王貴勇,詹益嘉,申立中,雷基林,王偉超,姚國仲

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著國家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施及節(jié)能減排指標(biāo)不斷提高,排放法規(guī)日益嚴(yán)苛,低排放、高效率的新型燃料動力需求急劇增加.柴油機(jī)是交通運(yùn)輸、國防裝備、工農(nóng)業(yè)機(jī)械及船用領(lǐng)域的動力主導(dǎo)裝置,而柴油機(jī)要實(shí)現(xiàn)碳中和有賴于燃料領(lǐng)域的改變[1-2].甲醇僅含一個(gè)碳原子,生產(chǎn)原料十分豐富,煤炭、焦?fàn)t氣、天然氣、生物質(zhì)以及溫室氣體二氧化碳(CO2)均可以制備甲醇,是完全可以實(shí)現(xiàn)碳中性循環(huán)的可再生合成能源,被譽(yù)為“液態(tài)陽光”[3-4].發(fā)展清潔的甲醇液體燃料符合我國能源稟賦和環(huán)保要求,是快速高效實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑.

甲醇/柴油雙燃料反應(yīng)活性控制壓燃(Reactivity Controlled Compression Ignition,RCCI)技術(shù)充分利用柴油機(jī)壓縮比高、柴油著火性好以及甲醇含碳量低、含氧量高、燃燒速率快的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)可控的高效、清潔燃燒,有利于降低碳排放、提高發(fā)動機(jī)熱效率及解決傳統(tǒng)柴油機(jī)NOx(氮氧化物)和顆粒物(Particulate matter,PM)排放矛盾,是內(nèi)燃機(jī)替代燃料的主要應(yīng)用方式之一[5-11].

國內(nèi)外學(xué)者針對甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)燃燒機(jī)理分析、燃燒控制策略等方面開展了大量研究.文獻(xiàn)[12-19]研究了柴油甲醇雙燃料(Diesel Methanol Dual Fuel,DMDF)發(fā)動機(jī)燃燒邊界、燃燒特性與燃燒機(jī)理,結(jié)果表明,RCCI包含柴油的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒、甲醇的火焰?zhèn)鞑ァ⒓状寄┒嘶旌蠚庾匀己图状贾苯訅喝嫉榷喾N燃燒現(xiàn)象;隨甲醇摻燒比變化,在不同負(fù)荷下其燃燒可能出現(xiàn)爆震、失火和燃燒不完全等情況;甲醇對柴油著火具有抑制作用.文獻(xiàn)[20-24]研究了平原海拔下噴射策略對RCCI燃燒與排放特性的影響,結(jié)果表明,多次噴射改善了RCCI的降溫效應(yīng),改變了化學(xué)反應(yīng)活性與燃燒速率,提高了燃燒穩(wěn)定性,NOx、HC(碳?xì)浠衔?等排放減少;通過控制噴射比例與正時(shí),在不同負(fù)荷下都能取得較好的燃燒效果與排放.文獻(xiàn)[25]研究了不同海拔下甲醇替代率(Methanol Substitution Ratio,MSR)對燃燒特性、NOx和碳煙的影響,結(jié)果表明,隨甲醇替代率增加,預(yù)混燃燒峰值增大,預(yù)混滯燃期延長,燃燒持續(xù)期縮短;NOx和碳煙排放同時(shí)降低.

綜上所述,采用RCCI策略能夠?qū)崿F(xiàn)甲醇/柴油雙燃料低溫預(yù)混燃燒,提高熱效率、降低污染物排放,預(yù)噴策略可以有效改善RCCI燃燒穩(wěn)定度,降低NOx、HC、CO等排放[26-29],天津大學(xué)Wei等[24]研究了6缸DMDF發(fā)動機(jī)在 1400 r/min、30%低負(fù)荷下預(yù)噴策略對RCCI燃燒與排放的影響,通過控制預(yù)噴正時(shí)與油量,可以避免低負(fù)荷下的失火與HC排放超標(biāo).長安大學(xué)的Li等[23]研究了6缸DMDF發(fā)動機(jī) 1 400 r/min、50%負(fù)荷下單次噴射與多次噴射的燃燒與排放特性,中負(fù)荷下,通過預(yù)噴策略可以改善燃燒,降低HC、NOx等排放.以上學(xué)者的研究工作清晰地揭示了中低負(fù)荷條件下預(yù)噴策略對RCCI燃燒模式的影響,但中高負(fù)荷下預(yù)噴策略對DMDF發(fā)動機(jī)燃燒與排放的影響尚不明確.

同時(shí),目前甲醇柴油雙燃料燃燒模型研究通常在平原環(huán)境進(jìn)行,我國地幅遼闊,海拔 2 km 以上土地約占國土面積的33%,高海拔下柴油機(jī)因進(jìn)氣含氧量下降而出現(xiàn)燃燒性能變差、燃燒始點(diǎn)推遲、滯燃期延長、燃燒溫度升高、排放變差和動力性不足等特點(diǎn).國六排放法規(guī)也首次提出了柴油機(jī)高海拔控制要求.RCCI模式加入甲醇燃料導(dǎo)致進(jìn)氣溫度降低,提高了進(jìn)氣量,降低了燃燒溫度.甲醇的物理和化學(xué)作用同樣使滯燃期延長,改變了傳統(tǒng)柴油機(jī)的高原特性.

平原狀態(tài)下DMDF發(fā)動機(jī)改變預(yù)噴策略的燃燒與排放性能已經(jīng)取得了較為明確的研究成果,但在高海拔條件下是否能獲得相似結(jié)論還需進(jìn)一步的研究.而目前關(guān)于RCCI雙燃料發(fā)動機(jī)的高海拔性能變化與控制參數(shù)高原修正方面的研究相對較少.

因此,在以上學(xué)者研究工作的基礎(chǔ)上,通過一臺4缸甲醇/柴油發(fā)動機(jī)研究了 2 000 m 海拔下預(yù)噴策略對柴油機(jī)中高負(fù)荷(70%)下燃燒與排放的影響.本研究基于實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的甲醇/柴油RCCI發(fā)動機(jī)燃油供給及集成控制系統(tǒng)和試驗(yàn)臺架,在海拔 2 000 m條件下,通過調(diào)控甲醇噴射量及柴油預(yù)噴正時(shí)、預(yù)噴油量,研究甲醇替代率和預(yù)噴策略對柴油/甲醇RCCI 發(fā)動機(jī)高原燃燒放熱規(guī)律、常規(guī)排放物和非常規(guī)排放特性的影響,以期為柴油/甲醇雙燃料RCCI發(fā)動機(jī)高原性能優(yōu)化及排放控制提供一定參考.

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)采用配備渦輪增壓器和廢氣再循環(huán)的某4缸高壓共軌柴油機(jī).發(fā)動機(jī)具體參數(shù)見表1.試驗(yàn)環(huán)境海拔 2 000 m,大氣壓力為 80 kPa.對原發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造,加裝甲醇供給與噴射系統(tǒng).系統(tǒng)包含甲醇油箱、聚四氟乙烯輸醇管、24 V 電控甲醇泵、壓力計(jì)量表、甲醇共軌管、甲醇噴射器.甲醇噴射器安裝在進(jìn)氣歧管位置.采用歧管噴射,甲醇汽化吸熱效果最明顯,使整個(gè)燃燒過程保持在合適的低溫燃燒溫度,提高燃料預(yù)混合程度[30].發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)采用自主開發(fā)的甲醇/柴油雙燃料電子控制單元,通過調(diào)節(jié)噴油參數(shù)、噴醇參數(shù)、進(jìn)氣參數(shù)等,可實(shí)現(xiàn)純柴油模式和甲醇/柴油雙燃料的RCCI燃燒模式控制.

雙燃料試驗(yàn)臺架如圖1所示.采用層流流量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)測量進(jìn)氣量,AVL FTIR i60傅立葉紅外分析儀同時(shí)測量非甲烷碳?xì)浠衔?、醇類、醛類以及常?guī)排放物NO(一氧化氮)、NO2(二氧化氮)、CO(一氧化碳)及CO2(二氧化碳)等25種常規(guī)和非常規(guī)排氣污染物組分.缸壓曲線由缸壓傳感器GH13P采集.主要設(shè)備及參數(shù)如表2所示.試驗(yàn)用柴油和甲醇燃料的特性參數(shù)如表3所示.

甲醇替代率γM定義為每循環(huán)噴入缸內(nèi)的甲醇熱值占循環(huán)供油量總熱值的比例,按下式計(jì)算:

式中:mD為RCCI模式下的柴油噴射量,kg/h;mM為RCCI模式下的甲醇噴射量,kg/h;hM=19.89 MJ/kg 為甲醇的低熱值;hD=42.5 MJ/kg 為柴油的低熱值.

圖1 柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機(jī)臺架示意圖Fig.1 Diesel/methanol dual-fuel engine bench diagram

表2 主要設(shè)備參數(shù)

表3 燃料理化性質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工況為轉(zhuǎn)速 1 800 r/min、負(fù)荷70%,試驗(yàn)地點(diǎn)海拔為 2 000 m.轉(zhuǎn)速選取為該機(jī)型最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速,搭載該機(jī)型的輕卡運(yùn)行時(shí)主要處于 1 800 r/min,選擇該轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究具有一定實(shí)用價(jià)值,研究結(jié)果可以為該機(jī)型在高海拔下性能研究提供參考.Wei等[24]和Li等[23]學(xué)者詳細(xì)研究了30%負(fù)荷與50%負(fù)荷下預(yù)噴策略對DMDF發(fā)動機(jī)性能的影響,而中高負(fù)荷(70%)的性能尚不明確.因此試驗(yàn)負(fù)荷設(shè)定為70%.

為減少試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)過程中,控制冷卻水溫度在 353.15 K(±1 K)、進(jìn)氣溫度 298.15 K、EGR閥開度為0.試驗(yàn)控制策略所采用的角度均為BTDC(Before Top Dead Center,上止點(diǎn)前).主噴正時(shí)固定為2°CA,噴油壓力 100 MPa,轉(zhuǎn)速設(shè)定為 1 800 r/min,負(fù)荷設(shè)定為70%(321.3 N·m).甲醇替代率范圍按公式(1)計(jì)算,取0～20%,記為M0、M10、M15、M20,上限為該工況下最大甲醇替代率20%.預(yù)噴正時(shí)選取控制策略可控范圍內(nèi)6組值(9、12、15、18、21、24).試驗(yàn)工況點(diǎn)見表4.

表4 試驗(yàn)工況點(diǎn)

預(yù)噴油量下限取噴油針閥打開關(guān)閉最短脈寬油量 1 mg,上限取產(chǎn)生甲醇爆燃發(fā)動機(jī)爆震預(yù)噴油量 4 mg,取4組值.進(jìn)行預(yù)噴正時(shí)試驗(yàn)時(shí)固定預(yù)噴油量為系統(tǒng)默認(rèn)值 2 mg,進(jìn)行預(yù)噴油量試驗(yàn)時(shí)固定預(yù)噴正時(shí)為15°CA.調(diào)整相應(yīng)參數(shù)至發(fā)動機(jī)燃燒與排放數(shù)據(jù)不再變化后,采集缸壓、NOx、CO、HC、CH3OH (甲醇)、CH2O(甲醛)等數(shù)據(jù).每組試驗(yàn)采集3組數(shù)據(jù)取平均值.

為分析高海拔下甲醇/雙燃料對燃燒性能起到了怎樣的作用,進(jìn)行了一組同機(jī)型在 101 kPa 大氣壓力下的相同工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.

2 高原與平原DMDF發(fā)動機(jī)燃燒壓力與排放特性對比

2.1 高原與平原缸內(nèi)燃燒壓力對比

大氣環(huán)境壓力下降是高海拔下影響發(fā)動機(jī)燃燒性能惡化的主要因素.國內(nèi)外文獻(xiàn)對不同海拔下柴油機(jī)燃燒性能與排放性能研究已經(jīng)做了大量工作,而有關(guān)高海拔下甲醇/柴油DMDF發(fā)動機(jī)性能變化的相關(guān)報(bào)道較少.為研究高海拔下DMDF發(fā)動機(jī)性能惡化程度,進(jìn)行了相同機(jī)型在平原條件下的試驗(yàn).

圖2 80 kPa與101 kPa缸內(nèi)燃燒壓力對比Fig.2 Comparison diagram of in-cylinder combustion pressure between 80 kPa and 101 kPa

圖2為試驗(yàn)工況點(diǎn)在 2 000 m-80 kPa 與 0 m-101 kPa 大氣環(huán)境壓力下,固定預(yù)噴正時(shí)15°CA,油量 2 mg 時(shí)缸內(nèi)燃燒壓力對比.總體上看,雖然DMDF發(fā)動機(jī)高海拔缸內(nèi)燃燒壓力隨甲醇替代率變化趨勢與平原基本一致,但存在兩點(diǎn)不同:(1)隨著海拔提升,大氣壓力的下降會引起滯燃期的延長,滯燃期時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力明顯低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力;(2)由于高海拔地區(qū)進(jìn)氣密度低于平原地區(qū),進(jìn)氣氧含量減少,而進(jìn)氣甲醇噴射降低了進(jìn)氣溫度,提高了進(jìn)氣量.隨著甲醇替代率提高,缸內(nèi)燃燒壓力在緩燃期可以恢復(fù)到接近平原水平,改善了高海拔下的燃燒惡化[27].甲醇作為含氧燃料在燃燒中一定程度上彌補(bǔ)了高海拔的氧氣損失.

甲醇燃料的加入,同樣會導(dǎo)致燃燒推遲.海拔與甲醇噴射的共同作用,使滯燃期充分延長,促進(jìn)了醇?xì)饣旌蠚馀c柴油的充分混合,進(jìn)一步提高了預(yù)混燃燒比例.但過長的滯燃期也可能會導(dǎo)致燃燒過于激烈,缸壓超過缸體強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限[31].因此高海拔DMDF發(fā)動機(jī)可以通過預(yù)噴策略控制滯燃期以期達(dá)到最優(yōu)燃燒性能.甲醇與海拔共同作用改變了滯燃期和缸內(nèi)燃燒壓力,改變預(yù)噴參數(shù)可以調(diào)節(jié)滯燃期與燃燒壓力.通過優(yōu)化預(yù)噴策略,可以在一定程度上改善DMDF發(fā)動機(jī)高原著火點(diǎn)推遲和燃燒壓力的降低.

2.2 高原與平原RCCI排放特性對比

由圖3可以看出,2 000 m 海拔下的NOx、CO、HC、CH3OH、CH2O排放趨勢與平原趨勢基本一致.高海拔NOx排放略低于平原,這是由于進(jìn)氣壓力減小導(dǎo)致進(jìn)氣含氧量減少,破壞了NOx生成的高溫富氧環(huán)境[25].2 000 m 中高負(fù)荷下CO排放高于平原,且隨著甲醇替代率的增加而增加.這是因?yàn)橹懈哓?fù)荷下大量甲醇不完全氧化生成CO,且高海拔下的低含氧量促進(jìn)了不完全氧化[25].DMDF發(fā)動機(jī)大部分HC生成條件與CH3OH、CH2O基本一致,均來源于燃料的不充分燃燒,因此變化趨勢相同,高原情況下CH3OH和CH2O排放略高于平原情況.這是由于高海拔導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低影響了燃料的霧化,甲醇燃燒不充分造成CH3OH和CH2O增加.

3 預(yù)噴策略對燃燒特性的影響

3.1 預(yù)噴油量對燃燒特性的影響

3.1.1 預(yù)噴油量對滯燃期的影響

圖4為70%負(fù)荷不同甲醇替代率下,柴油預(yù)噴油量對滯燃期的影響.滯燃期隨甲醇替代率的增大而延長,隨預(yù)噴油量的增大而縮短.滯燃期是表征燃料低溫氧化速率的關(guān)鍵參數(shù),滯燃期長短直接決定了燃料燃燒特征.甲醇與柴油的化學(xué)耦合作用抑制了燃料著火.甲醇氧化消耗了OH·自由基,抑制了柴油的低溫氧化,在低溫氧化過程中起消極作用,延長了滯燃期.甲醇的低溫氧化抑制了柴油主要成分燃燒,延長了滯燃期[32].預(yù)噴油量增大,預(yù)噴階段燃燒燃料增多,加速了主噴柴油的霧化與擴(kuò)散,縮短了物理滯燃期.預(yù)噴燃燒的升溫效果同時(shí)促進(jìn)了化學(xué)滯燃期的縮短,柴油液滴還未完全與甲醇、空氣混合形成預(yù)混燃燒便已著火.

相比于平原條件近似直線的滯燃期規(guī)律[28],在高海拔70%負(fù)荷下滯燃期隨預(yù)噴油量增大下降更快,呈現(xiàn)出二次曲線形式,隨著甲醇替代率增加,滯燃期縮短更為明顯.這是由于甲醇自身攜帶的部分氧在一定程度上抵消了高海拔帶來的含氧量下降,縮短了滯燃期.高海拔下的長滯燃期受預(yù)噴影響更明顯.

3.1.2 預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響

圖5 (a)～圖5(d)分別為70%負(fù)荷M0、M10、M15、M20替代率,1～4 mg 預(yù)噴油量下的缸內(nèi)燃燒壓力變化規(guī)律.隨著預(yù)噴油量的增加,預(yù)噴燃燒峰值壓力增大.隨著甲醇替代率的增加,缸內(nèi)燃燒壓力逐漸增大,預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響更為明顯.在相同預(yù)噴油量情況下,預(yù)噴油量為 4 mg、M20替代率時(shí)缸內(nèi)燃燒壓力為 11.617 MPa,較純柴油燃燒模式提高了5.41%.預(yù)噴油量增多,柴油多點(diǎn)著火引燃混合氣,預(yù)噴階段起火燃燒的甲醇增多.甲醇迅速燃燒,釋放大量熱量,促使更多燃料著火,缸內(nèi)壓力迅速升高.預(yù)噴油量過小,燃燒不足以引燃足量甲醇形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),主噴柴油沒有獲得較好的著火環(huán)境,燃燒惡化,燃料燃燒不完全,燃燒壓力較低.控制合適的預(yù)噴油量能改善主噴柴油與甲醇燃燒前的著火環(huán)境.

(a) M0不同預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響 (b) M10不同預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響

(c) M15不同預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響 (d) M20不同預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響圖5 不同預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒壓力的影響Fig.5 Effect of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

分析圖5可知,在高替代率情況下,預(yù)噴油量對缸內(nèi)燃燒的影響較大,預(yù)噴油量從 1 mg 提高到 4 mg,缸內(nèi)壓力大幅提高.當(dāng)預(yù)噴油量為 4 mg 時(shí),預(yù)噴階段大量甲醇被柴油引燃,在主噴未噴射前,甲醇持續(xù)燃燒致使缸壓上升,預(yù)噴與主噴燃燒峰值由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變.

圖6為不同預(yù)噴油量下的最大缸壓對比.純柴油模式下,預(yù)噴油量從 1 mg 提高到 4 mg 時(shí),預(yù)噴燃燒峰值壓力提升6.92%,主噴燃燒峰值壓力提高1.56%.隨著預(yù)噴油量增加,M10、M15、M20替代率下最大燃燒峰值壓力分別提高3.4%、4.27%、5.95%.平原低負(fù)荷(30%)情況下[24],峰值壓力與預(yù)噴油量變化呈線性關(guān)系.而在 2 000 m-70%負(fù)荷條件下,在預(yù)噴油量相同時(shí),甲醇替代率越大,缸內(nèi)燃燒峰值壓力上升越快.隨著預(yù)噴油量增大,缸內(nèi)壓力上升趨勢變陡.增大預(yù)噴油量在一定程度上抵消了高海拔引起的滯燃期延長,在較大預(yù)噴油量時(shí),滯燃期縮短,缸內(nèi)燃料氧化加速劇烈燃燒,使缸內(nèi)壓力迅速升高,形成了圖6所示趨勢.

3.2 預(yù)噴正時(shí)對燃燒特性的影響

3.2.1 預(yù)噴正時(shí)對滯燃期的影響

圖7為預(yù)噴正時(shí)對滯燃期的影響.由圖可知,滯燃期隨甲醇替代率增大而延長,隨預(yù)噴正時(shí)的增加先減小后增大,在12～15°CA附近最短.預(yù)噴過晚(9～12°CA),預(yù)噴燃料燃燒不完全便已進(jìn)入主噴階段,預(yù)熱效果差,低溫氧化階段延長,著火點(diǎn)推遲.在15°CA左右的預(yù)噴柴油燃燒引燃油束附近甲醇,對主噴燃燒起到了良好的預(yù)熱效果,主噴滯燃期縮短.隨著預(yù)噴正時(shí)增大,預(yù)噴距主噴過遠(yuǎn),對主噴燃燒影響效果就越小,柴油、甲醇有足夠時(shí)間充分混合[24],甲醇抑制柴油著火,滯燃期延長.

由圖7可知,改變預(yù)噴正時(shí)滯燃期變化趨勢與平原條件下[28]基本一致,但 2 000 m-70%負(fù)荷的滯燃期變化范圍大于平原低負(fù)荷.中高負(fù)荷下DMDF發(fā)動機(jī)滯燃期呈現(xiàn)出“V”形趨勢.

由圖4和圖7可知,甲醇的加入改變了滯燃期與預(yù)噴油量、正時(shí)的關(guān)系.協(xié)調(diào)控制預(yù)噴油量、正時(shí)和甲醇替代率,可以使滯燃期處于合理范圍之內(nèi),改善DMDF發(fā)動機(jī)高原環(huán)境下滯燃期延長與燃燒惡化.

3.2.2 預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響

圖8 (a)～圖8(d)分別為M0、M10、M15、M20替代率下,預(yù)噴正時(shí)為9～24°CA時(shí)的缸壓變化規(guī)律.隨著甲醇替代率增加,M10、M15、M20替代率下燃燒峰值壓力較M0時(shí)提高1.18%、1.85%、3.68%.

隨預(yù)噴提前角增大,預(yù)噴燃燒峰值壓力升高.預(yù)噴正時(shí)從9°CA提前到24°CA時(shí),各替代率下預(yù)噴燃燒缸壓峰值分別提高1.5%、1.73%、1.96%和2.97%.提前預(yù)噴,延長了預(yù)噴燃燒持續(xù)時(shí)間,預(yù)噴柴油燃燒持續(xù)引燃部分甲醇,預(yù)噴燃燒峰值壓力升高.

(a) M0不同預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響 (b) M10不同預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響

(c) M15不同預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響 (d) M20不同預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響圖8 不同預(yù)噴正時(shí)對缸內(nèi)燃燒壓力的影響Fig.8 Effect of different pilot injection timing on in-cylinder combustion pressure at different MSR

甲醇的汽化潛熱是柴油的4.2倍,甲醇強(qiáng)吸熱作用造成預(yù)噴滯燃期延長,高海拔下預(yù)噴柴油需要更長時(shí)間混合與低溫氧化,預(yù)噴階段燃燒不充分致使甲醇在主噴階段集中燃燒,高速放熱導(dǎo)致燃燒壓力升高.

圖9 M0-M20不同預(yù)噴油量下缸內(nèi)燃燒峰值壓力對比Fig.9 Comparison diagram of different pilot quantity on in-cylinder combustion pressure at different MSR

由圖8～圖9可知,燃燒峰值壓力隨甲醇替代率的增大而增大,隨預(yù)噴正時(shí)呈現(xiàn)“ω形”關(guān)系.預(yù)噴正時(shí)從9°CA到12°CA,燃燒峰值壓力先減小.預(yù)噴正時(shí)為9°CA時(shí)預(yù)噴脈寬接近主噴脈寬,預(yù)噴結(jié)束后立即開始主噴,燃料還未完全著火便開始第二次噴油混合.其燃燒效果趨近于單次噴射,主噴燃燒峰值壓力較高.預(yù)噴正時(shí)從12°CA到21°CA,燃燒峰值壓力呈現(xiàn)先增大后減小趨勢.預(yù)噴正時(shí)為15～18°CA時(shí)預(yù)噴起到良好預(yù)熱效果,缸內(nèi)溫度有利于柴油著火,柴油油束在高溫缺氧條件下集中燃燒,火焰鋒面引燃大量甲醇[14],燃燒壓力峰值較大.

2 000 m-70%負(fù)荷的缸內(nèi)峰值壓力在12～18°CA的趨勢與平原低負(fù)荷工況[24]基本一致,在18°以上時(shí),預(yù)噴距離主噴正時(shí)較遠(yuǎn),預(yù)噴預(yù)熱效果變差,燃料不完全燃燒導(dǎo)致峰值壓力降低.繼續(xù)提前預(yù)噴至24°CA以上,此時(shí)預(yù)噴柴油與甲醇、空氣已經(jīng)基本混合,著火后形成預(yù)混燃燒,預(yù)噴燃燒壓力整體上升,主噴燃燒峰值壓力提高.通過協(xié)調(diào)控制預(yù)噴正時(shí)與甲醇替代率,避免燃料不完全燃燒和燃燒惡化.

4 預(yù)噴策略對排放特性的影響

4.1 預(yù)噴油量對排放特性的影響

4.1.1 預(yù)噴油量對常規(guī)排放的影響

圖10(a)為中高負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴油量對NOx排放的影響.隨著甲醇替代率的增加,NOx排放顯著降低;隨著預(yù)噴油量的增加,各替代率下NOx均有不同程度的升高.

NOx隨預(yù)噴油量與替代率變化的趨勢與平原低負(fù)荷工況[24]基本一致.高海拔下缸內(nèi)混合氣濃度增大,缸內(nèi)燃燒溫度增加,缸溫成為影響NOx生成的主要因素.純柴油模式下,提高預(yù)噴油量使得缸內(nèi)溫度迅速升高,主噴柴油高溫?cái)U(kuò)散燃燒,促進(jìn)NOx的生成.RCCI模式下,甲醇汽化導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低,使燃燒避開了高溫區(qū)域,抑制NOx生成.甲醇燃燒速率高于柴油,有利于縮短燃燒持續(xù)期,減少NOx生成時(shí)間.提高預(yù)噴油量,柴油燃燒放熱的熱量使缸內(nèi)溫度迅速升高,達(dá)到甲醇著火條件,大量甲醇燃燒使缸內(nèi)溫度急劇升高,高溫富氧燃燒促進(jìn)NOx生成.

圖10(b)為中高負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴油量對CO排放的影響.2 000 m 海拔下CO隨預(yù)噴油量變化的趨勢與平原低負(fù)荷[24]變化趨勢一致.純柴油模式基本不排放CO.RCCI模式下,CO隨甲醇替代率的增加而增大.甲醇不完全燃燒產(chǎn)生大量燃燒中間產(chǎn)物CO,CO氧化為CO2需要高濃度氧、高溫、長反應(yīng)時(shí)間,而甲醇燃燒速率快,燃燒持續(xù)期短,CO沒有足夠時(shí)間轉(zhuǎn)化為CO2.隨預(yù)噴油量增加,CO排放呈現(xiàn)減少趨勢.預(yù)噴油量增加改善了主噴燃燒前的缸內(nèi)熱力環(huán)境,甲醇在預(yù)噴階段便開始燃燒,燃燒持續(xù)期延長,減少了CO的生成.高溫促進(jìn)部分CO氧化為CO2.

圖10(c)為中高負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴油量對HC排放的影響.2 000 m 海拔下HC隨預(yù)噴油量變化趨勢與低負(fù)荷[24]略有差別.中高負(fù)荷下甲醇燃燒較為完全,HC排放相較于低負(fù)荷有所減少,整體表現(xiàn)為預(yù)噴油量增加,HC減少.最小預(yù)噴油量與最大預(yù)噴油量的HC排放差異較小.甲醇的摻燒對燃燒具有抑制作用,形成未燃燒的HC排放,HC隨替代率增大而增多.預(yù)噴油量增大,提高了主噴燃燒之前的缸內(nèi)溫度,減少了過度稀燃、甲醇冷壁淬熄[28],促使燃燒更為充分,HC生成減小.在中高負(fù)荷下,預(yù)噴油量對HC排放影響較小,在低負(fù)荷[24]下影響較大.

(a) 不同替代率下預(yù)噴油量對 (b) 不同替代率下預(yù)噴油量對 (c) 不同替代率下預(yù)噴油量 NOx排放的影響 CO排放的影響 對HC排放的影響圖10 不同替代率下預(yù)噴油量對常規(guī)排放物的影響Fig.10 Effect of different pilot quantity on NOx,CO and HC emissions at different MSR

4.1.2 預(yù)噴油量對非常規(guī)排放的影響

燃料不完全燃燒導(dǎo)致未燃甲醇(CH3OH)排放.圖11(a)為中高負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴油量對CH3OH排放的影響.在平原低負(fù)荷條件下[24],隨著預(yù)噴油量的增大,CH3OH排放在不同替代率下表現(xiàn)出不同趨勢.預(yù)噴油量增大促進(jìn)了主噴燃燒之前的缸溫上升,低負(fù)荷下過大的預(yù)噴油量會引起滯燃期過短導(dǎo)致混合氣不完全燃燒.低負(fù)荷M10-M30條件下,隨預(yù)噴油量增加CH3OH排放呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢.

而在中高負(fù)荷條件下,缸內(nèi)溫度較高,大預(yù)噴油量預(yù)熱影響減小.柴油火核更易引燃醇?xì)饣旌蠚?預(yù)噴階段參與燃燒的甲醇比例增大,缸內(nèi)溫度提高,高溫促進(jìn)了可燃混合氣的化學(xué)活性,缸內(nèi)燃料的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對燃燒控制作用明顯增強(qiáng),燃燒速率加快,甲醇充分燃燒[31],使得甲醇排放量隨預(yù)噴油量的增加而減少.

甲醇的不完全燃燒生成甲醛(CH2O).圖11(b)為中高負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴油量對CH2O排放的影響.2 000 m 中高負(fù)荷下甲醛排放隨預(yù)噴油量變化趨勢與平原低負(fù)荷[24]基本一致.純柴油模式下基本不產(chǎn)生甲醛排放,隨著甲醇噴射量增多,甲醛排放明顯增加.預(yù)噴油量的增加有利于甲醛的減少.甲醛來源于甲醇的不完全氧化,主噴燃燒前溫度提高使更多甲醇達(dá)到了著火條件,甲醇早期氧化生成了部分甲醛.甲醇持續(xù)燃燒造成的高溫環(huán)境有利于甲醛進(jìn)一步氧化,致使甲醛排放減少.

(a) 不同替代率下預(yù)噴油量對CH3OH排放的影響 (b) 不同替代率下預(yù)噴油量對CH2O排放的影響圖11 不同替代率下預(yù)噴油量對非常規(guī)排放物的影響Fig.11 Effect of different pilot quantity on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

4.2 預(yù)噴正時(shí)對排放特性的影響

4.2.1 預(yù)噴正時(shí)對常規(guī)排放的影響

圖12(a)為70%負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴正時(shí)對NOx排放的影響.2 000 m 中高負(fù)荷下甲醛排放隨預(yù)噴油量變化趨勢與平原低負(fù)荷[24]基本一致.NOx主要在高溫富氧條件下生成,缸內(nèi)高溫燃燒持續(xù)時(shí)間影響NO生成.預(yù)噴正時(shí)提前導(dǎo)致缸內(nèi)高溫時(shí)間延長,促進(jìn)了NOx生成.甲醇的加入使NOx大幅降低,甲醇高汽化潛熱降低了缸內(nèi)溫度,冷卻效應(yīng)使缸內(nèi)燃燒溫度降低.預(yù)噴柴油引燃甲醇,甲醇迅速燃燒,減少了高溫燃燒持續(xù)期.預(yù)噴正時(shí)為9°CA時(shí),各替代率下NOx較原機(jī)正時(shí)15°CA時(shí)降低3.8%、6.39%、5.01%.

圖12(b)為70%負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴正時(shí)對CO排放的影響.在平原低負(fù)荷下[24],預(yù)噴正時(shí)對CO排放影響較小.而在中高負(fù)荷下,CO排放隨預(yù)噴正時(shí)提前呈現(xiàn)波浪形規(guī)律.改變預(yù)噴正時(shí),缸內(nèi)燃燒效果受到影響.甲醇在預(yù)噴階段或主噴階段燃燒都會生成CO,過晚預(yù)噴正時(shí)下燃料集中高溫燃燒,燃燒持續(xù)期長,促使CO部分轉(zhuǎn)化為CO2, CO排放減少.隨預(yù)噴正時(shí)增大到12°CA,預(yù)噴預(yù)熱變差,燃料不完全燃燒促使CO增加.當(dāng)預(yù)噴正時(shí)處于15～18°CA時(shí),燃料充分燃燒降低了CO排放.進(jìn)一步增大預(yù)噴正時(shí),預(yù)熱效果變差,部分甲醇不完全燃燒導(dǎo)致CO排放增加.

RCCI燃燒HC排放高于純柴油燃燒,隨著甲醇替代率增加,HC排放增加.圖12(c)為70%負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴正時(shí)對HC排放的影響.2 000 m-70%負(fù)荷HC排放變化趨勢與平原低負(fù)荷工況[24]變化趨勢有所不同.低負(fù)荷高替代率下增大預(yù)噴正時(shí),HC降低.HC排放主要來源于燃料低溫與高溫氧化過程中未完全燃燒或燃燒結(jié)束后還未參與反應(yīng)的燃料.

(a) 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對 (b) 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對 (c) 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對 NOx排放的影響 CO排放的影響 HC排放的影響圖12 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對常規(guī)排放物的影響Fig.12 Effect of pilot injection timing on NOx,CO and HC emissions at different MSR

在 2 000 m-70%下,缸內(nèi)高溫促進(jìn)了HC的氧化,柴油噴霧在燃燒室內(nèi)滯留時(shí)間短,柴油擴(kuò)散燃燒不會形成較多HC排放.HC主要生成于壁面附近及距離油束較遠(yuǎn)區(qū)域[31].甲醇汽化吸熱造成缸溫降低,壁面與狹縫處混合氣難以著火,未燃燃料增多,HC排放增加.預(yù)噴正時(shí)過早或過晚,HC排放均有所上升.預(yù)噴提前角較大時(shí),壁面與狹縫處混合氣濃度增大,火焰在該區(qū)域淬熄[28],HC排放增加.預(yù)噴過晚預(yù)熱效果較差,生成大量HC.

4.2.2 預(yù)噴正時(shí)對非常規(guī)排放的影響

圖13 (a)為70%負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴正時(shí)對CH3OH排放的影響.在低負(fù)荷情況[24]下,不同替代率的CH3OH排放趨勢隨預(yù)噴正時(shí)變化不同.主要是由于滯燃期縮短,且缸溫較低,導(dǎo)致部分未燃甲醇直接排放.在中高負(fù)荷下,缸內(nèi)溫度升高,未燃CH3OH減少.高海拔造成的燃油霧化效果變差使得未燃排放物受預(yù)噴影響程度增大.CH3OH排放隨預(yù)噴正時(shí)增加呈現(xiàn)二次函數(shù)趨勢,過早或過晚預(yù)噴均會造成預(yù)熱效果變差,CH3OH排放增加.

隨著甲醇替代率的增大,醇?xì)饣旌蠚庵屑状紳舛仍黾?甲醇在進(jìn)氣過程便已進(jìn)入氣缸,距油束過遠(yuǎn)燃燒區(qū)域與狹縫處未燃甲醇增多,未燃甲醇排放增加[31].

圖13 (b)為70%負(fù)荷下不同替代率的預(yù)噴正時(shí)對CH2O排放的影響.甲醛排放規(guī)律與甲醇基本一致,70%負(fù)荷下排放規(guī)律與平原低負(fù)荷[24]不同.CH2O為HC燃料未完全燃燒的中間產(chǎn)物,甲醇與OH活性基團(tuán)脫氫反應(yīng)并氧化后生成CH2O.CH2O排放主要由兩部分組成.第一部分為缸內(nèi)燃燒過程中甲醇燃料的不完全氧化,較低的壁面溫度和狹窄部分導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ミ^程中發(fā)生淬熄[28].淬熄部分甲醇無法燃燒而發(fā)生低溫氧化,生成大量甲醛.剩余部分由廢氣中的甲醇于排氣管中發(fā)生氧化.預(yù)噴過早或過晚都會導(dǎo)致CH2O排放增多.

(a) 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對CH3OH排放的影響 (b) 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對CH2O排放的影響 圖13 不同替代率下預(yù)噴正時(shí)對非常規(guī)排放物的影響Fig.13 Effect of pilot injection timing on CH3OH and CH2O emissions at different MSR

5 結(jié) 論

1) 在海拔 2 000 m、轉(zhuǎn)速 1 800 r/min、70%負(fù)荷下,滯燃期、最大峰值壓力、NOx和CO隨預(yù)噴參數(shù)變化趨勢雖然與平原低負(fù)荷工況一致,但在高海拔、高負(fù)荷條件下變化幅度更大,受預(yù)噴油量影響更明顯.HC和CH3OH排放受負(fù)荷和缸溫影響,排放趨勢與平原低負(fù)荷不同,HC排放量因在高負(fù)荷條件下甲醇燃燒充分而不太受預(yù)噴油量的影響;CH3OH排放量在高負(fù)荷條件下,因缸內(nèi)溫度較高,隨預(yù)噴油量的增加而減少.

2) 在 1 800 r/min、高負(fù)荷下,DMDF發(fā)動機(jī)滯燃期與預(yù)噴正時(shí)呈“ω”形關(guān)系,過早預(yù)噴和過晚預(yù)噴都會造成滯燃期延長.預(yù)噴正時(shí)對NOx排放有明顯影響,在相同甲醇替代率時(shí),隨預(yù)噴正時(shí)增大,NOx排放分別增加了4.77%、4.56%、6.89%、7.05%.過早預(yù)噴,壁面與狹縫處混合氣濃度增大導(dǎo)致HC增大.過晚預(yù)噴燃料預(yù)混程度差,燃料集中燃燒導(dǎo)致NOx增大,不完全燃燒致使HC、CO、CH3OH、CH2O增加.合理預(yù)噴正時(shí)可以降低NOx、HC排放.甲醇的加入大幅延長了滯燃期,提高了預(yù)噴正時(shí)的可控范圍.

3) 預(yù)噴油量對滯燃期的影響大于預(yù)噴正時(shí).在相同甲醇替代率時(shí),隨預(yù)噴正時(shí)增大,滯燃期分別縮短了55.84%、43.46%、35.58%、23.21%,NOx排放分別增加了4.76%、5.11%、6.74%、12.51%.預(yù)噴油量增大,甲醇混合氣在主噴之前被大量引燃,預(yù)混燃燒比例減少,燃料高溫燃燒生成大量NOx,CO、HC、CH3OH、CH2O等略微降低.過小的預(yù)噴油量對主噴起不到預(yù)熱效果,造成燃燒惡化.通過控制預(yù)噴油量可以使滯燃期處于合理范圍之內(nèi),促進(jìn)主噴柴油與醇?xì)饣旌蠚獬浞只旌?提高缸內(nèi)燃燒壓力,同時(shí)減少NOx和HC排放.

4) 預(yù)噴策略改善了 2 000 m 海拔下主噴柴油與甲醇燃燒前的著火環(huán)境,減少了NOx、CO、CH3OH和CH2O排放.通過預(yù)噴策略與甲醇替代率的協(xié)調(diào)控制可以減少高海拔下的滯燃期延長,降低燃燒壓力,進(jìn)而改善DMDF發(fā)動機(jī)的高原性能,達(dá)到減排的效果.