不同甲醇預(yù)混合氣引燃燃燒模式燃燒特性分析

耿新

摘要：針對(duì)甲醇、生物柴油和聚甲氧基二甲醚PODE的優(yōu)勢(shì)，為了改善經(jīng)濟(jì)性，在一臺(tái)CY25柴油機(jī)上分析不同引燃燃料對(duì)甲醇預(yù)混合氣引燃燃燒模式燃燒特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：PODE引燃模式的排放特性較差，CO濃度相較生物柴油模式可高達(dá)2-3倍。在大甲醇質(zhì)量比下HC排放濃度可高達(dá)生物柴油的5倍。甲醇質(zhì)量比較小時(shí)促進(jìn)了NOX生成，增大質(zhì)量比可以降低NOX濃度。生物柴油引燃模式的排放特性隨甲醇質(zhì)量比變化較平穩(wěn)，PODE引燃模式則隨甲醇質(zhì)量比變化增長較快。

Abstract： Based on the advantages of methanol， biodiesel and poly （methoxydimethyl ether） （PODE）， in order to improve the economy， the effects of different pilot fuels on the economy of methanol premixed pilot combustion mode were analyzed on a cy25 diesel engine.The experimental results show that The emission characteristics of Pode pilot mode are poor.The CO concentration is 2-3 times higher than that of biodiesel.Under the condition of high methanol mass ratio， HC emission concentration can be as high as 5 times of biodiesel.When the mass ratio of methanol is small， NOX generation is promoted， and NOX concentration can be reduced by increasing mass ratio.The emission characteristics of biodiesel pilot mode change smoothly with methanol mass ratio， while Pode pilot mode changes rapidly.

關(guān)鍵詞：PODE;生物柴油;甲醇預(yù)混合氣;排放特性

Key words： PODE;biodiese;methanol premixed gas;emission characteristics

中圖分類號(hào)：TK421.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0040-02

0? 引言

甲醇是公認(rèn)的極其具有前景的替代燃料。很多學(xué)者都對(duì)甲醇車用技術(shù)進(jìn)行了積極的研究和開發(fā)，但由于甲醇汽化潛熱大和熱值低等因素使得其無法直接應(yīng)用與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，本文大膽利用生物柴油和PODE高十六烷值特性，作為甲醇預(yù)混合氣的引燃燃料，來探究對(duì)比不同甲醇預(yù)混合氣的排放特性。

1? 試驗(yàn)燃料及理化特性

本試驗(yàn)中所用的生物柴油、甲醇和PODE的理化性質(zhì)如表1所示。

甲醇的高含氧特性使得其在燃燒過程中起到自供氧作用，從而改善柴油機(jī)燃燒和排放性能[1]，尤其是可以大幅度降低碳煙的排放[2]，且甲醇來源廣泛價(jià)格低廉，而其十六烷值較低，難以直接在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上使用是需要研究解決的問題。

生物柴油除了比0#柴油粘度低和低含氧特性，其余特性均比0#柴油要差，這些原因會(huì)使得在柴油機(jī)上應(yīng)用產(chǎn)生較高的NOX和較差的經(jīng)濟(jì)性，因此生物柴油的使用總是會(huì)搭配其他揮發(fā)性好的燃料。

聚甲氧基二甲醚（簡(jiǎn)稱PODEn）簡(jiǎn)式為：CH3O（CH2O）nCH3（其中n≥1，本試驗(yàn)采用的n值為3的混合物），其作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上表現(xiàn)出優(yōu)良的燃燒和排放特性[3]。PODE由于其高含氧、高十六烷值和排放清潔等特點(diǎn)[4，5]，近年來逐漸受到清潔燃料行業(yè)的關(guān)注。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表2。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析方法

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)是由常運(yùn)CY25型單缸柴油機(jī)改造，對(duì)于原機(jī)的噴油系統(tǒng)仍然采用，用于引燃油的噴射，油耗儀可以測(cè)得引燃油油耗。試驗(yàn)還附加一套進(jìn)氣道噴醇設(shè)備，采用一般單孔噴油嘴，可以通過噴射脈寬和噴射周期獲得甲醇消耗量。可同時(shí)調(diào)整缸內(nèi)直噴引燃油量和進(jìn)氣道噴醇量，每次試驗(yàn)都先進(jìn)行無甲醇預(yù)混合氣的單一燃料試驗(yàn)，然后遞減缸內(nèi)直噴引燃油油門，并逐漸增加進(jìn)氣道噴醇量脈寬，直至尋找到該工況下最大的噴醇量。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600r/min，負(fù)荷為Pme=0.3MPa。

3? 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1兩種引燃模式CO排放濃度變化曲線對(duì)比圖中可以看出：PODE引燃燃燒模式的CO排放濃度高于生物柴油引燃燃燒模式，其CO生成濃度隨甲醇質(zhì)量比變化斜率約為生物柴油引燃模式的2倍。這是因?yàn)樯锊裼偷倪\(yùn)動(dòng)粘度是2.41mm2·s-1，約為PODE燃料的二倍，運(yùn)動(dòng)粘度大導(dǎo)致的燃油蒸發(fā)擴(kuò)散比例小，使得生物柴油引燃模式的擴(kuò)散燃燒比例大，在這種模式下空氣量充足，有利于燃料充足燃燒形成CO2。當(dāng)甲醇比例逐漸增大時(shí)，這對(duì)于缸內(nèi)燃料來說甲醇預(yù)混合氣偏濃，PODE引燃模式則由于蒸發(fā)速度快和燃燒速度快，使得缸內(nèi)整體屬于過濃混合氣，過量空氣系數(shù)低，生成較高比例的CO。

圖2為兩種引燃燃燒模式碳?xì)渑欧盼餄舛取Ｔ谳^小的甲醇質(zhì)量比下，生物柴油引燃模式的HC排量均有高于PODE引燃模式的趨勢(shì)，進(jìn)一步增加甲醇，PODE引燃模式的HC排放量呈現(xiàn)高增長率，生物柴油引燃模式則是趨于平穩(wěn)。在較小的甲醇質(zhì)量比下，兩種引燃模式偏向于單種燃料壓燃模式，生物柴油引燃模式的燃油霧化效果較差，容易出現(xiàn)缸內(nèi)燃燒不完全現(xiàn)象。當(dāng)甲醇質(zhì)量比進(jìn)一步增加，引燃油減少，預(yù)混合氣濃度增加，這時(shí)應(yīng)從汽油機(jī)預(yù)混合燃燒模式分析，由于PODE燃料的熱值僅為生物柴油的一半，在甲醇汽化潛熱影響下，PODE很容易出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

圖3為NOX排放物濃度對(duì)比圖。隨著甲醇質(zhì)量比增加，兩種引燃模式均出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，甲醇的高質(zhì)量引入會(huì)降低NOX排放量的生成，這與缸內(nèi)溫度有著密不可分的關(guān)系。甲醇質(zhì)量比較小時(shí)促進(jìn)了NOX生成，這是因?yàn)橥瑫r(shí)甲醇的含氧特性表現(xiàn)一部分作用，同時(shí)汽化潛熱導(dǎo)致的滯燃期延長可以為NOX生成創(chuàng)造必要的時(shí)間。PODE燃料具有的含氧量近似是生物柴油的5倍，這為NOX生成創(chuàng)造了富氧的條件。生物柴油的十六烷值低于PODE，滯燃期的延長，使得燃燒放熱率中心遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，影響缸內(nèi)然后溫度，這從溫度條件上抑制NOX的生成。

4? 結(jié)論

PODE引燃模式相較柴油引燃模式排放特性較差，具有較高濃度排放的CO、HC和NOX。甲醇質(zhì)量比的增加對(duì)于NOX排放可以有效抑制。生物柴油引燃模式的排放特性隨甲醇質(zhì)量比變化較平穩(wěn)，PODE引燃模式則隨甲醇質(zhì)量比變化增長較快。

參考文獻(xiàn)：

[1]余敬周，張煜盛.DME/柴油混合燃料HCCI燃燒與排放特性的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（4）：11-16.

[2]Lahaye J， Prado G. Soot in combustion systems and its toxic properties[C]. New York：Plenum Press， 1983.

[3]Jakob Burger， Markus Siegert，Eckhard Strofer， et al. Poly（oxymethylene） dimethylerhers as components of tailored diesel fuel： Properties， synthesis and purification concepts [J]. Fuel， 2010， 89： 3315-3319.

[4]BURGER J， SIEGERT M. Poly（oxymethylene） dimethyl ethers as compononents of taiored diesel fuel： Properties， synthesis and purification concepts[J]. Fuel， 2010， 89（11）： 3315-3319.

[5]ZHENG Y， TANG Q， WANG T， et al. Synthesis of a green diessel fuel additive over cation resins[J]. Chemical Engineering & Technology， 2013， 36（11）：1951-1956.