第42卷第1期
2021年1月
哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报Journal of Harbin Engineering University
Vol.42ɴ.1
Jan.2021
姚春德1，王辉1，姚安仁1，蔡晓霞2，王斌1，陈超1，刘明宽1，李壮壮1
，吴建1
(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072;2.广西玉柴机器股份公司船电动力事业部，广西玉林537000) 摘㊀要：为使船舶柴油机能够燃用低燃点的甲醇燃料，本研究在一台高压共轨涡轮增压高速四冲程柴油机的进气道安装一套甲醇喷射系统，通过甲醇电控单元(ECU )与柴油ECU 协同工作，实现了船用发动机 柴油/甲醇双燃料燃烧(DMCC )㊂试验结果表明：改装后的发动机可以用双燃料模式工作，其燃烧相位都较纯柴油模式时有所提前，主放热时刻更接近上止点，并且最大缸压㊁放热率峰值和最高压升率都高于纯柴油模式㊂双燃料模式(加装DOC )时可以满足国Ⅰ排放标准,CO ㊁HC 和NO x 加权排放均低于纯柴油模式,PM 排放与纯柴油模式相当㊂主要工况的甲醇对柴油的替代率都超过40%，最高达到55%，仅有满负荷工况受最大缸压限制而使替代率为30%左右㊂关键词：甲醇；高速船舶柴油机；替代燃料；柴油/甲醇组合燃烧；双燃料发动机；船机排放法规DOI :10.11990/jheu.201906041 网络出版地址:http ://wwwki /kcms /detail /23.1390.u.20201210.1537.003.html 中图分类号:TK421.5㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006-7043(2021)01-0112-07
Performance study of diesel /methanol compound combustion
technology applied to high-speed marine engine
YAO Chunde 1
,WANG Hui 1
,YAO Anren 1
,CAI Xiaoxia 2
,WAGN Bin 1
,CHEN Chao 1
,
LIU Mingkaun 1,LI Zhuangzhuang 1,WU Jian 1
(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Ship Electric Power Division,Guangxi Yuchai Ma-chinery Co.,Ltd.,Yulin 537000,China)
Abstract :To use methanol as a fuel of marine diesel engine,a methanol injection system was mounted on the intake pipe of a high-pressure common rail and turbo-charge high-speed four-stroke marine engine.The marine engine diesel /methanol compound combustion (DMCC)was realized on the basis of the collaboration of methanol and diesel electronic control units.Meanwhile,an experimental study on pollutant emission was conducted.The results showed that the engine achieved high-efficiency combustion under the diesel /methanol dual-fuel mode.Under the same oper-ating condition and compared with the pure diesel mode,the combustion phase was in advance,the time of the main heat release was closer to the top dead center,and the maximum cylind
er pressure,peak heat release rate,and maxi-mum pressure rise rate were higher than those in the pure diesel mode.The dual-fuel mode (DOC added)can meet China Ⅰemission standards.CO-,HC-,and NO x -weighted emissions were all lower than those in the pure diesel mode,and particulate matter emission kept the same level with the pure diesel mode.The substitution rate of metha-nol for diesel oil under the main working conditions was over 40%,and the maximum was 55%.By contrast,under full-load working conditions,it was limited by the maximum cylinder pressure,and the substitution rate was approxi-mately 30%.
Keywords :methanol;high-speed marine diesel engine;alternative fuel;diesel /methanol compound combustion;dual-fuel engine;emission legislation of marine engine
收稿日期:2019-06-11.网络出版日期:2020-12-11.基金项目：国家自然科学基金重点项目(51676134).作者简介：姚春德，男，教授，博士.
通信作者：姚春德,E-mail:arcdyao@tju.edu.
㊀㊀船舶是全世界重要的交通运输工具，目前我国的通航里程超过了12.7万公里,2017年末全国拥
有水上运输船舶14.49万艘和59.93万艘的机动渔船[1]㊂柴油机因动力性强，经济性好，热效率高，稳
定性高等原因成为了船舶的主要动力[2]㊂但是随着我国石油对外依赖度的日渐升高和船舶排放法规的日趋严格[3]，高排放的传统柴油机越来越难满足未来船舶对动力系统的要求，因此寻
第1期姚春德，等:DMCC技术在高速船用柴油机上的应用研究
清洁可再生的替代能源已成为现阶段的研究热点[4-5]㊂
目前国内外将船舶替代燃料的更多焦点聚焦在天然气和生物柴油上[6-7]，虽然天然气和生物柴油能够减少船舶发动机有害污染物排放[8-9]，在我国 少气 的能源结构[10]和生物资源不足的国情面前，其发展前景还是令人担忧㊂甲醇作为一种结构简单的高含氧燃料，其燃烧清洁无污染；另外甲醇来源广泛，煤炭㊁天然气㊁生物质等均可制得[11]，并且CO2加氢制取的方法取得了长足的进步[12-13]；再加上我国甲醇产能居全球首位，因此甲醇作为船舶发动机的替代燃料有着较大的潜力㊂
由天津大学以车用柴油机为基础研发的柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)技术，利用甲醇的高气化潜热㊁高含氧量㊁燃烧速度快等特性实现了同时大幅降低NO x和PM排放的目的[14-15]㊂但目前较少见到船舶发动机应用DMCC技术的研究报道，因此为了使船舶发动机能够更好地应对能源危机和环境压力，本研究在一台高速船用柴油机上应用了DMCC 技术，探究了其燃烧与排放特性㊂
1㊀试验设备与步骤
www.ppm
1.1㊀试验设备
试验是在一台直列六缸四冲程增压中冷的船舶发动机上进行的，技术参数见表1㊂该款发动机采用了高压共轨燃油喷射系统㊂该款发动机主要安装于内河船㊁沿海船㊁江海直达船㊁海峡[渡]船和渔船等船型上㊂发动机主要性能参数见表1㊂
表1㊀发动机主要性能参数
Table1㊀Test engine specifications
参数值
型号YC6MK350DM-C20
型式船用主机
类别直列㊁水冷㊁四冲程
排量/L10.338
缸径ˑ行程/(mmˑmm)123ˑ145
额定功率/kW257
额定转速/(r㊃min-1)1800
怠速转速/(r㊃min-1)650
最大爆压/MPa15
㊀㊀试验前先将本船舶柴油机进行DMCC模式的改装㊂在柴油机的进气总管上安装了3个甲醇喷嘴，由一个甲醇泵为其提供压力为0.45MPa的甲醇㊂甲醇的喷射量和喷射时间由自主开发的甲醇电控单元(ECU)进行控制，增加的甲醇供给与喷射系统与原机的燃油供给系统完全独立㊂试验用柴油为含硫量小于10ppm的市售国Ⅵ柴油，甲醇为纯度99.9%的工业甲醇，两者的主要性能对比如下表2所示㊂为防止甲醇所具有的腐蚀性，试验中用到的各涉醇部件均采用耐醇设计㊂试验中用INCA7.0监控发动机柴油的实时喷射参数，用2台相同的油/醇耗仪分别测量柴油和甲醇质量流量㊂Kistler 6125CU20压力传感器结合AVL612IndiSmart燃烧分析仪能够监控缸内燃烧情况;ToCeiL20N150进气质量流量计用来测量发动机的进气流量;AVL415滤纸试烟度计用来测量PM排放,Horiba MEAX 7100DEGR和Horiba MEAX6000FT分别用来测量发动机常规和非常规气体排放㊂具体的台架试验系统如图1所示㊂
表2㊀试验用柴油甲醇特性
Table2㊀Properties of tested diesel and methanol
参数柴油甲醇
分子式 CH3OH 摩尔质量/(g㊃mol-1) 32
密度/(kg㊃m-3)840790
低热值/(MJ㊃kg-1)42.519.7
汽化潜热/(kJ㊃kg-1)2601178含氧量/% 50
含硫量/10-6<100
理论空燃比14.7 6.45
自燃温度/ħ250
450
图1㊀台架试验系统
Fig.1㊀Schematic diagram of experiment setup 1.2㊀试验模式和步骤
本试验是在不改变原发动机柴油标定MAP的条件下进行的㊂试验时，测功机使用 扭矩-转速 模式，发动机先采用纯柴油模式达到目标工况点，进行纯柴油模式试验(无DOC)，测量发动机的燃烧与排放的情况㊂然后通过甲醇ECU将甲醇喷入到发动机的进气总管中，进行双燃料模式实验㊂由于甲醇参与燃烧，测功机为控制发动机的转速和扭矩不变会主动通过减少油门踏板开度的方式来降低柴油的循环喷射量，从而达到了甲醇替代柴油的目的㊂通过燃烧分析仪观察缸内的燃烧情况，控制发动机的缸压㊁压力升高率和各缸循环变动情况在规定的
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哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第42卷
安全范围内，逐步增加甲醇的喷射量，直至发动机达到最大甲醇替代率㊂试验过程中发动机低温冷却水泵一直循环，高温冷却水由电磁比例阀调节控制其温度在78ħ附近，燃油温度保持在30ħ附近㊂
试验工况点是按照‘船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一㊁二阶段)“中规定的船舶发动机推进特性4个循环工况点进行选择的，具体参数如下表3所示㊂
表3㊀试验工况点
Table 3㊀Operation condictions in the experiment
工况号负荷百分比/%发动机转速/(r ㊃min -1)扭矩/(N ㊃m)功率/
kW
加权系数11001800
1360
257.00.202751638
1120
192.30.503501440
850
128.20.154
25
1134
539.7
64.1
0.15
㊀㊀将发动机改装为双燃料发动机后，甲醇对发动机功率的贡献量用甲醇替代率R M 表示，替代1kg 柴油所需消耗的甲醇量用替换比U M 表示㊂替代率和替换比的计算方法为:
R M =M D -M d
M D
ˑ100%(1)U M =
M M
M D -M d
(2)
式中:R M 为甲醇替代率;U M 为替换比;M D 为纯柴油模式下的柴油消耗量,kg /h;M d ㊁M M 分别为同一工况双燃料模式下的柴油消耗量和甲醇消耗量,kg /h㊂
2㊀燃烧情况分析
2.1㊀100%功率点燃烧分析
图2为纯柴油模式和双燃料模式下100%功率点缸压㊁放热率㊁压升率和缸内平均温度对比曲线㊂由缸压曲线可知，双燃料模式下压缩冲程的缸内压力明显低于纯柴油模式㊂在试验中对发动机的标定数据没有进行更改，随着甲醇的加入使得柴油的喷油时刻提前，纯柴油模式时喷油时刻为-5.6ʎCA ATDC，而双燃料模式时喷油时刻为-7.9ʎCA AT-DC，喷油时刻的前移使得燃烧相位前移；同时，双燃料模式下燃烧一半燃料放热对应的曲轴转角(CA50)较纯柴油模式下提前了4.5ʎCA，而且双燃料模式峰值放热率明显高于纯柴油模式，燃烧更加集中且更靠近上止点
㊂
图2㊀100%功率点下发动机的缸压㊁放热率㊁压升率和缸内平均温度曲线
Fig.2㊀Curves of cylidner pressure ,heat release rate ,pressure rise rate and in-cylinder mean temperature under 100%load
factor
㊀㊀从图2中还可以看出，双燃料模式下，最大缸压明显高于纯柴油模式，最大压力升高率也高于纯柴油模式，这是由于放热率峰值明显高于纯柴油模式，且更接近上止点，明显提升了燃烧的等容度㊂此外，主燃烧期内，双燃料模式的缸内平均温度明显高于纯柴油模式，这是由于双燃料模式下放热速率明显增加，累积放热量增加㊂2.2㊀50%功率点燃烧分析
图3为纯柴油模式和双燃料模式下50%功率点缸压㊁放热率㊁压升率和缸内平均温度对比曲线图㊂与上面工况点相同，双燃料模式下压缩阶段的缸内压力明显低于纯柴油模式，而最大缸压明
显高于纯柴油模式㊂不同的是，双燃料模式的着火时刻较纯柴油模式大幅提前，这是由于柴油ECU 标定MAP 在油量较小工况时的喷油时刻较早，同时增加了预喷策略，而在大油量工况喷油时刻较晚，没有采用预喷策略㊂该工况下，甲醇的替代率达到了55%，纯柴油模式时，发动机运行在大油量区间，当甲醇喷入后，柴油的循环油量下降，发动机工作在小油量区间，这时喷油时刻提前，同时还有预喷策略，因此使得该工况下的着火时刻大幅提前㊂
从图3中还可以看出，双燃料模式下最大压力升高率超过了0.4MPa /(ʎ)，最大压力升高率所对
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第1期姚春德，等:DMCC 技术在高速船用柴油机上的应用研究
应的曲轴转角也较纯柴油模式大幅提前㊂双燃料模式下的缸内平均温度也明显高于纯柴油模式
㊂
图3㊀50%功率点下发动机的缸压㊁放热率㊁压升率和缸内平均温度曲线
Fig.3㊀Curves of cylidner pressure ,heat release rate ,pressure rise rate and in-cylinder mean temperature under 50%load factor
3㊀排放分析
3.1㊀CO 排放分析
图4为发动机4个工况点不同模式下的CO 比排放㊂由图可知，纯柴油模式下4个工况点的CO 排放量均较低，其加权CO 排放量为0.69g /(kW ㊃h)㊂双燃料模式无DOC 的模式下,CO 排放量在不同功率点时都较高，其中75%功率点时达到了11.57g /(kW ㊃h)㊂其原因有2点:1)由于甲醇喷入时较高的汽化潜热使缸内温度降低，使缸内淬熄层的厚度增加，甲醇的火焰传播很难到达这个区域;2)双燃料模式下的滞
燃期延长[16-17]，主燃烧相位提前，燃烧后期缸内温度将低，导致不完全燃烧和较高的CO 排放[18-19]㊂在全负荷工况下CO 排放较低，这是由于缸内温度较高，有利于CO 的后期氧化㊂双燃料模式有DOC 的条件下,CO 排放量极低,4个工况点的加权CO 排放量为0.02g /(kW ㊃h)，而无DOC 的条件下4个工况点的加权CO 排放量为9.02g /(kW ㊃h),DOC 的转化效率达到了99.
77%㊂
图4㊀不同模式下发动机的当量CO 比排放
Fig.4㊀Brake specific CO emission comparison in different
engine modes
3.2㊀HC 排放分析
图5为发动机4个工况点不同模式下的当量
HC 比排放㊂由图5可知，双燃料模式无DOC 的情
况下HC 排放量远高于纯柴油模式，同时随着功率
的增加,HC 的排放量逐渐减少㊂造成此现象的原因有以下几点[18-19]:1)扫气的影响，双燃料模式下进入气缸的新鲜充量是空气与甲醇的预混气，在扫气过程中少量未燃混合气直接从排气门排出缸外;2)双燃料模式下甲醇与空气混合后进入气缸，在整个进气和压缩冲程中甲醇停留缸内时间长，存在的壁面冷激效应和狭隙效应等都会增加HC 排放;3)柴油机气缸周围的过量空气系数较大，使得甲醇以未然HC 的形式排出，小负荷时尤甚
㊂
图5㊀不同模式下发动机的当量HC 比排放
Fig.5㊀Brake specific HC emission comparision in different
engine modes
从图中还可以看出，纯柴油模式下HC 排放量较低,4个工况点加权的HC 排放量为0.1g /(kW ㊃h)；双燃料模式有DOC 的情况下4个工况点的HC 排
放量均为0g /(kW ㊃h)，而无DOC 时4个工况点加权的HC 排放量为2.79g /(kW ㊃h),DOC 的转化效率达到了100%㊂
3.3㊀NO x 排放分析
图6和图7为发动机4个工况不同模式下的
NO x 排放量和当量NO x 比排放对比图㊂从图中可以看出，双燃料模式DOC 之后的NO x 排放量要高于纯柴油模式，但是在除50%功率点外，双燃料无DOC 之后的当量NO x 比排放低于纯柴油模式，其主
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要原因可能在于：双燃料模式下燃烧相位早于纯柴油模式，后燃比例降低，排气温度降低，这使得双燃料模式时的发动机进气量要低于纯柴油模式，从而导致了排气流量的减少，进而导致了比排放的降低㊂双燃料模式主燃烧期时的燃烧持续期明显缩短，从而限制了NO x 排放生成㊂50%功率点时由于双燃料模式时的主放热时刻更接近上止点，缸内温度升高较多，因此NO x 排放量有所增加
㊂
图6㊀不同模式下发动机的NO x 排放量对比
Fig.6㊀NO x emission comparision chart in different engine
modes
图7㊀不同模式下发动机的当量NO x 比排放
Fig.7㊀Brake specific NO x emission comparision in differ-ent engine modes
3.4㊀PM 排放分析
图8为发动机4个工况点不同模式下的当量PM 比排放㊂前人研究表明，柴油甲醇组合燃烧方式会大幅
降低烟度排放[20-21]，其主要原因首先为甲醇含氧，燃烧时清洁无污染，甲醇的加入替代了部分柴油，使参与燃烧的柴油量减少；另外甲醇对柴油的抑制作用使滞燃期延长，预混燃烧比例增加，扩散燃烧比例减少，从而使PM 排放降低㊂本试验中，由图8可知,50%功率点时PM 排放较纯柴油模式有较大降幅，其余3个工况点双燃料模式和纯柴油模式的PM 排放相差不大，甚至在加装DOC 的条件下还有增加的现象㊂其原因主要为本试验未改变原机ECU 参数，原柴油标定MAP 在中小油量区间的喷油压力要低于大油量区间的喷油压力，双燃料模式时甲醇的加入减少了部分柴油，因此降低了此时柴
油喷油压力，使柴油雾化不良增加了PM 排放㊂对于50%功率点而言，该工况点的替代率达到了55%，使喷进的柴油量大幅减少，从而降低了PM 排放㊂双燃料模式下，在增加DOC 的情况下PM 排放略有增加的原因一方面可能是由于DOC 的使用增加了排气背压，而导致PM 的生成
㊂
图8㊀不同模式下发动机的当量PM 比排放
Fig.8㊀Brake specific PM emission comparision in different
engine modes
3.5㊀甲醛排放分析
前人研究表明，采用柴油/甲醇组合燃烧方式会使柴油机增加甲醛的排放，其主要原因为甲醇的不完全氧化反应生成了甲醛[22]㊂图9为船舶发动机4个工况点不同模式下的当量甲醛比排放㊂由图9可知，船舶发动机在采用柴油/甲醇双燃料燃烧后的甲醛排放量也会升高,4个工况点加权排放量为2.04g /(kW ㊃h)㊂但经过DOC 后处理器后的甲醛排放大幅降低,4个工况点加权排放量为0.016g /(kW ㊃h),DOC 后处理器对甲醛的氧化效率达到了99.
2%㊂
图9㊀不同燃料模式下的当量甲醛比排放
Fig.9㊀Formaldehyde emission comparision in different en-gine modes
3.6㊀加权排放分析
表4为发动机推进特性4个工况点的加权比排放㊂由表可知，双燃料模式无DOC 的情况下HC㊁CO 和甲醛排放较高，但在有DOC 的情况下HC 排放为0,CO 排放仅为国Ⅰ排放限制的0.4%，甲醛排放低于纯柴油模式㊂总之，在不改动原机ECU 数据的前提下，双燃料模式可以满足国Ⅰ排放标准㊂
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