中比例甲醇汽油臺架試驗及仿真研究

李昕光，張文超，李云杰，杜夢覃，張 華，陳雪瑞

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

甲醇具有來源豐富，可以規模化生產，生產成本低等優點，常以摻混的方式在發動機中使用。目前國內對于甲醇汽油的研究多集中于低比例甲醇汽油對原發動機的動力性、經濟性和排放特性的影響等方面[1-4]。低比例甲醇汽油M15(甲醇和汽油的體積比為15)已經在我國部分省市進入了穩步發展階段。由于甲醇具有腐蝕性和熱值低的特點，發動機如果燃用高比例甲醇汽油(甲醇含量超過85％)，則需要對現有發動機進行改造或者制造專用發動機，不易在現有車輛上推廣使用[5-8]。因此對中比例甲醇汽油展開研究，其摻加甲醇比例較高，又不用改動車輛，在現有車輛上的推廣意義更大。

本研究首先進行中比例甲醇汽油的發動機臺架試驗，研究電噴發動機燃用中比例甲醇汽油的動力性、經濟性以及常規排放特性。然后應用GT-POWER軟件建立發動機工作過程模型，并耦合化學動力學軟件CHEMIKIN來對甲醇汽油的非常規排放特性進行研究。

1 試驗方法與儀器設備

由于在不改變車輛發動機現有結構的前提下，能夠有利于甲醇汽油的迅速推廣使用，因此試驗所用發動機未經任何改動，其主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

發動機臺架試驗的主要測試儀器設備為洛陽南峰的電渦流測功機、長沙湘儀的自動控制系統、長沙湘儀的智能油耗儀和南海南華的五氣分析儀。

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗方案

發動機的全負荷速度特性能夠反映發動機所能達到的最高性能，因此在發動機充分熱機的情況下，分別進行了93#汽油與M30和M40的全負荷速度特性對比試驗，同時測量了常規排放物(CO、HC和NOX)的排放情況。為了研究中比例甲醇汽油的經濟性能，還進行了2 000r/min和4 000r/min的負荷特性試驗。

2.2 全負荷速度特性試驗結果及分析

全負荷速度特性對比曲線如圖1和圖2所示。

圖1 全負荷速度特性扭矩對比圖

圖2 全負荷速度特性功率對比圖

從圖1和圖2可以看出，在整個轉速范圍內發動機燃用M30和M40的功率、扭矩都低于燃用93#汽油，其中M40的功率和扭矩最低。這是因為甲醇的低熱值(19.7MJ/kg)比汽油(44MJ/kg)要低55％左右，而M40的甲醇摻混比例較大，其混合氣的熱值較低，因此其最大功率和扭矩下降也最多。

2.3 負荷特性結果及分析

由于甲醇的低熱值低于汽油，因此把燃油消耗率轉化為用能耗率表示更為適合，轉換公式為：

Ee=be×Hu。

式中：Ee為能耗率，J/kWh；be為燃料消耗率，g/kWh；Hu為質量低熱值，kJ/kg。

發動機燃用93#汽油和中比例甲醇汽油的2 000r/min和4 000r/min的能耗率曲線如圖3和圖4所示。

圖3 4000轉負荷特性能耗率對比圖

圖4 2000轉負荷特性能耗率對比圖

從圖3和圖4可以看出，在低負荷階段，發動機在燃用M30、M40時其能耗率比燃用93#汽油時的略高，在高負荷階段三種燃料的能耗率相差不多。這是因為在發動機負荷特性的低負荷工況下，電噴發動機的燃油噴射系統實行閉環控制，由于甲醇含氧而使發動機排氣中氧含量增多，氧傳感器給電控單元進一步加大了噴油量形成了較濃混合氣，因此甲醇汽油的燃料消耗率隨著摻混比的增加而有一定增加。

2.4 常規排放污染物分析

汽油機的常規污染物包括CO，HC和NOX等，汽油機燃用中比例甲醇汽油(M30和M40)在外特性時的常規污染物排放情況如圖5、6和7所示。

從圖中可以看到，發動機燃用甲醇汽油的常規排放物都比燃用93#汽油有所降低，并且隨著摻醇比的增加進一步降低，這是由于醇類燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助于充分燃燒，同時還可以看出，影響發動機CO和NOX的排放性能的不僅和甲醇的摻混比例有關，而且與發動機的空燃比控制策略有關。發動機在全負荷工況下，其燃油噴射系統實行開環控制，噴油量增加，缸內形成功率混合氣，不完全燃燒增加，因此在高轉速范圍內CO的排放呈現上升趨勢加，NOX的排放呈現下降趨勢。

圖5 全負荷速度特性CO對比圖

圖6 全負荷速度特性HC排放對比圖

圖7 全負荷速度特性NOX排放對比圖

3 甲醛排放的模擬計算

在汽油機上燃用中比例的甲醇汽油，常規排放物在不同程度上都有所降低，而隨著甲醇汽油中甲醇含量的提高，甲醛的排放情況研究變得尤為重要。

由于不具備甲醛排放的測試條件，因此采用發動機過程軟件GTPOWER耦合氣相化學反應動力學軟件包CHEMKIN來對甲醛的排放情況進行仿真分析。發動機外特性下的甲醛排放情況如圖8所示。

圖8 全負荷速度特性甲醛排放對比圖

從圖中可以看出，隨著摻醇比例的增加，甲醛的排放量呈現上升趨勢，并且隨著轉速的增加進一步上升，在5 000r/min時，M40的甲醛排放量已經達到了80ppm，遠高于93#汽油此轉速的甲醛排放濃度。

4 結 論

對未經任何改造的電噴發動機燃用中比例甲醇汽油的動力性能及排放性能等進行了發動機臺架試驗以及仿真研究，研究結果如下：

(1)發動機燃用中比例甲醇汽油的全負荷速度特性試驗結果顯示：發動機燃用M30和M40的最大功率和扭矩均比93#汽油有所下降，其中M40的最大功率和扭矩最低，M30的動力性能稍好于M40。

(2)發動機燃用中比例甲醇汽油的負荷特性試驗結果顯示：在低負荷階段，發動機在燃用M30、M40時其能耗率比燃用93#汽油時的略高，在高負荷階段三種燃料的能耗率相差不多。

(3)發動機的常規排放試驗和非常規排放物仿真結果顯示：發動機燃用M30和M40同燃用93#汽油相比CO和NOX以及HC的排放都呈現下降趨勢，而且摻混比例越大，下降趨勢越明顯，但是甲醛的排放量隨著摻醇比例的增加而呈現上升趨勢。

(4)綜合來看，M30的動力性比93#汽油稍有下降，但常規排放特性大幅優于93#汽油，而且甲醛排放比M40稍低，因此M30比較適宜推廣使用。

【參 考 文 獻】

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