甲醇替代率對甲醇/柴油雙直噴發動機性能的影響

尹曉軍,任憲豐, 2,欒建偉, 2,段浩,汪映,曾科

(1. 西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安; 2. 濰柴動力股份有限公司,261041,山東濰坊)

柴油機因其高熱效率和可靠的動力性,被廣泛應用于交通運輸和工程機械等領域[1]。柴油機排氣中的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氫(HC)和碳煙排放不僅會對環境造成污染,而且危害人類的身體健康。隨著我國“雙碳”目標的提出和排放法規的更新,尋找先進的燃燒模式和合適的替代燃料成為發動機研究領域的熱點[2]。其中,雙燃料燃燒模式通常采用兩種物理化學性質互補的燃料,能夠實現高效清潔燃燒,具有廣闊的應用前景[3-4]。該模式下,可以通過燃料的噴射比例來調節燃料的反應性,也可以通過噴射策略和燃料混合氣的形成過程來控制活性梯度[5]。研究表明:在活性反應可控的情況下,通過調節燃燒狀態能夠有效提高熱效率、降低排放[6-7]。

高、低活性燃料通過兩個獨立的噴射系統直接噴入氣缸,可以在時間和空間上形成活性和濃度的可控分層,從而實現燃燒狀態的調整和優化。呂興才等[8-9]基于缸內雙直噴模式開展了相關研究,結果表明,作為一種高效、清潔的壓縮點火發動機燃燒技術,雙燃料缸內直噴模式的甲醇替代率和熱效率高度依賴于發動機的負荷。鑒于當前國內外鮮有關于雙直噴發動機運行范圍的報道,有必要系統研究雙直噴燃燒模式的運行范圍,探索甲醇替代率對雙直噴發動機熱效率和排放特性的影響,從而為實際發動機的設計過程提供理論指導。本文在一臺單缸發動機上開展了甲醇/柴油雙直噴燃燒模式的試驗研究,重點探討了基于發動機負荷率和甲醇替代率下雙直噴發動機的運行范圍,并對發動機外特性工況下的最大甲醇替代率進行了研究。

1 試驗系統及研究方案

1.1 試驗臺架與設備

試驗所用發動機為單缸共軌風冷柴油機,表1給出了其主要參數。為保證甲醇和柴油能夠分別獨立噴入氣缸,在發動機缸蓋上加裝了甲醇缸內直噴噴嘴,柴油仍沿用原機的共軌直噴系統(圖1)。試驗用甲醇為無水甲醇,柴油為市售0#柴油,其理化性質如表2所示。

圖1 發動機缸蓋剖面圖Fig.1 Section view of the engine cylinder head

表1 發動機主要參數

表2 試驗燃料的理化性質

甲醇/柴油雙直噴發動機臺架測試系統如圖2所示。發動機的轉速和轉矩采用電力測功機(CAC37)監測,柴油和甲醇消耗量由高精度電子秤稱量,缸內壓力信號和曲軸轉角信號分別通過壓電式壓力傳感器(Kistler 6058A)和曲軸轉角傳感器(Kistler 2619A11)進行測量。同一運行工況下,采集200個連續工作循環的缸壓數據用于分析燃燒特征參數。常規氣體和顆粒排放分別采用AVL4000L排放分析儀和Horiba MEXA-600S不透光煙度計進行測定。

圖2 發動機臺架測試系統Fig.2 Engine set-up and instrumentation layout

1.2 試驗方案

試驗在原機最大轉矩轉速(2 000 r/min)下進行。柴油和甲醇的噴射時刻和脈寬均由自主開發的電控系統控制。采用柴油預噴策略以抑制燃燒粗暴,為便于標記,將預噴柴油記為D1,主噴柴油記為D2。為了在發動機寬負荷工況下全面提高熱效率,柴油噴射時刻相對較早,以便于在缸內形成均勻的混合物。本文將壓縮上止點定義為0°,為保證燃燒累計放熱50%時刻(CA50)集中在上止點后8°～10°范圍內,柴油主噴時刻(TD2)固定在-17°,柴油預噴和主噴間隔為12°,噴射壓力為90 MPa。為避免甲醇和柴油油束的碰撞干擾,甲醇噴射時刻(TM)為上止點前60°,噴射壓力為15 MPa。

定義甲醇替代率為雙燃料發動機每循環噴入缸內的甲醇燃料熱值與該循環下噴入氣缸的總燃料熱值之比,其計算公式如下

(1)

式中:RM為甲醇替代率,%;mM和mD分別為甲醇與柴油的燃料消耗量,kg/h;hM和hD分別為甲醇和柴油的低熱值,MJ/kg。

暖機過程采用純柴油模式,發動機負荷率固定在20%,逐漸增加甲醇噴射量,使得發動機輸出轉矩不斷提高直至達到外特性轉矩,試驗過程中記錄不同甲醇噴射量下的發動機性能和排放數據。隨后增加柴油噴射量并固定,逐漸增加甲醇噴射量,直至發動機達到外特性工況。依此類推,直至覆蓋全負荷工況。試驗過程中,最大壓升率(Rmax)超過0.8 MPa/(°),則認為發生了粗暴燃燒。為保證燃燒穩定性,指示平均有效壓力(IMEP)的循環變動(δIMEP)控制在5.0%以下。為保證機械設計強度,最高缸內壓力限制在15 MPa以下。

2 試驗結果與討論

2.1 雙直噴燃燒模式的運行范圍

甲醇/柴油雙直噴發動機的運行范圍如圖3所示。值得注意的是,在高負荷率工況下,最大甲醇替代率達65.1%,高于以往的研究結果[12-13]。隨著發動機負荷率的增加,甲醇替代率的進一步提高受限于粗暴燃燒邊界。

圖3 雙直噴燃燒模式運行范圍和熱效率分布Fig.3 Experimental operating range and indicated thermal efficiency contours

由圖3可見:指示熱效率(ηit)隨發動機負荷率的增加而提高,而隨甲醇替代率的變化則呈現出不同的趨勢;當發動機負荷率為40%時,純柴油運行工況的指示熱效率為38.6%,隨著甲醇替代率分別增加到16.1%和21.1%,指示熱效率分別降低至37.8%和36.9%,這是因為在發動機低負荷率工況下,較低的缸內溫度和甲醇的冷卻使得較稀燃料混合物的燃燒惡化,從而導致指示熱效率降低[14-15];而當發動機負荷率增加到60%時,甲醇替代率為18.6%、28.4%、40.5%和43.9%時的指示熱效率分別為40.6%、40.9%、41.2%和41.0%。由于甲醇分子結構中僅含有一個碳鍵,其燃燒過程相對簡單[16]。作為一種含氧燃料,甲醇在燃燒過程中可產生OH自由基,有利于加速燃燒[17]。此外,較高的汽化潛熱也會增強甲醇的冷卻,有利于降低燃燒過程中的傳熱損失[18]。因此,隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率提高。但是,當甲醇替代率進一步增加時,甲醇燃料在燃燒過程中起主導作用,增加的甲醇量降低了缸內燃料混合物的活性,導致指示熱效率降低。隨著發動機負荷率進一步增加,在發動機負荷率為79.5%、甲醇替代率為52.4%的工況下,指示熱效率達到最大值43.4%。這是因為在發動機高負荷率工況下,缸內的溫度和壓力升高,有利于提高燃燒速率,從而提高了指示熱效率。

2.2 不同發動機負荷率下甲醇替代率的影響

圖4為不同發動機負荷率下甲醇替代率對燃燒過程的影響。如圖4(a)和(b)所示,在40.0%和56.5%發動機負荷率下,甲醇替代率對燃燒過程影響較小,燃燒呈現顯著的兩段放熱特征[19-20]。隨著甲醇替代率的增加,壓縮沖程的缸內壓力降低,第一段放熱峰值降低,這是因為甲醇的冷卻降低了缸內溫度,抑制了柴油的低溫放熱反應。如圖4(c)所示,在高發動機負荷率下,隨著甲醇替代率由18.1%增加到47.8%,壓縮沖程的壓力降低,而膨脹沖程的壓力升高。燃料燃燒過程由兩段放熱變為單段放熱,燃燒壓力峰值和放熱率峰值提高。在高甲醇替代率下,柴油噴射量減少,甲醇噴射量增加,使得缸內高活性燃料的局部當量比降低,快速高溫反應無法迅速形成。而隨著活塞接近壓縮上止點,缸內的溫度和壓力增加,觸發大范圍高溫放熱反應,從而呈現出單段放熱的特征,此時缸內放熱過程主要由甲醇燃燒主導。

(a)40.0%發動機負荷率的燃燒特征

圖5為不同發動機負荷率下甲醇替代率對燃燒特征參數的影響。由圖可見,在不同發動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,著火延遲期逐漸被延長。由于甲醇的冷卻降低了缸內溫度,且甲醇的活性較低,因而導致缸內高活性燃料的局部當量比降低,著火延遲期增加。此外,在低溫條件下,甲醇參與OH自由基的競爭反應,后者被甲醇氧化后產生活性較低的H2O2,使得著火延遲期增加[21]。較長的著火延遲期有利于在缸內形成均勻的燃料混合物,增加燃料燃燒的集中放熱速率。甲醇燃料的含氧特性和較高的火焰傳播速度有利于缸內燃燒速率的提高[22]。因此,隨著甲醇替代率的增加,燃燒持續期縮短,燃燒狀態提前,燃燒累計放熱50%的時刻(CA50)提前。

圖5 甲醇替代率對燃燒特征參數的影響Fig.5 Effect of methanol energy substitution ratio on the combustion characteristics

圖6為不同發動機負荷率下甲醇替代率對最高燃燒溫度的影響。由圖可見,隨著發動機負荷率的增加,缸內最高燃燒溫度提高。當發動機負荷率由40.0%增加至56.5%時,純柴油工況下的最高燃燒溫度由1 308 K提高至1 455 K。在不同的發動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,缸內最高燃燒溫度提高。隨著甲醇噴射量的增加,預混燃燒比例提高,有利于提高缸內燃料的燃燒速率,致使燃燒狀態提前,燃料燃燒的等容度更高,從而提高了缸內最高燃燒溫度。

圖6 甲醇替代率對最高燃燒溫度的影響Fig.6 Effect of methanol energy substitution ratio on the maximum combustion temperature

圖7為不同發動機負荷率下甲醇替代率對最大壓力升高率的影響。由圖可見,隨著發動機負荷率的增加,最大壓力升高率提高。在85.7%發動機負荷率工況下,隨著甲醇替代率由18.1%增加到47.8%,最大壓力升高率由0.61 MPa/(°)提高到0.76 MPa/(°)。甲醇的加入使得預混燃燒比例增加,燃燒速率提高,進而導致缸內最大壓升率提高。同時,高發動機負荷率工況的最大壓力升高率高于低負荷率工況。

圖7 甲醇替代率對最大壓力升高率的影響Fig.7 Effect of methanol energy substitution ratio on the maximum pressure rise rate

圖8為不同發動機負荷率下甲醇替代率對循環變動的影響。可以看出,在低負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,燃燒循環變動提高。例如,在40.0%發動機負荷率工況、甲醇替代率分別為0%、16.1%和21.1%時的循環變動分別為3.96%、4.01%和4.41%。這是因為在低負荷率工況下,缸內溫度較低,噴入氣缸的甲醇冷卻作用加強,抑制了柴油的低溫反應,不利于燃燒的穩定性。隨著發動機負荷率的增加,燃燒循環變動降低,意味著缸內燃燒過程更加穩定。高負荷率下的高溫、高壓環境有利于提高著火和燃燒過程的穩定性[23]。同時,甲醇的含氧特性能夠促進燃燒速率的提升,進而增強燃燒的穩定性。因此,在中、高發動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,燃燒的穩定性提高。

圖8 甲醇替代率對循環變動的影響Fig.8 Effect of methanol energy substitution ratio on the cyclic variation

圖9為不同發動機負荷率下甲醇替代率對常規氣體排放的影響。可以看出,隨著發動機負荷率的提高,NOx排放增加。這是因為在高負荷率下,缸內燃燒溫度增大,更多的燃料噴射量也提高了燃料的局部當量比[24],從而在缸內形成高溫、富燃環境,有利于NOx污染物的生成。在不同發動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,NOx排放水平降低,而CO和HC排放水平提高。首先,甲醇的冷卻效應降低了缸內溫度,抑制了NOx的生成[25-26];其次,著火延遲期的延長提高了缸內燃料混合物的均勻性,降低了局部當量比;最后,燃燒速率的提高縮短了缸內高溫持續時間。因此,隨著甲醇替代率的增加,NOx排放降低。缸內溫度的下降惡化了燃料的燃燒狀況,導致更多的燃料不能完全氧化,造成了HC和CO排放的增加。在低溫條件下,甲醇與OH基反應生成活性較低的H2O2,抑制了CO的氧化反應[27]。同時,甲醇的加入導致著火延遲期延長,更多的甲醇燃料噴射到近缸壁區域,也會增加HC和CO排放。

圖9 甲醇替代率對常規氣體排放的影響 Fig.9 Effect of methanol energy substitution ratio on the regular gaseous emissions

圖10為不同發動機負荷率下甲醇替代率對碳煙排放的影響。隨著發動機負荷率的提高,碳煙排放增加。柴油噴射量的增加提高了燃料的局部當量比,有利于碳煙的生成。在同一發動機負荷率下,隨著甲醇替代率的增加,碳煙排放降低。這是因為柴油噴射量的減少使得多環芳烴等減少,進而改善了顆粒物排放。同時,著火延遲期增加有利于減少缸內局部富燃區域。此外,在高溫環境下,甲醇的含氧特性有利于碳煙的氧化。因此,隨著甲醇替代率的增加,碳煙排放降低。

圖10 甲醇替代率對碳煙排放的影響Fig.10 Effect of methanol energy substitution ratio on the soot emissions

2.3 全負荷工況最大甲醇替代率對指示熱效率的影響

考慮到在高負荷率下,甲醇替代率的提高受限于粗暴燃燒邊界,本節通過滯后柴油主噴時刻(-11°)來降低燃燒壓力升高率,從而實現甲醇替代率的提高。試驗過程中,柴油的預噴和主噴間隔角度不變(12°)。在保證燃料燃燒指示功不變的前提下,通過不斷減小柴油噴射量、增加甲醇噴射量來提高甲醇替代率。

圖11為全負荷工況下甲醇替代率對指示熱效率的影響。由圖可知,在柴油預噴策略下,甲醇替代率可以達到80.0%;在柴油單次噴射策略下,最高甲醇替代率可以高達96.0%,指示熱效率為33.75%。純柴油運行工況的指示熱效率為39.74%,隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率呈現出先提高后降低的趨勢。當甲醇替代率為50.0%時,可實現最高指示熱效率(41.55%)。當甲醇替代率從20.0%增加至50.0%時,指示熱效率提高。這是因為甲醇的加入提高了預混燃燒比例,使燃燒狀態提前,燃燒持續期縮短,從而提高了熱效率。但是,隨著甲醇替代率的進一步增加,甲醇的冷卻效果加強,使得缸內溫度降低,同時缸內燃料混合物的活性降低,導致熱效率下降。

圖11 外特性工況下甲醇替代率對指示熱效率的影響Fig.11 Effect of methanol energy substitution ratio on the indicated thermal efficiency at the full engine load

3 結 論

(1)甲醇/柴油雙直噴發動機的運行范圍主要受限于粗暴燃燒邊界,在發動機負荷率為79.5%、甲醇替代率為52.4%工況下,指示熱效率可達到最高值43.4%。

(2)隨著甲醇替代率的增加,著火延遲期增加,燃燒持續期縮短,燃燒狀態提前。甲醇噴射量增加有利于降低NOx和碳煙排放水平,但是HC和CO排放提高。

(3)在發動機外特性工況下,最大甲醇替代率可以達到96.0%。甲醇替代率96.0%的指示熱效率為37.55%,低于純柴油工況的指示熱效率。

(4)隨著甲醇替代率的增加,指示熱效率先提高后降低。甲醇替代率為50.0%時,最高指示熱效率可達41.55%。