


天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072
收稿日期: 2018-06-20; 修回日期: 2018-07-18; 录用日期: 2018-07-18
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(No.51336005)
作者简介: 刘明宽(1994—), 男, E-mail:liu_mingkuan@163.com
通讯作者(责任作者): 姚春德(1955—), 男, 博士, 教授, 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任, 研究方向为内燃机代用燃料, 燃烧过程和排放控制.E-mail: arcdyao@tju.edu.cn
摘要: 本试验在一台满足国三排放的增压中冷四缸柴油机上,在不改变原机柴油ECU(甲醇控制单元)标定MAP的条件下,对其实施柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)技术改造,按照重型柴油机十三点工况(ESC)循环进行试验.对比了原机基础上加装DMCC(Diesel and Methanol Compound Combustion)及简单的后处理器(DOC+POC)的效果,并探讨了其满足国Ⅳ排放标准的可行性.结果表明:与原机(无后处理)相比,DMCC燃烧模式下的NOx和碳烟(soot)比排放均有了较大的降幅,且均能满足国Ⅳ排放标准;但在未加装后处理器时,碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)的比排放明显高于国Ⅳ排放限值;非常规排放物中甲醇(CH3OH)及甲醛(HCHO)的比排放也有较大幅度增加.在加装了后处理器DOC+POC之后,碳烟比排放进一步降低,仅为国Ⅳ排放限值的60%,NOx比排放小幅度增加,但其增幅范围不超过国Ⅳ排放限值的2.57%;在经过后处理之后HC和CO的比排放分别是国Ⅳ排放限值的36.9%、1.24%,CH3OH、HCHO比排放分别是原机水平的1.49%、59.55%.研究结果为采用甲醇辅助燃烧提升原柴油机的排放性能提供了可行的技术途径.
关键词:柴油/甲醇组合燃烧DOC/POC国Ⅲ/ⅣNOx碳烟
Experiment of achieving China Ⅳ emission standard with DMCC engine under real operating conditions
LIU Mingkuan



State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072
Received 20 June 2018; received in revised from 18 July 2018; accepted 18 July 2018
Abstract: Basing on a turbo-charged inter-cooled four-cylinder diesel which meets China Ⅲ emission standard, this experiment implemented diesel/methanol compound combustion technology innovation for original engine without changing its original calibration MAP and was conducted according to 13-points operating conditions cycle (ESC) of heavy duty diesel engine. Coupling the DMCC and the simple post-treatments (DOC+POC) on original engine, this study discussed the feasibility of it meeting China Ⅳ emission standard. The experimental results showed that comparing with the original engine(without post-treatments), the specific emissions of NOx and soot have a larger reduction under the DMCC combustion mode without equipping post-treatments, and all of them could meet China Ⅳ emissions standard. However, the specific emissions of HC, CO, CH3OH and HCHO are higher than the emission limitation. After equipping post-treatments(DOC+POC), the specific emission of soot further reduced which was only 60% of China Ⅳ standard and the specific emission NOx was slightly increasing, but its increasing range did not exceed 2.57% of China Ⅳ standard. After equipping post-treatment, the specific emissions of HC, CO were 36.9%, 1.24% of the China Ⅳ emission standard respectively and the specific emissions of CH3OH, HCHO were 1.49%, 59.55% of the original engine emission level respectively. The test results provided a feasible technical approach for adopting methanol assisted combustion technology to improve the emission performance of original diesel engine.
Keywords: diesel/methanol compound combustionDOC/POCChina Ⅲ/ⅣNOxsoot
1 引言(Introduction)柴油机因具有动力性强、经济性好和热效率高等优点而得到了广泛应用(谭丕强等, 2018).但由于柴油机的扩散燃烧等固有属性(李向荣等, 2017), 相对于汽油机, 其颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)排放较高(帅石金等, 2012).研究发现, NOx是导致光化学烟雾的主要原因之一(刘友县, 2009), 且过量的NO会导致神经毒性(梁润梅, 2003);PM是雾霾的主要成分.我国柴油机保有量巨大, 2017年柴油机总销量逾340万台(袁学辉, 2018).目前, 机动车尾气排放已成为城市大气污染中最突出、最紧迫的问题之一, 如何同时降低尾气中的NOx和碳烟成为当下柴油机研究的主要课题.
为此, 苏万华等(2005)尝试通过HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)来避开NOx和碳烟的生成区域;另有一些****采用在柴油中添加含氧燃料(主要是醇类)并利用醇类汽化潜热高及氧含量高的特性来降低NOx和碳烟排放(Zhu et al., 2011).杨辉等(2013)则是通过EGR(Exhaust Gas Recirculation)及机外加装DPF(Diesel Particulate Filter)来实现NOx和碳烟的同步降低.但上述研究存在如下问题:HCCI的运行工况过窄;含氧燃料无法和柴油互溶;EGR和DPF在恶化燃烧的同时增加了后处理的成本和复杂性.基于此, 天津大学的姚春德等(2004)提出了利用柴油引燃甲醇的组合燃烧方式(DMCC), 即利用甲醇的高气化潜热、高含氧量特性来实现同时降低NOx和碳烟的目标.
前期的一些工作有效地证明了DMCC燃烧方式可以同时降低碳烟和NOx的比排放(Liu et al., 2015; Wang et al., 2015;Wei et al., 2015).Masimalai等(2014)、Yousefiet等(2015)、Kumar等(2017)的研究工作也证实了甲醇混合气在气缸内与柴油一起燃烧可以同时减少NOx和碳烟的结论.此外, 前期有研究表明, 在一台满足国Ⅲ排放的电控单体泵柴油机上, 通过修改柴油机的标定MAP和应用DMCC燃烧模式, 结合EGR技术来优化缸内燃烧和排放, 并加装不同后处理器可实现国Ⅴ排放标准(卢晗等, 2017).针对目前国家对柴油机污染治理的迫切需要, 本研究通过在一台满足国Ⅲ排放的增压柴油机上耦合DMCC的燃烧方式并加装简单的后处理设备, 在不改变原机标定MAP的情况下来探究实现国Ⅳ排放标准的可行性, 以期为柴油机的排放治理提供新的技术方案.
2 试验设备及方案(Experiment and methods)2.1 试验设备实验用的发动机型号为YC4D140-33, 是一台可以满足国Ⅲ排放标准的直列4缸、增压中冷柴油机, 详细技术指标见表 1.
表 1(Table 1)
表 1 发动机主要性能参数 Table 1 Engine main technical specifications | ||||||||||||||||
表 1 发动机主要性能参数 Table 1 Engine main technical specifications
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为了把对原机的改动降到最低, 本研究在原机的进气歧管上加装了甲醇的低压喷射装置及甲醇喷射的控制系统来实现DMCC的燃烧方式.此方法不需要对原机的其他部件和系统做任何的改动, 尽可能地避免了对原机结构进行改动.改装过后的台架如图 1所示.燃料喷射系统中的甲醇喷射系统和柴油喷射系统分别由两个独立的电控单元进行控制, 互不影响.甲醇自甲醇供给箱经甲醇滤清器进入甲醇流量计, 然后经过甲醇加压装置(甲醇泵)和甲醇限压装置使压力达到0.4 MPa, 进入柴油机进气歧管上的甲醇喷射单元(甲醇轨和喷醇器), 由独立的甲醇控制单元(ECU)控制甲醇的喷射量及喷射时刻.本次研究测功系统采用的是杭州博皓测控技术有限公司生产的水力测功机, 尾气检测分析仪器包括AVL生产的415SE滤纸式烟度计和Horiba生产的MEXA-7100型排气分析仪及MEXA-6000FT傅里叶变换红外分析仪.原国Ⅲ发动机没有加装后处理器, 本次实验所采用的后处理器具体参数如表 2所示.
图 1(Fig. 1)
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图 1 双燃料发动机试验系统示意图 (1.FST2E测控系统; 2.主控电脑; 3.燃烧分析仪; 4.电荷放大器; 5.ECU上位机; 6.甲醇ECU; 7.柴油ECU; 8.电控单体泵; 9.限压阀; 10.甲醇泵; 11.甲醇流量计; 12.柴油流量计; 13.柴油滤清器; 14.甲醇滤清器; 15.柴油箱; 16.甲醇箱; 17.空气滤清器; 18.进气流量传感器; 19.废气涡轮增压器; 20.后处理器; 21.滤纸式烟度计; 22.排气分析仪; 23.排气分析仪; 24.测功机; 25.柴油喷油器; 26.温度传感器; 27.甲醇喷嘴; 28.电加热器; 29.中冷器; 30.蝶阀) Fig. 1Schematic diagram of DMCC engine |
表 2(Table 2)
表 2 后处理器基本参数 Table 2 Basic parameters of post treatment | |||||||||||||||
表 2 后处理器基本参数 Table 2 Basic parameters of post treatment
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2.2 试验方法本次实验采用是满足京Ⅴ标准的0号柴油及纯度为99.99%的工业甲醇.在上述柴油甲醇双燃料发动机上按照中国Ⅲ、Ⅳ阶段排放法规GB17691—2005规定的ESC(欧洲稳态测试循环)十三点工况进行试验.首先在原机基础上运行十三点工况并记录燃烧、排放相关数据;其次, 将发动机分别稳定运行在A转速(1660 r·min-1)、B转速(2090 r·min-1)、C转速(2520 r·min-1);依据表 3中的替代率喷入甲醇, 调节油门开度使得对应转速下的负荷分别达到25%、50%、75%、100%, 待发动机运行稳定后记录燃烧、排放(后处理前和后处理后)相关数据, 试验过程中进气温度、机油温度和冷却水温度等基本参数保持一致.
本次研究中用MEXA-6000FT傅里叶变换红外分析仪测取NOx、CH3OH及HCHO的排放数据, 用MEXA-7100型排气分析仪测取CO、HC的排放数据.实验用415SE滤纸式烟度计测取碳烟的排放数据.滤纸式烟度计通过测量碳烟把滤纸染黑的程度来定义烟度, 定量地表示碳烟排放.
DMCC运行区域类似于一个横置的等腰梯形, 存在爆震、部分燃烧、失火3种边界条件(王全刚, 2016, 王全刚等, 2014).为了保证燃烧的稳定性, 在本次研究中甲醇的替代率主要集中在20%~40%.由于怠速时燃烧不稳定, 喷入甲醇之后会恶化燃烧, 加剧燃烧波动, 为了避免失火及较大的循环波动, 在怠速工况仍旧采用纯柴油模式(夏琦等, 2014).替代率RM定义为发动机工作在DMCC模式下甲醇替代柴油的比例, 计算公式如下所示:
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表 3(Table 3)
表 3 试验工况点基本信息 Table 3 Main parameters of engine in different operating conditions | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 试验工况点基本信息 Table 3 Main parameters of engine in different operating conditions
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3 结果分析(Results and discussion)3.1 ESC全工况比排放分析按照中国Ⅲ、Ⅳ阶段排放法规GB17691—2005规定的ESC十三点工况进行试验, 原机及DMCC燃烧模式下各类污染物的比排放结果如表 4所示.
表 4(Table 4)
表 4 纯柴油和DMCC模式排放结果对比 Table 4 Emissions results of pure diesel and DMCC combustion models | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 纯柴油和DMCC模式排放结果对比 Table 4 Emissions results of pure diesel and DMCC combustion models
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原机在耦合了DMCC的燃烧模式之后NOx和碳烟的比排放分别为3.050、0.013 g·kWh-1, 相比于原机均有较大程度的下降, 降幅分别达到38.5%、40.9%, 打破了NOx和碳烟的Trade-off关系;但原机在耦合了DMCC之后, CO和HC的比排放却有了明显的增加, 比排放分别为8.931、17.611 g·kWh-1;此外, DMCC燃烧模式下的CH3OH及HCHO比排放相比于原机也有较大幅度的增长, 比排放值分别达到17.646、4.164 g·kWh-1, 这主要是由DMCC固有的燃烧模式决定的.
但耦合了DMCC的样机在加装了后处理器之后, HC、CO、CH3OH、HCHO的比排放分别为0.006、0.008、0.010、0.099 g·kWh-1, 分别为原机的0.398%、0.553%、1.49%、59.5%.HC和CO的比排放也远低于国Ⅳ限值, 分别为国Ⅳ限值的1.24%、0.513%.在加装了后处理器之后NOx的比排放反而有了小幅升高, 为3.590 g·kWh-1, 略高于国Ⅳ限值(3.5 g·kWh-1).从表 4可以看出, 经过后处理之后碳烟比排放稍有降低, 降幅为7.69%, 满足国Ⅳ排放标准.
3.2 气体排放物分析3.2.1 HC和CO比排放分析相比于原机, DMCC无后处理模式下HC和CO比排放较高的主要原因为:在甲醇柴油混合燃烧模式下, 甲醇与空气在进入燃烧室前形成均质混合气, 壁面淬熄和狭隙效应导致HC排放增加(王利军等, 2007;刘军恒等, 2014);甲醇冷却效应和部分区域混合气过稀, 造成甲醇混合气燃烧不完全, 以未燃HC和CO的形式排出缸外(刘军恒等, 2014;姚春德等, 2005).但在加装了DOC和POC后处理之后, HC和CO有了较大幅度的下降, 相比于DMCC无后处理, HC和CO在ESC全工况的降幅分别为99.9%、99.6%, 由此可以看出, DOC+POC对于HC和CO有着良好的处理效果(卢晗等, 2017).
从图 2a、2b中可以看出, 在DMCC无后处理模式下, HC和CO有着类似的变化趋势, 随着转速的升高比排放升高, 随着负荷的增大比排放降低.这是由于转速升高会导致循环燃烧时间缩短, 不完全燃烧比例增大;而负荷增大缸内温度上升, 甲醇的汽化冷却效应弱化, 从而会出现上述的变化趋势.
图 2(Fig. 2)
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图 2 含碳气体排放物分析 (a.HC, b.CO, c.HCHO, d.CH3OH) Fig. 2The analysis of carbon-containing gas emissions |
3.2.2 CH3OH和HCHO比排放分析DMCC无后处理模式下的CH3OH和HCHO比排放要远高于原机.CH3OH排放高一是由于部分甲醇-空气混合气在气门重叠期间未经燃烧直接排出了缸外(王全刚, 2016), 二是甲醇的充量冷却作用导致部分甲醇没有参与燃烧排出缸外.HCHO排放一方面来自于缸内CH3OH的不完全燃烧, 另一方面来自于后处理器中CH3OH的不完全氧化.这也就解释了为什么CH3OH和HCHO有着相似的变化趋势(图 2c、2d), 随着转速的升高而增加, 随着负荷的增大而降低.
爆震、部分燃烧、失火3种边界条件限制着DMCC发动机的运行工况, 在冷启动及怠速工况下为避免失火, 仍旧采用纯柴油模式.因此, 冷启动及怠速工况下可以避免甲醇、甲醛排放高的问题.
在经过DOC+POC后处理之后, CH3OH和HCHO的比排放均降到了原机水平以下, 降低幅度分别为99.9%、97.6%.HCHO的降幅要比CH3OH低, 造成这种现象的原因是由于尾气中的未燃甲醇经后处理的不完全氧化生成了HCHO.
3.2.3 NOx比排放分析与原机相比, DMCC燃烧方式在无后处理情况下, NOx比排放有较大幅的的降低, 尤其是在C100工况下降幅最大为47.8%, 全工况降幅达到了38.6%.根据泽尔多维奇机理, NOx生成必须具备高温、富氧及滞留时间3个条件, 而DMCC能够降低NOx的原因主要有以下3点:①甲醇的充量冷却作用降低了缸内的燃烧温度(夏琦等, 2014;Qi et al., 2010);②相比于柴油, 醇类属于小分子燃料, 反应路径简单, 燃烧速度快, 在一定程度上缩短了燃烧持续期(Zhu et al., 2011;胡江涛等, 2016);③进气管喷射甲醇会由于甲醇气化降低空气分压造成进气量降低, 从而导致燃烧过程中氮气的绝对量值降低(王全刚, 2016).
从图 3a中可以看出, 在经过DOC+POC之后NOx比排放有了不同程度的增加, 最大增幅为28.4%(B75), 全工况下增幅为17.7%.主要原因可能是排气中一定量的未燃烧的HC和CO(可能包括醛)在氧气存在下在DOC+POC中与氮气反应形成NOx(Yao et al., 2007).
图 3(Fig. 3)
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图 3 含氮气体排放物分析 (a. NOx比排放及替代率, b. NO2占比) Fig. 3The analysis of nitrogen-containing gas emissions |
从图 3a中也可以看出, 小负荷下NOx比排放较高, 这主要是因为替代率较小, 甲醇的充量冷却作用不明显, 而且甲醇自含氧增加了氧浓度, 从而会造成NOx比排放的增加.
3.2.4 NO2比排放分析从图 3b中可以看出, 相比于原机, DMCC燃烧模式下NO2的占比有明显增加.Hori等(1998)认为NO2量的多少主要是由以下两个反应决定的:
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在经过DOC+POC之后NO2比例明显降低, 主要原因是NO2在后处理中与HC、CO和C发生了式(6)、式(7)(Wei et al., 2015)和式(8)(Yao et al., 2011)所示的反应.
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3.3 碳烟比排放分析相比于原机, 在未加装后处理器时DMCC的碳烟比排放在全工况下都有不同程度的降低, 在C75工况下达到了最大降幅(75.6%), ESC加权工况的降幅为40.9%.DMCC模式下, 相比于后处理前, 经过后处理器之后碳烟比排放在多数工况下有了一定程度的降低, 最大降幅为47.4%, ESC加权工况降低了7.69%, 这主要是由于POC对于微粒的捕集和氧化作用(卢晗等, 2017).Vaaraslahti等(2006)的研究表明DOC也可以降低碳烟排放.Yao等(2011)认为POC的氧化作用是由以下3个反应决定的:
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图 4(Fig. 4)
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图 4 碳烟比排放结果分析 Fig. 4Result analysis of soot specific emission |
对比传统燃烧模式, DMCC能够降低碳烟的原因可归结为以下几点:①甲醇会造成柴油滞燃期的增长, 预混燃烧比例增加, 一是因为甲醇的充量冷却作用, 二是因为甲醇在低温氧化时可以把低温氧化过程中活性较高的OH转化为活性低的H2O2(Wei et al., 2015; 许汉君等, 2012);②甲醇的加入使得柴油的喷入量减少(Wei et al., 2015;Zhang et al., 2010);③甲醇属于小分子HC燃料, 甲醇的加入会大幅降低PAH(碳烟前体)的生成(Liu et al., 2015);④甲醇在燃烧过程中会产生大量OH, 而OH对于已生成的碳烟具有较强的氧化作用(王铁等, 2012; Liu et al., 2015);⑤甲醇的自含氧降低了扩散燃烧过程中由于局部过浓而形成的核态碳烟的几率(Liu et al., 2015).
4 结论(Conclusions)1) 在不改变原机标定MAP的条件下仅通过DMCC技术就可以满足国Ⅳ排放标准要求.相比于原机, 未加装后处理器时, NOx、碳烟的比排放均大幅度降低, 分别为3.05、0.013 g·kWh-1.
2) 仅加装DMCC系统的尾气中HC和CO的排放会增加, 加装后处理器之前, HC、CO、CH3OH和HCHO比排放较高, 分别为8.93、17.6、17.7、4.16 g·kWh-1.加装后处理器之后, HC、CO、CH3OH和HCHO比排放均大幅降低, 其中, HC、CO的比排放分别为0.00572、0.00769 g·kWh-1, 仅为原机水平的0.397%、0.553%, 满足国Ⅳ排放标准要求.未燃CH3OH和HCHO的比排放分别为0.00963和0.0990 g·kWh-1, 仅为原机的1.492%和59.55%.
3) 在加装后处理器之后, 碳烟比排放完全满足国Ⅳ排放标准的要求, DOC与POC可进一步降低碳烟排放;NOx比排放略微上升, 为3.59 g·kWh-1, 略高于国Ⅳ排放限值, 超出国Ⅳ排放限值的2.57%.
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