常压条件下甲醇/柴油的着火特性分析*

李瑞娜 余 超 孙天硕 韦壮邦

（江苏大学汽车与交通工程学院 江苏 镇江 212013）

引言

在我国“缺油，少气，相对富煤”的能源形势下，寻找优质的发动机替代燃料已经成为研究热点。甲醇可以从煤、天然气、生物等原料中制取，生产甲醇的工艺也比较成熟。经测算，M15（15%甲醇和85%柴油）和M30甲醇柴油用助溶剂复配后，每吨分别可以节约成本10%和20%[1]。甲醇的黏度低于柴油7倍左右，且比柴油更易雾化，混合后可以促进柴油喷雾颗粒的细化；甲醇的汽化潜热较高，柴油替代率的增加可以降低气缸中的燃油量，从而使燃油NOx排放量减少[2-3]。另外，甲醇还具有蒸汽压力小，辛烷值高，含氧量高等优点，可以改善发动机燃料的安全性、抗爆性及燃烧充分性。天津大学姚春德等[4]采用柴油/甲醇组合燃烧（Diesel Methanol Compound Combustion，简称DMCC）方式进行燃烧和排放分析，结果表明，DMCC模式具有吸热汽化，推迟着火时间，提高定容燃烧度及降低排气温度等优点，大幅度提高了燃料的燃烧效率，且含水10%的甲醇比纯甲醇更能降低甲醛、NOx、HC和CO排放。西安交通大学张均强等[5]研究了燃用不同掺混比的甲醇和柴油混合燃料对直喷柴油机性能的影响，结果表明：加入一定量的甲醇改善了柴油机的燃烧特性，具有较高的燃烧热效率，烟度和CO排放随甲醇掺混量的增加而下降。

根据我国国家标准规定，轻柴油和车用柴油的着火性质可以具体用十六烷值和十六烷指数评定。十六烷值表示柴油在发动机中着火性能的一个约定量值，十六烷指数表示柴油抗爆性能的一个计算值。《柴油着火性质测定法（十六烷值法）》中参照采用ASTM D 613-86测定仪器，这是一台可改变压缩比的专用单缸柴油机（900 r/min），压缩比可调范围为7.95～23.50，机上装有着火滞后期表及辅助装置（包括4个电磁传感器，即燃烧传感器、喷油传感器及2个掺比传感器）。目前，也有一部分实验采用定容燃烧弹替代柴油机的方法进行测试，应用较为广泛[6]。柴油替代燃料的着火特性一直以来都是人们研究的热点。

本文在不同的环境湿度条件下采用燃料可视化燃烧的试验方法，通过高速摄像机记录燃料燃烧过程，探究了空气湿度、甲醇掺混比例、环境温度及过量空气系数等对燃料的滞燃期等燃烧参数的影响规律。

1 试验方案与设备

为了考察柴油机燃料在不同氛围气中的着火特性，开展了常压下柴油机燃料的着火特性试验。试验过程中封闭试验环境中的所有光源，将反应器在电热炉上加热，并用热电偶测量反应器内的温度，当温度达到初始温度时，注入氛围气燃料，停留2 s，待氛围气燃料汽化，注入适量燃料，同时用高速相机拍摄着火过程。

配制了纯柴油燃料和分别为DM10（10%的变性甲醇与90%柴油混合燃料）、DM20、DM30掺混比的甲醇/柴油混合燃料。

试验为了分析空气湿度、甲醇掺混比例、环境温度、过量空气系数及氛围气等对燃料着火特性的影响，测量了分别为0.5、0.68、0.86的空气湿度，甲醇掺混比10%、20%、30%的甲醇/柴油混合燃料，200℃、220℃、240℃、260℃的温度，过量空气系数为0.8、1.0、1.2燃料的滞燃期。

试验设备主要有：电热炉、PT100热电偶（直径：1 mm，测温范围：73K～1373K）、燃料注射器（最小刻度0.01 mL）、高速相机。

2 结果分析

2.1 空气湿度对燃料着火特性的影响

空气湿度是表示空气中水汽含量和湿润程度的物理量。其一般采用绝对湿度、相对湿度和含湿量表示。为方便分析，本文采用相对湿度表示空气湿度，其计算公式为：

其中：ρw—绝对湿度，单位是 g/m3；ρw，max—最高湿度，单位是 g/m3；e—水汽压，单位是 Pa；E—饱和水汽压，单位是Pa。

图1为反应器在初始温度220℃，燃用纯柴油时燃料的滞燃期随反应器内空气湿度变化的规律曲线。空气湿度从0.5到0.68和从0.68到0.86，燃料的滞燃期分别上升了51.8%和18.3%。总体上，拟合的曲线表明了燃料滞燃期随着空气湿度的增加而增加。在相同的初始温度下，空气湿度即空气中的水蒸气含量增加会抑制燃料燃烧时温度的升高，此外随着空气中的水蒸气增加，相对应的同体积反应器中空气的含氧率将会下降，可燃混合气的浓度及其与空气接触面积降低，导致燃料滞燃期延长。

图1 空气湿度对燃料滞燃期的影响

2.2 甲醇掺混比对混合燃料着火特性的影响

图2 显示了常压条件下，不同比例的甲醇与柴油的混合燃料在220℃初始温度下滞燃期的变化情况。我们可以看出随着甲醇掺混比的增大，着火时刻延迟，滞燃期增加。不同的燃料，十六烷值和辛烷值有所不同，表现为燃烧特性上的区别。甲醇的十六烷值低于柴油，柴油与甲醇混合后，混合燃料的十六烷值相对降低，从而降低了柴油的着火性能。这里用正庚烷代替柴油分析甲醇对柴油着火能力的影响[7]，当温度小于1 000 K时，醇类燃料对正庚烷着火能力影响很大，能明显推迟正庚烷的滞燃期。这其中主要是因为正庚烷发生低温链分支反应产生大量OH，甲醇则能将OH转化为HO2自由基，进而通过反应式HO2+HO2=O2+H2O2生成稳定的H2O2，造成OH的减少，系统的反应活性降低，抑制了正庚烷的着火能力。

图2 掺混不同甲醇比例的柴油滞燃期

2.3 环境温度对混合燃料着火特性的影响

图3 环境温度对燃料滞燃期的影响

图3 为反应器在空气湿度为45%条件下燃用甲醇掺混比为20%的燃油，通过改变初始温度获得燃料滞燃期变化的规律特性。由图3中可以看出，温度从200℃增加到260℃时，燃料滞燃期从91.5 ms持续下降到66.3 ms，降低了27.5%。从物理角度看反应器中的温度升高使甲醇和柴油混合燃料的蒸发速率加快，雾化加快，着火时间提前；从化学角度看反应器中温度升高使混合燃料分子碰撞频率提高，使燃烧过程化学发应速率加快，在这两个方面的共同作用下燃料的滞燃期会在一定程度上缩短。另外，温度在220℃至240℃的燃料滞燃期变化程度明显大于240℃至260℃。当环境温度在一定范围内时，温度的变化对燃料滞燃期有较大的影响，如果环境温度过高，因受限于反应器内压强、燃料的十六烷值、空气中含氧浓度等方面的参数[8]，使温度的变化不再成为制约燃料滞燃期的主导因素。

2.4 过量空气系数对混合燃料着火特性的影响

从图4中可以看出，在甲醇掺混比为20%，起始温度为220℃情况下燃料滞燃期随过量空气系数的变化情况。随着过量空气系数的增大，滞燃期的变化过程主要分为2个阶段，在大于火焰传播上限情况下，滞燃期先逐渐减小，到达峰谷后便开始增大，直到熄火极限，变化过程呈现为一条开口向上抛物线。这是由于一开始实际供入的空气量小于理论空气量，且相差很大，导致实验装置内混合燃料过浓，火焰难以生成，随着过量空气系数的逐渐增大，混合燃料的浓度有所降低，滞燃期也减小。到达峰谷之后，实际供入的空气量大于理论空气量，燃料浓度继续降低，这时滞燃期开始逐渐增加，直到燃料浓度到达熄火浓度。

图4 过量空气系数对燃料滞燃期的影响

3 结论

1）空气湿度的增加，导致空气中的水蒸气增加，氧气减少，使燃料燃烧的初始温度和可燃混合气的浓度相对降低，燃料着火时间延迟，滞燃期增加；随着环境温度的提高，燃料的分子热运动加快，燃料着火滞燃期降低。过量空气系数在1.0附近时，燃料的滞燃期达到最低。过量空气系数过低或过高都会增加燃料的滞燃期。

2）甲醇具有抑制柴油和混合燃料滞燃期的作用。由于甲醇的沸点较低，甲醇先于柴油蒸发。甲醇汽化吸热导致柴油的温度下降，柴油蒸发时间加长，着火延迟，燃料的滞燃期增加。