柴油机燃用甲醇_柴油燃烧与排放特性试验研究

柴油机燃用甲醇/柴油燃烧与排放特性试验研究

赵

洋，王

忠，李瑞娜，刘

帅，王燕鹏

212013）

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江

摘

M10、M15）的甲醇/柴油混合燃料，要：通过配置3种甲醇掺混比例（M5、在不改变柴油机结果参数的条件

下，对比研究了柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料的燃烧和排放特性。结果表明：与柴油相比，随着甲醇掺混比的增加，柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料的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，瞬时放热率曲线呈单峰分布，放热率峰值增加，其对应的曲轴转角滞后，滞燃期延长；NOx排放略有增加，碳烟排放得到明CO和HC排放在小负荷时略有增加，显改善，在大负荷时增加明显。关键词：甲醇；柴油机；燃烧；排放

+

中图分类号：TK4212

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）02－0236－04

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.056

0引言

油耗低、动力强劲和可靠柴油机以其热效率高、

由于柴油机燃用此混合燃料的性能研究。结果表明，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

［7］

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

［1－3］

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

［8］

。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

［4］

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M10、M15）的甲醇/柴油混置3种甲醇掺混比例（M5、

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。

。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

［5］

。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

［6］

油机燃烧与排放的影响。黄佐华等人通过添加助

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

溶剂形成一种稳定的柴油/甲醇混合燃料，并开展了

收稿日期：2014－03－06

基金项目：国家自然科学基金项目（51376083）；江苏省高校自然科学

13KJA470001）；江苏省2013年基金项目（10KJA470009，

度普通高校研究生科研创新计划项目（CXZZ13－0672）；2011年江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

作者简介：赵

（E－洋（1988－），男，江苏连云港人，博士研究生，mail）zhaoyangujs@163．com。

被广泛用作5．0～6．5kW左右的水泵和发动机机组的0柴配套动力。柴油机的主要技术参数如表1所示，M5和M15的主要理化参数如表2所示。M5、M15油、

15%的甲醇/柴油混合表示甲醇质量分数分别为5%、

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5%、改动的条件下，选取了3种甲醇掺混比例（0%、15%）与柴油进行掺混，形成柴油/甲醇的混合燃料，M5、M15。按照负荷特性的试验方法，分别记为M0、

在最大扭矩转速1800r/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。

表1

项目柴油机型号

型式缸径×行程压缩比标定功率标定转速最大扭矩转速

表2粘度/mPa·s0．63．83．53．22．9

kWr/minr/min

燃料主要理化特性低热值Hu/kJ·kg－1

[***********]1039540

十六烷值

含氧量/%

mm

柴油机主要技术参数

单位

参数186FA

4冲程、制风冷、单缸、

自然吸气、直喷式

86×72196．330001800

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3者的综合效应使得最大爆发压力随甲醇掺混比用，

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

。

种类

图1最大扭矩转速100%负荷的示功图

2．2

3～545．042．841．240．1

47．003．54．24．7

燃烧放热率

最大扭矩转速100%负荷时，燃用不同甲醇掺混

甲醇柴油M0M5M10M15

比例的放热率曲线如图2所示。3种燃料的放热率曲M5和M15的放热率峰值分别为63．9、线均呈单峰；M0、

87．8、128．6J/°CA，5、7℃A。对应的曲轴转角分别为3、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

。

2

2．1

燃烧特性分析

示功图

M5最大扭矩转速100%负荷时，柴油机燃用M0、

和M15混合燃料的示功图如图1所示。

M0、M5和M15的最大爆发压由图1可以看出，

8．4、8．5MPa。与柴油M0相比，力分别为8．2、掺混甲醇的最大爆发压力变化不大，柴油最大爆发压力对M5、M15最大爆发压力对应应的曲轴转角为10°CA，

的曲轴转角较柴油分别滞后了约2°CA和3°CA。

M5和M15燃料综上所述可知：最大扭矩转速时，

的最大爆发压力较柴油M0有所升高，在小负荷时升

图2

最大扭矩转速100%负荷的放热率

M5和M15燃料综上可以看出：最大扭矩转速时，

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。

HC排放略有下降，100%负荷时出现小负荷的增加，

100%负荷时与柴油相比，幅上升。试验表明，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

。

3排放特性分析

图3为在转速1800r/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CO排放略微降低，100%负荷时CO排放负荷的增加，

100%负荷时，急剧上升。试验数据表明，与柴油相M10和M15的CO体积浓度分别升高了比，燃用M5、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）［9］，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=6．76×10exp（T/1102）［10］，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

。

10

图4甲醇掺混比对HC的影响

图5为在转速1800r/min条件下甲醇掺混比对NOx

NOx排随着甲醇掺混比的增加，排放的影响。可以看出，

随着负荷的增加，放略有升高。从负荷特性中可以看出，

NOx排放呈上升趋势：从低负荷到中负荷时，NOx增加较NOx的增加速率变小。试验表快；从中负荷到大负荷时，

M10和M15的100%负荷时与柴油相比，燃用M5、明，

7．5%、8．9%，NOx排放分别升高了2．0%、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

NOx体积浓度升高。高燃烧温度升高，

图6为在转速1800r/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，100%负荷时与柴油排气烟度逐渐降低。试验表明，

M10和M15的排气烟度分别降低了相比，燃用M5、

图3甲醇掺混比对CO的影响

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

图4为在转速1800r/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

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O和氧化共同决定，导致碳烟氧化的主要物质有OH、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OH与最易形成碳核的前驱体乙炔（C2H2）反应质中，

反应最为迅速，使碳烟的生成受到抑的活化能最低，制

［11］

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，NOx排放略有增加，随着甲醇掺混比的增加，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：

［1］SlavinskayaNA，FrankP．Amodellingstudyofaromatic

sootprecursorsformationinlaminarmethaneandetheneflames［J］．CombustionandFlame，2009，156：1705－1722．

［2］王忠，李铭迪，李立琳，等．基于ＲOP的含氧燃料PAHs形

J］．江苏大学学报：自然科学版，2012，33（2）：成分析［155－159．

［3］范晨阳，徐斌，刘亚哲，等．柴油机燃用生物柴油的经济

J］．农机化研究，2013，35（2）：210－213．性和排放特性［

［4］李芳，张学敏，葛蕴珊，等．甲醇柴油与生物柴油常规污

．农机化研究，2009，31（7）：218－染物的对比研究［J］222．

［5］许汉君，姚春德，徐广兰．正庚烷－甲醇二元燃料着火的

。

图5

甲醇掺混比对NOx

的影响

23步反应模型［J］．内燃机学报，2011，29（5）：391－397．［6］

HuangZuohua，LuHongbingetal．StudyonCombustionCharacteristicsofaDIDieselEngineOperatingonDiesel/MethanolBlends［J］．TransactionofCSICE，2003，21（6）：401－410．

［7］王继先，蔡曾华．柴油机燃用柴油/甲醇双燃料的试验研

J］．农业工程学报，2001，17（2）：75－79．究［

［8］王利军，刘圣华．高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排

J］．西安交通大学学报，2007，41（1）：14－放特性的研究［17．

［9］陈振斌，张惜辉，等．乙醇－丁醇－柴油混合燃料倪计民，

．农业工程学报，2012，28的车辆排放性和经济性［J］

图6甲醇掺混比对烟度的影响

（7）：62－66．

［10］张登攀．柴油机进气预混甲醇的台架试验和醇气混合过

D］．镇江：江苏大学，2011．程数值模拟［

［11］赵昌普，宋崇林，董素荣，等．柴油机燃烧多环芳香烃前

．燃烧科学与技术，驱体等物质的化学动力学研究［J］2005，11（1）：29－35．

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，放热率曲线呈单

（下转第244页）

2015年2月农机化研究

2009．学工业出版社，

第2期

4结论

增强太阳辐照，太阳能电池的输当温度不变时，

［2］向欢．太阳能绿地灌溉系统［D］．长沙：湖南农业大学，

2013．

［3］李娟，．济孙莹．光伏发电MPPT控制方法研究综述［D］

2012．南：山东大学，

［4］余海．太阳能利用综述及提高其利由用率的途径［J］．新

2004（3）：4－37．能源研究与利用，

［5］孙迎光．太阳能光伏发电技术［2002，J］．新能源与工艺，

12（3）：41－46．

［6］王勇．太阳能电池最大功率跟踪及在光伏水泵中的应用

［J］．能源工程，2002，5（3）：4－6．

Matlab通用仿真［7］余世杰，苏建徽．带有MPPT功能的光伏，

J］．系统仿真学报，2005，17（5）：123－125．模型［

［8］张礼胜，李全．基于模糊控制的光伏电池MPPT的设计

［J］．现代电子技术，2009（8）：165－167．

出电压略有变化，而电流明显增大；当温度不变时，减弱太阳辐照，太阳能电池的输出电压略有变化，而电流降低。当太阳辐照不变、温度变大时，电压变小，电流略有增加，功率下降；当太阳辐照不变、温度降低时，电压变大，电流略有降低，功率增加。因此，所建立的模型基本符合实际情况。本文所研究的最大功率点跟踪算法无论温度参数和辐照参数如何变化，系统均能快速响应并能实现太阳能电池的输出功率稳定在最大功率点附近，各参数波动范围小。参考文献：

［1］王长贵，M］．北京：化王斯成．太阳能光伏发电实用技术［

SimulationandＲesearchofMPPTofSolarGreenLandIrrigation

22

KuangYingchun1，，OuMingwen1，ZengWenhui1，YaoBangsong1，

（1．CollegeofEngineering，HunanAgriculturalUniversity，Changsha410128，China；2．HunanProvincialEngineeringTechnologyＲesearchCenterforModernAgricultral，Changsha410128，China）

Abstract：Inordertoimprovetheconversionefficiencyofsolarcells，itisnecessarytotrackoutputofthemaximumpower．Inthispaper，aimingtosolarpowersystemforgreenlandirrigation，accordingtothemodelanditsoutputchar-acteristicsofsolarcells，thetrackingmethodcombineconstantpressurewithdisturbanceobservation，realizedthetrack-ingofmaximumpowerpointofsolarbattery，andisverifiedbysimulation．

Keywords：solarcells；constantvoltagetrackingmethod；thedisturbanceobservationmethod；themaximumpowerpointtracking；greenlandirrigation（上接第239页）

AbstractID：1003－188X（2015）02－0236－EA

StudyonCombustionandEmissionCharacteristicsof

DieselEngineUsingMethanol/DieselBlends

ZhaoYang，WangZhong，LiＲuina，LiuShuai，WangYanpeng

（SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）

Abstract：Thecombustionandemissioncharacteristicsofmethanol/dieselblendswiththreekindsofblendingratio（M5，M10，M15）werecomparativelyinvestigatedin186FAdieselenginewithoutchangingthestructureparameters．Theresultsindicatedthat，comparedwithdiesel，withtheincreaseofblendingratio，themaximumcylinderpressurein-creased，themaximumrateofpressureriseimproved，combustionstartdelayed，instantaneousheatreleaseratecurveex-hibitedanunimodalvariation，peakofheatreleaseincreasedandcorrespondingcrankangelhysteresis，ignitiondelaywasextended；NOXemissionincreasedslightly，sootemissionsignificantlyimproved，COandHCemissionincreasedslightlyatlowload，significantlyathighload．

Keywords：methanol；dieselengine；combustion；emission

柴油机燃用甲醇/柴油燃烧与排放特性试验研究

赵

洋，王

忠，李瑞娜，刘

帅，王燕鹏

212013）

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江

摘

M10、M15）的甲醇/柴油混合燃料，要：通过配置3种甲醇掺混比例（M5、在不改变柴油机结果参数的条件

下，对比研究了柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料的燃烧和排放特性。结果表明：与柴油相比，随着甲醇掺混比的增加，柴油机燃用甲醇/柴油混合燃料的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，瞬时放热率曲线呈单峰分布，放热率峰值增加，其对应的曲轴转角滞后，滞燃期延长；NOx排放略有增加，碳烟排放得到明CO和HC排放在小负荷时略有增加，显改善，在大负荷时增加明显。关键词：甲醇；柴油机；燃烧；排放

+

中图分类号：TK4212

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）02－0236－04

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.056

0引言

油耗低、动力强劲和可靠柴油机以其热效率高、

由于柴油机燃用此混合燃料的性能研究。结果表明，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

［7］

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

［1－3］

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

［8］

。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

［4］

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M10、M15）的甲醇/柴油混置3种甲醇掺混比例（M5、

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。

。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

［5］

。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

［6］

油机燃烧与排放的影响。黄佐华等人通过添加助

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

溶剂形成一种稳定的柴油/甲醇混合燃料，并开展了

收稿日期：2014－03－06

基金项目：国家自然科学基金项目（51376083）；江苏省高校自然科学

13KJA470001）；江苏省2013年基金项目（10KJA470009，

度普通高校研究生科研创新计划项目（CXZZ13－0672）；2011年江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

作者简介：赵

（E－洋（1988－），男，江苏连云港人，博士研究生，mail）zhaoyangujs@163．com。

被广泛用作5．0～6．5kW左右的水泵和发动机机组的0柴配套动力。柴油机的主要技术参数如表1所示，M5和M15的主要理化参数如表2所示。M5、M15油、

15%的甲醇/柴油混合表示甲醇质量分数分别为5%、

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5%、改动的条件下，选取了3种甲醇掺混比例（0%、15%）与柴油进行掺混，形成柴油/甲醇的混合燃料，M5、M15。按照负荷特性的试验方法，分别记为M0、

在最大扭矩转速1800r/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。

表1

项目柴油机型号

型式缸径×行程压缩比标定功率标定转速最大扭矩转速

表2粘度/mPa·s0．63．83．53．22．9

kWr/minr/min

燃料主要理化特性低热值Hu/kJ·kg－1

[***********]1039540

十六烷值

含氧量/%

mm

柴油机主要技术参数

单位

参数186FA

4冲程、制风冷、单缸、

自然吸气、直喷式

86×72196．330001800

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3者的综合效应使得最大爆发压力随甲醇掺混比用，

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

。

种类

图1最大扭矩转速100%负荷的示功图

2．2

3～545．042．841．240．1

47．003．54．24．7

燃烧放热率

最大扭矩转速100%负荷时，燃用不同甲醇掺混

甲醇柴油M0M5M10M15

比例的放热率曲线如图2所示。3种燃料的放热率曲M5和M15的放热率峰值分别为63．9、线均呈单峰；M0、

87．8、128．6J/°CA，5、7℃A。对应的曲轴转角分别为3、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

。

2

2．1

燃烧特性分析

示功图

M5最大扭矩转速100%负荷时，柴油机燃用M0、

和M15混合燃料的示功图如图1所示。

M0、M5和M15的最大爆发压由图1可以看出，

8．4、8．5MPa。与柴油M0相比，力分别为8．2、掺混甲醇的最大爆发压力变化不大，柴油最大爆发压力对M5、M15最大爆发压力对应应的曲轴转角为10°CA，

的曲轴转角较柴油分别滞后了约2°CA和3°CA。

M5和M15燃料综上所述可知：最大扭矩转速时，

的最大爆发压力较柴油M0有所升高，在小负荷时升

图2

最大扭矩转速100%负荷的放热率

M5和M15燃料综上可以看出：最大扭矩转速时，

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。

HC排放略有下降，100%负荷时出现小负荷的增加，

100%负荷时与柴油相比，幅上升。试验表明，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

。

3排放特性分析

图3为在转速1800r/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CO排放略微降低，100%负荷时CO排放负荷的增加，

100%负荷时，急剧上升。试验数据表明，与柴油相M10和M15的CO体积浓度分别升高了比，燃用M5、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）［9］，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=6．76×10exp（T/1102）［10］，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

。

10

图4甲醇掺混比对HC的影响

图5为在转速1800r/min条件下甲醇掺混比对NOx

NOx排随着甲醇掺混比的增加，排放的影响。可以看出，

随着负荷的增加，放略有升高。从负荷特性中可以看出，

NOx排放呈上升趋势：从低负荷到中负荷时，NOx增加较NOx的增加速率变小。试验表快；从中负荷到大负荷时，

M10和M15的100%负荷时与柴油相比，燃用M5、明，

7．5%、8．9%，NOx排放分别升高了2．0%、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

NOx体积浓度升高。高燃烧温度升高，

图6为在转速1800r/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，100%负荷时与柴油排气烟度逐渐降低。试验表明，

M10和M15的排气烟度分别降低了相比，燃用M5、

图3甲醇掺混比对CO的影响

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

图4为在转速1800r/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

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O和氧化共同决定，导致碳烟氧化的主要物质有OH、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OH与最易形成碳核的前驱体乙炔（C2H2）反应质中，

反应最为迅速，使碳烟的生成受到抑的活化能最低，制

［11］

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，NOx排放略有增加，随着甲醇掺混比的增加，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：

［1］SlavinskayaNA，FrankP．Amodellingstudyofaromatic

sootprecursorsformationinlaminarmethaneandetheneflames［J］．CombustionandFlame，2009，156：1705－1722．

［2］王忠，李铭迪，李立琳，等．基于ＲOP的含氧燃料PAHs形

J］．江苏大学学报：自然科学版，2012，33（2）：成分析［155－159．

［3］范晨阳，徐斌，刘亚哲，等．柴油机燃用生物柴油的经济

J］．农机化研究，2013，35（2）：210－213．性和排放特性［

［4］李芳，张学敏，葛蕴珊，等．甲醇柴油与生物柴油常规污

．农机化研究，2009，31（7）：218－染物的对比研究［J］222．

［5］许汉君，姚春德，徐广兰．正庚烷－甲醇二元燃料着火的

。

图5

甲醇掺混比对NOx

的影响

23步反应模型［J］．内燃机学报，2011，29（5）：391－397．［6］

HuangZuohua，LuHongbingetal．StudyonCombustionCharacteristicsofaDIDieselEngineOperatingonDiesel/MethanolBlends［J］．TransactionofCSICE，2003，21（6）：401－410．

［7］王继先，蔡曾华．柴油机燃用柴油/甲醇双燃料的试验研

J］．农业工程学报，2001，17（2）：75－79．究［

［8］王利军，刘圣华．高比例甲醇柴油双燃料发动机燃烧与排

J］．西安交通大学学报，2007，41（1）：14－放特性的研究［17．

［9］陈振斌，张惜辉，等．乙醇－丁醇－柴油混合燃料倪计民，

．农业工程学报，2012，28的车辆排放性和经济性［J］

图6甲醇掺混比对烟度的影响

（7）：62－66．

［10］张登攀．柴油机进气预混甲醇的台架试验和醇气混合过

D］．镇江：江苏大学，2011．程数值模拟［

［11］赵昌普，宋崇林，董素荣，等．柴油机燃烧多环芳香烃前

．燃烧科学与技术，驱体等物质的化学动力学研究［J］2005，11（1）：29－35．

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，放热率曲线呈单

（下转第244页）

2015年2月农机化研究

2009．学工业出版社，

第2期

4结论

增强太阳辐照，太阳能电池的输当温度不变时，

［2］向欢．太阳能绿地灌溉系统［D］．长沙：湖南农业大学，

2013．

［3］李娟，．济孙莹．光伏发电MPPT控制方法研究综述［D］

2012．南：山东大学，

［4］余海．太阳能利用综述及提高其利由用率的途径［J］．新

2004（3）：4－37．能源研究与利用，

［5］孙迎光．太阳能光伏发电技术［2002，J］．新能源与工艺，

12（3）：41－46．

［6］王勇．太阳能电池最大功率跟踪及在光伏水泵中的应用

［J］．能源工程，2002，5（3）：4－6．

Matlab通用仿真［7］余世杰，苏建徽．带有MPPT功能的光伏，

J］．系统仿真学报，2005，17（5）：123－125．模型［

［8］张礼胜，李全．基于模糊控制的光伏电池MPPT的设计

［J］．现代电子技术，2009（8）：165－167．

出电压略有变化，而电流明显增大；当温度不变时，减弱太阳辐照，太阳能电池的输出电压略有变化，而电流降低。当太阳辐照不变、温度变大时，电压变小，电流略有增加，功率下降；当太阳辐照不变、温度降低时，电压变大，电流略有降低，功率增加。因此，所建立的模型基本符合实际情况。本文所研究的最大功率点跟踪算法无论温度参数和辐照参数如何变化，系统均能快速响应并能实现太阳能电池的输出功率稳定在最大功率点附近，各参数波动范围小。参考文献：

［1］王长贵，M］．北京：化王斯成．太阳能光伏发电实用技术［

SimulationandＲesearchofMPPTofSolarGreenLandIrrigation

22

KuangYingchun1，，OuMingwen1，ZengWenhui1，YaoBangsong1，

（1．CollegeofEngineering，HunanAgriculturalUniversity，Changsha410128，China；2．HunanProvincialEngineeringTechnologyＲesearchCenterforModernAgricultral，Changsha410128，China）

Abstract：Inordertoimprovetheconversionefficiencyofsolarcells，itisnecessarytotrackoutputofthemaximumpower．Inthispaper，aimingtosolarpowersystemforgreenlandirrigation，accordingtothemodelanditsoutputchar-acteristicsofsolarcells，thetrackingmethodcombineconstantpressurewithdisturbanceobservation，realizedthetrack-ingofmaximumpowerpointofsolarbattery，andisverifiedbysimulation．

Keywords：solarcells；constantvoltagetrackingmethod；thedisturbanceobservationmethod；themaximumpowerpointtracking；greenlandirrigation（上接第239页）

AbstractID：1003－188X（2015）02－0236－EA

StudyonCombustionandEmissionCharacteristicsof

DieselEngineUsingMethanol/DieselBlends

ZhaoYang，WangZhong，LiＲuina，LiuShuai，WangYanpeng

（SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China）

Abstract：Thecombustionandemissioncharacteristicsofmethanol/dieselblendswiththreekindsofblendingratio（M5，M10，M15）werecomparativelyinvestigatedin186FAdieselenginewithoutchangingthestructureparameters．Theresultsindicatedthat，comparedwithdiesel，withtheincreaseofblendingratio，themaximumcylinderpressurein-creased，themaximumrateofpressureriseimproved，combustionstartdelayed，instantaneousheatreleaseratecurveex-hibitedanunimodalvariation，peakofheatreleaseincreasedandcorrespondingcrankangelhysteresis，ignitiondelaywasextended；NOXemissionincreasedslightly，sootemissionsignificantlyimproved，COandHCemissionincreasedslightlyatlowload，significantlyathighload．

Keywords：methanol；dieselengine；combustion；emission