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1、XXXXX学院试验报告课程名称：汽车试验与测试技术年级/专业/班：学生姓名：学号：指导教师：学院：一、试验目的甲醇/柴油反应活性控制压燃燃烧技术通过进气道喷入低活性、易挥发的甲 醇燃料，缸内直喷柴油引燃均质的甲醇空气混合气燃烧。利用柴油易着火以及甲 醇燃烧速率快、抗爆性好的特点，协调控制两种燃料比例，实现可控的高效、清 洁燃烧。但存在碳氢化合物和一氧化碳排放较高的问题。THC和CO的生成与缸 内燃空当量比、燃烧温度、混合气组分有关。因高负荷时缸内温度、压力、活性 与小负荷时差距很大，小负荷的排放与大负荷时排放规律不尽相同，如在大负荷 时，甲醇燃料含有氧原子，随着甲醇替代率增加，导致缸内形成富氧
2、条件，导致 氮氧化合物排放增加，为了掌握大负荷时过量空气系数对所有排放的影响规律， 有必要探究在大负荷时，过量空气系数对双燃料发动机的排放影响。二、试验所用器材试验采用某4缸电控高压共轨柴油机,原机达国五排放水平，具体参数如表.1, 发动机如图1所示，控制间如图2所示。在原柴油机上改装一套甲醇供给系统和 进气控制系统，建成甲醇/柴油双燃料RCCl专用发动机试验台架。甲醇/柴油双燃料RCCI发动机采用两套独立的燃料供给系统，甲醇采用进气道多点低压喷射, 需在进气歧管处安装甲醇喷射系统，引燃柴油采用缸内高压直喷。台架示意图如 图3所示，甲醇供油系统含甲醇箱、耐腐蚀油管、甲醇泵、燃油压力表、甲醇共
3、轨管、甲醇喷油器。表.1试验发动机参数Tab. 1 Test engine parameters项目Items数值Values发动机型式Engine typeD30TCI缸径 Bore(mm)95行程 Stroke(mm)105发动机排量 Engine displacement(L)2.977压缩比 Compression ratio16.6额定功率 Rated power(kW)115额定功率转速 Rated power speed(rmin-l)3200最大转矩 Peak torque(Nm)450最大转矩转速 Peak torque speed(rmin-l)16002400图L双燃料发
4、动机 图2.台架测控系统Fig 1. Dual fuel engine Fig 2.Bench measurement and control system图3柴油/甲醇双燃料发动机台架示意图Fig. .3Dieselmethanol dual fuel engine test benchL.柴油箱2 FCMA瞬态油耗仪3.燃油稳压阀4.柴油高压共轨5.轨压传感器6.测控系统7.甲醇油箱 8.FCMA瞬态油耗仪9.甲醇轨10.甲醇压力表11.双纽线流量计12.增压中冷器13.电子节气门组件14.排 气背压调节阀15.缸压传感器16.测功机17.排放分析仪l.Diesel tank 2. FCM
5、A fuel meter 3. Fuel pressure regulator valve 4. Diesel high pressure common rail 5. Rail pressure sensor 6. control and analysis system 7. Methanol tank 8. FCMA methanol meter 9. Methanol rail 10.Methanol pressure gauge 11. Flow meter 12. Turbocharge and intercooler 13. Electronic throttle assembly
6、14.Exhaust back pressure regulator 15.Cylinder pressure sensor 16.Dynamometer 17. Emission analyzer三、试验原理发动机在运行双燃料模式时，同时喷射甲醇燃料和柴油，柴油和甲醇燃料的 热值不同，单位质量燃料所做的功不相等，为了便于在同一度量基准下比较双燃 料模式和纯柴油模式的经济性、动力性和排放性。将甲醇消耗量按等热值折合为 柴油，再加上作为引燃剂的柴油量即为双燃料模式下的总油耗，当量燃油消耗量 按下式计算：Il M切。/=5 +厂刖M11D(2.1.1)式中，为RCCl模式下的柴油喷油量，kg/h；
7、 M为RCQ模式下的甲醇 喷油量，kg/h； M=I9.89MJkg为甲醇的低热值；=42.5MJkg为柴油的低热 值。发动机的过量空气系数(入)为混合气体中空气质量与燃油所需理论空气量 之比，其计算公式如下：1dmZ71m(212)式中，川川为进气质量流量kg/h； d=143为柴油理论空燃比；/m=6.45为 甲醇理论空燃比。台架试验过程中，双燃料模式下测功机采用定转矩模式，甲醇喷入后则柴油 的喷射量相应减少，减少的柴油量对应所做的功由甲醇燃料提供。甲醇在着火前 喷入，在缸内形成均质可燃混合气，其燃烧特征为预混合燃烧，柴油采用缸内直 喷，其燃烧特征为扩散燃烧。预混合燃烧和扩散燃烧的比例影响
8、发动机的性能， 甲醇替代率丫内定义为每循环喷入缸内的甲呼热值占循环供油量总热值的比例， 按下式计算：inMhMV R E y 1 有效燃油消耗率是评价发动机经济性的主要指标之一，当量燃油消耗率表示 在双燃料RCCl模式下把甲醇消耗率等热值转化为柴油后计算得到的总的有效燃 油消耗率，按下式计算：b c-(rnDttalfPe) 103(2.1.4)有效热效率是衡量发动机将化学能转化为机械能的效率，双燃料模式下有效 热效率按下式计算：3.6103Pcm DualfiD (2.1.5)式中，Pe为发动机功率，kWo四、试验过程与内容甲醇/柴油RCCI柴油机的试验环境温度为25 ,大气压力为实验室当地
9、海拔 (200Om)环境，试验采用的甲醇为99%浓度的燃料甲醇，柴油为0#柴油。采集的数据有最大缸压、排气温度、小时油耗、NOx、PM. HC、CO、Co2、 CH3、未燃甲醇（MEoH）、甲醛（HCHO）o集试验数据时，等待发动机运行稳定后采集，每个数据点采集5组，每次采 集间隔5秒，消除因排放采样探头与发动机之间的距离产生的延迟，如果排放采 样探头安装位置与发动机距离较远，可适当延长采集间隔，有必要时给排气管做 好保暖绝热处理，防止因降温导致排放数据失真。预处理数据时，在5组数据中 去掉两个极值，目的是去除因传感器漂移或者是在信号传输过程中出现的信号干 扰产生的错误。取剩余3组数据的平均值
10、作为该工况的试验值，尽可能的降低因 信号干扰带来的误差和人为采集导致的误差。测功机定转矩模式下，保持甲醇、柴油的喷射量和喷射正时不变，调节节气 门开度改变新鲜充量，研究过量空气系数对发动机经济性、排放性的影响。低负 荷工况下双燃料发动机THC排放较高，燃烧不稳定；高负荷工况下易发生爆震。 因此试验选取定转速（最大转矩转速2000rmin）的小负荷（负荷率25%）其中 25%负荷下甲醇替代率为O 15%, IO0%负荷下替代率为O 27%。如表1所示，节 气门开度开度为 30%、35%、40%、60%、80%、100%o表L过量空气系数（入）对发动机性能影响试验方案Tab.l The effec
11、t of excess air coefficient (入)OnenginePerfOrmanCeat 2000rmin负荷率Load rate柴油预喷正时Pre injection timing柴油主喷正时Main injection timing甲醇替代率Substitution rate节气门开度Throttle opening(%)(obTDC)(obTDC)(%)(%)2514.01.30153010010020.46.102730100五、结果与分析、讨论在2000r/min、IO0%负荷时，过量空气系数对氮氧化合物排放量的影响，如 图1所示：氮氧化合物随着过量空气系数的增加而增
12、加。随着甲醇替代率的不断 上升，尾气排放中的氮氧化合物排放量也在不断地下降，但下降幅度也在逐渐减 弱。随着过量空气系数的增加，燃烧变得充分，缸内燃烧温度整体上升，当过量 空气系数从1.35增加到1.60时，缸内局部会形成高温富氧燃烧区域，使得在不 同甲醇替代率下的氮氧化合物平均增加9.4%,最大增幅在12%甲醇替代率下， 增长幅值为ll%o当过量空气系数约为1.42附近时氮氧化合物的生成速率开始 变缓，原因是过量空气系数较大时，未参与燃烧的空气量增多，这部分空气会带 走大量热量，从而降低火焰温度，氮氧化合物的生成能力减弱。图1：Oooooo 5 0 5 0 5 0 12121 1U1010IE
13、dd)l如lMl100%负荷排放替替 % % % 原122127率率率 代代代9509001.351.401.451.501.551.60过量空气系数（入）如图2是2000rmin,过量空气系数对烟度排放的影响,在100%负荷,烟 度排放随着过量空气系数的增加而降低。100%负荷过量空气系数从135增加至 1.60时，最小降幅为纯柴油模式，降低幅值为20%。最大降幅是甲醇替代率为 27%时，降幅为33.3%。双燃料模式中平均降幅为29%。相比与纯柴油模式下， 烟度的降幅均有很大的提升。这是因为甲醇属于含氧燃料，就分子量而言其含氧 量高达50%,而且甲醛燃烧速度快同时具有高汽化潜热，喷进气道会降
14、低进气 温度而增加其密度，因此在加速时喷进一定量的甲醇，可以达到消除冒烟的目标, 抑制碳烟生成。图2：0. 12100%负荷排放1.351.401.451.501.551.60过量空气系数（入）Q)Hd包登如图3是2000rmin,过量空气系数对THC排放的影响，在100%负荷下，THC 排放随着过量空气系数增加而增加。过量空气系数从1.35增加至1.60时，双燃料模式下的THC排放增加幅值比纯柴油模式下的增幅大,THC排放增幅最大的时 12%替代率，增幅为80.8%。相比于纯柴油模式下，。主要是因为甲醇燃烧后主 要生成的是水和二氧化碳，排放的THC就会远远高于纯柴油燃烧。双燃料模式 中THC
15、的平均增幅为69.7%。THC的生成与缸内当量比有关。随着过量空气系数 增加，缸内混合器浓度降低，造成反应链断裂，不利于碳氢氧化和活性自由基积 累，不完全燃烧产物增多，导致THC排放随过量空气系数的增加而增加。如图4是2000rmin,过量空气系数对CO排放的影响。在：100%负荷，过量 空气系数从135增加至1.60时，双燃料模式下的CO排放随过量空气系数变化 不大。平均增长幅值为10.7%。主要原因在于：是CO是燃烧过程的中间产物， 它的生成主要是受燃烧室温度影响，随着甲醇替代率的增加，缸内燃烧温度下降, CO氧化反应速率变慢，且在膨胀和排气过程中受到化学反应动力学的控制，CO 排放增加，
16、但增加的速率很缓慢。如图5是2000rmin,过量空气系数对未燃甲醛HCHo排放的影响。在100% 负荷，未然甲醛排放随着过量空气系数的增加而增加。双燃料模式下燃甲醛排放 平均增加52.5%o过量空气系数从1.35增加至1.60时，替代率为12%、21%、27% 时HCHo的排放分别增长为57.6%、50%、50%。甲醛排放随着过量空气系数的 增加而增加。随着过量空气系数增加，氧浓度增加，有利于甲醛的生成。在双燃 料模式中甲醛来自于两部分，一部分是来自气缸中，另一部分时来自排气管中。 来自气缸中时因为甲醇氧化反应中断。排气管中尾气停留时间长，氧浓度高有利 于甲醇氧化为甲醛。Ooooo 108
17、6 4 2(Indd) OHOHO工/1-11.351.401.451.501.551.60过量空气系数（1）100%负荷排放如图6是2000rmin,过量空气系数对未燃甲醇MEOH排放的影响。在100% 负荷，未然甲醇排放随着过量空气系数的增加而增加。双燃料模式下燃甲醛排放平均增加82.3%o过量空气系数从1.35增加至1.60时，替代率为12%、21%、27% 时MEOH的排放分别增长为83.7%、84.8%、78.3%。MEoH排放增长最大的是甲 醇替代率为21%。在100%负荷下，增加过量空气系数，混合气浓度降低，缸内 可燃混合气过稀，火焰无法传播，部分甲醇为参与燃烧和氧化，甲醇排放随
18、着过 量空气系数的增加而增加。如图7是2000rmin,过量空气系数对排放的影响。双燃料模式的排放低于纯柴油模式。随甲醇替代率与过量空气系数增加而降低。在oo% 负荷、过量空气系数在1.35增加至1.60时，纯柴油模式降幅最小为10.4% o过量空气系数增加对排放降低最有利的是双燃料模式中替代率为21%时，0 02降幅达到了 o.7%0图7：Edd) Nos100%负荷排放10800010600010400()102000100000980009600094000920009000055 .Oo 45405 3过量空气系数（入）六、结论在100%负荷时，氮氧化合物随着过量空气系数的增加而增加，
19、平均增加幅 值为9.4%。原因是随着过量空气系数的增加，燃烧变得充分，缸内燃烧温度整 体上升，有利于氮氧化合物生成。烟度排放量随随着过量空气系数的增加而降低, 降低幅值为20%28.6 CO排放随着过量空气系数变化不大明显，在双燃料模式 下的平均增长幅值也仅为10.7%。THC排放随着过量空气系数增加而增加，平均 增长幅值高达69.7%。HeHO和MEoH在纯柴油模式下的排放很低，在双燃料模 式下均随着过量空气系数的增加而增加，平均增加幅值分别为52.5%、82.3%o 。2排放量随甲醇替代率与过量空气系数增加而降低，下降平均幅值为10.6%o七、试验原始数据过量空气系数氮氧化合物氮氧化合物氮
20、氧化合物氮氧化合物入PPm原机12%替代率21%替代率27%替代率1.3845611609709449211.40548119310339909681.423761199105410099941.475291206106010159981.5293512171068101710011.593491223107710211004过量空气系数烟度烟度烟度烟度入%原机12%替代率21%替代率27%替代率1.384560.120.10.090.081.405480.1070.0950.0860.0751.423760.1050.0910.0810.0711.475290.1040.0870.0780.
21、0651.529350.1030.0840.0740.0621.593490.10.080.070.06过量空气系数THCTHCTHCTHC入PPm原机12%替代率21%替代率27%替代率1.3845617991431831.423761.47529 1.52935 1.59349图4 :过量空气系数1.38456 1.405481.423761.47529 1.52935 1.59349图5 ： 过量空气系数入1.38456 1.405481.423761.47529 1.52935 1.5934925141180263281562162863016722029733179228309COC
22、OCOCOPPm21%替代率 27%替代率5738305848405938503343262187034445646884HCHOHCHOHCHOHCHOPPm原机12%替代率21%替代率27%替代率13354661.24365901.64870961.85075971.95180982.2528199603860图6：过量空气系数MEOHMEOHMEOHMEOHPPm原机12%替代率21%替代率27%替代率1. 384560.949791061.405480. 8651071541.423760.9721261731.475290.7881301761.529350.8891351801. 593490.990146189图7：过量空气系数CO2C02C02CO2PPm原机12%替代率21%替代率27%替代率1. 384561067631046361023451005201.4054810396510091698420959161.423761019649854795647945471.47529985319610294135921021. 52935969859490692862915061. 5934996692946419242091041
