低比例甲醇汽油的油膜動態(tài)特性研究

毛德智， 李岳林， 戴湘柱， 王重陽

(長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 長沙　410076)

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低比例甲醇汽油的油膜動態(tài)特性研究

毛德智， 李岳林， 戴湘柱， 王重陽

(長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 長沙410076)

在某發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了低比例甲醇汽油油膜動態(tài)特性試驗(yàn)，研究了不同工況下M10甲醇汽油的油膜特性和甲醇比例對甲醇汽油油膜特性的影響。結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對甲醇汽油燃油沉積比例系數(shù)X和油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ的影響較小；冷卻水溫度對甲醇汽油的油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ的影響最大；同種工況下，甲醇比例在5%～15%之間時(shí)甲醇汽油的燃油沉積比例系數(shù)X達(dá)到最小；甲醇汽油比純汽油更容易揮發(fā)，當(dāng)甲醇比例低于10%時(shí)，甲醇汽油油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)隨著甲醇比例的增加顯著減小，但是當(dāng)甲醇比例超過15%時(shí)，隨著甲醇比例的增加，油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)變大。

甲醇汽油； 油膜； 動態(tài)特性； 數(shù)學(xué)模型； 空燃比

甲醇汽油是由汽油、甲醇和甲醇汽油添加劑配制而成的新能源燃料，研究證明，甲醇汽油混合燃料發(fā)動機(jī)的動力性與汽油機(jī)相差不大[1]。甲醇的層流火焰速度比汽油快，燃燒持續(xù)期縮短，有利于降低發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動和提高發(fā)動機(jī)動力性能，并且研究發(fā)現(xiàn)甲醇和甲醇汽油有效熱效率和燃燒效率均高于汽油[2-6]。另外，甲醇燃料也能夠明顯降低HC,CO和NOx的排放[7]。國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者對甲醇和甲醇汽油的物化性能進(jìn)行了研究。甲醇的飽和蒸氣壓比汽油低，與汽油中的輕組分形成飽和蒸氣壓大的共沸物，使得甲醇汽油的飽和蒸氣壓和最高餾出溫度相對汽油都發(fā)生了很大的變化,摻醇比例在10%左右時(shí)甲醇汽油的飽和蒸氣壓達(dá)到最大[8]。楊建軍等人[9]研究了低比例甲醇汽油的蒸發(fā)性能，研究表明，混合燃料的蒸氣壓增加，餾出溫度下降。

上述對甲醇汽油物化性能的研究并沒有考慮甲醇汽油在發(fā)動機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況，實(shí)際上汽油機(jī)在瞬態(tài)工況下，進(jìn)氣道內(nèi)的油膜動態(tài)效應(yīng)是造成汽油瞬態(tài)空燃比難以控制的主要原因，從甲醇汽油的物理特性上看，甲醇汽油比汽油容易蒸發(fā)，利用低比例的甲醇汽油混合燃料可以減弱汽油機(jī)進(jìn)氣道的油膜效應(yīng)帶來的空燃比波動問題。本研究開展了甲醇汽油油膜動態(tài)特性研究，為實(shí)現(xiàn)低比例甲醇汽油燃料汽油機(jī)瞬態(tài)空燃比的最優(yōu)控制提供理論依據(jù)。

1　甲醇汽油油膜動態(tài)特性參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)

1.1油膜動態(tài)特性參數(shù)

為了準(zhǔn)確地描述甲醇汽油的油膜動態(tài)特性，此次研究利用Aquino的油膜模型，其中燃油沉積比例系數(shù)X和油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ分別是描述油膜動態(tài)特性的關(guān)鍵參數(shù)。油膜動態(tài)效應(yīng)見圖1。

圖1　油膜動態(tài)效應(yīng)圖

該油膜模型可由微分方程式表示為

(1)

(2)

(3)

1.2油膜動態(tài)特性參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)在EA113發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行，表1示出了臺架試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)的主要性能參數(shù)。

表1　EA113發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

標(biāo)定試驗(yàn)燃油為93號國標(biāo)汽油和M5，M10，M15，M20甲醇汽油，甲醇汽油配制中加入微量復(fù)合添加劑。研究過程采用燃油階躍補(bǔ)償法[10-11]對油膜參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，重點(diǎn)考慮了發(fā)動機(jī)在多種工況下，不同比例的甲醇汽油油膜動態(tài)特性，標(biāo)定試驗(yàn)原理與過程見圖2。

圖2　甲醇汽油油膜參數(shù)的標(biāo)定原理

試驗(yàn)過程：1)首先選取M10甲醇汽油作為燃料進(jìn)行發(fā)動機(jī)油膜參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，為了排除進(jìn)氣道壁溫對油膜參數(shù)標(biāo)定的干擾，在進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)前讓發(fā)動機(jī)充分暖機(jī)。2)讓發(fā)動機(jī)保持在某個(gè)穩(wěn)定工況下運(yùn)行，然后對發(fā)動機(jī)甲醇汽油噴油脈寬施加一個(gè)相應(yīng)的方波信號進(jìn)行干擾，然后通過寬域氧傳感器對空燃比進(jìn)行監(jiān)測。3)根據(jù)輸出的空燃比波形圖對燃油補(bǔ)償器中的X與τ進(jìn)行有規(guī)律的調(diào)整，直到監(jiān)測到的空燃比波形圖與施加的噴油脈寬波形大致相同時(shí)，停止X與τ調(diào)整，得到該比例甲醇汽油在此工況下的燃油沉積比例系數(shù)和蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)。圖3示出了不同參數(shù)值對應(yīng)的空燃比變化趨勢，該圖是油膜參數(shù)調(diào)整的依據(jù)，其中下標(biāo)1表示油膜參數(shù)設(shè)定值，下標(biāo)2表示參數(shù)真實(shí)值。4)改變工況，重復(fù)2，3步驟，得到M10甲醇汽油不同工況下的油膜參數(shù)值。最后用不同比例的甲醇汽油燃料進(jìn)行油膜參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，得出所有試驗(yàn)結(jié)果。

圖3　不同油膜參數(shù)值對應(yīng)的空燃比變化趨勢

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況對甲醇汽油燃油油膜動態(tài)特性的影響

圖4示出了發(fā)動機(jī)在冷水溫度保持在50 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下燃油沉積比例系數(shù)X的試驗(yàn)結(jié)果。從結(jié)果可以看出，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對燃油的沉積比例系數(shù)的影響較小，燃油沉積比例系數(shù)會隨著節(jié)氣門開度的增大而減小。圖5示出了發(fā)動機(jī)在節(jié)氣門開度保持30%時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度下燃油沉積比例系數(shù)X的標(biāo)定結(jié)果。從結(jié)果可以看出，冷卻水溫對甲醇汽油的燃油沉積比例系數(shù)的影響較大，燃油沉積比例系數(shù)隨著冷卻水溫度的增加而減小。

圖4　不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度下的燃油沉積比例系數(shù)X

圖5　不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與冷卻水溫度下的燃油沉積比例系數(shù)X

圖6示出了發(fā)動機(jī)在冷卻水溫度保持在50 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ的試驗(yàn)結(jié)果。由結(jié)果可以看出，節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速都對油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)影響較大，油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)隨著節(jié)氣門開度的增大而增大，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大而減小。圖7示出了發(fā)動機(jī)在節(jié)氣門開度保持30%時(shí)，不同轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度下油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出，甲醇汽油油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ對發(fā)動機(jī)的冷卻水溫變化非常敏感，油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)隨著冷卻水溫的增加急劇減小。

圖6　不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下的油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ

圖7　不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度下的油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ

2.2甲醇比例對甲醇汽油燃油油膜動態(tài)特性的影響

圖8和圖9示出在節(jié)氣門開度為30%、冷卻水溫度為50 ℃、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min工況下，燃油沉積比例系數(shù)X和油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ與甲醇汽油甲醇比例的關(guān)系。

圖8　甲醇比例對甲醇汽油燃油沉積比例系數(shù)X的影響

圖9　甲醇比例對甲醇汽油油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)τ的影響

從圖8和圖9可以看出：甲醇比例在5%～15%之間時(shí)甲醇汽油的燃油沉積系數(shù)達(dá)到最小，甲醇比例在10%左右時(shí)甲醇汽油霧化性能最好；甲醇汽油比純汽油更容易揮發(fā)，當(dāng)甲醇比例低于10%時(shí)，隨著甲醇比例的增加，甲醇汽油的油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)變小。但是當(dāng)甲醇的比例超過10%時(shí)，油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)隨著甲醇比例的增大而增大，這是由于甲醇的汽化潛熱值是汽油的3倍多，隨著甲醇比例的增加，甲醇蒸發(fā)帶走大量的熱量，造成甲醇汽油油膜壁溫偏低，從而增大了油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)。

3　結(jié)束語

油膜的動態(tài)特性是引起發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況空燃比出現(xiàn)偏差的主要原因，燃油的油膜動態(tài)特性主要由發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況和燃油的物化性能決定。試驗(yàn)考慮了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和冷卻水溫度等不同工況和甲醇比例對甲醇汽油油膜動態(tài)特性的影響，結(jié)果表明：冷卻水的溫度對燃油沉積比例系數(shù)和油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)影響最大；甲醇比例在5%～15%之間時(shí)甲醇汽油的燃油沉積系數(shù)X和油膜蒸發(fā)時(shí)間常數(shù)達(dá)到最小。本研究關(guān)于低比例甲醇汽油油膜動態(tài)特性的試驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)瞬態(tài)空燃比的最優(yōu)控制提供理論依據(jù)。

[1]張凡.甲醇汽油混合燃料發(fā)動機(jī)燃燒與排放特性研究[D].北京：清華大學(xué)，2010：7-36.

[2]Balki Mustafa Kemal,Cenk Sayin,Mustafa Canakci.The effect of different alcohol fuels on the perfor-mance，emission and combustion characteristics of a gasoline[J].Fuel，2014,115(1):901-906.

[3]Liu Shenghua，Eddy R Cuty Clemente,Hu Tiegang.Study of Spark ignition engine fueled with methanol/gasoline fuel blends[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(11/12):1904-1910.

[4]Agarwal A K,Karare H,Dhal ATul.Combustion，performance，emission and particulate characterization of a methanol-gasoline blend fulled medium duty spark ignition transportation engine[J].Fuel Processing Technology,2014,121(5):16-24.

[5]Bilgin A，Sezer I. Effect of Methanol Additionto Ga-soline on the Performance and Fuel Cost of a Spark Ignition Engine[J].Energy Fuel，2008,22:2782-2788.

[6]Vancoillie J，Demuynck J，Sileghem. The potential of methanol as a fuel for flex-fuel and dedicated spark-ignition engines[J].Applied Energy，2013,102(2):140-149.

[7]吳斌，申辛未.甲醇汽油雙燃料發(fā)動機(jī)的怠速性能試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2015,33(1)：23-28.

[8]黃瑾，魏衍舉.甲醇和基礎(chǔ)汽油對混合燃料蒸發(fā)特性的影響[J].車用發(fā)動機(jī)，2013(4)：81-84.

[9]楊建軍，黃海波，曾東建.低比例甲醇汽油蒸發(fā)特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2007(4)：40-43.

[10]李頂根，李小中.電噴汽油機(jī)油膜動態(tài)效應(yīng)參數(shù)辨識精度的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010,28(5)：453-458.

[11]朱航，王邵銧.電控汽油機(jī)油膜動態(tài)特性的標(biāo)定[J].汽車工程，2004,26(2)：127-130.

[編輯：姜曉博]

Dynamic Characteristics of Fuel Film for Low Proportion Methanol-gasoline Blended Fuel

MAO Dezhi, LI Yuelin, DAI Xiangzhu, WAN Chongyang

(College of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science&Technology, Changsha410076, China)

The dynamic characteristics test of fuel film for low proportion methanol-gasoline was conducted on an engine test bench and the characteristics of M10 methanol-gasoline fuel film and the influences of methanol proportion on film characteristics were researched under different working conditions. The results show that the methanol-gasoline fuel deposit proportion coefficientXand the fuel film evaporation time constant are hardly influenced by engine speed and the latter was greatly influenced by cooling water temperature. Under the same condition, the methanol-gasoline fuel deposit proportion coefficientXreaches the minimum when mixing with 5%-15% methanol proportion. Generally, methanol-gasoline blended fuel is easier to vaporize than pure gasoline. The evaporation time constant will decrease greatly with the increase of methanol proportion when the methanol proportion is lower than 10%, but increase when the methanol proportion exceeds 15%.

methanol-gasoline; fuel film； dynamic characteristic; mathematical model； air fuel ratio

2016-06-21；

2016-08-09

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2016JJ2003)

毛德智(1992—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槠嚬?jié)能減排；739084723@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.006

TK411.71

B

1001-2222(2016)05-0029-04