不同甲醇预混合气引燃燃烧模式燃烧特性分析

耿新

摘要：针对甲醇、生物柴油和聚甲氧基二甲醚PODE的优势，为了改善经济性，在一台CY25柴油机上分析不同引燃燃料对甲醇预混合气引燃燃烧模式燃烧特性的影响。试验结果表明：PODE引燃模式的排放特性较差，CO浓度相较生物柴油模式可高达2-3倍。在大甲醇质量比下HC排放浓度可高达生物柴油的5倍。甲醇质量比较小时促进了NOX生成，增大质量比可以降低NOX浓度。生物柴油引燃模式的排放特性随甲醇质量比变化较平稳，PODE引燃模式则随甲醇质量比变化增长较快。

Abstract： Based on the advantages of methanol， biodiesel and poly （methoxydimethyl ether） （PODE）， in order to improve the economy， the effects of different pilot fuels on the economy of methanol premixed pilot combustion mode were analyzed on a cy25 diesel engine.The experimental results show that The emission characteristics of Pode pilot mode are poor.The CO concentration is 2-3 times higher than that of biodiesel.Under the condition of high methanol mass ratio， HC emission concentration can be as high as 5 times of biodiesel.When the mass ratio of methanol is small， NOX generation is promoted， and NOX concentration can be reduced by increasing mass ratio.The emission characteristics of biodiesel pilot mode change smoothly with methanol mass ratio， while Pode pilot mode changes rapidly.

關键词：PODE;生物柴油;甲醇预混合气;排放特性

Key words： PODE;biodiese;methanol premixed gas;emission characteristics

中图分类号：TK421.2                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）06-0040-02

0  引言

甲醇是公认的极其具有前景的替代燃料。很多学者都对甲醇车用技术进行了积极的研究和开发，但由于甲醇汽化潜热大和热值低等因素使得其无法直接应用与柴油发动机上，本文大胆利用生物柴油和PODE高十六烷值特性，作为甲醇预混合气的引燃燃料，来探究对比不同甲醇预混合气的排放特性。

1  试验燃料及理化特性

本试验中所用的生物柴油、甲醇和PODE的理化性质如表1所示。

甲醇的高含氧特性使得其在燃烧过程中起到自供氧作用，从而改善柴油机燃烧和排放性能[1]，尤其是可以大幅度降低碳烟的排放[2]，且甲醇来源广泛价格低廉，而其十六烷值较低，难以直接在压燃式发动机上使用是需要研究解决的问题。

生物柴油除了比0#柴油粘度低和低含氧特性，其余特性均比0#柴油要差，这些原因会使得在柴油机上应用产生较高的NOX和较差的经济性，因此生物柴油的使用总是会搭配其他挥发性好的燃料。

聚甲氧基二甲醚（简称PODEn）简式为：CH3O（CH2O）nCH3（其中n≥1，本试验采用的n值为3的混合物），其作为燃料在发动机上表现出优良的燃烧和排放特性[3]。PODE由于其高含氧、高十六烷值和排放清洁等特点[4，5]，近年来逐渐受到清洁燃料行业的关注。

试验发动机发动机参数见表2。

2  实验结果计算分析方法

试验所用发动机是由常运CY25型单缸柴油机改造，对于原机的喷油系统仍然采用，用于引燃油的喷射，油耗仪可以测得引燃油油耗。试验还附加一套进气道喷醇设备，采用一般单孔喷油嘴，可以通过喷射脉宽和喷射周期获得甲醇消耗量。可同时调整缸内直喷引燃油量和进气道喷醇量，每次试验都先进行无甲醇预混合气的单一燃料试验，然后递减缸内直喷引燃油油门，并逐渐增加进气道喷醇量脉宽，直至寻找到该工况下最大的喷醇量。发动机转速稳定在1600r/min，负荷为Pme=0.3MPa。

3  试验结果分析

从图1两种引燃模式CO排放浓度变化曲线对比图中可以看出：PODE引燃燃烧模式的CO排放浓度高于生物柴油引燃燃烧模式，其CO生成浓度随甲醇质量比变化斜率约为生物柴油引燃模式的2倍。这是因为生物柴油的运动粘度是2.41mm2·s-1，约为PODE燃料的二倍，运动粘度大导致的燃油蒸发扩散比例小，使得生物柴油引燃模式的扩散燃烧比例大，在这种模式下空气量充足，有利于燃料充足燃烧形成CO2。当甲醇比例逐渐增大时，这对于缸内燃料来说甲醇预混合气偏浓，PODE引燃模式则由于蒸发速度快和燃烧速度快，使得缸内整体属于过浓混合气，过量空气系数低，生成较高比例的CO。

圖2为两种引燃燃烧模式碳氢排放物浓度。在较小的甲醇质量比下，生物柴油引燃模式的HC排量均有高于PODE引燃模式的趋势，进一步增加甲醇，PODE引燃模式的HC排放量呈现高增长率，生物柴油引燃模式则是趋于平稳。在较小的甲醇质量比下，两种引燃模式偏向于单种燃料压燃模式，生物柴油引燃模式的燃油雾化效果较差，容易出现缸内燃烧不完全现象。当甲醇质量比进一步增加，引燃油减少，预混合气浓度增加，这时应从汽油机预混合燃烧模式分析，由于PODE燃料的热值仅为生物柴油的一半，在甲醇汽化潜热影响下，PODE很容易出现失火现象。

图3为NOX排放物浓度对比图。随着甲醇质量比增加，两种引燃模式均出现先升高后降低的趋势，甲醇的高质量引入会降低NOX排放量的生成，这与缸内温度有着密不可分的关系。甲醇质量比较小时促进了NOX生成，这是因为同时甲醇的含氧特性表现一部分作用，同时汽化潜热导致的滞燃期延长可以为NOX生成创造必要的时间。PODE燃料具有的含氧量近似是生物柴油的5倍，这为NOX生成创造了富氧的条件。生物柴油的十六烷值低于PODE，滞燃期的延长，使得燃烧放热率中心远离上止点，影响缸内然后温度，这从温度条件上抑制NOX的生成。

4  结论

PODE引燃模式相较柴油引燃模式排放特性较差，具有较高浓度排放的CO、HC和NOX。甲醇质量比的增加对于NOX排放可以有效抑制。生物柴油引燃模式的排放特性随甲醇质量比变化较平稳，PODE引燃模式则随甲醇质量比变化增长较快。

参考文献：

[1]余敬周，张煜盛.DME/柴油混合燃料HCCI燃烧与排放特性的试验研究[J].内燃机工程，2010，31（4）：11-16.

[2]Lahaye J， Prado G. Soot in combustion systems and its toxic properties[C]. New York：Plenum Press， 1983.

[3]Jakob Burger， Markus Siegert，Eckhard Strofer， et al. Poly（oxymethylene） dimethylerhers as components of tailored diesel fuel： Properties， synthesis and purification concepts [J]. Fuel， 2010， 89： 3315-3319.

[4]BURGER J， SIEGERT M. Poly（oxymethylene） dimethyl ethers as compononents of taiored diesel fuel： Properties， synthesis and purification concepts[J]. Fuel， 2010， 89（11）： 3315-3319.

[5]ZHENG Y， TANG Q， WANG T， et al. Synthesis of a green diessel fuel additive over cation resins[J]. Chemical Engineering & Technology， 2013， 36（11）：1951-1956.