进气掺混甲醇和水对柴油机燃烧和排放的影响.pdf
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1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J OUR NA LO FHE F E IUN I V E R S I T YO FT E C HN O L O G Y(NA TUR A LS C I E N C E)V o l N o J u l 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()作者简介:刘勇强(),男,湖北黄石人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师;庄远(),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师,通信作者,E m a i l:z h u a n g y u a n h f u t e d u c n D O I:/j i
2、s s n 进气掺混甲醇和水对柴油机燃烧和排放的影响刘勇强,耿洪刚,徐昌春,庄远(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 ;韩国国立公州大学 机械汽车工学部,韩国 天安 )摘要:文章在云内D 柴油机上研究进气掺混甲醇(甲醇体积分数分别为、)水溶液对发动机燃烧和排放性能的影响.结果表明:在柴油机进气中喷甲醇水溶液时,发动机燃烧特性参数(如缸内峰值压力)均有增加,放热率峰值降低,同时峰值压力对应的相位略微提前,平均指示压力循环变动系数升高,有效热效率下降,进气掺混甲醇体积分数为 的溶液时的比油耗降低,其他体积分数时的比油耗均升高;排放方面,进气喷水时C O排放和碳氢化合物(HC)排放降低,氮
3、氧化合物(N Ox)排放升高,进气掺混甲醇体积分数为 的水溶液时HC排放降低,C O排放和NOx排放升高,进气掺混甲醇体积分数为、的水溶液时N Ox排放降低,C O和HC排放升高.关键词:柴油机;甲醇水溶液;有效热效率;燃烧;排放中图分类号:T K 文献标志码:A文章编号:()E f f e c t so fm e t h a n o l a n dw a t e r i n j e c t i o n i n i n t a k ea i ro nc o m b u s t i o na n de m i s s i o no fd i e s e l e n g i n eL I UY o
4、 n g q i a n g,G E NG H o n g g a n g,XUC h a n g c h u n,Z HUANGY u a n(S c h o o l o fA u t o m o b i l ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i ,C h i n a;D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r
5、i n g,K o n g j uN a t i o n a lU n i v e r s i t y,C h e o n a n ,S o u t hK o r e a)A b s t r a c t:T h ee f f e c t so f i n t a k ea i rm i x e dw i t hm e t h a n o l a q u e o u s s o l u t i o n(m e t h a n o l v o l u m e f r a c t i o no f,a n d r e s p e c t i v e l y)o ne n g i n ec o m b
6、 u s t i o na n de m i s s i o np e r f o r m a n c ew e r es t u d i e do nY u n n e iD d i e s e l e n g i n e T h er e s u l t s s h o wt h a tw h e nm e t h a n o l a q u e o u s s o l u t i o n i s i n j e c t e d i n t ot h e i n t a k ea i ro f t h ed i e s e l e n g i n e,t h ec o m b u s t
7、i o nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha s t h ep e a kp r e s s u r e i nt h ec y l i n d e r i n c r e a s e,t h ep e a kh e a t r e l e a s e r a t ed e c r e a s e s,t h ep h a s ec o r r e s p o n d i n gt o t h ep e a kp r e s s u r e i s s l i g h t l ya d v a n c e d,t h e
8、 c y c l i cv a r i a t i o nc o e f f i c i e n t o f t h ea v e r a g e i n d i c a t e dp r e s s u r e i n c r e a s e s,a n d t h e e f f e c t i v e t h e r m a l e f f i c i e n c yd e c r e a s e s T h e s p e c i f i c f u e l c o n s u m p t i o no f i n l e t a i rm i x e dw i t h m e t h
9、 a n o l s o l u t i o nd e c r e a s e s,a n dt h a to fo t h e rv o l u m ef r a c t i o n s i n c r e a s e s I nt e r m so fe m i s s i o n s,w h e nt h e i n t a k ea i r i ss p r a y e dw i t hw a t e r,t h eC Oa n dHCe m i s s i o n sa r er e d u c e d,a n dt h eNOxe m i s s i o n s i n c r e
10、 a s e T h eHCe m i s s i o n sa r e r e d u c e da n dt h eC Oa n dNOxe m i s s i o n s i n c r e a s ew h e nt h e i n t a k ea i r i sm i x e dw i t h m e t h a n o l s o l u t i o n T h eNOxe m i s s i o n sa r er e d u c e da n dt h eC Oa n dHCe m i s s i o n s i n c r e a s ew h e nt h e i n t
11、 a k ea i r i sm i x e dw i t h,a n d m e t h a n o l s o l u t i o n K e yw o r d s:d i e s e l e n g i n e;m e t h a n o la q u e o u ss o l u t i o n;e f f e c t i v et h e r m a le f f i c i e n c y;c o m b u s t i o n;e m i s s i o n引言随着我国经济的发展,汽车保有量增加,石油消耗量也迅速增加,能源和环境问题日益突出.而我国是一个贫油富煤的国家,因此寻求替
12、代石油作为车用燃料的工作具有重要意义.尽可能提高热效率和减少排气中的有害成分是目前对柴油机提出的两点要求,试验发现这两点要求经常发生矛盾,例如,提高效率和功率的措施往往会增加排气中的碳烟或NO排放物.在柴油机喷水的研究中,文献 指出在发动机高温、高负荷、高转速下喷水最有效,在低温怠速时喷水有灭车和废油现象;文献 指出利用进气道喷水技术能够大幅度降低氮氧化合物(NOx)排放量,同时具有节能的作用.水可以利用自身潜热大的特点吸收热量而汽化成为过热蒸汽,从而降低缸内燃烧温度.同时在高温条件下,水蒸汽参与燃烧,部分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应,形成可燃性气体,从而减少火焰中的炭烟,提高
13、燃油燃烧的完善程度,改善燃烧状况,提高燃油的燃烧效率.然而,柴油机中喷水需要解决冬天零下温度水的结冰问题.甲醇原料来源广泛,如煤炭、天然气、生物质均可制得甲醇,因此甲醇作为石油的替代能源,已得到越来越多的关注.文献 对柴油机掺烧甲醇蒸汽与燃烧纯柴油时的负荷特性、速度特性等进行了对比,并利用示功图对不同掺烧比的燃烧进行了分析;结果表明,在大负荷、高转速下,掺烧甲醇蒸汽可提高燃料经济性,改善排烟特性,降低排气温度.文献 对一台 Q B型直喷式柴油机分别燃用柴油和甲醇柴油混合燃料时的动力性和排放特性进行对比试验;结果表明,在柴油机参数和基本结构不作任何改动的情况下,随着混合燃料中甲醇添加比例的增加,
14、柴油机的动力性有所下降,烟度和C O的排放量明显降低,碳氢化合物(HC)和NOx的排放量有所增加,但变化幅度不大.目前关于柴油机掺烧甲醇水溶液的研究不多.文献 配置了掺水甲醇(M ,即甲醇体积分数为),研究结果表明掺水甲醇(M )的NOx、HC、C O排放量比纯甲醇(M ,即甲醇体积分数为 )略低;文献 研究了水/柴油、甲醇/柴油、水甲醇/柴油液滴的碰撞合并和燃烧行为.水中掺甲醇可降低凝固点,解决零下温度水的冻结问题,甲醇中掺水可以综合甲醇和水的优势,进一步节能降排.在国内外的文献中,单独喷水、单独喷甲醇、喷含 水的甲醇的研究较多,但关于喷含更高含水量的甲醇水溶液的研究还较少.试验装置与试验方
15、案 试验装置试验在一台云内生产的国五柴油发动机上进行.该型号柴油机采用高压共轨(喷射压力最高可达 MP a)、废气涡轮增压、多段喷射、螺旋和切向双进气道、四气门、双顶置凸轮轴等先进技术,排放标准满足国五标准,主要技术参数见表所列.表云内D T C I E 发动机主要参数参数数值缸径/mm 活塞行程/mm 气缸数/个连杆长度/mm 压缩比 额定功率/k W 转速(额定功率)/(r/m i n)试验过程中:采用 kW凯迈电涡流测功机及F S T O p e n发动机数控系统检测并控制发动机扭矩、转速等参数;采用F CMM 油耗仪测量柴油消耗量;采用F X微小流量计测量甲醇消耗量;采用HO R I
16、B A ME X A L气体分析仪测量NOx、HC、C O等有害排放物.ME X A L为日本HO R I B A公司的产品,其采用化学发光分析 仪(c h e m i l u m i n e s c e n td e t e c t o ro ra n a l y z e r,C L D或C L A)测量NOx,不分光红外线吸收型分析仪(n o n d i s p e r s i v ei n f r a r e da n a l y z e r,N D I R)测量C O、C O,氢火焰离子化检测器(f l a m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r,F
17、 I D)测量HC.送入燃烧分析仪的曲轴转角信号由HR C F BM系列角编码器产生,K i s t l e r A型缸压传感器测得的压力信号经过 型电荷放大器送至HR C A B 型燃烧分析仪采集卡,采集卡采集的缸压数据传到电脑软件中进行处理.在I N C A软件中通过调整甲醇电子控制单元(e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t,E C U)中喷射周期来调整流量,同时保持柴油喷射时刻、喷油压力、预喷量和后喷量等参数不变.台架试验装置连接示意图如图所示.其合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷中:甲醇水溶液在进气歧管里的个位置处同时喷射;缸压传感器安装在发
18、动机第个气缸上.图试验装置连接示意图 试验方案试验前:用合适的标准砝码对油耗仪进行标定,以保证油耗测量的准确性;用标定气体对尾气分析仪进行标定,以保证尾气污染物含量测量的准确性;在燃烧分析仪电脑软件中,用柴油机倒拖压力对相位进行校正,调整角度使峰值压力位于 曲轴转角下;配置甲醇水溶液中甲醇的体积分数分别为、.试验时:保持柴油机扭矩为 Nm,转速为 r/m i n;在I N C A软件中设置相关参数以保持柴油E C U中预喷时刻、预喷量、主喷时刻、后喷时刻、后喷量和喷油压力等参数不随甲醇体积分数和流量变化;调整甲醇溶液的喷射周期,使种溶液分别以体积流量、m L/m i n多点喷射喷入柴油机进气歧
19、管内.试验过程中:保持冷却水温稳定并且恒定在 左右;调整喷射流量,待发动机进气歧管温度稳定后,采集燃烧分析仪中记录的缸压数据、平均指示压力循环变动系数(c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n,C OVi m e p);记录柴油油耗量及尾气分析仪测得的排放数据等.试验结果与分析 对燃烧特性的影响用燃烧分析仪来观察或记录相对于不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化,所得的结果即为示功图.由示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段,通过数据处理并运用热力学知识,将之与所积累的试验数据进行分析比较,即可对整个工作过程或工作过程不同阶段进展的完善程度作出判断.因此
20、示功图是研究内燃机工作过程的一个重要依据.试验中气缸压力用压电压力传感器来测量.这种类型的传感器含有个石英晶体.晶体的一端通过隔膜暴露在气缸压力上;随着气缸压力的增加,晶体被压缩并产生与压力成正比的电荷;然后使用电荷放大器产生与该电荷成比例的输出电压.在执行以下步骤后,可以准确获得随曲轴转角变化的气缸压力数据:使用正确的参考压力将测量的压力信号转换为绝对压力;压力与曲轴转角(或体积)相位精确到约 以内;发动机循环期间由壁面热流变化而导致的传感器温度变化(可导致传感器校准系数的改变)要保持在最小值.l gp和l gV图可用于检查气缸压力数据的质量,使得上述前个步骤导致的误差降至最小.对于柴油机,
21、在燃烧开始前的压缩冲程末期,l gp和l gV曲线的斜率约为 .而由于试验中最早的预喷角在 左右,燃烧起始角在 左右(规定压缩上止点为,进气上止点为 ),为避免燃油喷射对多变指数带来影响,试验中取 作为多变指数拟合值的角度范围,并取这段角度的多变指数为 ,用以提高缸压数据的准确性.由此可见,绝对缸压存在一定系统误差,这段角度的多变指数可能会随着工况的不同而不同.试验发现在所做的工况下,压力误差范围在 MP a,这可能会对缸压大小带来微弱影响,但不会对压升率及相位带来此误差.在放热率的处理中,工程应用时通常用下式进行柴油机放热率的分析,即dQndtpdVdtVdpdt()其中,方程左边项表示燃料
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