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柴油机燃用甲醇-柴油混合燃料燃烧特性的试验研究

第 36 卷第 4 期                 拉 机 与 农 用 运 输 车                 Vol 36 No. 4 拖 . 2009 年 8 月                Tractor & Farm Transporter                 Aug , 2009 .

柴油机燃用甲醇 -柴油混合燃料燃烧特性的试验研究
李永冰 , 王沛禹 , 刘晓辉
1 1 2

( 1. 日照职业技术学院 ,山东 日照  276826; 2. 山东交通职业学院 ,山东 潍坊  261206)

摘要 : 在一台 ZS195 型柴油机上研究了 M0,M10,M20 和 M30 甲醇 /柴油混合燃料对柴油机性能的影响 。试验结果表明 ,在柴油 机参数不变的情况下 ,随着甲醇添加比例增加 ,柴油机的动力性有所下降 ,燃油经济性变化不大 ,柴油机烟度和 CO 的排放量都明显 降低 , NO x 排放在 M10 时略有增加 ,在 M20,M30 时下降 10%左右 。 HC 的排放量有所增加 。 关键词 : 柴油机 ; 甲醇 ; 发动机性能 中图分类号 : TK421. 5       文献标识码 : A       文章编号 : 1006- 0006 ( 2009) 04- 0076- 02

Te s t S tudy o n Com bu s tio n C ha ra c te ris tic s o f D ie se l Eng ine Fue le d w ith M e tha no l- d ie se lM ixe d Fue l
L I Yong 2bing , WAN G Pei2yu , L IU X iao2hu i
1 1 2

( 1. R izhao Polytechnic, R izhao 276826, China;

2. Shandong Transport Vocational College,W eifang 261206, China)

Ab s tra c t: The paper studied the effect of M0, M10, M20 and M30 methanol/ diesel m ixed fuel on ZS195 diesel
perfor mance. The results show that with the adding of methanol, the engine ’ power performance decreases; fuel economy s changes slightly; diesel smoke and CO em issions have decreased significantly; NO x em ission are more atM10, but are reduced about 8% at M20,M30; HC em issions are increased when the engine parameters remain unchanged.

Ke y wo rd s: D iesel; M ethanol; Engine performance
   柴油机具有动力性好 、 热效率高等优点 ,广泛应用于工程机械和 货运车辆 ,缺点是排放烟度高 [ 1~4 ] 。随着能源短缺和环境危机的日 益加剧 , 要克服柴油机的这一缺点 , 使用含氧燃料 , 被认为是有效降 低柴油机烟度及 HC, CO 排放的有效措施 。本文在不改变发动机结 构和技术参数的条件下 ,试验了不同质量混合比例的柴油 /甲醇混合 燃料对柴油机性能的影响 。

2 200 r/m in 时功率为 9. 7 kW , 压缩比为 17。主要仪器有 CWW KFGA - 4100排 气 分 析 仪 和 PQD - 102 型 烟 度 计 。按 照 国 家 标 准

6003 负荷转速 测 量 仪 、 - 260 电 涡 流测 功 机 、 CW FCM - 05 油 耗 仪 、 QC / T 524- 1999 汽车发动机性能试验方法 》采取对比试验的方法 《 ,

进行试验 ,同时在研究中保持发动机的结构与技术参数不变 [ 6 ] 。为 了研究不同比例甲醇 /柴油混合燃料对发动机工作过程的影响 , 试验 分别配置了甲醇质量分数为 10% (M10) , 20% (M20 ) 和 30% (M30 ) 三种比例的甲醇 /柴油混合燃料 。

1  甲醇与柴油的理化性质

甲醇与柴 油燃料 的 理化 性 质参 数 对 比 见 表 1 [ 5 ] 。甲 醇 分 子
(CH3 OH)结构简单 ,含氧量高 ,因此与柴油混合燃烧可以有效降低烟

3  发动机动力性分析

度和 CO 的排放。但是甲醇与柴油性质差异较大 ,难以互溶。为了保 证甲醇 /柴油混合燃料性质稳定且不分层 ,必需选用合适的助溶剂。
表 1  甲醇 、 柴油燃料理化特性对比 Ta b. 1 Fue l P rop e rtie s o fM e tha no l a nd D ie se l 柴油
14. 6 20 ~30 40 ~55 3. 789

柴油发动机燃用混合燃料时的外特性曲线如图 1 和图 2 所示 ,

使用混合燃料 M10 时 , 发动机的最高输出功率和转矩分别下降约
9. 7% , 9. 0% ; 随着甲醇加入量的增加 , 燃用 M20 甲醇混合燃料发动

性能指标

理论空燃比 / ( kg?kg - 1 ) 辛烷值 (RON ) 十六烷值 着火界限体积分数 / % 混合气热值 / (MJ ?m - 3 ) 密度 (20 ℃) / ( g?L - 1 ) 沸点 / ℃ 自然温度 / ℃ 低热值 / (MJ ?kg - 1 ) 汽化潜热 / ( kJ ?kg - 1 ) 黏度 (20 ℃) / (m Pa ? s)

1. 5 ~8. 2 830 ~860 180 ~370 200 ~220 42. 8 3. 9 250 ~300

甲醇 6. 4 111 3 ~5 6. 7 ~36 3. 906 792 65 470 19. 7 1 101 0. 611

机的功率和转矩分别下降 11. 3% , 10. 5% ; 燃用 M30 甲醇混合燃料 发动机的功率和转矩分别下降 13. 2% , 12. 6% 。甲醇和助溶剂的加 入使混合燃料的低热值降低 , 发动机的功率有下降的趋势 。但是甲 醇的十六烷值低 , 导致了混合燃料滞燃期延长 , 使预混燃烧量增加 。 由于甲醇的沸点低 ,含氧量高 ,有利于柴油的扩散 ,改善燃烧 ,使燃烧

2  试验发动机及主要设备

试验用发动机的排量为 0. 8 L,其缸径为 95 mm,行程为 115 mm,
收稿日期 : 2008- 05- 06; 收修改稿日期 : 2008- 08- 07

图 1  功率的外特性曲线 F ig. 1 Exte rna l C ha ra c te ris tic C u rve o f Eng ine Pow e r

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李永冰等 : 柴油机燃用甲醇 -柴油混合燃料燃烧特性的试验研究

图 2  转矩的外特性曲线 F ig. 2 Exte rna l C ha ra c te ris tic C u rve o f Eng ine To rque

图 6  柴油机烟度排放外特性曲线 F ig. 6 Sm o ke Em is s i n s a t Fu ll Lo a d Co nd iti n s o o

的持续期变短 。因此随混合燃料中甲醇质量分数的增加 , 燃烧特性 的改变使发动机的功率下降幅度开始变小 。

5. 2   发动机 NO x 的排放特性 NO x 生成的 3 个条件为高温 、 富氧和高温持续时间 。在全负荷

条件下 ,甲醇的加入虽使滞燃期延长 ,但小比例甲醇对燃烧温度的影 响不大 ,同时由于甲醇高达 50%的含氧量使 NO x 的排放略有增加 。 当甲醇质量比增加到 M20, M30 时 , 由于甲醇汽化吸热 , 使得进气温 度大幅度下降 , 对最高燃烧温度有抑制作用 ,不利于 NO x 的生成 , 使
NO x 的排放下降 10%左右 ,如图 7 所示 。

4  发动机经济性分析
本试验配制的 M10, M20, M30 的混合燃料在台架试验中 , 对比 同条件下柴油机的油耗数据 。柴油机小负荷时燃用混合燃料的耗油 率稍高于或接近于燃用柴油时的耗油率如图 3 ~ 5 所示 ,其原因是 图 柴油机小负荷时燃料喷射量较少而雾化性差 ,甲醇是含氧燃料 , 使过 量空气系数较大 , 混合气过稀 , 而混合气过稀不仅影响火焰的传播 , 而且还可能导致不着火 , 使油耗增加 。同时低负荷时 , 放热量较少 , 缸壁温度及残余废气温度都较低 ,而且甲醇的汽化潜热高 , 导致压缩 终点时缸内平均温度有所降低 ,使柴油机的滞燃期延长太多 , 热效率 降低 ,最终导致柴油机经济性变差 。随着负荷的增大 , 柴油机气缸内 的温度和压力升高 ,混合燃料的粘度变小及其汽化时的微爆效应对 改善雾化情况所起的作用占主要地位 ,其使燃烧趋于完全 , 热效率提 高 ,从而改善了柴油机的经济性 。

图 7  NO x排放的外特性曲线 F ig. 7 NO x Em is s i n s a t Fu llLo a d Co nd iti n s o o

5. 3   发动机 HC 和 CO 的排放特性

甲醇柴油混合燃料的未燃碳氢排放如图 8 所示 。甲醇溶入柴油 后 ,由于甲醇容易蒸发 ,故在油雾的外围可能造成过稀区混合气量增 加 ,进而导致发动机的 HC 排放增加 。图 9 是柴油 /甲醇混合燃料 CO 排放的外特性曲线 ,可以看出 , 随着掺烧甲醇量的增加 , CO 排放呈下 降的趋势 ,主要是由甲醇的物性和含氧特性引起的 , 即甲醇的低沸点
图 3  n = 1 100 r/m in 时掺醇率对经济性影响 F ig. 3 Effe c t o f R a ti o fM e tha no l o n Eco nom y a t 1 100 r/m in o

和低黏度及“ 微爆 ” 作用 ,改善了混合气的形成和燃烧 ; 而且甲醇又是 含氧燃料 ,不仅提高了富油区氧的含量 ,也有助于减少因缺氧而生成的
CO 的排放量 ,尤其在外特性曲线的高转速范围内 ,这种趋势更加明显。

图 4  n = 1 700 r/m in 时掺醇率对经济性影响 F ig. 4 Effe c t o f R a ti o fM e tha no l o n Eco nom y a t 1 700 r/m in o 图 8  HC 排放的外特性 F ig. 8 HC Em is s i n s a t Fu llLo a d Co nd iti n s o o

图 5  n = 2 200 r/m in 时掺醇率对经济性影响 F ig. 5 Effe c t o f R a ti o fM e tha no l o n Eco nom y a t 2 200 r/m in o

5  发动机排放特性分析
5. 1   发动机的排放烟度

发动机排放烟度的外特性曲线如图 6 所示 , 燃用 M30 时发动机 的排放烟度下降约 66% 。主要原因是 : 甲醇的沸点低 , 当柴油中混 合一定比例的甲醇时 , 混合燃料粘度变小加之“ 微爆效应 ” 使燃油雾 化蒸发性能改善 ,可以促进油雾与空气的混合 ,同时由于甲醇含氧量 高达 50% ,与燃烧柴油相比 ,燃烧会更加完全 , 所以排放物中炭粒含 量减少 ,烟度明显降低 。

图 9  CO 排放的外特性曲线 F ig. 9 CO Em is s i n s a t Fu llLo a d Co nd iti n s o o

6  结论
1) 柴油机掺烧甲醇后在不改变参数的前提下与原机相比功率分

别下降 9. 7% , 11. 3% , 13. 2% ,相应的最大转矩减少 9. 0% , 10. 5% ,
12. 6% ; 对燃油消耗率影响不大 。

(下转第 82 页 )
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拖拉机与农用运输车   4 期 2009 年 8 月 第
律与 HCHO 的 非常相似 。转速一定的条 件 下 , 随着 负 荷的增 加 ,
HCOOCH3 的排放有减少的趋势 ; 同时随着转速的增大也会导致排放 HCHO , HCOOCH3 进行检测 , 而 HCOOH 可采用 FTIR 进行检测 。检

测结 果 表 明 : 在 DME 发 动 机 的 尾 气 排 放 中 , 均 检 测 到 HCHO ,
HCOOCH 3 , HCOOH 等排放物 。 2) 在 ZS195 柴油机上燃烧 DME 后的非常规排放物中 , HCHO 的

的增加 。其原因是甲酸甲酯的生成跟甲醛一样 ,也是 DME 在低温燃 烧的一种不完全氧化中间产物 [ 4 ] 。转速增加 , 实际喷油提前角减 小 ,最高燃烧温度降低 , 导致 HCOOCH 3 高温反应的驻留时间减少 , 因而其被氧化的较少 ,排放量就会增加 。 相比甲醛 ,甲酸甲酯的生成与消耗规律较为复杂 , 影响其浓度变 化的因素也较多 , 因此 HCOOCH3 的排放曲线不甚规则 , 且整体的排 放量比较小 ,检测到的最大值也只在 20 × - 6左右 。 10
3. 3  HCOO H 排放分析 HCOOH 排放量是用傅立叶红外分析仪测量所得 。从图 7 中可

排放量要比 HCOOCH3 , HCOOH 的高 ,而 HCOOCH3 排放体积分数均 在 20 × - 6以下 , HCOOH 排放体积分数均在 10 × - 6以下 ,由此可 10 10 见 HCHO 是非常规排放物中的主要成分 。
3) HCHO , HCOOCH3 排放的体积分数随转速的提高稍有增加 ;

随着负荷的增大 , HCHO 和 HCOOCH3 的排放量降低 , 而 HCOOH 排 放量变化则不甚明显 。
4) 对 DME 发动 机燃烧 过程中 , HCHO , HCOOCH3 , HCOOH 是 DME 低温氧化反应生成的相对稳定的重要中间产物 , 均在低温反应

以看出 , HCOOH 排放值较小 , 基本都在 10 × - 6以下 , 且随负荷的 10 变化排放量没有明显的波动 。发动机运行参数的变化对 HCOOH 的 排放虽有一定影响 ,但变化幅度也很小 。

阶段生成 , 并在高温阶段由于被氧化成 CO 2 和水而被大量消耗掉 。 但该类非常规排放物的生成机理还需根据详细的有关 DME 氧化的 化学反应动力学来进一步研究 。 参考文献 :
[1 ]  吕胜春 ,李晖 , Eddy,等 . 甲醇 /汽油混合燃料发动机非常规排放成分测量

方法研究 [ J ]. 内燃机学报 , 2006, 24 (1) : 57 ~61.
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图 7  不同转速和负荷下 HCOO H 排放 F ig. 7 HCOO H Em is s i n unde r D iffe re n t Sp e e d s a nd Lo a d s o

[4 ]  张煜盛 ,孙海英 ,莫春兰 , 等 . 二甲醚 HCC I发动机微量排放物的数值模

4  结论
1) 对配有 F I 检测器的气相色谱仪的分离柱温 、 D 载气流速 、 汽化

拟与实验研究 [ J ]. 华中科技大学学报 , 2007, 35 (7) : 78 ~81.

室的检测器温度等工作条件进行优化的基础上 ,采用外标法 , 经色谱 工作 站绘制出的工作标 准曲 线 , 可 对 DME发动 机 的微 量 排 放物

作者简介 :罗红英 (1967 - ) ,女 ,副教授 ,硕士 ,研究方向为内燃机燃烧和排放 分析 。

(上接第 77 页 )
  2) 柴油机燃用 M30 甲醇 /柴油混合燃料可以使排放烟度在全负 荷下降低约 66% , CO 的排放也同时降低 。NO x 排放在 M10 时略有 增加 ,在 M20,M30 时下降 10%左右 。 HC 排放与原柴油机相比有所 增加 。 参考文献 :
[1 ]  何建宏 ,袁晓东 ,郭和军 ,等 . 生物油乙醇柴油混合燃料在柴油机上的应

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[3 ]  姚春德 ,王银山 ,段峰 ,等 . 柴油机燃用甲醇 -柴油双燃料的控制与研究

作者简介 :李永冰 (1968 - ) ,男 ,山东五莲人 ,硕士 ,讲师 ,研究方向为汽车电子 技术 。

(上接第 79 页 )
参考文献 :
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作者简介 :王书帅 ,男 ,硕士研究生 ; 袁银南 ,男 ,教授 ,博士生导师 ; 苏涛 ,男 ,硕 士研究生 。

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欢  迎  订  阅        投  稿 欢 迎

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