廢氣再循環(huán)對高比例甲醇雙燃料柴油機(jī)燃燒過程的影響*

李仁春，王 忠，張登攀，李銘迪

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

前言

醇類燃料可以部分替代柴油，能降低柴油機(jī)NOx和碳煙的排放。研究較多的醇類燃料有甲醇和乙醇燃料，國內(nèi)外學(xué)者針對甲醇和乙醇在柴油機(jī)上的燃燒過程、排放特性和污染物的形成機(jī)理開展了一系列的研究工作[1-3]。甲醇燃料有含氧量高、燃燒速度快和著火界限寬等優(yōu)勢。采用進(jìn)氣管噴射的方式可以實(shí)現(xiàn)高比例摻燒甲醇[4-5]，研究發(fā)現(xiàn)：在高負(fù)荷工況，摻燒高比例甲醇會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆燃[6-7]，縮小了柴油機(jī)摻燒高比例甲醇運(yùn)行工況的范圍。廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)是降低柴油機(jī)污染物排放的有效方法，不少學(xué)者認(rèn)為EGR技術(shù)也是控制燃料著火和反應(yīng)速率的一個(gè)重要技術(shù)手段[8-9]。引入熱EGR可以提高進(jìn)氣溫度，有助于縮短著火延遲期，減緩燃燒初期反應(yīng)速率，抑制柴油機(jī)工作粗暴[10-11]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對EGR影響雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程展開了一些研究工作，如對冷卻廢氣再循環(huán)影響二甲醚/天然氣、二甲醚/甲醇雙燃料燃燒過程的試驗(yàn)研究[12-13]，對冷EGR影響甲醇/柴油乳化混合燃料的燃燒特性的研究[4]。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)腅GR可以拓寬雙燃料發(fā)動機(jī)的工況范圍，同時(shí)對燃料的著火和燃燒放熱產(chǎn)生一定的影響。本文在以進(jìn)氣管噴射方式摻燒甲醇的基礎(chǔ)上[15]，采用外部EGR抑制高比例甲醇/柴油工作粗暴，研究EGR對高比例甲醇/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)在4B26增壓柴油機(jī)上進(jìn)行，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：缸徑90mm；活塞行程100mm，排量2.5L；燃燒室型式ω型，壓縮比18；標(biāo)定功率55kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 200r/min；最大轉(zhuǎn)矩183N·m，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速2 200r/min；柴油供油提前角為12°CA，甲醇噴射時(shí)刻為排氣上止點(diǎn)前150°CA。柴油供油系統(tǒng)不變，進(jìn)氣管噴射的甲醇由柴油引燃，甲醇噴射量由甲醇電控噴射系統(tǒng)控制。試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備：EIM0301D臺架控制柜、WE32水力測功機(jī)、HAM03醇耗儀和AVL 525燃燒分析儀。試驗(yàn)裝置布置示意圖見圖1。

試驗(yàn)采用的廢氣再循環(huán)由排氣管直接引入進(jìn)氣歧管，中間不經(jīng)過冷卻裝置。EGR率計(jì)算方法采用質(zhì)量流量法。調(diào)整EGR閥開度，EGR率分別為0、7%和15%。試驗(yàn)工況為1 800r/min、80%負(fù)荷，甲醇預(yù)混摻燒比例為48%(記為M48)保持不變。

甲醇摻燒比例定義為：甲醇的消耗率與甲醇和柴油的消耗率之和的比值。

w=bm/(bm+bd)

式中：bm和bd分別為試驗(yàn)實(shí)測的甲醇和柴油消耗率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR對高比例甲醇雙燃料柴油機(jī)工作粗暴的抑制作用

發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1 800r/min，80%負(fù)荷，摻燒48%甲醇時(shí)，EGR對甲醇/柴油雙燃料燃燒的氣缸壓力和壓力升高率的影響如圖2所示。與燃燒柴油相比，摻燒48%甲醇后，最大爆發(fā)壓力和壓力升高率明顯升高，最大爆發(fā)壓力升高近13%，壓力升高率峰值升高了67.8%。工況不變，打開EGR控制閥，當(dāng)EGR率為15%時(shí)，最大爆發(fā)壓力和壓力升高率都明顯降低，最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的位置略有推遲。最大爆發(fā)壓力下降了近8%，壓力升高率峰值降幅為41.4%，缸內(nèi)燃燒壓力振蕩明顯減弱。

甲醇汽化潛熱大，噴入進(jìn)氣管后經(jīng)汽化吸收大量的熱量，降低了進(jìn)氣溫度，發(fā)動機(jī)壓縮終了時(shí)缸內(nèi)溫度降低，不利于柴油在甲醇預(yù)混合氣氛圍中的霧化、著火，延長了甲醇/柴油的滯燃期；再加上甲醇替代了部分柴油，使甲醇/柴油的預(yù)混合燃燒量進(jìn)一步增加，導(dǎo)致燃燒初期的放熱速度和加速度過大，產(chǎn)生了帶有爆炸性質(zhì)的燃燒。

外部熱EGR的引入使進(jìn)氣溫度升高，提高了缸內(nèi)可燃混合氣的物理、化學(xué)準(zhǔn)備過程的熱力狀態(tài)，縮短了甲醇/柴油的滯燃期，使燃燒初期的預(yù)混合燃燒量減少。另外，EGR的引入使缸內(nèi)惰性氣體成分增加，對缸內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)的阻滯作用增強(qiáng)。在這兩種因素綜合作用下，燃燒初期放熱速度和加速度減慢，抑制甲醇/柴油燃燒粗暴。

2.2 EGR對燃燒過程的影響

圖3為EGR對甲醇/柴油雙燃料燃燒放熱率的影響曲線。由圖可見，隨著EGR率的增加，放熱率峰值降低，最大降幅為31.1%，放熱率峰值出現(xiàn)的位置提前了6.2°CA。

EGR閥關(guān)閉時(shí)(即EGR率為0)，甲醇/柴油雙燃料燃燒放熱率曲線呈雙峰放熱，以預(yù)混放熱為主，預(yù)混放熱率峰值明顯高于擴(kuò)散放熱率峰值，整個(gè)放熱持續(xù)時(shí)間短。隨著EGR率的增加，放熱提前，放熱率曲線仍是雙峰放熱，但是擴(kuò)散放熱量增加，預(yù)混放熱量減少，放熱持續(xù)時(shí)間變長。這主要是因?yàn)橐胪獠繜酔GR縮短了甲醇/柴油雙燃料的滯燃期，減少了預(yù)混合燃燒量，擴(kuò)散放熱占主導(dǎo)；EGR稀釋了混合氣活性氧的濃度，同時(shí)引入了未燃碳?xì)洹⑽慈既剂稀⒉糠盅趸铩⒍栊詺怏w等物質(zhì)及其它活性自由基，放熱速率受到阻滯[16]。

不同EGR率(0、7%和15%)對甲醇/柴油雙燃料滯燃期、燃燒持續(xù)期和缸內(nèi)平均溫度的影響如圖4所示。由圖可見，隨著EGR率的增加，滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長，燃燒最高溫度降低。

EGR的引入導(dǎo)致混合氣中活性氧的濃度降低而惰性氣體分子數(shù)增多，減緩了燃料的低溫化學(xué)反應(yīng)速率[17]，有推遲甲醇/柴油著火的作用。溫度也是影響甲醇/柴油滯燃期的主要因素之一。定容燃燒試驗(yàn)表明：在甲醇氛圍中，甲醇/柴油的滯燃期隨溫度的升高而縮短[18]。外部熱EGR提高了進(jìn)氣溫度，使發(fā)動機(jī)壓縮終了溫度較高。當(dāng)溫度超過1 000K時(shí)，甲醇大量分解得到CH2O，通過多步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出大量的OH[19]，OH大量轉(zhuǎn)化為H2O2。H2O2的分解是引發(fā)高溫放熱反應(yīng)的關(guān)鍵，溫度升高有助于低溫反應(yīng)中積累的H2O2提前分解，這些放熱反應(yīng)的發(fā)生，有助于促進(jìn)缸內(nèi)混合氣的著火。甲醇含氧量高，進(jìn)氣預(yù)混摻燒比例達(dá)到48%，EGR率較低時(shí)，引入EGR對缸內(nèi)混合氣活性氧的濃度影響不大。因此，溫度的升高對滯燃期的縮短起了主導(dǎo)作用，而一旦EGR率過高，前一因素將起到主導(dǎo)作用，甚至?xí)霈F(xiàn)失火的現(xiàn)象[13]。所以，適當(dāng)?shù)腅GR率有助于縮短甲醇/柴油的滯燃期。

甲醇/柴油雙燃料的燃燒持續(xù)期隨EGR率的增加而延長，主要是由于EGR減緩了甲醇/柴油的燃燒反應(yīng)速率：(1)隨著EGR率的增加，滯燃期縮短，甲醇/柴油雙燃料的預(yù)混合燃燒量減少，燃燒速率較慢的擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)，整體燃燒反應(yīng)速率相對減緩；(2)缸內(nèi)惰性氣體成分隨EGR率的增加而增多，混合氣的比熱容增大，惰性氣體對缸內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)的阻滯作用增強(qiáng)，燃燒變得緩慢，延長了整個(gè)燃燒持續(xù)期。

2.3 EGR對指示熱效率的影響

圖5為EGR對甲醇/柴油雙燃料燃燒的指示熱效率影響的直方圖。由圖可見：隨著甲醇摻燒比例的增加，發(fā)動機(jī)指示熱效率有所提高。在相同工況，保持摻燒48%甲醇不變時(shí)，引入EGR后，雙燃料發(fā)動機(jī)的指示熱效率有所降低，EGR率為15%時(shí)指示熱效率降低了7.87個(gè)百分比；與燃燒柴油相比，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)混摻燒甲醇后，指示熱效率得到提高，主要原因是摻燒甲醇使最大爆發(fā)壓力提高。圖6為1 800r/min，80%負(fù)荷工況示功圖。由圖可見，當(dāng)爆發(fā)壓力較大時(shí)，氣缸容積基本保持不變，此時(shí)發(fā)動機(jī)活塞處于上止點(diǎn)附近，散熱面積較小，再加上燃燒持續(xù)期短，減少了散熱時(shí)間，使向燃燒室周邊傳出的熱量減少，定容燃燒比例加大，熱效率得到顯著提高。

發(fā)動機(jī)工況和甲醇摻燒比例不變時(shí)，指示熱效率隨EGR率的增加逐漸降低。EGR的引入延長了燃燒持續(xù)期，散熱時(shí)間變長，混合氣比熱容增大，吸熱量提高，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熱損失增加。EGR引入的一部分未燃碳?xì)洹⑽慈既剂稀⒉糠盅趸锖投栊詺怏w等物質(zhì)，對可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)起一定的阻滯作用，不完全燃燒損失增加。另外，引入EGR使缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低(如圖6所示)，定容放熱比例減小，每循環(huán)的做功量有所減少。在這些因素的綜合作用下，指示熱效率降低，且隨著EGR率的增加，降低趨勢更加明顯。

3 結(jié)論

(1) 高負(fù)荷工況時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)混摻燒高比例甲醇，會出現(xiàn)強(qiáng)烈的壓力振蕩；引入適當(dāng)?shù)腅GR可以顯著降低燃燒初期時(shí)燃燒速度和加速度，抑制發(fā)動機(jī)工作粗暴。

(2) EGR的引入有助于縮短甲醇/柴油的滯燃期，減少預(yù)混合燃燒量；放熱始點(diǎn)提前，放熱率曲線呈雙峰，預(yù)混放熱量減少，擴(kuò)散放熱量增加。燃燒反應(yīng)速率減緩，燃燒持續(xù)期延長。

(3) 隨著甲醇摻燒比例的增加，雙燃料發(fā)動機(jī)指示熱效率提高。相同工況，保持摻燒48%甲醇不變時(shí)，雙燃料發(fā)動機(jī)的指示熱效率隨著EGR率的增加而降低。

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