甲醇-汽油兩用燃料發動機設計

杜愛民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同濟大學汽車學院， 上海 201804)

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·設計計算·

甲醇-汽油兩用燃料發動機設計

杜愛民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同濟大學汽車學院， 上海 201804)

以一臺1.5 L、直列、四缸、四沖程發動機為基礎開發了甲醇-汽油兩用燃料發動機，對原發動機的硬件和軟件進行了局部修改，選擇了比較容易實現的雙油箱雙油軌結構，設計了甲醇-汽油兩用的燃油供給系統、點火系統以及控制軟件，實現了發動機汽油起動、暖機，甲醇、汽油之間的自由切換以及甲醇、汽油單獨燃燒等功能。對甲醇-汽油兩用燃料發動機進行了試驗研究，試驗表明，在轉速變化較大而負荷相對變化較小的工況下適合燃用甲醇。雖然甲醇的消耗量大約是汽油的2倍，但其燃燒熱效率比汽油高。

多元燃料發動機； 甲醇； 燃料切換

對動力系統和汽車燃料的全生命周期(Well-To-Wheel)性能的研究表明，在可預見的未來幾十年內，汽車工業將會出現動力系統多元化以及發動機燃料多元化發展的趨勢[1]。世界各大主要汽車生產國都將根據本國自身的技術基礎和資源存儲狀況選擇符合本國現狀的汽車技術路線。

就中國國情來說，我國天然氣存儲量僅占世界總儲量的0.9%，石油存儲量僅占世界已探明石油存儲量的2.7%，而煤炭資源豐富，存儲量占世界存儲量的15%。在中國，天然氣、石油、煤炭的結構關系按可燃燒放熱量計算為4%，5%，91%[2]。因此，從能源結構和應用來看開發應用煤制甲醇是解決我國能源危機和環境污染的一個有效方法。我國與國際上多個研究機構合作，運用Well-To-Wheel評價方法對在我國使用甲醇燃料的可行性及經濟性作了全面的評估。研究報告指出，在中國山西省等煤炭存儲量大的地區發展甲醇燃料與甲醇汽車具有現實可行性和較好的經濟性[3]。同時有研究發現，與傳統汽油能源路線相比，甲醇汽油能源路線的一次能源消耗降低達9%，而溫室氣體CO2等排放量僅增加3.5%。在我國利用煤制甲醇來部分代替傳統汽油，每投入1.8 t煤來制造甲醇便可以替代1.0 t原油，以甲醇代替汽油的能源調整策略能夠有效地緩解我國對原油進口的依賴[4]。

因此，從中國“少氣、貧油、富煤”的能源結構出發，考慮到節能環保和能源安全，應用煤基甲醇燃料替代汽油燃料符合我國能源國情。甲醇的這種應用可能會實現汽油的大面積被取代，這對中國的能源安全戰略具有特殊意義。

1 甲醇燃料的特點

甲醇是一種無色、透明、易燃、易揮發的有毒液體，略有酒精氣味，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。燃燒反應式為

甲醇具有廣泛的應用范圍，經過深加工后可以作為一種新型清潔燃料，也可以加入汽油摻燒[5-9]。甲醇和汽油的主要理化性質對比見表1。從表中可以看出與汽油相比甲醇的主要理化性質有如下特點：1)甲醇低熱值大約為汽油低熱值的45%，但甲醇的理論空燃比為汽油的44.2%，其理論空燃比混合氣的熱值與汽油基本相當；2)甲醇的汽化潛熱大約為汽油的3倍，不利于發動機的冷起動；3)甲醇分子內含氧，有利于降低HC，CO的排放；4)甲醇的辛烷值高于汽油，其抗爆能力強，可以通過增大甲醇發動機的壓縮比來提高熱效率，改善燃油經濟性；5)甲醇的火焰傳播速度約為汽油的兩倍，甲醇單獨燃燒或者在汽油中摻入甲醇均可以提高燃料的燃燒速率；6)相對于汽油而言甲醇在最佳濃度時需要的最小點火能量較低，比汽油更易于點火，因而汽油中加入甲醇后有利于燃料點火，改善發動機的燃燒穩定性[10]。

表1 甲醇和汽油的主要物理化學性質

2 甲醇-汽油兩用燃料發動機設計方案

燃用純甲醇的缺陷是冷起動困難以及暖機排放差?，F有的冷起動解決方案如進氣預熱、添加輔助起動燃料、提高發動機轉速和壓縮比、增大點火能量等措施均不能從根本上解決冷起動困難以及暖機排放差的問題。為了充分發揮純甲醇作為發動機燃料的優勢，本研究提出甲醇-汽油兩用燃料的策略，應用汽油作為起動及暖機燃料，應用甲醇作為主要動力燃料[11-14]。

同一臺發動機上單獨使用兩種燃料，這必然導致兩種燃料之間的切換問題。解決燃料切換問題有兩種方案可供選擇，即雙油箱單油軌結構、雙油箱雙油軌結構。

2.1 雙油箱單油軌結構

雙油箱單油軌結構的特點是油箱采用一體兩腔式油箱，甲醇和汽油共用一套供油系統和噴油設備。與傳統發動機的供油系統相比，雙油箱單油軌結構增加了油品傳感器，用以識別目前油軌中的燃料。其架構簡圖見圖1。

由于汽車可以應用兩種燃料，燃料性質的不同導致兩種燃料的切換過程必須要應用特殊的控制策略來達到切換的平順性。圖2示出了雙油箱單油軌結構的切換過程。當滿足燃料切換條件時，汽油泵關閉，甲醇泵開啟，此時燃料管路中形成界面A，靠近發動機側為汽油，另一側為甲醇；隨著發動機對油軌管路剩余汽油的消耗，則汽油、甲醇臨界面A依次通過4號，3號，2號，1號4個噴油器，當臨界面處于A1位置時，4號缸燃燒甲醇，其他各缸則繼續燃燒汽油，系統需要根據甲醇的特性進行噴射，4個缸依次切換成甲醇。

這種結構的燃料切換存在一定的問題，由燃料的性質可知，油面A在結構上并不均勻，且具有不確定性，在移動過程中，噴油器噴出的燃油成分未知(汽油與甲醇混合比未知)，需要在試驗中反復尋找并驗證其規律性，找到可控的空燃比加濃系數。如果時間比較短暫，僅會出現一個缸短暫失火的現象，重點是控制界面A的形態穩定。另外在不同溫度下，驗證過程是否相同，需要在實車試驗中驗證。同時油軌的結構也會影響到界面A在油軌中存在的形式及大小，進而影響切換過程的質量，特別是目前油軌設計的形狀容易形成紊流，會影響界面A的穩定性。由圖3可見，油軌的不規則設計會直接導致界面A不穩定，甚至無法形成該界面。

由圖4可見，若單向閥存在泄漏，蓄壓能力差，無法預知管路三通與甲醇單向閥間燃油狀態，則起始汽油長度無法預知，此模型無法正常工作，需要增加油品比例傳感器，反饋給ECU，以此點為計算汽油長度起點，并且可以估算出界面A處汽油的比例。另外，長時間運行甲醇可能流入副油箱，降低汽油純度，影響低溫起動性能。但是增加油品比例傳感器必然會提高甲醇-汽油兩用燃料汽車的成本。

2.2 雙油箱雙油軌結構

雙油箱雙油軌結構的特點是：油箱為一體兩腔式油箱，發動機有兩套獨立的供油系統，分別為甲醇供油系統和汽油供油系統。與傳統發動機相比，雙油箱雙油軌結構顯著的特點是雙供油系統，每一缸有兩個噴油器供油。這種結構燃料的切換過程比較容易實現，可以采用兩種燃料同時噴射的方式解決切換平順性的問題。其結構見圖5。

從以上兩種甲醇-汽油兩用燃料發動機的實現方案分析來看，第二種方案更容易實現，本研究采用第二種方案。

3 甲醇-汽油兩用燃料發動機設計

3.1 燃油供給系統設計

3.1.1 燃油供給系統設計原理

為了解決甲醇冷起動困難以及暖機時排放差等問題，本研究采用雙噴油系統。整個系統存在兩套油路，兩個油泵，兩個油箱，即甲醇油箱(主油箱)和汽油油箱(副油箱)。發動機ECU可以同時控制8個噴油器，既能夠實現4個噴油器單獨噴射甲醇，也能夠實現另外4個噴油器單獨噴射汽油，在燃料切換過程中8個噴油器可以同時噴油，無需人工干預。這樣就可以利用汽油良好的冷起動性能及暖機排放性能完成起動過程，在起動完成達到一定條件后，切換至甲醇，進而充分利用甲醇熱機狀態下良好的排放性能和經濟性。這樣還可以實現發動機汽油模式和甲醇模式的平穩切換。

汽油供油系統沿用傳統設計，由于汽油只在起動及起動后一段時間及緊急情況下應用，因此油箱的容量減小為5 L。甲醇燃油供給系統需要經過特殊設計，考慮選用抗腐蝕和抗溶脹材料。

3.1.2 噴油器選擇

甲醇和汽油的化學計量空燃比相差較大(甲醇的理論空燃比為6.5，汽油大約是甲醇的2.28倍)。因此，在相同進氣量的前提下，噴油器噴射甲醇的時間要比噴射汽油長很多，需要改變傳統汽油機的噴油器以滿足兩用燃料汽車在燃用高甲醇含量油品時的燃油需求量。

一般而言，噴油器的選型方法有兩種。一種是根據發動機燃油系統和性能參數的要求，對噴油器的主體結構參數進行理論計算后初步確定，再通過發動機試驗最后確定。另一種是為滿足發動機的某些特殊要求，對各種特殊因素進行分析，最終選擇能夠滿足這些特殊要求的噴油器。

目前對甲醇燃料的研究發現傳統噴油器不能滿足甲醇燃料對燃油系統的特殊要求。首先，當發動機運行在甲醇燃料時，燃油噴射量大幅增加；其次，由于醇類燃料具有腐蝕作用，易使燃油管路管壁剝落下雜物,且這些雜質不溶于甲醇。因此，甲醇噴射器需要采用耐腐蝕材料制作。循環供應量q是發動機在最大功率時的燃油供應量，q的計算方法如下：

(1)

(2)

式中:Pmax為發動機最大功率；n為發動機最大功率轉速；be為最大功率時的燃油消耗率；i為氣缸數；τ為沖程數；B為燃油消耗量。

按照設計目的，該發動機在燃用甲醇時，最大功率Pmax=84 kW，最大功率轉速n=6 000 r/min，此時燃油消耗率設計目標是不高于670 g/(kW·h)。此外i=4，τ=4。由式(2)可得燃油消耗量B=56.28 kg/h，最大功率時的循環供應量q=78.167 mg/循環。

綜合上述計算和甲醇腐蝕性的特殊因素，最后選擇了CEV4-2-4醇類燃料噴射器，其工作溫度為-40～110 ℃，供電電壓為8～16 V，可使用汽油、乙醇、正庚烷、甲醇、機油、變速箱油、制動油等油品，噴油器內部能承受600 kPa的壓力，2 kHz下能承受30 g的瞬間加速度，能承受大于等于600 MPa的軸向應力、大于等于6 MPa的彎曲應力、大于等于4 MPa的扭轉應力。其性能參數見表2。

表2 CEV4-2-4-298醇類燃料噴射器性能參數

3.1.3 油箱及油路設計

長期研究發現，在甲醇燃料供油系統中燃油管路中會生成一種類似凝膠體的物質，如果這種凝膠體聚集在燃油過濾器中，將會導致燃油過濾器的濾芯堵塞。而對于甲醇燃料供給系統中的金屬零部件，特別是對于鋁零件，如果未進行表面處理或表面處理不夠充分，長期浸泡于甲醇中會生成氫氧化鋁Al(OH)3，從而在濾芯上形成很難處理的薄膜。這些不利因素都會導致過濾器的阻力過大，電動油泵負荷及噪聲增加，影響過濾器及電動油泵的使用壽命。大量試驗證明，在不采取恰當措施的情況下，汽車行駛里程超過4 000 km燃油過濾器就會產生較嚴重的堵塞。

為了避免出現甲醇燃料過濾過程中的堵塞現象及燃油系部分零件的銹蝕現象，在甲醇-汽油兩用燃料發動機設計過程中采取了以下措施：

1) 甲醇燃料在存儲和運輸過程中產生的膠黏體等雜質的尺寸要求為，50%的雜質小于2 μm，20%的雜質為2～5 μm，因此甲醇燃料在加入到油箱之前進行一次過濾，并在甲醇-汽油兩用燃料汽車的油路中采用空隙為1 μm的過濾器。

2) 鋁零部件要進行表面處理——厚度為0.05 mm的陽極氧化處理，鍍0.01 mm的溴層。

3) 在甲醇燃料中加入抑制積炭生成的添加劑。

3.2 點火系統設計

甲醇的汽化潛熱值遠大于汽油，發動機應用甲醇時壓縮終點混合氣的溫度要低于發動機應用汽油時。為了使甲醇能夠可靠著火，發動機點火系統需要提供更高的點火能量。低負荷工況以及稀混合氣運行時發動機缸內溫度比較低，可以通過提高點火能量和延長點火時間保證穩定的點火，高負荷工況點火能量可以小一些。

甲醇有早燃的傾向，汽油機改用燃燒甲醇后，如果仍然沿用原來同熱值等級的火花塞，很容易造成早燃現象。一般選用低一個等級的冷型火花塞，但不能使用更低熱值等級的冷型火花塞，否則容易使甲醇冷凝在火花塞電極上，極易形成污垢物和短路現象，造成漏電、點火不正常甚至失火故障。為了避免這種現象的出現，甲醇燃料發動機使用的火花塞裙部溫度不小于450 ℃。同時為了不產生早燃現象，火花塞的裙部溫度不大于850 ℃。本研究采用的是NGKN06火花塞。

3.3 甲醇-汽油兩用燃料發動機軟件設計

3.3.1 甲醇-汽油兩用燃料發動機管理系統的整體

設計

由于本研究甲醇-汽油兩用燃料汽車是在傳統汽油機汽車上改裝開發的，因此驅動層基本可以維持不變，只需要增加一路噴油的驅動、診斷以及其他外圍控制模塊，即把過去控制汽油噴油的功能擴展到控制甲醇噴油功能，以實現兩種燃料分別噴射和同時噴射。

根據以上分析，甲醇-汽油兩用燃料發動機控制器軟件在開發過程中只需要調整燃油模塊和點火模塊并增加切換過程的控制模塊。對于其他模塊，由于甲醇和汽油的相似性，只需要甲醇燃料和汽油燃料使用不同的匹配數據就可以滿足發動機的需求。

因此，甲醇-汽油兩用燃料汽車主要軟件功能作如下升級：底層軟件按4缸噴油時序控制甲醇噴油器和汽油噴油器，可實現單獨汽油噴射、單獨甲醇噴射或甲醇和汽油同時噴射(燃料切換過渡工況)；甲醇燃料和汽油燃料使用基本相同的軟件邏輯，但使用不同的數據；軟件工具鏈將部分數據復制為兩份，一份供甲醇控制使用，一份供汽油控制使用，軟件運行時根據控制命令切換。

3.3.2 斷油控制

由于缸數不變但噴油器的數量翻倍，這就需要斷油控制能夠保證在由不同原因導致的斷油情況下實現斷油，同時保護三元催化器。在以下兩種情況下噴油器斷油。

1) 可恢復性必須斷油請求：安全氣囊打開后；當曲軸信號出現嚴重缺齒或多齒錯誤時；無法通過防盜驗證時；關閉電源時。

2) 滿足駕駛員需求進行的斷油請求：來自主動降扭造成的斷缸請求(順序斷缸)，將預斷缸數轉化成噴油嘴號；因為故障而導致的斷缸請求(固定斷缸)，主要包括噴油嘴故障、失火以及發動機停缸。沒有相位傳感器或者相位傳感器失效的情況下進行斷缸操作。失火斷油、發動機停缸、主動降扭均要切斷一個缸的2個噴油器，而噴油器出現故障，將切斷所有故障噴油器。

3.3.3 油泵控制

發動機起動前就建立了汽油油泵的油壓，甲醇在這個階段并不噴射，所以甲醇油泵并不工作，以節約能源。當由汽油模式切換到甲醇模式時，在切換之前啟動甲醇泵，對甲醇泵進行預測控制，以實現對甲醇噴油器供油。切換過程中兩個泵同時工作，當切換完成后汽油泵進行afterrun運行，然后關閉。在甲醇切換到汽油過程中，也對汽油泵進行預控制。在燃料切換之前啟動汽油泵，建立汽油油壓，為切換作準備。切換完成后，甲醇泵進行afterrun運行，然后關閉。

3.3.4 甲醇-汽油切換模塊的設置

本研究中發動機應用汽油起動來解決甲醇冷起動困難的問題，起動后發動機狀態達到一定條件后切換到甲醇燃料。如果甲醇燃料缺失或者遇到甲醇噴油器故障、甲醇油路故障，將會由甲醇模式切換到汽油模式。因此，要時刻監測發動機的狀態來確定是否達到切換的條件。甲醇-汽油兩用燃料發動機燃料切換策略的設計目的是在保證發動機不熄火的情況下，實現甲醇向汽油或者汽油向甲醇的平穩切換。

在燃料切換軟件設計時，為了便于實現不同工作狀態的相互轉化，引入切換標志位Convert_Flag和切換完成標志位Convert_Finish這兩個量。圖6示出了燃料切換控制策略的軟件實現流程。

發動機起動時，ECU經過初始化Convert_Flag置0，此時只有汽油泵工作，汽油噴油器噴射汽油作為發動機燃料，實現良好的低溫起動性能和暖機排放。同時ECU會根據發動機傳感器發送到ECU內部的信號判斷兩用燃料發動機的狀態是否滿足切換要求。如果發動機狀態滿足切換要求，Convert_Flag就會被賦值為1，甲醇和汽油兩種燃料的油泵都開始工作，延時2 s后甲醇噴油器開始工作，此時甲醇和汽油的噴油器均在工作，實現兩種燃料的同時供應和燃料的切換。延時2s的目的是在甲醇噴油器工作前在甲醇燃油供給管道中建立甲醇油壓。當燃料切換完成后Convert_Finish會置位，同時Convert_Flag被賦值為2，這時只有甲醇泵在工作，而汽油泵停止工作，只有甲醇作為發動機燃料。當ECU檢測到甲醇切換到汽油的條件滿足后，就會賦值Convert_Flag為3，此時甲醇和汽油的噴油泵再次同時工作，延時2 s后汽油噴油器也開始噴射汽油，這時甲醇和汽油同時供應，實現兩種燃料的同時供應和燃料的切換。延時2 s的目的同樣是為了建立汽油供油系統的油壓。同樣當甲醇向汽油切換完成后，Convert_Finish會置位，同時Convert_Flag被重新賦值為1，恢復到只有汽油的運行模式。

由于甲醇的汽化潛熱值較大，在低溫情況下進行燃燒會導致排放惡化，發動機失火嚴重，轉速波動較大，甚至會造成發動機停機。因此，只有在發動機溫度達到指定溫度后才允許進行燃料切換。這樣既能夠保證發動機運行的穩定和切換過程的穩定，又能夠滿足發動機排放法規的要求，真正體現甲醇燃料排放的優勢。

發動機處于小負荷運轉時，如果燃用的是甲醇，那么未燃醇及醛類排放物比較高，要采用三元催化器進行催化反應來降低排放。而排氣溫度直接影響著三元催化器的起燃，只有在排氣溫度達到一定閾值后進行燃料切換，才能保證發動機燃用甲醇時具有理想的排放。因此，排氣溫度也是發動機切換的限值條件之一。

由于甲醇本身含氧，因此其燃燒速度快，容易發生早燃，在大負荷下燃燒甲醇燃料有產生爆震的趨勢。為了防止產生爆震，應在大負荷工況下限制甲醇、汽油的相互切換。

發動機排氣過濃或者過稀，發動機燃料都不能充分燃燒，會增加排氣系統的負荷，如果不及時控制可能會導致三元催化器的損壞，因此要求雙燃料發動機在進入λ閉環控制后再進行燃料切換，以保護催化器和發動機排氣系統。

只有油泵正常工作，供油壓力能夠達到一定值，才能夠進行切換，因此切換時要求汽油和甲醇液位達到一定值。

只有發動機ECU檢測到以上各種條件均滿足時，才會進行燃料切換。特別是由汽油切換甲醇的工況，以上條件必須滿足。

3.3.5 燃料切換過渡工況

燃料切換過渡工況為甲醇(汽油)噴油器噴甲醇(汽油)量逐漸減少，汽油(甲醇)噴油器開始工作，汽油(甲醇)噴射量逐漸增多的過程。本研究基于切換前后燃料熱值不變的方法來保證切換過程中扭矩的平順性。根據甲醇、汽油熱值的不同可以得到甲醇和汽油的換算比例，因此切換前后甲醇和汽油的噴射量可以固定。圖7示出了汽油切換至甲醇的過程，可以看出甲醇、汽油的噴射量是線性變化的。

4 試驗驗證

運用萬有特性曲線圖可以分析發動機整個工作范圍內主要參數的變化關系以及發動機最經濟的工作區域。圖8和圖9示出了汽油和甲醇燃料的萬有特性。

從萬有特性上可以看出甲醇的等油耗曲線在橫坐標方向上比汽油寬，這說明甲醇燃料更適合在轉速變化較大而負荷相對變化較小的情況下工作。由圖可以看出甲醇的燃油消耗量大約是汽油的2倍，這并不是由缸內燃燒惡化造成的，而是因為甲醇的熱值要比汽油低。

單純對比甲醇和汽油的燃油消耗率意義不明顯，因此，根據甲醇和汽油的熱值，把各工況的燃油消耗率轉化為熱效率(見圖10)。從圖10中可以看出，甲醇和汽油的熱效率與燃油消耗率的變化趨勢正好相反。在所有工況下，發動機燃用甲醇的熱效率均明顯高于燃用汽油，并且隨著轉速和負荷的升高優勢更為明顯。發動機燃用汽油的熱效率最高值大約為33%，而當燃用甲醇時在轉速為2 000 r/min，功率為25 kW時熱效率甚至可以達到36%。

5 結束語

結合甲醇和汽油兩種燃料優勢，設計了發動機燃油供給系統、噴油器、油箱油路、點火系統以及軟件，完成了甲醇-汽油兩用燃料發動機一系列開發工作。試驗結果表明，甲醇-汽油兩用燃料發動機具有較好的工作熱效率。在石油危機日益嚴重的今天，使用甲醇代替汽油具有廣闊的發展空間。

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[編輯： 姜曉博]

Design of Petrol-methanol Dual-fuel Engine

DU Aimin, ZHU Peipei, ZHU Zhongpan, CHU Chuanchuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A petrol-methanol dual-fuel engine was developed by locally modifying the hardware and software of a 1.5 L inline 4-cylinder and 4-stroke engine. The dual fuel tank and rail which could be realized easily were chosen, the fuel supply system, ignition system and control software for petrol-methanol dual-fuel were designed, and the starting and warming up functions of petrol and the free switch and respective combustion for methanol and petrol were realized. The experiments of the dual- fuel engine show that methanol is more appropriate for transient conditions with large speed and load variance. Although the consumption of methanol is twice of the petrol, the thermal efficiency of methanol is higher than that of petrol.

multifuel engine; methanol; fuel switch

2015-05-10；

2015-07-22

杜愛民(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向為汽車能源與排放控制；duaimin1971@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.001

TK464

B

1001-2222(2015)05-0001-07