汽油机掺烧甲醇裂解气试验研究

谢满， 蒋炎坤

(华中科技大学能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430074)



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汽油机掺烧甲醇裂解气试验研究

谢满， 蒋炎坤

(华中科技大学能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430074)

在1台电喷汽油机上进行了掺烧甲醇裂解气试验研究，设计了甲醇裂解系统，利用发动机高温排气裂解甲醇，并将裂解气送入气缸燃烧，研究了掺烧甲醇裂解气对发动机经济性和动力性的影响。试验结果表明：在管式裂解器中，甲醇裂解的主要产物是H2和CO，体积分数分别为60.7%～64.8%,19.1%～23.1%；汽油掺烧甲醇裂解气会导致发动机输出扭矩降低，发动机当量燃料消耗率下降，热效率增加，甲醇替代比为20%时，不同负荷下当量燃料消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%，有效热效率由原机32.47%提高到35.57%；原机和掺烧裂解气发动机的有效热效率均随过量空气系数的增加而增加，相同过量空气系数条件下，掺烧裂解气发动机热效率比原机高。

甲醇裂解气； 混合燃料； 燃料经济性

能源紧缺和环境污染是人类面临的两大难题，人们迫切需要寻找代用燃料代替传统燃油，其中低污染的醇类和氢气备受关注。甲醇密度与汽油相近，辛烷值较高，可提高压缩比改善经济性；而且甲醇含氧量较高，在缸内燃烧充分，有利于改善发动机排放[1]。但甲醇汽化潜热大，发动机冷起动困难，同时甲醇发动机的甲醛和乙醛等非常规排放物高于汽油机[2-4]。1971年，Pefley[5]首先提出甲醇裂解气(DM)发动机的概念，此后国内外学者基于化油器式汽油机对DM发动机进行大量研究[6-9]，近年来相关研究发展到基于电喷汽油机改造的DM发动机[10-14]。

在汽油发动机上部分掺烧甲醇裂解气可使发动机具有DM发动机的优点，同时避免DM发动机存在的部分问题。汽油掺烧甲醇裂解气是将甲醇裂解器串联在发动机排气管道上，发动机高温排气流经甲醇裂解器对其加热，液体甲醇喷入裂解器中，受热蒸发并在催化剂表面发生裂解反应，生成H2和CO，生成的裂解气与汽油一起进入气缸，实现汽油掺混裂解气燃烧。甲醇裂解是吸热反应，生成的裂解气其低热值相对于液态甲醇增加了20%，反应需要的能量全部由高温排气提供。因此，通过甲醇裂解器吸收发动机排气余热，将液体甲醇裂解为热值更高的甲醇裂解气送入气缸燃烧，相当于使用化学反应构成了一个排气能量再利用的底部循环，有效提高了燃料综合热效率。同时，甲醇裂解生成的富氢气体能够改善缸内混合气燃烧，提高燃烧热效率并改善排放。为了对汽油掺烧甲醇裂解气发动机进行全面深入的研究，本研究对一台电喷汽油机进行改造，并进行掺烧甲醇裂解气的试验研究，为汽油掺烧甲醇裂解气发动机的研发与应用提供技术支持。

1 甲醇催化裂解及其反应器

1.1 甲醇催化裂解

甲醇裂解反应同时也是工业上甲醇合成的逆反应，这是一个可逆反应，反应进行的程度受到化学反应动力学、反应温度、催化剂等诸多因素影响。甲醇不可能完全裂解，因此实际从裂解器中出来的气体中还含有部分没有裂解的甲醇蒸气。同时，甲醇裂解过程中还可能存在式(1)～式(6)等副反应，导致裂解气中还有CH4，CO2，CH3OCH3等成分。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

这些副反应大多数是放热反应，不利于排气能量再利用，副反应的发生导致生成的H2减少，而如式(6)反应生成的碳可能会导致催化剂结焦。因此，需要抑制副反应的进行。副反应进行程度主要与反应温度、加料空速和催化剂种类有关，通过合理地控制反应温度和加料空速，并选择合适的催化剂可以有效地将副反应控制在较低水平。

本研究选用课题组制备并改进的Cu-Zn催化剂，同时在实验室条件下，对催化剂催化活性和选择性进行研究。在管式反应器中进行甲醇裂解试验，反应温度由温控仪控制，通过流量控制阀调节甲醇供应速度，利用采样管对裂解气进行采样，并通过气相色谱分析仪进行成分分析。

裂解气中的主要成分是H2和CO，另外还有少量的甲醇蒸气、CH4和CO2。一般而言，裂解气中H2和CO的浓度可以直接反映甲醇裂解的效果。图1示出了反应温度为380 ℃时，H2和CO的浓度随甲醇加料空速的变化。由图可知，在加料空速为1.2～2.5 h-1范围内，裂解气中H2体积分数为60.7%～64.8%，CO体积分数为19.1%～23.1%。说明选用的Cu-Zn催化剂具有良好的催化活性和选择性，通过合理控制反应温度和甲醇空速可以将甲醇裂解率保持在较高水平，使裂解气中H2和CO的总量在80%以上。

图1 甲醇裂解产物随空速的变化

1.2 甲醇裂解反应器

甲醇裂解反应器(见图2)主体部分由圆柱体构成，柱体内部按轴向安装24根换热管，催化剂装在壳体和换热管之间，一起构成反应室。高温排气流经裂解器，通过换热管将热量传递给反应室，甲醇喷入到反应室中，受热汽化为甲醇蒸气，并在催化剂表面发生裂解反应生成H2和CO。

反应温度对于甲醇裂解裂反应十分重要。发动机运行过程中，排气温度和流量随运行工况发生改变，导致裂解器反应室温度改变。为将甲醇裂解器温度控制在380 ℃附近，在裂解器反应室中安装了温度传感器，以测量反应温度。在裂解器入口处设计了电控旁通阀，控制参与换热的废气流量。当裂解器温度较低时，旁通阀关闭，高温排气全部流经换热管参与换热，强化废气热量传递；当裂解器温度过高时，旁通阀打开，部分废气从旁通管道直接流出。

低负荷工况下，排气温度较低，达不到裂解器反应温度要求，同时为缩短冷起动时间，裂解器上安装有2个电加热线圈，可对裂解器进行加热。

裂解器温度由温控仪控制，温度低于380 ℃时，裂解器旁通阀关闭，高温排气全部流经换热管道将热量传递给反应室，同时接通加热线圈对其加热，使裂解器温度快速上升；裂解器温度达到380 ℃后，断开电加热线圈，此时只用排气能量加热；当裂解器温度高于420 ℃时，温控仪控制裂解器旁通阀打开，部分高温排气通过旁通管流出，降低换热量以保证裂解器处于合适的反应温度区间。

图2 甲醇裂解器结构示意

2 甲醇裂解气发动机试验装置

发动机台架系统主要包括A16电喷汽油机、电涡流测功机及测控系统、智能油耗仪和回油处理器、发动机冷却恒温系统、发动机机油恒温系统、进排气温度传感器、宽域氧传感器、甲醇裂解系统和稳态数据采集系统。

本研究基于1.6 L进气道多点电控喷射汽油机进行掺烧甲醇裂解气试验研究，发动机参数见表1。

表1 A16发动机参数

甲醇裂解系统主要包括甲醇裂解器、甲醇裂解器温度传感器、裂解器温控模块、甲醇箱、甲醇泵、甲醇喷嘴、醇耗仪、裂解气输送管路以及甲醇喷射控制单元等。

改装之后的掺烧甲醇裂解气发动机系统见图3。冷起动工况下，甲醇裂解器温度不能达到有效裂解反应的要求，发动机采用汽油起动，利用高温排气加热裂解器。当温度传感器测得裂解器温度达到反应温度时，甲醇喷射控制单元控制甲醇喷嘴将液体甲醇喷入裂解器中。发动机运行过程中，裂解器温度由温控仪控制，通过接收温度传感器的温度信号并对旁通阀的开关以及电加热器的通断进行控制，将裂解器的温度控制在380～420 ℃之间。甲醇吸收排气能量汽化为甲醇蒸气，并在催化剂表面发生催化裂解反应生成裂解气；甲醇裂解气经过输气管路送入节气门前，与汽油一起进入气缸燃烧。通过改变甲醇喷射流量，可以有效调节裂解气的生成量，控制裂解气掺混比例；随着甲醇喷射量的增加，汽油喷射量将逐渐降低，以保证混合气浓度在目标值附近，达到有效控制掺混燃烧的目的。

1—甲醇裂解器；2—测功机；3—控制柜；4—进气管；5—排气管；6—甲醇箱；7—醇耗仪；8—甲醇泵；9—甲醇喷嘴；10—甲醇喷射ECU；11—燃油箱；12—油耗仪；13—燃油泵；14—燃油喷嘴；15—发动机ECU；16—节气门；17—燃气表；18—宽域氧传感器；19—温度传感器；20—温控仪图3 试验装置示意

3 台架试验结果与分析

为研究汽油掺烧甲醇裂解气发动机的性能，试验在发动机常用转速2 000 r/min条件下进行，分析不同的甲醇替代比对发动机输出扭矩和燃油经济性的影响，同时研究了稀混合气下汽油掺烧甲醇裂解气的经济性问题。甲醇替代比l和当量燃料消耗率beq的定义如下：

(8)

(9)

式中：HLg是汽油的低热值，数值为43.94 MJ/kg；HLm是甲醇的低热值，数值为19.68 MJ/kg；Gg和Gm分别是指汽油和甲醇的消耗量；Pe是发动机输出功率。

3.1 动力性

图4示出了发动机转速为2 000 r/min、节气门开度固定为17%时，发动机输出扭矩随甲醇替代比的变化情况。纯汽油运行时，发动机的输出扭矩为60 N·m，随着甲醇替代比的增加，发动机扭矩逐渐下降，当替代比为50%时，发动机输出扭矩为55.9 N·m，下降了6.8%。节气门位置固定时，发动机进气量基本不变，甲醇裂解为气体，并且含有密度很小的氢气，每循环进入气缸的裂解气要占据一定的气缸容积，从而影响进入发动机的新鲜空气量；随着甲醇替代比的增加，在固定节气门开度时，进入气缸内的新鲜空气减少，喷油量降低，导致发动机扭矩下降。

图4 扭矩随甲醇替代比的变化

3.2 燃料经济性

图5示出了不同替代比下，发动机当量燃料消耗率随负荷的变化。发动机在各负荷下，汽油掺烧甲醇裂解气的当量燃料消耗率相对于纯汽油有所降低，且随着甲醇替代比的增加当量燃料消耗率降低幅度增加；甲醇替代比为20%时，不同负荷下当量燃油消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%。汽油掺烧甲醇裂解气，裂解气取代部分汽油参与燃烧，甲醇价格相对于汽油更低廉，掺烧甲醇裂解气可以降低汽油消耗量，有利于降低燃料成本。

图5 当量燃料消耗率的变化

图6示出了发动机有效热效率随负荷的变化。由图可知，在20～100 N·m范围内，掺烧甲醇裂解气有利于提高发动机热效率，随着甲醇替代比增加，发动机有效热效率提高。在2 000 r/min，100 N·m工况下，原机有效热效率为32.47%，甲醇替代比为20%时，有效热效率提高到35.57%。各负荷下，掺烧裂解气发动机可以获得比原机更高的热效率。甲醇裂解器能有效回收利用部分排气能量，使液态甲醇吸收排气能量蒸发裂解成H2和CO，提高燃料热值，使得发动机综合热效率升高；而且甲醇裂解气中的H2扩散系数大，有利于形成均匀混合气，其层流火焰速度快，缸内燃烧过程在上止点附近进行，更接近定容燃烧，有利于提高发动机燃烧效率。

图6 有效热效率的变化

3.3 稀薄燃烧对发动机热效率的影响

图7示出了在2 000 r/min，60 N·m工况下，发动机有效热效率随过量空气系数的变化。从图中可知，原机和掺烧裂解气发动机的有效热效率随过量空气系数的增加而增加，相同过量空气系数条件下，掺烧裂解气发动机热效率比原机高。当过量空气系数为1.0时，原机和掺烧裂解气发动机的有效热效率分别为30.44%和32.15%；过量空气系数增加到1.31时，有效热效率分别增加到32.51%和34.34%。随着过量空气系数增加，缸内新鲜空气比例增加，O2含量增大，混合气燃烧更加充分；由于裂解气中的H2火焰传播速度快，掺混裂解气发动机缸内燃烧过程更迅速，同时H2的火焰淬熄距离更短，有利于气缸壁面附近和裂隙中混合气的燃烧，可以进一步提高发动机热效率。

图7 有效热效率随过量空气系数的变化

4 结论

a) 反应温度为380 ℃、空速为1.2～1.5 h-1时，甲醇在管式裂解器中裂解生成的裂解气成分中H2体积分数为60.7%～64.8%，CO体积分数为19.1%～23.1%；

b) 发动机输出扭矩随甲醇替代比的增加而降低，甲醇替代比为50%，输出扭矩下降6.8%；

c) 汽油掺烧甲醇裂解气有利于降低发动机燃料消耗，且随着甲醇替代比的增加当量燃料消耗率降低幅度增加；甲醇替代比为20%时，当量燃油消耗率均下降6%以上，最大可降低8.8%，有效热效率由原机32.47%提高到35.57%；

d) 原机和掺烧裂解气发动机的有效热效率随过量空气系数的增加而增加，相同过量空气系数条件下，掺烧裂解气发动机热效率比原机高。

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[编辑： 姜晓博]

Experimental Study on Performance of SI Engine Fueled with Gasoline and Dissociated Methanol Blends

XIE Man, JIANG Yankun

(Energy and Power Engineering School of Huazhong University Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The experimental study on performance of an electronic control injection gasoline engine fueled with gasoline and dissociated methanol blends was conducted. The dissociation system for methanol was designed, methanol was dissociated with the high temperature exhaust in the dissociated reactor, the dissociated methanol gas joined in the combustion of gasoline and the influences of dissociated methanol on the fuel economy and engine power were researched. The main components of dissociated methanol were hydrogen and carbon monoxide, 60.7%-64.8% and 19.1%-23.1% volume fraction respectively. The participation of dissociated methanol would lead to output torque,and equivalent specific fuel consumption decrease and effective thermal efficiency increase. The equivalent specific fuel consumption decreased by 6% to 8.8% and the effective thermal efficiency increased from 32.47% to 35.57% when the proportion of methanol substitution was 20%. The effective thermal efficiency for the original engine and the engine fueled with dissociated methanol blends both increased with the increase of excess air coefficient. Gasoline engine fueled with the blends had higher effective thermal efficiency in the same excess air coefficient condition.

dissociated methanol； blended fuel; fuel economy

2015-12-31；

2016-02-18

谢满(1991—)，男，硕士，主要研究方向为汽油掺混甲醇裂解气发动机性能的研究；357374703@qq.com。

蒋炎坤(1964—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为发动机流动、燃烧、排放及其数模模拟等；jykhust@hust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.007

TK437

B

1001-2222(2016)03-0035-05