過量空氣系數和點火正時對M100甲醇發動機性能影響研究

王燕鵬，王忠，張登攀，居鈺生，張永銘（.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江03；.中國第一汽車集團公司無錫油泵油嘴研究所，江蘇無錫4063）

過量空氣系數和點火正時對M100甲醇發動機性能影響研究

王燕鵬1，王忠1，張登攀1，居鈺生2，張永銘2
（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江212013；2.中國第一汽車集團公司無錫油泵油嘴研究所，江蘇無錫214063）

將一臺4氣門汽油機改裝為燃用M100甲醇發動機，測量了甲醇發動機的動力性、經濟性參數，研究了M100甲醇發動機性能隨過量空氣系數、點火提前角的變化規律。結果表明：轉速為2 500 r/min、部分負荷工況時，當過量空氣系數一定，隨點火提前角的增加，甲醇發動機的轉矩增大，當量燃料消耗率下降，NO排放升高80%以上；相同工況時，當點火提前角一定，隨過量空氣系數的減小，發動機轉矩增大，HC、CO排放明顯增加。與燃用汽油相比，M100甲醇發動機外特性上的最大轉矩增加約5.2%；在城市道路常用轉速2 000 r/min，甲醇發動機按負荷特性運行，當量燃料消耗率低于原汽油機。

動力機械工程；甲醇；點火提前角；過量空氣系數

0　引言

能源、環境問題是汽車研究工作的重點，汽油機替代燃料的研究引起了世界各國的關注。甲醇與汽油的理化特性相近，甲醇沸點為65℃，低于汽油，易與空氣混合；甲醇辛烷值為110，高于汽油，可以抑制汽油機的爆震；甲醇與空氣混合形成的混合氣熱值與汽油相當；研究表明，汽油機燃用甲醇燃料能提高汽油機的熱效率，改善動力性、經濟性，并降低CO、HC排放[1-3]。甲醇是一種高效、清潔的汽油機替代燃料，具有來源豐富、生產工藝成熟、儲運安全等特點。

按不同體積比形成的甲醇/汽油混合燃料是汽油機的主要應用方式，體積比為85%的甲醇與體積比為15%的汽油混合形成的M85是典型的高比例甲醇/汽油混合燃料，在不改變汽油機控制策略的情況下，在汽油機上已得到了應用。燃用純甲醇M100時，甲醇較高的汽化潛熱會降低缸內壓縮終了混合氣的溫度，造成著火延遲期延長[4]，如果不對汽油機的控制策略進行改變，可能造成燃燒持續期增加，將影響發動機的熱效率；同樣，混合氣的質量對燃燒過程也存在很大的影響。過量空氣系數的變化對燃用M100和汽油的燃燒速率的影響存在差異，過量空氣系數改變時，燃用M100層流燃燒速率的變化比燃用汽油時大[5]。發動機每一工況點對應的最佳點火提前角和過量空氣系數不同，為了獲得M100甲醇發動機的最佳性能，有必要對甲醇發動機的過量空氣系數和點火提前角進行研究。

1　甲醇的理化性質

甲醇和汽油理化特性如表1所示。與汽油相比，甲醇辛烷值高（110），抗爆性好，允許采用更高的壓縮比，提高熱效率[6]；甲醇分子含氧量達50%，有利于燃料的完全燃燒，降低HC、CO排放；甲醇的著火界限為7.3% ～36.9%，比汽油更容易著火。甲醇的低熱值約為汽油的46%，甲醇的汽化潛熱為1.088MJ/kg，約為汽油的3倍，在汽化時需吸收更多的熱量。

表1　甲醇、汽油的理化特性參數Tab.1　Physicochemical properties ofmethanol and gasoline

甲醇的化學計量空燃比為6.45，汽油的化學計量空燃比為14.7.與完全燃燒相同質量的汽油相比，甲醇完全燃燒所需的空氣量為汽油的43.8%.

2　試驗裝置及試驗方案

2.1試驗裝置及發動機參數

甲醇發動機是在一臺直列、4缸、4氣門汽油機的基礎上，更換大流量噴油嘴和甲醇泵，增加噴醇量而得，未對發動機的結構參數進行修改。發動機參數如表2所示。試驗主要儀器：杭州中成測試設備有限公司生產的CW160型電渦流測功器和MCS-960型燃油耗儀、德國EATS公司生產的ES630型空燃比測試儀、佛山分析儀有限公司生產的FGA-4100型汽油車排氣分析儀。

表2　甲醇發動機參數Tab.2　Specifications ofmethanol engine

2.2試驗方案

過量空氣系數試驗，選取2 500 r/min、功率30 kW的工況點，固定節氣門開度，保持進入氣缸的空氣量不變，改變供醇脈寬，過量空氣系數為0.9、1.0、1.1時，測量了發動機轉矩隨過量空氣系數的變化規律。

點火提前角試驗，選取2 500 r/min，功率30 kW的工況點，固定節氣門開度，進入氣缸的空氣量不變，保持過量空氣系數不變，改變點火提前角分別為15.4°CA、17.3°CA、21.0°CA、24.0°CA、27.0°CA、29.6°CA、32.6°CA、34.5°CA，測量了甲醇發動機功率、燃料消耗及CO、HC和NO排放濃度等參數。排放物的測量位置選在三效催化器后約20 cm處。

考慮到甲醇的低熱值與汽油不同，采用當量燃料消耗率評價發動機燃用甲醇和汽油兩種燃料的經濟性。具體方法就是把甲醇的燃料消耗率折算為相同低熱值汽油的燃料消耗率。當量燃料消耗率

式中：Hum、Hug分別為甲醇、汽油的低熱值（MJ/kg）；bem為實測的甲醇消耗率。

3　試驗結果與分析

3.1過量空氣系數及點火提前角對性能參數的影響

過量空氣系數一定，發動機轉矩Ttq隨點火提前角的變化曲線如圖1所示。可看出，發動機轉速一定，部分負荷工況，過量空氣系數為0.9時，發動機轉矩大于過量空氣系數為1.0和1.1時的轉矩；過量空氣系數一定，隨點火提前角的增大，發動機的轉矩增大。過量空氣系數分別為0.9、1.0、1.1時，點火提前角從15.4°CA增大到32.5°CA，發動機轉矩分別增加了10.2 N·m、13.4 N·m、19.4 N·m.可看出，過量空氣系數為1.1時，點火提前角的變化對發動機轉矩的影響最大。

圖1　點火提前角和過量空氣系數對轉矩的影響Fig.1　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on engine torque

過量空氣系數一定，當量燃料消耗率隨點火提前角的變化關系如圖2所示。可看出，在2 500 r/min部分負荷工況，過量空氣系數不變，當量燃料消耗率隨點火提前角的增大呈現先大幅降低，后緩慢減小的趨勢。點火提前角在15.4°CA～21.0°CA范圍內，過量空氣系數為1.0時，理論空燃比混合氣燃料消耗率最低，過量空氣系數為1.1的稀混合氣當量燃料消耗率最高。點火提前角較小時，對于過量空氣系數為1.1的稀混合氣，缸內混合氣的著火延遲期增加，火焰傳播的平均速率下降，燃燒持續期變長。在膨脹行程中燃燒的混合氣量增加，使得發動機輸出的功率顯著下降，而燃料消耗量保持不變，因此，點火提前角較小時，稀混合氣的燃料消耗率顯著增加。點火提前角從21.0°CA增大到34.5°CA，過量空氣系數為1.0和1.1的混合氣當量燃料消耗率相差不大，而空燃比在0.9的濃混合氣當量燃料消耗率明顯高于前二者，且變化較為平緩。甲醇發動機燃用過量空氣系數為1.1的混合氣，同樣可以實現較好的燃料經濟性，但由圖1可知，發動機轉矩下降明顯。

圖2　點火提前角和過量空氣系數對當量燃料消耗率的影響Fig.2　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on brake specific fuel consumption

過量空氣系數一定，排氣溫度隨點火提前角的變化關系如圖3所示。可看出，在3種過量空氣系數下，排氣溫度隨點火提前角的變化趨勢相同，都隨點火提前角增大而降低。由于推遲點火，氣缸內工質后燃增加，導致最終的排氣溫度上升[7]。點火提前角一定，理論空燃比混合氣的排氣溫度最高，過量空氣系數為1.1的稀混合氣排氣溫度最低。對于過量空氣系數為0.9的濃混合氣來講，燃料缺氧不利于混合氣的充分燃燒，因此排氣溫度低于理論空燃比混合氣。

圖3　點火提前角和過量空氣系數對排氣溫度的影響Fig.3　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust temperature

3.2過量空氣系數和點火提前角對排放的影響

點火提前角和過量空氣系數對甲醇發動機NO、CO、HC排放的影響如圖4所示。可看出，在3種過量空氣系數下，NO排放均隨著點火時刻的推遲呈現下降趨勢，且下降趨勢明顯。點火提前角由34.5°CA減小到15.4°CA，NO排放降低約80%.推遲點火使氣缸內最高燃燒溫度下降，縮短了焰后燃燒產物區的反應時間，使NO排放降低。過量空氣系數既影響燃燒溫度，又影響燃燒產物中的氧濃度，因此對NO排放影響很大。隨點火提前角的變化，理論空燃比混合氣的NO排放最高，對于過量空氣系數為0.9和1.1的混合氣，濃混合氣有較高的燃燒溫度，但局部缺氧的缸內氛圍抑制了NO的生成；稀混合氣的缸內最高燃燒溫度低于濃混合氣，但氧分壓增大對NO生成的影響大于缸內燃燒溫度降低的效果，因此，稀混合氣的NO排放要高于濃混合氣[8]。

圖4　點火提前角和過量空氣系數對氣體排放的影響Fig.4　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust emission

從圖4可看出，點火提前角的變化對CO排放的影響不明顯。過量空氣系數為1.0和1.1時，CO排放量較低，隨混合氣濃度的增加，CO排放明顯增加，這主要是燃燒的不完全程度增加所導致。過量空氣系數一定時，隨點火提前角的增大，HC排放變化規律與CO相似。過量空氣系數在0.9的濃混合氣，缸內氧濃度降低，部分燃料不能迅速、完全燃燒，使得HC排放升高。甲醇分子含氧量高達50%，可以促進燃料的完全燃燒[9]，在3種過量空氣系數下，HC排放都較低。

3.3甲醇發動機的性能參數

選擇了最佳的供醇脈寬及點火提前角后，進行了甲醇發動機的外特性試驗和2 000 r/min的負荷特性試驗，與原汽油機外特性的動力性、經濟性參數進行了對比。原汽油機的性能參數是在發動機改裝之前測得，使用的汽油為市售93號汽油。圖5為M100甲醇發動機和原汽油機的外特性曲線。可看出，轉速低于2 500 r/min時，甲醇發動機的轉矩低于原汽油機；轉速高于2 500 r/min時，甲醇發動機的轉矩、功率高于原汽油機，3 500 r/min時轉矩、功率高于原機約5.2%.甲醇的低熱值約為汽油的1/2，按理論混合氣計算，甲醇與空氣形成的混合氣熱值與汽油和空氣形成的混合氣熱值相當，通過增加供醇量可以彌補甲醇低熱值較低的不足，保證了發動機的動力性。轉速較低時，壓縮終了缸內溫度較低，著火延遲期延長，著火滯后[10]，導致熱效率下降，功率略低于原汽油機，燃料消耗率高于原汽油機。隨著轉速的升高，甲醇燃料的優勢逐漸顯現。一方面，壓縮終了缸內溫度有所上升，甲醇與空氣的混合更加均勻，較快的火焰傳播速度提高了燃燒定容度，熱效率提高；另一方面，甲醇的辛烷值高于汽油，可以抑制發動機爆震，在外特性上可以使用較大的點火提前角來增加發動機的動力輸出，因此，轉速高于2 500 r/min，甲醇發動機的功率比原汽油機有所增加，燃料消耗率趨于一致。

圖5　甲醇發動機與原汽油機的外特性曲線Fig.5　The exterior characteristics curves ofmethanol engine and gasoline engine

圖6為轉速2000 r/min時甲醇發動機與原汽油機的負荷特性曲線。由圖6可看出，轉速為2 000 r/min，甲醇發動機的當量燃料消耗率在各負荷下均低于汽油，降幅最大約為10%.甲醇的汽化熱約為汽油的3.4倍，可以降低進氣溫度，提高了充量系數；甲醇的層流火焰速度比汽油快，燃燒定容度高；甲醇分子含氧，利于燃料的完全燃燒；有利于熱效率的提高，使得甲醇發動機輸出相同功率時當量燃料消耗率降低。

圖6　轉速2 000 r/min時當量燃料消耗率及熱效率隨平均有效壓力的變化Fig.6　Brake specific fuel consumption and brake thermal efficiency against brakemean effective pressure

4　結論

1）過量空氣系數一定，隨點火提前角的增大，甲醇發動機的轉矩增大，當量燃料消耗率下降，減小點火提前角可使NO降幅達80%以上。

2）點火提前角一定，隨過量空氣系數的減小，甲醇發動機的轉矩增大，過量空氣系數為0.9時，CO、HC排放明顯升高。

3）全負荷工況，轉速高于2 500 r/min時，M100甲醇發動機的轉矩、功率較原汽油機明顯增大，最大轉矩增加約5.2%.2 000 r/min的負荷特性，甲醇發動機的當量燃料消耗率低于原汽油機。

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Effect of Excess Air Ratio and Ignition Tim ing on Performance of M 100 Methanol Engine

WANG Yan-peng1，WANG Zhong1，ZHANG Deng-pan1，JU Yu-sheng2，ZHANG Yong-ming2
（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2.Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，China FAW Group Corporation，Wuxi214063，Jiangsu，China）

The effects of excess air ratio and ignition timing on engine torque and break specific fuel consumption of amethanol engine transformed from a gasoline engine are studied，and the performance of M100 methanol engine is experimentally investigated.Results show that the engine torque increaseswith the increase in advanced ignition angle for a specified excess air ratio at2 500 r/min，and the NO emission is increased by 80%when the fuel consumption decreases.When the excess air ratio decreases at a specified ignition time，the engine torque increases，and HC and CO emissions are significantly increased.Themaximum torque is increased by 5.2%higher than that of original gasoline engine，and the brake specific fuel consumption is lower at speed of 2 000 r/min.

powermachinery engineering；methanol；advanced ignition angle；excess air ratio

TK46+4

A

1000-1093（2015）12-2358-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.020

2015-04-13

江蘇省高校自然科學基金項目（13KJA470001）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目（CXZZ13_0672、KYLX_1035）；江蘇省高校優勢學科建設工程項目（2011年）

王燕鵬（1990—），男，碩士研究生。E-mail：wypujs@163.com；王忠（1961—），男，教授，博士生導師。E-mail：wangzhong@ujs.edu.cn