甲醇裂解气对发动机爆震的影响

陈 齐 董小瑞

（中北大学）

1 爆震及其产生原因

汽油发动机的正常燃烧是指由火花塞点燃混合气，燃烧火焰火花为中心，迅速向四周传播，将燃烧室内的混合气全部引燃的燃烧过程。爆震是汽油发动机的一种不正常燃烧，它通常是由于尚未燃烧的可燃混合气在压缩、热辐射的作用下，温度急剧升高，在火焰前锋未达到之前而自燃的结果。发生爆震时，气缸内燃料急剧燃烧，压力异常升高，产生压力冲击波撞击燃烧室壁、活塞顶等部位，发出尖锐的金属敲击声。又因燃烧气体的振动热传递性好，如果这种情况持续发生，就会使火花塞电极、活塞等产生过热或熔损现象，损坏发动机。爆震会使发动机热效率降低，输出功率下降，同时其产生的冲击波还会破坏燃烧室壁面润滑膜，因此，爆震是一种最有害的故障现象，必须加以控制。

2 甲醇裂解气的制取

反应器主体结构如图1所示。反应器主体分蒸发裂解区 ．裂解主反应区及缓冲区各个部分，并根据各个反应区不同的反应特性选择不同的催化剂。甲醇通过铜管通入甲醇反应器，在蒸发裂解区滴入反应器。在蒸发裂解区甲醇吸收热量迅速汽化，并在催化剂的作用下形成甲醇部分裂解气。从蒸发区上来的初步裂解气在反应器的裂解主反应区催化剂的作用下充分催化裂解，小部分未裂解的甲醇蒸汽在反应器的缓冲区进行再次裂解，并从缓冲区的裂解气出口流出反应器。

图1 反应器主体结构

2．1 甲醇裂解气对爆震的影响

裂解气体积分数分别为1%、3%、5%的试验燃料和基础燃料在进水，机油温度800℃，发动机转速1400r／min，喷油量为每循环10．24mg的条件下，HCCI燃烧的缸压、缸内温度、放热率变化曲线如图2所示。

图2 HCCI燃烧的缸压、缸内温度、放热率变化曲线

比较图2可以看出HCCI燃烧过程有明显的双阶段放热特点，即低温反应阶段和高温反应阶段，低温反应阶段放热量与燃料辛烷值、混合气体体积分数有关。燃用基础燃料时缸压曲线出现毛刺，曲线波动剧烈，其峰值接近10Mpa，发动机敲缸现象明显；放热率曲线呈 “高瘦”型，此时发动机已处于严重爆震状态。加入不同体积分数的甲醇裂解气燃烧时，缸压峰值均低于基础燃料缸压峰值和放热率峰值，着火时刻也较之后移，燃烧期延长，放热峰值点明显靠后。压力升高率均小于1MPa／℃A，说明裂解气起到抗暴作用。上图表明裂解气体积分数对HCCI有重要影响，缸压、放热率随燃料中裂解气体积分数的增加，发动机爆震倾向减小，缸压峰值逐渐下降；着火时刻后移，放热峰值逐渐降低，燃烧期延长，最大爆发压力点和放热峰值点后移；燃烧柔和，发动机在高负荷下能够产生合适的放热规律，对外有用功增加，减少机械冲击，提高发动机寿命。这说明，当甲醇裂解气作为添加气加入到燃料中，可以通过增加其对应体积分数改善其抗暴能力。

3 结论

（1）燃料中加入甲醇裂解气后，HCCI发动机高负荷燃烧得到明显改善，可以有效抑制爆震现象的产生。

（2）随着裂解气体积分数的增加，发动机高负荷范围扩大，能够解决HCCI燃烧难于燃烧的现象。

（3）由于甲醇裂解气的主要成分里醇类的成分很大，而醇类的失火界限比基础燃料窄，所以提取裂解气时应将温度控制在250℃左右，以获得合适的体积分数，从而抑制爆震。

1．谢敬友 ．汽车爆震优化控制欲研究 ．〔J〕．2011．6

2．扬成，郑道昌，王炳辉 ．一种甲醇低温裂解反应器设计及反应特性研究 ．〔J〕．2009．4

3．刘永长 ．内燃机原理 〔M〕．武汉华中科技大学出版社．1988