（动力机械及工程专业论文）甲醇裂解气发动机的试验研究.pdf

山东大学硕十学何论文 摘要 随着我国汽车工业的迅速发展，石油资源短缺和环境污染问题日益严重， 急需寻找石油替代燃料。我国煤炭资源丰富，通过煤制甲醇，可为汽车行业提 供丰富的燃料，而且甲醇具有含氧量高、燃烧充分和有害排放物低等特点，是 最现实的石油替代燃料之一。 内燃机直接燃烧液体甲醇存在较多问题，如甲醇对金属具有腐蚀性、对橡 胶具有溶胀作用、冷启动困难以及易产生高温气阻等，这些问题严重制约了甲 醇燃料在内燃机上的应用。通过甲醇裂解，可以克服或减轻液体甲醇应用时所 存在的问题，甲醇裂解应用于内燃机的研究越来越受到关注。 本课题设计了甲醇裂解器，并对一台e q 4 9 1 i 电喷汽油机进行了改造，利用 发动机排气余热将液体甲醇加热、蒸发，并在催化剂的作用下，将甲醇裂解为 h 2 和c o ，通过管路输送至发动机进气歧管，进入气缸内燃烧。通过试验，论 文分析了甲醇裂解气发动机的一些性能，如甲醇裂解器起燃特性、不同工况下 甲醇裂解气成分、发动机排放和缸内燃烧过程等。 试验结果表明，甲醇裂解气主要成分为i - 1 2 、c o 、二甲醚、甲酸甲酯和甲醇 蒸汽，五种气体占裂解气成分的9 5 以上；影响裂解器起燃特性的主要因素为 环境温度和发动机工况，实际应用中可以对裂解器采取保温措施，并适当调整 点火提前角以加速裂解器起燃；在未进行优化的情况下，试验中甲醇裂解气发 动机在1 8 0 0 r m i n 、9 5n m 时热效率可达3 4 ；过量空气系数最高可达1 8 ， 采用稀燃后，甲醇裂解气发动机常规排放物如c o 、h c 和n o 。均比汽油机少； 在相同工况下，甲醇裂解气发动机排温较汽油机低，在1 8 0 0 r m i n ，负荷为 2 0 - 1 2 0n m 时约低7 0 - 9 0 ；相比汽油机，甲醇裂解气发动机具有最高燃烧压 力大、最高燃烧压力出现时刻早、压升率高等特点；点火提前角对甲醇裂解气 发动机的动力性、经济性和排放等均有很大影响，随着点火提前角的增加，发 动机负荷和热效率均先增加后减小，排温逐渐降低，常规排放物c o 、h c 和 n o 。均呈上升趋势；甲醇裂解率随裂解器温度的升高而升高。 山东人学硕十学位论文 关键词：甲醇裂解气；制氢；裂解器；发动机试验；性能 i i i j 东人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n aa u t o m o b i l ei n d u s t r y , p e t r o l e u mr e s o u r c e s s h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s t h e r e f o r e ， i t su r g e n tt of i n da l t e r n a t i v ef u e l so fp e t r o l e u m m e t h a n o li so n eo ft h em o s t p r o m i s i n ga l t e m a t i v ef u e l sb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g ho x y g e nc o n t e n t ， s u f f i c i e n tc o m b u s t i o na n dl o wh a r m f u le m i s s i o n s b e c a u s eo ft h ea b u n d a n tc o a l r e s o u r c e si nc h i n a , t h em e t h a n o lw h i c hc a l lb eo b t a i n e df r o mc o a lc a np r o v i d ea l a r g en u m b e ro ff u e l sf o rc h i n aa u t o m o t i v ei n d u s t r y t h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e sf o rl i q u i dm e t h a n o lw h i c hi su s e di ni n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，s u c ha st h ec o r r o s i o no nm e t a l ，s w e l l i n ga c t i o no nr u b b e ra n d c o l ds t a r tp r o b l e m s t h e s ep r o b l e m sh a v es e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h ea p p l i c a t i o no f m e t h a n o lf u e li ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e h o w e v e r , t h e s ep r o b l e m sc a nb e r e s o l v e do rr e d u c e db yr e f o r m i n gm e t h a n 0 1 t h er e s e a r c ho fr e f o r m i n gm e t h a n o li n e n g i n e sh a sc a u s e dm o r e a n d m o r ea t t e n t i o n a ne n g i n e - r e f o r m e rs y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n da ne f ig a s o l i n ee n g i n ew a s r e c o n s t r u c t e d t h el i q u i dm e t h a n o lw a sh e a t e d ，e v a p o r a t e d , a n dd i s s o c i a t e di n t o h y d r o g e na n dc a r b o nm o n o x i d e 、航t ht h ep r e s e n c eo fc a t a l y s tb ye x h a u s te n e r g y r e f o r m e dm e t h a n o lg a s ( i 洲g ) w a st r a n s p o r t e dt oe n g i n ec y l i n d e r i tw a sa n a l y z e d t h a tt h ep e r f o r m a n c eo fr m g e n g i n et h r o u g he x p e r i m e n t s ，s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee n g i n e - r e f o r m e rs y s t e m ，t h ec o m p o s i t i o no fr m gu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， e m i s s i o n s ，a n dc o m b u s t i o np r o c e s si nt h ec y l i n d e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tr m gi n c l u d e sh y d r o g e n ，c a r b o nm o n o x i d e ， d i m e t h y le t h e r ，m e t h y lf o r m a t ea n dm e t h a n o ls t e a m ，a n dt h e s eg a s e sa c c o u n tf o r m o r et h a n9 5 t h et i m ew h e nt h ee n g i n e r e f o r m e rs y s t e mw o r k sd e p e n d so n e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n de n g i n ec o n d i t i o n s i nr e a la p p l i c a t i o n ，t h e r ea r e a v a i l a b l em e a s u r e sf o rr e d u c i n gt h et i m et h r o u g hc o v e r i n gh e a ti n s u l a t i o nm a t e r i a l s o nt h es y s t e ma n da d j u s t i n gi g n i t i o nt i m i n go fe n g i n e i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e i i i i l i 东大学硕十学位论文 e n g i n ei sn o to p t i m i z e d ，t h e r m a le f f i c i e n c yo fr m g c a nr e a c hu pt o3 4 t h ee x c e s s a i rr a t i oc a nr e a c hu pt o1 8 t h ee n g i n ep r o v i d e dc l e a ne x h a u s ta tv e r yl e a nm i x t u r e s ， s u c ha sc a r b o nm o n o x i d e ，h y d r o c a r b o n ，a n dn o xe m i s s i o n s e x h a u s tt e m p e r a t u r eo f r m g e n g i n ew a sl o w e rt h a ng a s o l i n ee n g i n eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，a b o u t 7 0 - 9 0 。ca te n g i n es p e e do f18 0 0 r m i n t h ep e a kc y l i n d e rp r e s s u r eo fr m g e n g i n e w a sh i g h e rt h a nt h a to fg a s o l i n ee n g i n e t h el o c a t i o no fp e a kp r e s s u r eo fr m g e n g i n ew a se a r l i e r , a n dt h ep r e s s u r ei n c r e a s i n gr a t ew a sh i g h e r i g n i t i o nt i m i n gh a d g r e a te f f e c to np o w e r , f u e le c o n o m ya n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s w i t ht h ea d v a n c e o fi g n i t i o n t i m i n g ，t h e l o a da n dt h e r m a l e f f i c i e n c yi n c r e a s e df i r s t l y a n dt h e n d e c r e a s e d ，t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r ed e c r e a s e dg r a d u a l l y , a n dt h et h r e er e g u l a t e d e m i s s i o n s ( c o ，h ca n dn o x ) i n c r e a s e do b v i o u s l y t h er e f o r m i n gr a t eo fm e t h a n o l i n c r e a s e da st h et e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n e r e f o r m e rs y s t e mi n c r e a s e d k e y w o r d s ：r e f o r m e dm e t h a n o lg a s ；h y d r o g e np r o d u c t i o n ；e n g i n e r e f o r m e rs y s t e m ； e n g i n et e s t ；p e r f o r m a n c e i v 山东大学硕十学位论文 甲醇裂解气 电子控制单元 研究法辛烷值 转速节气门恒位置 过量空气系数 油耗率，g ( k w h ) 低热值，k 1 姆 有效热效率 有效功，u 热量，材 最高燃烧压力，m p a 传热系数，形b 2 k ) 比热容，材俺k ) 换热温度系数 温差修正系数 管子材质系数 导热系数，形吖坍k 夕 流体表面张力， m 2 换热管表面状态系数 符号说明 流体密度， 堙m 3 流体动力粘度，k g ( m 2 s ) 流体运动粘度，聊3 s 流体质量流量，k g ( 朋2 s ) 流体流速，m s 雷诺数 努赛尔数 普朗特数 理想传热因子 粘度校正因子 流体压力降，几 换热器结构校正因素 摩擦系数，无量纲 换热器结垢修正系数 换热器折流板间距，聊 翅片管翅片效率，无量纲 污垢热阻， b 2 k ) 形 翅片管翅化比 换热管壁面厚度，m v p y g 甜 胎 m 办 以 印e 厂c 厶 办 厂 艿 嬲脚删胛吮吃 g 巩形9办 c m e e 旯 盯， 山东大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，人类文明每一次重大进步都伴 随着能源的改进和更替，能源的合理开发利用和可持续发展对世界经济和人类社 会发展具有重大意义。当今社会的主要能源仍然是煤、石油和天然气等化石能源。 一方面，世界上的非再生能源资源有限；另一方面，石油供应动荡，世界各国争 夺资源剧烈。2 0 世纪7 0 年代以来已发生过三次石油危机。每次石油危机都会引起 石油价格及供应的波动，石油价格逐步上涨。同时，世界各国对石油的依赖日益 严重。 我国是一个富煤、贫油、贫气的国家，据统计，我国已探明的煤炭可开采储 量约占世界储量的11 6 ，而石油可开采量约占世界储量的2 3 ，天然气可开采 量约占世界的o 9 。当前最为突出的能源问题是石油产、储量不足。2 0 1 0 年我国 石油对外依存度已达5 5 ，这一情况对我国的能源安全和国民经济可持续发展都 是一个很大的隐患。2 0 1 0 年1 0 月，全国多地出现柴油紧张，上海、广州、武汉等 一些加油站一度出现柴油脱销。据预测，2 0 2 0 年我国汽车保有量将增至1 3 亿辆 以上，车用燃料的需求增长强劲，我国石油缺口量也会逐年增加，为满足我国车 用汽油和柴油的需要，2 0 2 0 年石油缺口量有可能达到2 5 2 7 亿吨。为保障能源供 给和能源安全，减少对进口石油的依赖，需要开拓、利用一切可以利用的能源资 源。 由于内燃机的替代燃料如甲醇、二甲醚、生物质能等，本身都是比较清洁的 能源，因此这些替代燃料的应用既能丰富我国能源结构，节约石油消耗，又能起 到保护环境的作用。自2 0 0 2 年以来，国家发改委已举办过多次国内外专家论证会， 商讨内燃机替代燃料问题，以达到优化能源结构、改善生态环境、实现经济可持 续发展的目的。经过多次的研讨，“以煤为基础，多元化发展，重点发展醇醚燃料 已成为我国替代燃料发展的共识【卜。】。 山东大学硕十学位论文 曼曼曼曼量曼詈曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量詈皇曼i l l i l 笪曼曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼璺皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 1 2 甲醇作为车用燃料的特点和性能 1 2 1 甲醇燃料的特点 甲醇又称木精或木醇，可以从煤、天然气中提炼。其含氧量较高，易于燃烧， 理化性质与汽油接近。甲醇、汽油和柴油的理化性质及燃烧特性【1 ，4 】如表1 1 所示： 表1 1 甲醇、汽油和柴油的主要性能参数 从表中可以看出，甲醇作为内燃机替代燃料具有以下特点： 1 ) 甲醇辛烷值较高，更适合在点燃式发动机上应用，并可以通过提高压缩比以改 善热效率，根据掺烧甲醇量的不同，压缩比可提高o 5 5 ； 2 ) 甲醇的十六烷值低，着火性能差，在压燃式发动机上使用需采用火花塞或热表 面点火。此外，甲醇和柴油的均匀混合比甲醇和汽油均匀混合要困难的多，在 柴油机上燃烧甲醇需解决混合燃料分层问题； 3 ) 甲醇是含氧燃料，含氧量高达5 0 ，燃烧效率高，不会生成碳烟，c o 和h c 排放也比较低； l ij 东人学硕十学位论文 4 ) 甲醇的低热值较低，约为汽油的4 6 ，甲醇的理论替代比大约为2 1 ，但是由 于甲醇的热效率和燃烧效率均比汽油高，因此实际替代比可以降低到1 5 1 7 ； 5 ) 甲醇汽化潜热比汽油大很多，可降低进气管、进气道及气缸内的温度，减少冷 却水带走的热量，有利于提高充量系数和减少传热损失； 6 ) 甲醇的沸点和凝点均比较低，沸点低有利于甲醇空气混合气的形成，凝点低 可保证发动机在低温下正常工作； 7 ) 甲醇的着火极限比汽油宽，比汽油更适宜稀燃，全速全负荷下甲醇发动机可在 过量空气系数九= 1 7 1 8 下运行； 8 ) 由于在发动机上燃烧甲醇需改变发动机压缩比，调整供油系统，实际应用时需 要对甲醇发动机进行燃烧优化，如调整点火提前角、喷油时刻等。 1 2 2 甲醇在内燃机上的应用 全部以甲醇为燃料的内燃机比掺烧部分甲醇的内燃机能更好的发挥甲醇燃料 的优势，更有利于降低内燃机的常规有害排放物，也可以避免掺烧时需添加助剂 和燃料分层等问题。但是，使用纯甲醇燃料有若干技术难题难以克服，如低温冷 启动、高温气阻等。因此，在点燃式发动机掺烧和纯烧甲醇有着各自的优势。在 点燃式发动机上使用甲醇燃料的几种方式，可概括如图1 1 所示： 混合燃 熏蒸法 非稳定混合燃料法 准稳定混合燃料法 稳定混合燃料法 文特利管法 低压喷射法 甲醇蒸汽法 1 液体甲醇( m 1 0 0 ) 法 2 甲醇蒸汽法 3 甲醇裂解法 图1 1 甲醇燃料在点燃式发动机上的应用方式 各种掺烧方式各有优缺点，目前没有统一的试验规范及标准。在掺烧方面现 3 、， )、， 1 2 3 ) ) ) ， 2 3 料 醇 燃 甲 醇 分 甲 部 纯 烧 烧 掺 燃 厂0ll， 1 4 时，c o 和n o 。排放较原汽 油机有显著改善，c o 几乎接近零排放，n o x 降低了9 0 左右，而h c 排放和燃用 汽油时比较接近；采用液体甲醇加浓等技术可使发动机动力性基本达到原机水平； 甲醇裂解气中含有丰富的氢气，具备氢气燃烧的特点，但不存在氢燃料发动机的 储氢、加气等方面的问题，降低了燃料成本。 张国强、赵艳涛等人【4 2 棚1 分别利用模拟计算，对甲醇裂解气发动机的压缩比、 点火提前角和配气相位进行优化。计算结果表明，相比汽油机，甲醇裂解气发动 机燃烧更加充分，热效率更高；发动机动力性、经济性均有所提高；若采用粗甲 醇，其中的水分还可以降低发动机的热负荷。 1 4 本文主要研究内容 本课题设计了甲醇裂解器，将一台电喷汽油机改造为甲醇裂解气发动机，对 影响甲醇裂解气发动机性能的一些因素进行了试验研究。 本文主要工作如下： 1 对发动机及试验台架进行改造，开发甲醇裂解气发动机试验的测控系统， 使其满足发动机正常运转及数据采集、分析的要求； 2 选择催化剂，针对催化剂的特性及发动机各种参数，设计、开发专用的甲 醇裂解器； 3 试验分析了甲醇裂解器的起燃特性，各工况甲醇裂解气的成分，发动机的 动力性、经济性、排放，发动机缸内工作过程，点火提前角对发动机性能 的影响等。 8 山东大学硕十学位论文 2 1 试验方案 第二章试验台架建设 为分析甲醇裂解气发动机的特点和存在的问题，需要进行甲醇裂解气发动机 台架试验。本课题将一台e q 4 9 1 i 汽油机改造为甲醇裂解气发动机，并对试验台架 进行了相应的改造，以满足试验需要。如图2 1 所示，试验台架包括发动机、电涡 流测功机、测功机控制系统、汽油喷射控制系统、甲醇喷射控制系统、稳态数据 采集系统、高速瞬态数据采集系统及排气分析仪、相关的传感器和测量装置等。 图2 1 甲醇裂解气发动机试验系统示意图 试验中，发动机通过汽油启动，待甲醇裂解器达到起燃温度后，开始喷入甲 醇并逐渐过渡到燃烧纯甲醇裂解气模式。利用该试验系统，可对甲醇裂解器的起 燃特性、甲醇裂解气的各种成分、甲醇裂解气发动机的各种性能等进行研究。 2 2 试验台架建设 为满足试验要求，对发动机及台架进行了改造。增加了甲醇燃料供给系统， 并开发了稳态数据测试系统。 试验台架如图2 2 所示： 9 山东大学硕十学位论文 2 2 1 试验用发动机 图2 2 甲醇裂解气发动机试验台架 本课题所用原型发动机为e q 4 9 1 i 电喷汽油机。该发动机采用d e l p h i 公司生产 的的i t m s 6 f 电控系统，发动机主要结构参数如表2 1 所示： 表2 1e q 4 9 1 i 发动机结构参数表 1 0 项目 参数 型式 缸径行程 排量 压缩比 额定功率转速 最大扭矩转速 最低燃油消耗率 怠速转速 进气门早开角 进气门晚关角 排气门早开角 排气门晚关角 四冲程、水冷、直列式汽油机 9 0 8 2 m m x 7 6 9 5 m m 1 9 9 3 l 8 6 ：1 8 0 k w 5 2 0 0 r r a i n 。1 16 0 n m 3 6 0 0 r m i n 。1 2 7 0 9 ( k w h ) ( 8 0 0 士5 0 ) r - m i n 1 2 4 a 6 4 a 7 0 a 18 a 山东大学硕十学位论文 2 2 2 甲醇燃料供给系统 在保留原燃油供给系统的基础上，新增甲醇燃料供给系统。如图2 3 所示： 进气管 图2 3 甲醇燃料供给系统示意图 在甲醇泵的作用下，甲醇从甲醇箱通过甲醇喷嘴喷入裂解器，多余的甲醇通 过油轨上的压力阀返回甲醇泵。裂解器包括蒸发器和反应器，串联在发动机排气 管上。甲醇在蒸发器里加热生成甲醇蒸汽，进入反应器，在催化剂的作用下，甲 醇蒸汽发生裂解反应，生成包含c o 、h 2 和甲醇蒸汽的裂解气。裂解气经过过滤器、 单向阀，进入发动机各缸进气歧管，在进气歧管内与空气混合，进入缸内燃烧。 考虑到甲醇的特性，如对金属的腐蚀性以及对橡胶的溶胀作用，甲醇燃料供 给系统的各个零部件采取了如下措施： 1 ) 采用不锈钢甲醇箱，减少甲醇对箱体的腐蚀； 2 ) 由于甲醇吸水性较强，甲醇箱盖采取密封处理，仅保留一个通气孔，减少甲醇 对空气中水分的吸附； 3 ) 液体甲醇输送管路采用丁腈橡胶管，避免甲醇对管路的腐蚀、溶胀； 4 ) 甲醇裂解气输送管采用不锈钢波纹管，并对波纹管进行保温处理，防止裂解气 中的甲醇蒸汽在进入进气歧管之前发生冷凝； 5 ) 裂解气输送管路安装不锈钢单向阀，防止进气管中的空气倒流入裂解器； 6 ) 为避免裂解器管内的杂质，如剥落的催化剂金属屑等进入发动机进气管，裂解 l ij 东大学硕十学位论文 气输送管安装带有两级滤网的不锈钢滤清器； 7 ) 甲醇泵及甲醇喷嘴暂时使用汽油泵及汽油喷嘴代替。 2 2 3 主要测试设备 试验需要对发动机的功率、扭矩、水温、油温、油压、进气温度、排气温度 和有害排放物以及甲醇裂解气成分等参数进行监测。试验中用到的主要测试设备 及其参数如下： 1 ) 电涡流测功机 采用湘仪动力测试仪器有限公司生产的g w l0 0 型电涡流测功机，其扭矩测量 精度为士o 2 o 3 f s ，转速测量精度为士1r m i n 。 2 ) 测功机控制系统 采用湘仪动力测试仪器有限公司生产的f c 2 0 0 0 控制系统。 3 ) 油门执行器 采用湘仪动力测试仪器有限公司生产的f c 2 3 1 0 油门执行器，其最大力矩可达 1 0 n m ，满量程动作时间卯4 s 。 4 ) 排气分析仪 使用佛山分析仪有限公司生产的f g a 4 1 0 0 排气分析仪，它采用不分光红外吸 收法进行测量，其主要性能参数如表2 2 所示： 表2 2 排气分析仪主要参数 5 ) 气相色谱仪 甲醇裂解气在山东省科学院能源研究所进行成分检测。检测仪器为安捷伦 6 8 9 0 气相色谱仪，色谱仪采用双t c d 检测器结构，分别采用氮气和氢气做载气， 色谱柱为p r o p a c kq 和g d x 4 0 1 填充柱。采用六通阀自动进样，反应器出口到色谱 山东大学硕士学位论文 进样阀的管路用伴热带保温，进样阀温度为1 2 0 c ，保证气体的全组分分析。 6 ) 风速计 试验中通过风机模拟了不同车速对裂解器散热的影响，利用风速计测量各模 拟工况下的风速。风速计采用北京检测仪器有限公司z r q f - f 3 0 j 型智能热球式风 速计，该风速计采用量热式原理，其误差为：4 - 4 f s 。 2 3 数据采集及甲醇喷射控制系统 2 3 1 数据采集系统 在甲醇裂解气发动机的试验研究中，需要测试发动机各系统不同位置处的温 度、压力等信号，以对各系统的工作状况进行评价。同时，在试验过程中，需要 测试发动机气缸压力，据此对缸内的燃烧过程进行分析。 1 ) 稳态数据采集系统 现有的试验台架可以对发动机的水温、油温、油压、进气温度和压力等常规 运行参数进行监测。本课题开发了稳态数据采集系统，增加一系列温度、压力测 点，以对甲醇裂解气发动机进行研究。通过监测不同工况各缸排气歧管温度对比 汽油机和甲醇裂解气发动机的排温；通过监测裂解器入口、出口温度研究甲醇与 排气之间的换热情况；通过监测甲醇加热、蒸发后甲醇蒸汽温度以及甲醇裂解后 裂解气温度、压力，分析甲醇的热力性质和不同温度、压力时的甲醇裂解情况等； 通过监测裂解器前后的排气压力分析压阻，对裂解器进行优化。 试验过程布置的测点如图2 3 所示，所用传感器如表2 3 所示。 山东大学硕士学位论文 表2 3 稳态参数测试用传感器 稳态数据采集系统可对发动机、裂解器各稳态参数进行实时监测，并可以根 据需要保存试验数据。图2 4 为稳态参数采集时的一个工作界面。 翻墨盈医强j 叠氍：i ， x 1 - 一 ， ：五种薯7 l 室曩q 一砷h t 噜再，和 卅盘f ek 寻，节 p 札o * t 6 33 1 t - 瓤i ( ， 56 7 3 6 2 2 4 l 黜盖7 30 2 2 656 8 1 二缸| ：1 22 4 2 6l2 i ：k 昝夏 2s3 2 ；1 n n hr 十 图2 4 稳态参数测试界面 2 ) 气缸压力采集系统 通过对普通火花塞进行加工、改造，设计了专用于测量缸压的火花塞。需要 测量某缸缸压时，用其代替普通火花塞安装于气缸盖上，将缸压传感器安装于火 花塞缸压测试接头即可。专用缸压测量火花塞如图2 5 所示： 1 4 山东大学硕十学位论文 图2 5 专用火花塞图纸及实物 试验过程中，除缸压信号外，同时记录了角标信号及转速信号，通过这些信 号分析峰值压力及其出现时刻、最大压升率及出现时刻、瞬时放热率、累计放热 率及平均有效压力等，对甲醇裂解气和汽油的缸内燃烧状况进行对比。图2 6 为缸 压采集时的一个工作界面。 刳2 6 缸脏采集程序界向 一一一一一一嘛一一卿兰；一=|一| 式 - 5 山东大学硕士学位论文 2 3 2 甲醇喷射控制系统 1 ) 甲醇喷射控制系统介绍 发动机试验台架有汽油和甲醇两套燃料供给系统，同时对应两套燃油控制系 统，汽油供给系统采用d e l p h i 公司生产的电子控制单元进行控制，甲醇供给系统 采用新开发的甲醇喷射控制系统，通过两套控制系统可分别调节两种燃料的喷射。 甲醇喷射控制系统主要包括上位机、甲醇喷射e c u 、喷嘴驱动模块和喷嘴等， 系统如图2 7 所示。 甲醇e c u 蓄电池喷嘴 图2 7 甲醇喷射控制系统示意图 上位机通过串口将设定的喷醇脉宽、喷醇间隔等信号传送至甲醇e c u ，e c u 通过驱动模块控制喷嘴的开启和闭合，调整不同的喷醇量，满足试验的需要。 2 1 甲醇裂解气发动机冷启动控制策略 试验用燃油控制系统包括甲醇喷射和汽油喷射两个独立的控制系统。发动机 用原机汽油喷射系统起动，起动后，当裂解器入口温度达到起燃温度时打开甲醇 喷嘴，开始喷射甲醇，并逐步增加甲醇喷油脉宽，同时减小汽油的喷油量，最终 完全关闭汽油喷嘴，发动机进入纯裂解气工作模式。发动机起动至燃烧纯甲醇裂 解气工况的过渡过程如图2 8 所示： 1 6 山东大学硕+ 学位论文 2 4 本章小结 图2 8 甲醇裂解气发动机启动及过渡工况流程图 1 介绍了甲醇裂解气发动机试验台架的布置方案； 2 介绍了试验台架的改造，特别是甲醇燃料供给系统的开发，并且介绍了试验所 需的主要测试设备等； 3 介绍了试验所需的稳态数据采集系统、缸压测试系统、甲醇喷射控制系统及甲 醇裂解气发动机冷启动控制策略。 1 7 山东大学硕十学位论文 第三章甲醇裂解器设计 甲醇的分解有两种方式：高温重整和低温裂解。高温重整是在反应温度较高 ( 通常， 9 0 0 c ) 时，将含水甲醇分解为h 2 和c 0 2 ；低温裂解是在反应温度较低 ( 约3 0 0 ) 时，将无水或含水很少的甲醇分解成h 2 和c o 。由于发动机的排气温 度通常低于9 0 0 ，在发动机上利用排气热量分解甲醇时通常采用低温裂解【5 j 。 本课题采用低温裂解方式，通过对各种甲醇裂解催化剂性能进行比较，选择 合适的催化剂，设计了应用于e q 4 9 1 i 电喷汽油机的的甲醇裂解器。 3 1 催化剂的选择 目前常用的甲醇裂解催化剂主要有铜系催化剂、镍系催化剂和贵金属催化剂。 3 1 1 铜系催化剂 铜系催化剂是目前应用最广的一种甲醇裂解催化剂，适用温度为 2 0 0 c 2 7 5 c ，它的活性成分是铜，载体主要为二氧化硅、氧化铝和活性炭等，常 用助剂为锌、锰、铬等的氧化物。 与其它催化剂相比，铜系催化剂具有较好的催化活性和低温活性，使其应用于 内燃机时更容易快速启动。但是在使用铜系催化剂裂解甲醇时会出现一些副反应， 生成甲酸甲酯、二甲醚和甲醛等副产物。另外铜系催化剂稳定性较差、抗毒能力 低，而且高温时容易引起催化剂热烧结。要解决这些问题，需要在助剂、载体的 选择以及催化剂的制备工艺等方面进行大量的研究m 】。 3 1 2 镍系催化剂 镍系催化剂通常应用于甲醇水蒸汽重整反应，在应用于甲醇裂解反应时，相 比铜系催化剂，它的反应温度较高，一般在温度为3 0 0 。c 以上时使用。 镍系催化剂的特点是稳定性好、适用条件广、不易中毒，但其低温活性不高， 而且低温时选择性较差，会生成较多的甲酸甲酯、c i - 1 4 、c 0 2 和二甲醚等副产物。 因此，随着铜系催化剂和贵金属催化剂的应用开发，镍系催化剂的应用逐渐减少。 山东人学硕十学位论文 但有研究表明，在铜系或贵金属催化剂中加入少量的镍，可以有效提高催化剂的 反应活性【4 5 。9 1 。 3 1 3 贵金属催化剂 贵金属催化剂主要包括钯( p d ) 、铂( p t ) 、铑( 1 地) 、铱( i t - ) 等催化剂，应 用较多的有铂、钯系催化剂，一般在温度为4 0 0 以上时催化活性较好。贵金属催 化剂通常以碱土金属作为改性剂，以c e 0 2 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、z r 0 2 和t i 0 2 等金属氧 化物为载体。 贵金属催化剂具有很高的催化效率、反应选择性和较强的耐高温性能，且稳 定性好，对s 、p 等毒物不敏感，在铂、钯系催化剂中加入c e 、z r 或l a 等稀土元 素后催化剂低温活性明显提高，且在2 0 0 3 0 0 具有良好的选择性。因此贵金属 催化剂特别是铂、钯系催化剂用作甲醇裂解的研究越来越引起人们的重视。 钯系催化剂采用c e 0 2 为载体时，催化剂在低温( p d p r 2 0 3 p d c e 0 2 p d f e 3 0 4 p d t i 0 2 p d s i 0 2 p d z n o ，在反应温度为2 0 0 2 5 0 。c 时，所 有催化剂对c o 的选择性都超过了9 8 ，但是在3 0 0 时，催化剂的选择性下降，c 0 2 和c h 4 的含量逐渐增加。 相比铜系和镍系催化剂，钯系催化剂有更好的催化性能，如良好的催化活性、 稳定性和选择性，但是由于催化剂中贵金属钯的担载量较高，使其价格远高于非 贵金属催化剂。如何在保持其优良性, h u 匕l - , 的前提下减少金属钯的用量、最大限度的 降低成本还需要大量的研究。 由于钯系催化剂具有良好的催化活性、稳定性、选择性、耐高温和不易中毒 等特点，本课题选择了钯系催化剂。四川中自尾气净化有限公司开发并提供了相 2 l 山东大学硕十学位论文 应的催化剂。如图3 1 所示，催化剂为整体式涂层催化剂，其活性组分为钯，以 f e c a l 金属蜂窝体作为基体，以高性能稀土储氧材料和耐高温材料为载体。催化剂 涂层厚度约8 0 9 m ，涂层负载量为1 4 0 9 l ，钯负载量2 9 l ，甲醇的完全转化温度为 2 3 0 左右。 3 2 甲醇裂解器设计方案 图3 1 试验用钯系催化剂 甲醇裂解器是通过发动机的排气将甲醇加热、蒸发，最终裂解为h 2 和c o 的 换热装置。它是整个甲醇燃料供给系统的关键，直接影响排气与甲醇的换热效果 以及甲醇裂解效率，进而影响甲醇裂解气发动机的各种性能。由于管壳式换热器 具有结构简单牢固、应用材料广、操作弹性大等优点，本课题采用管壳式换热器， 针对所选用的钯系催化剂，通过分析发动机排气和甲醇、甲醇蒸汽以及裂解气的 热力性质，确定传热方式，并参考了国内外的相关文献，设计了可在e q 4 9 1 i 电喷 汽油机上应用的甲醇裂解器。 3 2 1 设计流程 首先制定甲醇裂解器的整体设计方案，根据排气、甲醇两种流体的温度、压 力等热力学性质，以及工作条件和热负荷，估算裂解器的总传热系数，估算换热 面积，初选换热器的尺寸规格，分别计算管程、壳程传热系数及压力降，最后计 算总传热系数，校核传热面积。其详细设计流程见图3 2 。 山东人学硕十学位论文 3 2 2 甲醇裂解器结构 图3 2 甲醇裂解器设计流程 甲醇裂解器采用管壳式换热器。裂解器分为两部分：蒸发器和反应器，蒸发 器采用翅片管式换热器，结构紧凑，换热效率高。反应器采用普通管壳式换热器， 管内填充催化剂涂层，保证足够的热量和催化剂使甲醇裂解为h 2 及c o 。 甲醇裂解器采用逆向换热，液体甲醇从排气管下游进入，直接喷射至蒸发器 jjj 东大学硕十学位论文 的翅片管内，加热、蒸发后甲醇蒸汽进入反应器，产生的的裂解气从排气管上游 流出，流向和发动机排气流向相反。 为简化甲醇裂解器结构，便于拆卸，蒸发器采用单管程、单壳程结构；为研 究不同催化剂用量对甲醇裂解率的影响，反应器采用六管程、单壳程结构。通过 封闭某一个或几个管程，可改变系统中起作用的催化剂的量。考虑到甲醇对金属 具有腐蚀性，加热管均选用耐腐蚀的不锈钢材料。为了改善换热效果，在蒸发器 及反应器壳程分别安装一折流板。 3 3 甲醇裂解器换热计算 3 3 1 计算总换热量 e q 4 9 1 i 发动机在标定工况下，汽油的消耗量大约为1 5 堙办。当发动机完全燃 烧甲醇且甲醇完全裂解为h 2 和c o 时，根据表1 2 所示各种物质的低热值，计算可得 标定工况下所需甲醇量m = 2 7 5 姆办。 根据表1 1 所示甲醇的物理性质，以及甲醇裂解反应方程式： c h ，o h + 9 0 k d ”2 皿+ c o ( 3 2 ) 结合公式( 3 3 ) ，计算液体甲醇加热至3 0 0 c 所需的热量。 q = c l m 2 5 1 t + 勺m 戗- t - i m ( 3 3 ) 式中，汽化潜热，甲醇，= 11 0 0 k 姆； q 液态甲醇比热容，查表可得q = 2 3 6 8 1 d j ( k g k ) ； c 。甲醇蒸汽比热容，查表可得c 苫= 1 7 1 5 材怄k ) ； ，液体甲醇温升，a t , = 4 4 5 。c ； 0 甲醇蒸汽温升，a t 。= 2 3 5 5 。 计算可得每小时甲醇从常温加热至3 0 0 。c 所需热量： q = 4 4 2 5 5 k j 3 0 0 c 甲醇蒸汽完全裂解为h 2 和c o 所需热量根据公式( 3 4 ) 计算： 9 4 ij 东大学硕十学位论文 q = n q ( 3 4 ) 式中，摩尔数，t o o l ； g 单位摩尔甲醇裂解所需热量，q = 9 0 k j m o l 。 计算可得标定工况每小时甲醇裂解所需热量： 幺= 7 7 3 4 4 k j 每小时甲醇加热、蒸发至完全裂解所需总热量： q = q + q = 1 2 1 5 9 9 k j 3 3 2 计算有效平均温差 首先计算温差修正系数。甲醇裂解器采用逆向换热，逆向换热温度系数尸、r 根据公式( 3 5 ) 计算： 尸= i z f , o - - 万t c , i ，r = 乏h 忑, i - - t h , o ( 3 - 5 ) 瓦。一，z ，。一z ， 、 式中乙冷介质进口温度，即液体甲醇温度，z 。，= 2 0 c ； 正，。冷介质出口温度，即甲醇裂解气温度，瓦一= 3 0 0 4 c 。 瓦热介质进口温度，即甲醇裂解器排气入口温度，瓦，= 6 0 0 c ； 瓦一热介质出口温度，即甲醇裂解器排气出口温度，瓦。= 3 0 0 。c 。 计算可得p = 0 4 8 ，r = 1 0 7 。根据换热温度系数p 、r 查温差修正系数表【5 7 】 可得温差修正系数：b = 0 8 3 。 由公式( 3 - 6 ) 计算对数平均温度差： 瓯2 罟 ( 3 - 6 ) a t l 式中a t 。换热器中较小的温度差，a t ，= 。一t ，= 2 8 0 * ( 2 ； a t ：换热器中较大的温度差，a t ：= 瓦，一疋。= 3 0 0 。c 。 山东人学硕十学位论文 计算可得对数平均温度差：出，卅= 2 8 9 9 。c 有效平均温差根据公式( 3 7 ) 计算： z s 。, = f t & l m 计算可得有效平均温差：a t 。= 2 4 0 6 k 。 3 3 3 估算总传热面积 ( 3 - 7 ) 通过查阅换热器设计手册【5 刀，结合甲醇裂解器的基本结构、材料等，粗估甲 醇裂解器总传热系数：k 估= 1 0 0 5 0 0 w ( m 2 - k ) 。 总传热面积根据公式( 3 8 ) 计算： a 估= q i ( k 估e r 。) ( 3 8 ) 计算可得甲醇裂解器所需总传热面积： a 估= ( 0 3 3 8 1 6 9 ) m 2 3 3 4 初选甲醇裂解器结构参数 根据3 2 2 确定的甲醇裂解器基本结构，结合估算的传热面积，选择加热管的 基本尺寸。蒸发器加热管选择内径矽1 6 r a m 、翅高1 0 m m ，总长为1 5 聊的不锈钢翅 片管，为减小裂解器整体长度，将翅片管弯成成五段，管心距4 7 m m 。反应器加热 管采用内径驴3 3 m m ，总长为2 4 m 的不锈钢催化器，反应器加热管内为蜂窝状翅片 管。催化器加热管分为六组，反应器外围管与中心管管心距为4 5 m m ，外围管之间 管心距为5 3 r a m 。 3 3 5 计算蒸发器管程、壳程传热系数 1 ) 蒸发器管程传热系数 甲醇在蒸发器翅片管内加热、蒸发，属于有相变的强制沸腾传热，可根据基 尔摩( g e l m o u s ) 提出的传热系数计算公式5 8 1 进行计算： 1 1 1 东人学硕+ 学位论文 心3 5 g 厶( 等八( p 刊, c r g 、i m 4 2 5 ( 等r f 仔9 ， 其中，液体质量流速g 厶根据公式( 3 1 0 ) 计算： 瓯= 瞰4 ) t 纠n p 式中c ，为管子材质系数，对于不锈钢翅片管，c ，= 0 0 0 0 5 9 ； 饱和液体的比热容，液态甲醇比热：2 5 3 3 j l ( k g k ) ； 九液体导热系数，液态甲醇导热系数五= 2 0 2 w ( m k ) 仃为液体表面张力，液体甲醇表面张力盯= o 0 2 2 6 n m 2 ； p 为沸腾绝对压力，液体甲醇沸腾绝对压力p = 1 0 1 3 2 5 p a ； f 为管子表面状态系数，管内为甲醇的不锈钢翅片