引燃量与压缩比对甲醇／F-T柴油发动机燃烧特性的影响

—ＩＳＳＮ　１６—７４－８４８４　汽车安全与节能学报，２０１５年，第６卷第２期　ＣＮ　１１—５９０４／Ｕ　Ｊ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｓａｌｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，２０１５，Ｖｏ１．６　Ｎｏ．２　１２／１３　

１８４一ｌ９Ｏ　

引燃量与压缩比对甲醇／Ｆ－Ｔ柴油发动机燃烧特性的影响　朱建军，安俏俏，高聪慧，王铁　（太原理工大学机械工程学院车辆工程系，太原０３００２４）　

摘要：为改善双燃料发动机大负荷粗暴燃烧，通过一系列台架试验，研究了费托（Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ，　Ｆ＿Ｔ）柴油比例和发动机压缩比对此燃烧模式的燃烧特性的影响。试验中，采用煤基甲醇和Ｆ＿Ｔ合成　油柴油形成的全煤基双燃料发动机，采用高十六烷值的Ｆ－Ｔ柴油引燃甲醇预混合气。结果表明：与　原机相比，双燃料发动机的燃烧更柔和，燃烧持续期明显缩短，经济性随Ｆ　柴油比例增大和压缩　比的减小而变差；随Ｆ－Ｔ柴油比例增加，燃烧粗暴程度增大，但在低Ｆ＿Ｔ柴油比例下，降低压缩比　有利于降低燃烧粗暴程度。因此，采用低比例Ｆ—Ｔ柴油适当减小压缩比有利于改善甲醇／Ｆ—Ｔ柴油双　燃料发动机的燃烧和经济性能。　关键词：双燃料发动机；Ｆ－Ｔ柴油；甲醇；燃烧；热效率　中图分类号：Ｕ　４６４．１　文献标识码：Ａ　ＤＯ１：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４８４．２０１５．０２．０１２　

Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｆｕｅｌ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｔｈｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ’　ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　０ｆ　￣ｔｈａｎｏｌ／Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌｔｈｅ　ｃｏｒｎｂｕｓｔｉｏｎ　Ｃ１１ａ　ａ　ｍｅｔｈａｎｏｌ／　１　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉ‘ｎｅ　ｒａＣｔｅｒｌＳｔｌＣＳ　０ｔ　

ＺＨＵ　Ｊｉａｎｊｕｎ，ＡＮ　Ｑｉａｏｑｉａｏ，ＧＡＯ　Ｃｏｎｇｈｕｉ，ＷＡＮＧ　Ｔｉｅ　（Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔａ￣ｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ（Ｆ－Ｔ）ｄｉｅｓｅｌ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｂｅｎｃｈ　ｔｅｓｔｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ａｔ　ｈｅａｖｙ　ｌｏａｄ　ｆｏｒ　ａ　ｄｕａｌ－ｆｕｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｓ，ａｎ　Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｃｅｔａｎｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｉｇｎｉｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｘｅｄ　ｍｅｔｈａｎｏｌ－—ａｉｒ　ｇａｓ　ｉｎ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｃｏａｌ　ｂａｓｅｄ　ｄｕａｌ－－ｆｕｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗｉｔｈ　Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ａｎｄ　ｍｅｔｈａｎｏ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｕａｌ—ｆｕｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｇｅｎｔｌｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｄｕｍｔｉｏｎ　ｄｅｃｌｉｎｅｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｗｏｒｓｅ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ｐｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ．Ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｒｏｕｇｈ　ｄｅｇｒｅｅ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ｐｏｒｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｌｏｗ　Ｆ－Ｔ　ｐｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｓｍａｌｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｆｏｒ　ｍｅｔｈａｎｏｌ／Ｆ－Ｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ｄｕａｌ－　ｆｕｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ－ｆｕｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ；Ｆｉｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ（Ｆ－Ｔ）ｄｉｅｓｅｌ；ｍｅｔｈａｎｏｌ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

收稿Ｅｌ期／Ｒｅｃｅｉｖｅｄ：２０１５　Ｏ１—２８　基金项目／Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ：清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金（ＫＦ１４０８２）　第一作者／Ｆｉｒｓｔ　ａｕｔｈｏｒ：朱建军（１９７４一），男（汉），山西，副教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｒｊｓｙｓ＠１６３．ｃｏｍ　朱建军，等：引燃量与压缩比对甲醇／Ｆ．Ｔ柴油发动机燃烧特性的影响　１８７　图３　甲醇比例对放热率的影响　热的燃烧过程中，两阶段放热率峰值之间的距离随柴　油当量比的增加而缩短；第一阶段放热主要是汽油预混　合气和柴油混合气，第二阶段放热主要源自于汽油预　混合气的燃烧［１　。由上述试验结果可知，本试验中的　甲醇当量比处于两阶段放热的范围之内，且当甲醇占能　比大于６１．２％时，第二放热率峰值降低，燃烧放热模　式向单阶段快速放热转变。双燃料燃烧模式中第一阶　段放热率峰值随Ｆ－Ｔ柴油比例增加而增加的原因与压　力升高率随双燃料比例增加而增加的原因相同，均是因　为Ｆ－Ｔ柴油当量比增加时，第一阶段内参与燃烧的Ｆ＿Ｔ　柴油增多。　双燃料燃烧模式的燃烧始点（ｓｔａｒｔ　ｏｆ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，　ｓｏｃ）和燃烧持续期（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｄｕｒａｔｉｏｎ，ＣＤＵ）随Ｆ＿Ｔ　柴油比例的变化如图４所示。　一Ｏ　＼　３　０　０　《　Ｕ　Ｆ—Ｔ柴油比例，　图４　甲醇比例对燃烧始点和持续期的影响　随Ｆ．Ｔ柴油比例的增加双燃料发动机的燃烧始点　提前，造成这种现象的原因可以归结为以下两个方面：１１　Ｆ－Ｔ柴油比例越高，甲醇预混合气燃空当量比越小，Ｆ－Ｔ　柴油周围氧气浓度就越大，越有利于Ｆ－Ｔ柴油的自燃。２）　Ｆ＿Ｔ柴油比例越高，甲醇汽化吸收的热量越少，使压缩　终点时缸内温度身高，有利于Ｆ－Ｔ柴油自燃；　如图４所示，随着Ｆ＿Ｔ柴油比例的增加，由于Ｆ．Ｔ　柴油喷射量的增加，喷射持续期增大，进行扩散燃烧Ｆ＿Ｔ　柴油量增加，使燃烧持续期由甲醇预混合气燃烧速度　决定变为由Ｆ．Ｔ柴油喷射持续期决定，因此呈现燃烧　持续期明显增加的趋势。　由图４中燃烧始点的变化可以得到，随着Ｆ－Ｔ柴油　比例的增大，双燃料发动机的滞燃期在减小。然而由　图２可知双燃料发动机缸内压力升高率随着Ｆ－Ｔ柴油比　例的增大而增大。也就是说甲醇／Ｆ＿Ｔ柴油双燃料发动　机的缸内压力升高率随滞燃期的增大而减小。甲醇／Ｆ＿Ｔ　柴油双燃料发动机是由的Ｆ＿Ｔ柴油着火引燃甲醇预混合　气，由于柴油机过量空气系数远远大于１，甲醇均质混　合气的燃空当量比较小。甲醇预混合气的燃空当量比　是影响其燃烧速度的重要因素，当量比较小时其燃烧　速度低于原柴油机在滞燃期形成的柴油预混合气的燃　烧速度，因此导致甲醇／Ｆ＿Ｔ柴油双燃料发动机虽然在　着火前，均质混合气已形成，但其压力升高率反而低于　原柴油机。　４压缩比ｓ对燃烧特性的影响　甲醇／Ｆ－Ｔ柴油双燃料发动机的缸内最高爆发压力　ｘ）及其相位角ＣＡ　ｘ）随压缩比ｓ及Ｆ＿Ｔ柴油比　例ｒ的变化Ｊ隋况如图５所示。　爆发压力总趋势随压缩比的降低而降低，随Ｆ．Ｔ　柴油比例　的增大而增大；缸内爆发压力相位随压缩比　的减小远离上止点，随　的增大而靠近上止点。　甲醇／Ｆ－Ｔ柴油双燃料发动机中，Ｆ－Ｔ柴油十六烷　值高，与甲醇相比更容易着火，因此Ｆ－Ｔ柴油比例越大，　燃烧持续期缩短，但燃烧始点提前，使缸内爆发压力　随Ｆ＿Ｔ柴油比例增加而略微增大。压缩比的降低时Ｆ＿Ｔ　柴油喷入之前的缸内温度下降，使起燃始点推后，混　合气燃烧速度降低，最高爆发压力的相位推后，气缸　容积增大，导致最高爆发压力下降。　甲醇／Ｆ－Ｔ柴油双燃料发动机缸内最大压力升高　率（ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｉｓｅ　ｒａｔｅ，ＭＰＲＲ）及其相位ＣＡ　（ＭＰＲＲ）随压缩比８及Ｆ　柴油比例ｒ的变化如图６　所示。　甲醇／Ｆ＿Ｔ柴油双燃料发动机Ｆ＿Ｔ柴油比例较小时，　ｌ８８　汽车安全与节能学报　２０１５年第６卷第２期　砖　凸＿　茎　

、　５　§　

０　０．２　０．４　０．６　Ｆ—Ｔ柴油比例，　１Ｏ　图５爆发压力及其相位的变化　最大压力升高率随压缩比的降低而降低，在Ｆ－Ｔ柴油　比例较大时，最大压力升高率随压缩比的降低而增大。　不同压缩比下，最大压力升高率都随Ｆ－Ｔ柴油比例，的　增大而增大。影响双燃料发动机压力升高率的主要因　素是燃料的蒸发混合速度和燃烧速度。Ｆ＿Ｔ柴油比例较　小时，双燃料发动机的燃烧以甲醇预混合燃烧为主，压　缩比越小，缸内温度下降，燃烧速度降低，最大压力　升高率下降。Ｆ－Ｔ柴油比例较大时，甲醇比例低，压缩　比越小，气缸压力越低，甲醇蒸发加速，Ｆ－Ｔ柴油比例　＝－　凸－　茎　ｌＯ　０　Ｆ—Ｔ柴油比例，　０．２　０．４　０．６　Ｆ—Ｔ柴油比例　０．２　０．４　０．６　Ｆ．Ｔ柴油比例ｒ　

较大使双燃料发动机燃烧始点提前，更加促使甲醇的　蒸发混合，因Ｉ比一旦着火，甲醇迅速燃烧，使最大压力　升高率升高。　双燃料燃烧模式中放热率峰值（Ｐｅａｋ　ｏｆＨｅａｔ　Ｒｅｌｅａｓｅ，ＰＨＲ）及其相位（Ｐｈａｓｅ　ｏｆ　Ｐｅａｋ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　Ｒｅｌｅａｓｅ，　ＰＰＩｑＲ）随压缩比￡及Ｆ－Ｔ柴油比例　的变化如图７所示。　双燃料发动机中甲醇比例较低时，放热率峰值随压缩　比的降低而增加；压缩比为１６．９的双燃料发动机中放　热率峰值出现的位置最早，其次是压缩比为１５．４的双　

０．２　０．４　０．６　Ｆ—Ｔ柴油比例ｒ　Ｏ．８　Ｆ—Ｔ柴油比例ｒ　图６压缩比对最大压升率及其相位的影响　图７　压缩比对放热率峰值及其相位的影响　

２　８　６　４　２　Ｏ　Ｏ　０　０　０