0 引言

柴油机以其热效率高、油耗低、动力强劲和可靠耐用而得到广泛的应用。但柴油机的碳烟排放较高，其中的多环芳香烃(PAHs)和多环芳香烃的硝基化合物具有致癌性。随着排放法规的日益严格，降低柴油机碳烟排放已成为国内外学者研究的重点。燃油品质、柴油机燃烧系统、柴油机燃烧过程等对碳烟的形成有很大影响。在这些因素中，燃油品质对碳烟的形成有重要作用。

甲醇作为一种清洁替代燃料，具有含氧量高、汽化潜热大、着火极限宽等优点。利用甲醇沸点低、混合气形成均匀及燃烧速度快的特点，可以有效抑制燃烧后期碳核的形成，降低柴油机的碳烟排放。另外，由于甲醇的汽化潜热较大，在形成混合气时会产生冷却效应，使进气温度降低，从而提高充气系数，在一定程度上可以改善发动机的燃烧情况。但由于甲醇和柴油的极性差异很大，在柴油机上进行甲醇/柴油的大规模推广应用仍需要大量的理论和试验研究，以解决甲醇与柴油互溶性问题，并优化甲醇对柴油机燃烧与排放的影响。黄佐华等人通过添加助溶剂形成一种稳定的柴油/甲醇混合燃料，并开展了柴油机燃用此混合燃料的性能研究。结果表明，由于预混燃烧量的增加、燃料富氧和扩散燃烧的改善，发动机热效率随甲醇含量的增加而改善。王继先等人通过采用化醇器法进行了预混合甲醇的试验。结果表明，在甲醇的吸入量为 22% ～56% 的范围内，柴油机的工作性能稳定、动力性和经济性均有提高、排气烟度明显改善，并在常温下具有良好的起动性能。王利军等人对发动机在高比例甲醇柴油双燃料工作模式下的排放特性进行了研究。结果表明，发动机的 HC 和 CO 排放有所升高，但 NOx和碳烟排放大幅度下降。

采用正丁醇、异戊醇和生物柴油作为助溶剂，配置3 种甲醇掺混比例(M5、M10、M15)的甲醇/柴油混合燃料。在不改变柴油机结果参数的条件下，对比分析了柴油机燃用不同甲醇掺混比的甲醇/柴油混合燃料的示功图、压力升高率和燃烧放热律等参数，考察了甲醇掺混比对 NOx、碳烟等常规排放污染物的影响，为推广甲醇燃料在农用单缸柴油机上的应用提供相关的理论依据。

1 燃料性质与试验方案

试验采用单缸风冷式 186FA 非道路用柴油机，其被广泛用作5．0 ～6．5kW 左右的水泵和发动机机组的配套动力。柴油机的主要技术参数如表 1 所示，0#柴油、M5 和 M15 的主要理化参数如表2 所示。M5、M15表示甲醇质量分数分别为5%、15%的甲醇/柴油混合燃料。由表2 可以看出，随着甲醇掺混比的增加，混合燃料的十六烷值、低热值、粘度有所降低。这主要是由于甲醇本身的十六烷值、低热值和粘度较低的原因。混合燃料的含氧量随着甲醇掺混比例的增加从 0上升到4．7，这主要是由于甲醇的含氧量高到 47%，混合燃料中的氧主要来自于甲醇。

在186FA 柴油机的结构参数和供油提前角不做改动的条件下，选取了 3 种甲醇掺混比例(0%、5%、15% ) 与柴油进行掺混，形成柴油 / 甲醇的混合燃料，分别记为 M0、M5、M15。按照负荷特性的试验方法，在最大扭矩转速1 800r/min 下，探讨柴油机燃用不同混合燃料的排放特性。基于燃烧示功图的分析，考察了甲醇掺混比对缸内压力、压力升高率和放热规律的影响。

2 燃烧特性分析

2． 1 示功图

最大扭矩转速100%负荷时，柴油机燃用 M0、M5和 M15 混合燃料的示功图如图1 所示。

由图1 可以看出，M0、M5 和 M15 的最大爆发压力分别为 8． 2、8． 4、8． 5 MPa。与柴油 M0 相比，掺混甲醇的最大爆发压力变化不大，柴油最大爆发压力对应的曲轴转角为 10°CA，M5、M15 最大爆发压力对应的曲轴转角较柴油分别滞后了约2°CA 和3°CA。

综上所述可知:最大扭矩转速时，M5 和 M15 燃料的最大爆发压力较柴油 M0 有所升高，在小负荷时升高较为明显，且随甲醇掺混比例的增大而增大。这主要是因为:①M5 和 M15 燃料的滞燃期较长导致形成的混合气数量较多;②甲醇/柴油由于在助溶剂的作用下形成“油包醇”型小颗粒乳化液，燃料喷入气缸后，产生的“微爆”效应，使进入气缸的燃料与空气能形成较均匀的混合气;③燃料的自供氧起到了助燃作用，3 者的综合效应使得最大爆发压力随甲醇掺混比例的增大而增大。缸内最大压力升高率主要与滞燃期内形成的可燃混合气的数量和质量有关，甲醇等含氧燃料中活性氧含量对其也会产生重要的影响。因此，随着甲醇掺混比的增大，缸内最大压力升高率越大。这从侧面反映出柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料可能造成柴油机工作粗暴，并承受较高的冲击负荷。所以，甲醇在混合燃料中的含量不宜过大。

2． 2 燃烧放热率

最大扭矩转速 100% 负荷时，燃用不同甲醇掺混比例的放热率曲线如图2 所示。3 种燃料的放热率曲线均呈单峰;M0、M5 和 M15 的放热率峰值分别为63．9、87． 8、128． 6 J / °CA，对应的曲轴转角分别为 3、5、7℃ A。可以看出，随着甲醇掺混比例的增加，燃烧始点推迟，放热率峰值增加，峰值对应的曲轴转角滞后。

综上可以看出:最大扭矩转速时，M5 和 M15 燃料的放热率峰值较柴油 M0 有所升高，峰值对应的曲轴转角有所滞后，且随甲醇掺混比例的增大而增大。其主要原因甲是醇的汽化潜热较高降低了缸内温度，且甲醇的低十六烷值使混合燃料的十六烷值有所降低，导致滞燃期延长，减缓了放热过程的进行。甲醇良好的挥发性则会加快燃油与空气的混合速率，导致滞燃期内积聚的可燃混合气数量增多，且甲醇的自供养功能使放热速率加快。

3 排放特性分析

图3 为在转速 1 800r/min 条件下甲醇掺混比对CO 排放的影响。可以看出，随着甲醇掺混比的增加，CO 排放呈上升趋势。从负荷特性中可以看出，随着负荷的增加，CO 排放略微降低，100%负荷时 CO 排放急剧上升。试验数据表明，100% 负荷时，与柴油相比，燃用 M5、M10 和 M15 的 CO 体积浓度分别升高了79% 、83% 、87% 。这主要是因为 CO 是烃类燃料燃烧的中间产物和不完全燃烧产物之一，其生成过程为:ＲH→Ｒ→ＲO2→ＲCHO→ＲCO→CO(Ｒ 代表烃基)，CO 在后续燃烧过程中会逐渐被 OH 氧化成 CO2，即CO + OHCO2+ H，氧化速率为 KCO= 6． 76 × 1010exp(T/1102)，可知此 CO 的氧化受温度影响较大。由于甲醇的汽化潜热较大，掺烧甲醇后混合燃料在燃烧过程中平均循环温度降低，使得燃烧过程中不完全燃烧现象增加。随着负荷的增加，含氧燃料中的氧原子对燃烧的作用增加，使 CO 排放略有降低。高负荷时，空燃比较小，气缸中局部缺氧的区域范围增加，导致 CO 浓度迅速上升。

图4 为在转速 1 800r/min 条件下甲醇掺混比对HC 排放的影响。可以看出，随着甲醇掺混比的增加，HC 排放呈上升趋势。从负荷特性中可以看出，随着负荷的增加，HC 排放略有下降，100% 负荷时出现小幅上升。试验表明，100% 负荷时与柴油相比，燃用M5、M10 和 M15 的 HC 排放分别升高 28． 3% 、55． 8% 、69． 1% 。这是因为柴油机的 HC 排放主要产生于喷雾油束外围的油气混合过稀区域，是燃料不完全燃烧形成的产物。由于甲醇沸点较低，汽化潜热较大，易从喷雾油束中蒸发出来，在油束外围与空气混合形成低温、过稀的燃油混合气，其中的燃料难以完全燃烧，并且甲醇的十六烷值极低，混合燃料的热值较低，着火性差，从而产生较多的 HC 排放。

图5 为在转速1800r/min 条件下甲醇掺混比对 NOx排放的影响。可以看出，随着甲醇掺混比的增加，NOx排放略有升高。从负荷特性中可以看出，随着负荷的增加，NOx排放呈上升趋势:从低负荷到中负荷时，NOx增加较快;从中负荷到大负荷时，NOx的增加速率变小。试验表明，100%负荷时与柴油相比，燃用M5、M10 和 M15 的NOx排放分别升高了 2． 0% 、7． 5%、8． 9%，增加幅度不大。这主要是因为高温持续时间和含氧量是影响 NOx生成的主要因素，一方面甲醇的含氧量高达47% 左右，氧含量增加后，会促进反应 N + O2NO +O 和 N + OHNO + H 的进行，从而导致 NO 的生成量增加。另一方面，由于甲醇十六烷值极低，自燃着火性较差，燃烧过程中滞燃期过长，着火前形成较多的可燃混合气在上止点附近几乎同时燃烧，导致缸内最高燃烧温度升高，NOx体积浓度升高。

图6 为在转速 1 800r/min 条件下甲醇掺混比对排气烟度影响。可以看出，随着甲醇掺混比的增加，排气烟度逐渐降低。试验表明，100% 负荷时与柴油相比，燃用 M5、M10 和 M15 的排气烟度分别降低了16． 1% 、30． 6% 、43． 5% 。这主要是因为碳烟是燃料在高温缺氧环境中不完全燃烧形成的产物，一方面由于甲醇的汽化潜热较大、含氧量高，在扩散燃烧模式中形成混合气时能够降低进气温度，增加混合气的氧浓度，减少局部过浓区域的范围，从而降低碳烟的生成;另一方面，燃料燃烧过程中碳烟的生成量由生成和氧化共同决定，导致碳烟氧化的主要物质有 OH、O和 O2，甲醇在燃烧初期主要发生的反应是分解产生大量的自由基 OH，在柴油燃烧反应生成的各种中间物质中，OH 与最易形成碳核的前驱体乙炔(C2H2)反应的活化能最低，反应最为迅速，使碳烟的生成受到抑制。

4 结论

1) 与柴油相比，柴油机燃用甲醇 / 柴油混合燃料，随着甲醇掺混比的增加，缸内最大爆发压力升高，最大压力升高率增加，燃烧始点推迟，放热率曲线呈峰分布，放热率峰值增加，其对应的曲轴转角滞后，滞燃期延长。

2)与柴油相比，柴油机燃用甲醇 /柴油混合燃料，随着甲醇掺混比的增加，NOx排放略有增加，碳烟排放得到明显改善;CO 和 HC 排放在小负荷时略有增加，在大负荷时增加明显。

参考文献（略）