甲醇_柴油双燃料发动机工作区域的试验研究

dual-fuel

第29卷第5期2008年10月

内 燃 机 工 程

ChineseInternalCombustionEngineEngineeringVol.29No.5

Oct.2008

文章编号:1000-0925(2008)05-007-04

290076

甲醇/柴油双燃料发动机工作区域的试验研究

宋睿智,王利军,张志进,刘圣华

(西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049)

ExperimentalStudyonOperatingRegionofaMethanol/DieselDualFuelEngine

SONGRui2zhi,WANGLi2jun,ZHANGZhi2jin,LIUSheng2hua

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi.anJiaotongUniversity,Xi.an710049,China)

Abstract:ATY1100dieselenginewasretrofittedwithanelectronic2controlledmethanolinjectionsys2

tem,sothatitcouldbefuelledwithmethanolanddieseloil,i.e,themethanol2airmixturewasignitedbypi2loteddieseloil.Theoperatingcharacteristicsofmethanol/dieseldualfuelwerestudiedexperimentally.The

testresultsshowthatthereisanoperatingregionlimitedbymisfire,knockingandsootemission.Inthemid2to2highspeedandloadregion,thedualfuelenginehasbetterfueleconomy.Withtheincreaseofpilotdieseloil,theregionofbetterfueleconomymovestohigherenginespeed.NOxandsootemissionscanbedecreasedsimultaneouslywiththeincreaseofthemassfractionofmethanol.

摘要:在TY1100单缸柴油机的进气管上安装了电控甲醇喷射装置,采用柴油引燃甲醇双燃料工作模式,开展了甲醇/柴油双燃料发动机工作区域的试验研究。结果表明:双燃料发动机存在由熄火界限、工作粗暴界限和碳烟排放界限三者组成的工作区域。在此区域内,甲醇/柴油双燃料发动机的万有特性曲线中最经济区域位于发动机中高转速和中高负荷区,且随着引燃柴油量的增加向发动机高转速区域移动。随着甲醇质量分数的增加,发动机NOx和碳烟排放可以同步降低。

关键词:内燃机;柴油;甲醇;工作区域;双燃料发动机

Keywords:ICengine;diesel;methanol;operatingregion;dualfuelengine

中图分类号:TK464

文献标识码:A

0 概述

能源短缺和环境污染是当前内燃机面临的两大挑战,寻找合适的代用燃料以及降低内燃机排放污染物成为当前研究的热点。甲醇是含氧燃料,汽化潜热大,且来源广泛,可充分利用天然气和煤制取,甲醇应用于内燃机不但可以缓解能源紧张,还可降低燃油价格。有关研究表明,柴油机掺烧一定比例的甲醇,不仅可以同时降低NOx和碳烟排放,其经济性和动力性也有所改善。目前在柴油机上燃用甲醇主要有3种方式:甲醇与柴油混合;甲醇与柴油

收稿日期:2007212203

基金项目:国家重大基础研究规划项目(2006AA11A1A4)

[1]

缸内双喷射;甲醇进气管低压喷射、柴油缸内引燃双燃料燃烧方式。由于甲醇的物性与柴油的相差较大,两者互溶难度大,需要较多的助溶剂,这会使燃

料价格提高;若采用双喷射系统,需在一个缸盖上安装两套喷油器,控制、制造难度大,费用高;因此采用第三种方法可以避免上述缺陷,且根据工况变化可在线改变甲醇的掺烧比例,同时发动机可以方便地进行双燃料与纯柴油工作方式的切换。但这方面研究还仅限于不同掺烧率下或不同引燃油量下一些性能参数的对比分析,尚未对甲醇/柴油双燃料发动机的工作区域进行研究。将甲醇/柴油双燃料发

[2~4]

作者简介:宋睿智(1982-),男,博士生,主要研究方向为内燃机清洁代用燃料,E2mail:ruizhisong@http://www.77cn.com.cn。

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内 燃 机 工 程2008年第5期

动机工作区域的研究结果应用于发动机运行工况的控制中,对于提高双燃料发动机性能具有一定的指导意义,特别是将甲醇/柴油双燃料发动机的电控单元(ECU)与双燃料发动机最佳工况匹配,保证发动机稳定可靠运行,将使甲醇/柴油双燃料发动机在工程上具有一定的应用前景。为此,本文采用甲醇进气管低压喷射、柴油缸内引燃双燃料燃烧方式,在TY1100柴油机上进行了双燃料发动机工作区域的试验研究,并对工作区域内发动机的经济性和排放进行了分析。1 试验条件和方法

试验用发动机为TY1100型柴油机,主要性能和结构参数如下:缸径100mm,行程115mm,燃烧室型式X型,压缩比18,标定功率11kW(2300r/min),排量0.903L。为了实现甲醇进气管低压喷射,需在原机的进气管靠近缸盖处加装一套电控甲醇喷射装置,此装置可以根据发动机的转速和负荷将一定量的甲醇喷入进气管中,随进气进入气缸形成均匀混合气。引燃燃料柴油由原供油系统供给,供油提前角为21bCA,在上止点前喷入缸内,引燃甲醇空气均匀混合气。试验燃料为0柴油和1级工业甲醇。发动机试验台架布置如图1所示。采用柴油引燃均质可燃预混合气的双燃料燃烧模式,引燃柴油量一般很小,为保证引燃柴油雾化良好和喷油器正常冷却,循环引燃柴油量控制在不小于发动机标定功率下循环喷油量的10%。甲醇质量分数定义如下:

UM=

M

@100%

bM+bD

(1)

#

2 试验结果分析

2.1 双燃料发动机工作区域

发动机采用柴油引燃甲醇双燃料燃烧模式,为了获取较高的甲醇替代率,引燃柴油量往往较小。试验发现:如果引燃柴油量过小,会影响到发动机的动力性及运转的平稳性;若引燃柴油量过大,在高甲醇掺烧比时,又会造成发动机工作粗暴和碳烟排放较高[5]。图2为甲醇/柴油双燃料发动机的工作区域,该区域介于发动机熄火界限、爆震界限和碳烟排放界限三者之间,在该工作区域内,双燃料发动机可以获得较好的动力性、经济性和排放特性。

图2 双燃料发动机的工作区域

熄火界限:发动机在低负荷时,若引入的甲醇量较多,则甲醇蒸发导致缸内混合气温度较低,柴油雾化质量不好,且随着甲醇喷入量的增加,滞燃期延长,燃烧推迟,较小的引燃柴油量不足以使甲醇2空气可燃混合气稳定着火燃烧,发动机运转不稳,动力性变差,HC排放急剧增加,甚至出现发动机熄火的现象,此时,必须要有足够比例的柴油才能维持发动机正常运行,且随着负荷的增加,引燃柴油比例可以逐渐减小。通过监测发动机缸内压力,把出现明显未着火缸压时对应的最大甲醇质量分数的连线定义为熄火界限。

工作粗暴界限:在中高负荷时,随着甲醇引入量的增加,发动机负荷增加,甲醇2空气可燃混合气一旦着火,就会以较快的燃烧速度传播,放热集中,发动机工作粗暴,爆震倾向加剧。因此,将最大压力升高率不超过1MPa/bCA时对应的最大甲醇质量分数的连线定义为工作粗暴界限。

碳烟排放界限:若引燃柴油量过大,缸内温度升

式中,bM、bD分别为甲醇、柴油的消耗率,g/(kW#h);mp、n、pme、Bq分别为每循环引燃柴油量、发动机转速、

平均有效压力和等效柴油的燃油消耗量。

高,引燃柴油所包围的区域可能出现局部缺氧,而此

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时甲醇量相对较少,不足以改善燃烧过程中碳烟的生成,从而导致碳烟排放增加。因此,在保证双燃料发动机动力性不低于原柴油机的情况下,碳烟不高于相同工况下柴油机碳烟排放时对应的最大甲醇质量分数形成的线定义为碳烟排放界限。2.2 双燃料发动机的动力性和经济性分析采用柴油引燃甲醇双燃料燃烧模式,发动机的动力性能否达到原柴油机的动力性是一个重要的评价指标。图3给出了发动机燃用甲醇/柴油双燃料时以最小引燃柴油量所能达到的最大功率与原柴油机的外特性对比。由图3可知:选择合适的引燃柴油量 …… 此处隐藏：5360字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……