甲醇裂解氣對發動機爆震的影響

陳 齊 董小瑞

（中北大學）

1 爆震及其產生原因

汽油發動機的正常燃燒是指由火花塞點燃混合氣，燃燒火焰火花為中心，迅速向四周傳播，將燃燒室內的混合氣全部引燃的燃燒過程。爆震是汽油發動機的一種不正常燃燒，它通常是由于尚未燃燒的可燃混合氣在壓縮、熱輻射的作用下，溫度急劇升高，在火焰前鋒未達到之前而自燃的結果。發生爆震時，氣缸內燃料急劇燃燒，壓力異常升高，產生壓力沖擊波撞擊燃燒室壁、活塞頂等部位，發出尖銳的金屬敲擊聲。又因燃燒氣體的振動熱傳遞性好，如果這種情況持續發生，就會使火花塞電極、活塞等產生過熱或熔損現象，損壞發動機。爆震會使發動機熱效率降低，輸出功率下降，同時其產生的沖擊波還會破壞燃燒室壁面潤滑膜，因此，爆震是一種最有害的故障現象，必須加以控制。

2 甲醇裂解氣的制取

反應器主體結構如圖1所示。反應器主體分蒸發裂解區 ．裂解主反應區及緩沖區各個部分，并根據各個反應區不同的反應特性選擇不同的催化劑。甲醇通過銅管通入甲醇反應器，在蒸發裂解區滴入反應器。在蒸發裂解區甲醇吸收熱量迅速汽化，并在催化劑的作用下形成甲醇部分裂解氣。從蒸發區上來的初步裂解氣在反應器的裂解主反應區催化劑的作用下充分催化裂解，小部分未裂解的甲醇蒸汽在反應器的緩沖區進行再次裂解，并從緩沖區的裂解氣出口流出反應器。

圖1 反應器主體結構

2．1 甲醇裂解氣對爆震的影響

裂解氣體積分數分別為1%、3%、5%的試驗燃料和基礎燃料在進水，機油溫度800℃，發動機轉速1400r／min，噴油量為每循環10．24mg的條件下，HCCI燃燒的缸壓、缸內溫度、放熱率變化曲線如圖2所示。

圖2 HCCI燃燒的缸壓、缸內溫度、放熱率變化曲線

比較圖2可以看出HCCI燃燒過程有明顯的雙階段放熱特點，即低溫反應階段和高溫反應階段，低溫反應階段放熱量與燃料辛烷值、混合氣體體積分數有關。燃用基礎燃料時缸壓曲線出現毛刺，曲線波動劇烈，其峰值接近10Mpa，發動機敲缸現象明顯；放熱率曲線呈 “高瘦”型，此時發動機已處于嚴重爆震狀態。加入不同體積分數的甲醇裂解氣燃燒時，缸壓峰值均低于基礎燃料缸壓峰值和放熱率峰值，著火時刻也較之后移，燃燒期延長，放熱峰值點明顯靠后。壓力升高率均小于1MPa／℃A，說明裂解氣起到抗暴作用。上圖表明裂解氣體積分數對HCCI有重要影響，缸壓、放熱率隨燃料中裂解氣體積分數的增加，發動機爆震傾向減小，缸壓峰值逐漸下降；著火時刻后移，放熱峰值逐漸降低，燃燒期延長，最大爆發壓力點和放熱峰值點后移；燃燒柔和，發動機在高負荷下能夠產生合適的放熱規律，對外有用功增加，減少機械沖擊，提高發動機壽命。這說明，當甲醇裂解氣作為添加氣加入到燃料中，可以通過增加其對應體積分數改善其抗暴能力。

3 結論

（1）燃料中加入甲醇裂解氣后，HCCI發動機高負荷燃燒得到明顯改善，可以有效抑制爆震現象的產生。

（2）隨著裂解氣體積分數的增加，發動機高負荷范圍擴大，能夠解決HCCI燃燒難于燃燒的現象。

（3）由于甲醇裂解氣的主要成分里醇類的成分很大，而醇類的失火界限比基礎燃料窄，所以提取裂解氣時應將溫度控制在250℃左右，以獲得合適的體積分數，從而抑制爆震。

1．謝敬友 ．汽車爆震優化控制欲研究 ．〔J〕．2011．6

2．揚成，鄭道昌，王炳輝 ．一種甲醇低溫裂解反應器設計及反應特性研究 ．〔J〕．2009．4

3．劉永長 ．內燃機原理 〔M〕．武漢華中科技大學出版社．1988