柴油机进气掺混低浓度甲烷模拟研究

魏 涛，郭建军，邬斌扬，苏万华

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

0 概述

矿井下空气中存在着0.10%～0.75%体积浓度的甲烷气体，当甲烷体积浓度达到1.00%时，发动机会报警并熄火[1]。矿用柴油机在矿井下工作时难以避免吸入甲烷气体，这可能会对柴油机的性能产生影响。学界对柴油机掺混甲烷燃烧的研究开始较早。文献[2]在发动机试验中发现，甲烷的加入推迟了柴油的着火。文献[3]中指出羟基对甲烷/正庚烷混合燃料的着火起着重要作用，甲烷分子与正庚烷分子对OH自由基的争夺是着火推迟的关键。文献[4]中以甲烷-正庚烷作为天然气-柴油的替代物模型燃料进行试验研究，发现甲烷含量变化时，其重要自由基浓度和基元反应的反应速率也会随之发生非线性变化。文献[5]中对甲烷-正庚烷混合模型燃料的着火特性进行了研究，其研究表明，当甲烷有火时刻温度小于900 K时甲烷的掺入对正庚烷燃烧有抑制作用，当甲烷着火时刻温度大于1 000 K时抑制作用转变为促进作用。

目前，大量对甲烷掺混的研究是基于柴油引燃天然气的发动机燃烧方面，即柴油喷射量很小而天然气掺混比例大，对于纯柴油发动机进气掺混小浓度甲烷的研究非常少。发动机在矿井下工作时，进气掺混小浓度甲烷对发动机燃烧和排放的影响还需要进行研究和探讨。基于此，选取潍柴WP10柴油机为模拟对象，研究柴油机在高负荷工况点下，进气掺混0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%(体积分数)的甲烷气体对发动机燃烧特性与排放特性的影响。……