相同甲醇替代率時,隨預噴正時增大,滯燃期分別縮短了55.84%、43.46%、35.58%、23.21%,NOx排放分別增加了4.76%、5.11%、6.74%、12.51%.預噴油量增大,甲醇混合氣在主噴之前被大量引燃,預混燃燒比例減少,燃料高溫燃燒生成大量NOx,CO、HC、CH3OH、CH2O等略微降低.過小的預噴油量對主噴起不到預熱效果,造成燃燒惡化.通過控制預噴油量可以使滯燃期處于合理范圍之內,促進主噴柴油與醇氣混合氣充分混合,提高缸內燃燒壓力,同時減少NOx和HC排放.

4) 預噴策略改善了 2 000 m 海拔下主噴柴油與甲醇燃燒前的著火環境,減少了NOx、CO、CH3OH和CH2O排放.通過預噴策略與甲醇替代率的協調控制可以減少高海拔下的滯燃期延長,降低燃燒壓力,進而改善DMDF發動機的高原性能,達到減排的效果.