农用改装甲醇发动机的性能研究

　　0、 引言

　　当今甲醇作为公认的清洁替代燃料，人们通过大量的发动机试验对其进行了深入研究。首先进行过甲醇柴油混合燃料的掺烧试验，对发动机改动不大，但由于甲醇和柴油不相溶，即使添加互溶剂后长时间放置混合燃料稳定性依然不好。近几年关于进气道喷甲醇、柴油引燃的方式来研究的试验很多，并且在降低有害排放和碳烟取得了很大成绩，对缸内燃烧特性也进行了研究分析，初步了解甲醇替代柴油的机理、此外还有一种甲醇柴油双喷射方式，需要安装两套燃油供给系统，改装复杂，控制、制造难度大，费用高，但节能减排效果非常明显。因此，无论从能源危机还是日益严格的排放法规的角度考虑，甲醇都体现出它强大的优势。虽然以上试验研究都是在中、高速柴油机上进行的，对低速单缸柴油机燃用甲醇的研究也很有价值。农用机械一般都以单缸柴油机为输出动力，在把柴油机改装成甲醇发动机后燃料价格大幅度降低，对农用机械发展有一定帮助。

　　甲醇很低的十六烷值和较高的自燃温度以及其它理化性质决定了纯甲醇在柴油机中压缩燃烧困难。

　　因此，采用一种在柴油机缸盖上加装一个电热塞，使发动机运转的过程中一直通电处于加热状态，以提高缸内温度; 利用热面点火的方式点火，把一台农用单缸柴油机改装成甲醇发动机，对其进行性能研究。

　　1、 试验设备及方法

　　本试验是在一台 1115 单缸柴油机上进行的，分别进行了原机燃用柴油的和改装后燃用 M100 甲醇的性能和排放性的试验研究。发动机基本参数如表 1 所示。试验测试设备: 四川诚邦科技有限公司的 ET2000柴油机测试系统，ET2500 智能油耗仪，DW160 电涡流测功机和 AVL DICOM 4000 五组分尾气排放仪。

　　本试验在一台单缸柴油机缸盖上加装一个电热塞，安装在进排气门中心线靠喷油嘴一侧，不影响其他机构的同时在喷油嘴一侧安装电热塞。甲醇的低热值很低，仅为柴油的 46． 7% ; 但其辛烷值很高，有很好的抗爆性。为了改装后能使甲醇稳定燃烧的同时动力性维持原机，增大了压缩比和喷油泵柱塞直径，并且调整了供油提前角。尾气后处理装置采用了三元催化转换器，因为单缸机价格便宜，加装电热塞会提高成本，考虑降低成本采用了一个小的三元催化转换器进行尾气处理。

　　2、 试验结果分析

　　2． 1 甲醇发动机与原单缸柴油机动力性和经济性对比

　　图 1 为发动机外特性曲线对比图。由图 1 可知:在外特性曲线中，单缸柴油机进行改装后燃用 M100甲醇获得的外特性转矩比燃用 0 号柴油大，转矩平均提高6． 8% ，最大提高15% ，动力性提升较大。外特性曲线表明甲醇在柴油机中的应用潜力很大。虽然甲醇的热值不到柴油的 1/2，但在理论空燃比附近甲醇与空气混合气的热值与石油燃料混合气的热值相当，在增大压缩比喷油泵柱塞直径后甲醇发动机动力性升高。从图 1 中还可看出，燃用 M100 发动机的排气温度比燃用 0 号柴油降低了很多，缓解了负荷压力。

　　但排气管安装三元催化转换器后排气温度有明显的升高，这主要是尾气在进入三元催化器的节流作用和尾气在三元催化器内进行复杂的化学反应大量放热导致排气温度升高。燃料经济性通常用燃油消耗率和热效率指标来评价。本试验进行 M100 和 0 号柴油进行经济性对比时，燃油消耗率应转换成燃料的当量热值燃油消耗率对比，则

　　其中，Mbe是甲醇的当量燃油消耗率(g/kW·h) ;bme是甲醇有效燃油消耗率; Hmu是甲醇低热值(J/kg) ;Hu是柴油低热值; ηet是有效热效率。

　　图2 是1 800r/min 时甲醇发动机和原单缸柴油机的有效热效率和当量燃油消耗率的曲线对比图。由图 2 可以看出: 在低转矩时，燃用 M100 甲醇燃料的有效热效率低于 0 号柴油; 转矩变大时，燃用 M100 的有效热效率高于 0 号柴油，性能明显改善。

　　出现上述现象的原因是由于低转矩时负荷小，缸内温度低，甲醇汽化困难，扩散燃烧速度慢，容易出现间歇失火，使发动机性能较燃用柴油时差; 转矩变大后，发动机缸内温度升高，甲醇汽化容易，混合气形成及时，滞燃期变短而燃烧速度变快，这样获得了较高的能量转换效率。1 800r/min 时，甲醇燃料当量燃油消耗率在大负荷时均降低 13% ，经济性得到了改善。

　　2． 2 甲醇发动机与原单缸柴油机排放对比

　　图 3 是 1 800r/min 下进行的 CO 排放对比，还有甲醇发动机进行尾气后处理(三元催化转换器尾气处理) 前后排放的对比。由图 3 可以清楚地看到，甲醇发动机的 CO 排放曲线随扭矩的增大呈现出先降低后增大的趋势，0 号柴油的 CO 排放逐渐增大; 低负荷时，甲醇发动机的 CO 排放比原柴油机高很多; 但在高负荷时低很多。甲醇发动机进行三元催化转换后 CO排放始终能保持很低，对降低 CO 排放有很好的效果。

　　出现上述情况的原因是由于低负荷时，发动机燃烧温度低，虽然甲醇含氧多，燃烧比柴油完全; 但其汽化潜热大，使温度进一步降低，CO 氧化的过程缓慢，同时大部分混合气非常稀薄，而扩散燃烧的方式会使混合气不均匀，造成局部的浓混合气缺氧，致使燃烧不完全 CO 的排放比燃用柴油时高。负荷高时，燃烧温度高，甲醇含氧的特点变为主要因素，此时 CO 大量被氧化，使排放降低; 当负荷进一步升高时混合气变浓，局部缺氧现象增多，CO 排放再次变高，但比柴油机要低很多。燃油品质对 CO 浓度排放也有明显影响，燃油芳烃含量愈高，十六烷值愈低，则 CO 浓度愈高。在对尾气进行三元催化后，在转矩由小到大的范围内 CO 都能保持很低。

　　图 4 是 HC 排放对比曲线图。由图 4 可知甲醇发动机比柴油机的 HC 排放高。柴油机的 HC 排放在整个转矩范围内很低，而甲醇发动机的 HC 排放先降低后升高。HC 排放在柴油机中主要是受燃油雾化质量差和混合不均匀的影响。由于甲醇易蒸发，雾化较好，在柴油机上的燃烧是扩散燃烧的方式，比柴油与空气混合快一些，但没有充足的混合时间，主要以扩散燃烧为主; 低负荷时混合气过稀，可能出现间歇着火现象。甲醇十六烷值仅为 3，滞燃期长，未然碳氢和裂解碳氢增多; 负荷变大时，缸内温度升高，也提高了电热塞点火的性能，甲醇汽化容易，滞燃期变短，改善了燃烧，HC 降低; 在大转矩下又升高是由于爆燃的发生导致了燃烧的恶化。由图 4 还可以看出，大负荷时HC 排放比小负荷时低; 尾气经三元催化转换器转化后明显的降低了 HC 排放。

　　图 5 是甲醇发动机和柴油机 NOx排放对比图。甲醇发动机的 NOx比柴油机低很多。NOx的生成主要是在高温富氧的环境中。甲醇气化潜热大，燃烧温度的降低可以减少 NOx; 另一方面甲醇是含氧燃料，促进了NOx的生成。但甲醇滞燃期比柴油长，在预混合阶段与更多的空气混合，并且燃烧速度快，这样被氧气氧化成 NOx的反应时间短，可以抑制其生成。因此，燃用M100 甲醇降低 NOx很多。从图 5 中看出，尾气进行三元催化后 NOx的排放稍有增加，这是由于在尾气管中安装三元催化器后增加了节流效果，提高了尾气温度，混合气稀薄，三元催化效果对 NOx不明显，增加了NOx排放，但比原柴油机低很多。

　　3、 结论

　　1) 1115 单缸柴油机经改装为甲醇发动机的动力性平均提高 6． 8% ; 同时提高了甲醇能量转换效率，经济性得到改善; 排气温度平均下降了 9． 8% ，减轻了发动机排气系统热负荷。

　　2) 甲醇发动机的当量燃油消耗率平均降低 16% ，燃油经济性改善; 同时有效热效率在负荷变高时比原柴油机的热效率高。从这两方面比较，柴油机燃用甲醇有较大优势，使经济性得到改善。

　　3) 改装后甲醇发动机的排放明显降低。甲醇发动机 NOx的排放比柴油低很多。尽管 CO 和 HC 排放高，但通过尾气三元催化器处理后排放降低很多，排放浓度与柴油机相当，对拖拉机节能减排具有重大意义。

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