基于發動機臺架的醇醚燃料發動機性能測試研究

張鵬，陳學勁，姚萌萌，姜向京

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

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基于發動機臺架的醇醚燃料發動機性能測試研究

張鵬，陳學勁，姚萌萌，姜向京

(廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700)

在發動機試驗臺架上，以模擬整車實際行駛動態工況的動態測試方法，對93號汽油以及15%、50%混合比例的醇醚類燃料進行動力性及經濟性對比測試。結果表明：醇醚類燃料在高溫高壓的條件下能更好地燃燒，混合濃度比例50%以下的醇醚類燃料并不影響原發動機的動力性。

醇醚類燃料；發動機試驗臺架；動態測試方法

0　前言

醇醚燃料具有原料消耗少、成本低、投資少、規模靈活等特點，具有很強的經濟實用性。特別是汽油低比例摻燒甲醇，基本上可以與目前的汽油一樣使用，不存在建站問題。但高比例摻燒或純燒甲醇燃料以及二甲醚燃料時，需新建加油系統和改造汽車發動機。山西省長達數年的甲醇燃料車隊示范運營已證明：甲醇燃料是經濟可行的清潔燃料[1]。

在我國，由于汽車是能源的消耗大戶，生物燃料的研發和生產企業自然看重這塊市場。目前，市場上已經出現越來越多主供汽車的醇類汽油和生物柴油，這些產品的生產者都在宣稱自身的產品不影響動力、節能、減排[2]。但實際情況是怎樣，由于國內目前缺少權威的檢測機構對其產品進行評估，無法給出客觀的評價。針對其動力性及節能情況，需要對醇醚類燃料在發動機臺架上進行燃料消耗測試，并通過計算、分析與傳統化石燃料的油耗對比，進而評估其效率；針對其減排情況，雖然與化石燃料相比更清潔，但由于獨特的化學性質，醇醚類燃料在使用過程中排放出的未燃燒完的醇易轉化為醛，對人體健康具有潛在危險，這需進行排放的檢測。由于質量參差不齊，為了確保市場上流通的生物燃料的質量、保障消費者的權益，針對發動機的生物燃料的評估研究顯得迫在眉睫。

1　試驗設備

圖1為測試用汽油發動機臺架試驗系統示意圖，表1為構成系統的主要設備，表2為發動機的主要參數。

表2　發動機主要參數

2　試驗方法

對于汽車運行試驗結果的分析表明：當汽車在暢通的公路上行駛時，每千米平均操縱汽車作業次數(如變速、離合器的結合和分離、制動等)為1～2次；在交通繁忙的市區行駛時的作業次數可達到16次。沿著暢通而平坦的道路以不變時速行駛時，由于道路覆蓋層的不均勻性造成路面的波浪起伏，使得供油控制機構仍處于不斷的運動狀態，并在相當大的范圍內移動[3]。

在運營條件下，汽車發動機大多處于動態工況下工作，其在動態工況下的行駛時間、燃油消耗量和有害排放等均占主導地位。發動機的動態工況相對于穩態工況而言，就是發動機的轉矩、轉速或節氣門開度中的任意一個量或多個量處于變化過程時所處的工況。當車輛在道路上行駛時，即使是在高速公路上巡航行駛時，發動機的負荷和轉速等參數也處于變動狀態，因此動態工況占整個運行工況的66%～88%[4]。

汽車發動機的實際運行工況大都隨路面阻力的情況而不斷地變化著，發動機出現動態工況的標志是發動機各項參數中的一個、幾個或所有隨時間而變化。在動態工況下，發動機的能量平衡條件被破壞，其結果是發動機出現能量的過剩或者不足。

在正常熱力狀態下工作的汽油機，通常是通過曲軸轉速n、節氣門開度αkd和空燃比βAF來實現工況的調節與控制，亦即當曲軸轉速n、節氣門開度αkd和空燃比βAF這3個量確定時，便確定了汽油機的工況。以時間t作為自變量來考察，則有：

穩態工況dn/dt≈0、dαkd/dt≈0和dβAF/dt≈0

動態工況dn/dt≠0、dαkd/dt≠0和dβAF/dt≠0

因此，在非穩態工況下，永不確定的是n、αkd、βAF、dn/dt、dαkd/dt和dβAF/dt等6個量。對于電控汽油噴射式發動機在不考慮溫度補償時，空燃比βAF是節氣門開度αkd及其變化率dαkd/dt的函數。故在大多數情況下，是n、αkd、dn/dt、dαkd/dt等4個量決定了汽油機的工況[5]。

汽車發動機的使用工況變化范圍很大，加速、減速，急劇增減轉矩，制動，從冷機突然啟動進入行駛狀態等多為動態工況。在這樣劇烈變化的工況條件下，其油耗比穩態工況高出很多，雖然用動態的試驗方法更能反映燃料的經濟性，但考慮到進行動力性及燃料消耗量的測定，特制定如下實驗方案：

實驗模式選擇為穩態，油門變化為大循環，轉速變化為小循環。大循環中，油門開度從10%開始，每次遞增10%每秒，一直到100%；小循環內，轉速從1 000 r/min開始，每次增250 r/min，一直到發動機的最高轉速。dn/dt高于500 r/(min·s)的實際工況很少，不予考慮。

3　試驗結果及分析

此次試驗選用2種混合比例不同的醇醚類燃料與93號汽油針對其經濟性及動力性進行對比。

3.1動力性測試結果

(1)G15樣品是醇醚燃料與93號汽油按15∶85混合得到的，將它與93號汽油進行動力性對比，扭矩、功率測試結果分別見表3和表4，扭矩測試結果對比曲線見圖2，功率測試結果對比曲線見圖3。

表3　G15樣品和93號汽油扭矩測試結果

表4　G15樣品和93號汽油功率測試結果

圖2G15樣品和93號汽油扭矩測試結果對比曲線

圖3G15樣品和93號汽油功率測試結果對比曲線

(2)G50樣品是醇醚燃料與93號汽油按50∶50混合得到的，將它與93號汽油進行動力性對比，扭矩、功率測試結果分別見表5和表6，扭矩測試結果對比曲線見圖4，功率測試結果對比曲線見圖5。

表5　G50樣品與93號汽油扭矩測試結果

表6　G50樣品和93號汽油功率測試結果

3.2經濟性測試結果

G15樣品與93號汽油燃油消耗測試結果見表7，燃料消耗量測試結果對比曲線見圖6；G50樣品與93號汽油燃油消耗測試結果見表8，燃料消耗量測試結果對比曲線見圖7。

表7　G15樣品與93號汽油燃油消耗測試結果

實驗結果表明：當醇醚類燃料混合比增大到50%時，油耗率并無顯著增大，醇醚類燃料在高速高負荷下比低速低負荷下有著更好的表現。醇醚類燃料在高溫高壓的條件下能更好地燃燒，而動力性指標基本無太大變化，低于50%比例與汽油混合的醇醚類燃料并不影響汽車原有的動力。

4　結論

在發動機臺架上，對93號汽油及15%濃度以及50%濃度醇醚類燃料進行經濟性與動力性對比，得出以下實驗結論：

(1)醇醚類燃料混合比例低于50%時，燃料消耗率并無顯著增大，醇醚類燃料在高速高負荷下比低速低負荷下有著更好的表現。

(2)醇醚類燃料混合比例低于50%時，發動機的扭矩和功率無明顯降低，并不影響汽車原有的動力。

【1】郭新宇,劉志遠.我國醇醚燃料產業發展的思路及對策[J].煤化工,2008(3):1-4.

【2】劉瑾,鄔建國.生物燃料的發展現狀與前景[J].生態學報,2008(4):1339-1353.

【3】黎蘇,黎曉鷹,黎志勤.汽車發動機動態過程及控制[M].北京：人民交通出版社，2001.

【4】何忠波,白鴻柏,張培林，等.發動機動態特性及其對車輛換擋特性的影響[J]．軍械工程學院學報,2005,17(5)：18-20．

【5】嚴運兵,顏伏伍,杜常清，等.基于PUMAOPEN1.2的發動機動態特性研究[J]．武漢科技大學學報：自然科學版,2008,31(1):95-98.

Detection of Ethanol Ether Fuel Engine Performance Based on Engine Test-bed

ZHANG Peng, CHEN Xuejin,YAO Mengmeng,JIANG Xiangjing

(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

On engine test-bed, dynamic test method which was used to simulate the vehicle real driving dynamic condition, was used to make power performance test and fuel economy test for 93# petrol and 15%, 50% mixed ratio ethanol ether fuel. The results show that under the condition of high temperature and high pressure, ethanol ether fuel can better combusted; ethanol ether fuel does not affect the original engine power performance when its mixed ratio is less then 50%.

Ethanol ether fuel; Engine test-bed; Dynamic testing method

2015-06-15

張鵬(1983—)，男，工程碩士，工程師，從事汽車及零部件測試工作。E-mail:18665663171@163.com。