甲醇增程式發(fā)動機起動燃料切換控制策略對PM、PN 排放的影響

郭英偉 李 密 曲 龍 霍 元 沈源建

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司 浙江 杭州 311228）

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油進口依存度越來越高，擺脫對石油的依賴，確保國家能源安全，是我國的頭等大事。中國政府鄭重制定能源戰(zhàn)略，發(fā)展立足于本土資源的石油替代能源。我國擁有豐富的甲醇資源，包括煤炭、煤層氣、頁巖氣和生物質(zhì)資源等。甲醇能源既可用于動力、電力，還可用于化工，是石油的替代品之一[1]。甲醇在常溫、常壓下是液體，是結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇，具有非常好的燃燒特性。甲醇本身是一種清潔燃料，辛烷值為114，燃燒時不產(chǎn)生煙霧、炭黑，只產(chǎn)生極少的顆粒物。目前，甲醇是重要的車用發(fā)動機替代燃料之一[2]。

造成空氣污染的原因多種多樣，交通工具排放的污染物是其中之一。汽車是污染物排放總量的主要貢獻者，空氣污染物中，汽車排放的CO 和HC 超過80%，NOx和PM 排放超過90%[1]。因此，我國加強了汽車污染物的排放法規(guī)，鼓勵發(fā)展清潔能源。2019 年發(fā)布的“八部委關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見（工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕61 號）[3]”，進一步推動了國內(nèi)高校、科研單位和汽車及發(fā)動機生產(chǎn)廠家對甲醇發(fā)動機的研究，上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、同濟大學(xué)等分別對甲醇發(fā)動機燃燒特性與排放進行了研究[2]。近幾年，吉利汽車集團投入了大量資金用于研發(fā)甲醇汽車，掌握了甲醇燃燒技術(shù)、排放技術(shù)、潤滑技術(shù)、低溫起動、工程化應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，于2012 年在山西、陜西、貴州、甘肅等省開展了甲醇汽車試點工作。試點期間，共投入運營甲醇汽車1 024 輛，總運行里程超過1.84 億km，單車最高行駛里程超過35 萬km，共建設(shè)甲醇燃料加注站20座，累計消耗甲醇燃料超過2.4 萬t，為甲醇汽車的市場化應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗，奠定了堅實的實踐基礎(chǔ)。

按相同熱值的混合氣計算，甲醇燃料的氣化潛熱為汽油的7 倍，從而使混合氣在汽化時溫度降低較多，有利于提高發(fā)動機的充量系數(shù)和動力性，但不利于燃料在低溫下的蒸發(fā)，造成發(fā)動機冷起動困難和暖機時間較長[4]。因此，低溫時需采用其它燃料輔助起動。本文在一臺自主研發(fā)的甲醇增程式發(fā)動機（低溫起動時采用汽油作為燃料）上進行WHTC 排放試驗循環(huán)測試（此發(fā)動機應(yīng)用在M3 類載客車輛中，按照GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[5]中規(guī)定的單一氣體燃料機試驗循環(huán)進行臺架WHTC 循環(huán)測試），研究起動燃料切換控制策略對PM、PN 排放的影響。

1 發(fā)動機臺架及試驗設(shè)備

為了研究甲醇增程式發(fā)動機起動燃料切換控制策略對PM、PN 排放的影響，在配備有AVL 電力測功機系統(tǒng)以及HORIBA 排放分析系統(tǒng)的發(fā)動機臺架上進行了試驗，測試臺架示意圖見圖1。

圖1 排放測試臺架示意圖

試驗時，上位機通過軟件INCA 和硬件EATS 與ECU 實現(xiàn)通訊。發(fā)動機排氣污染物采用部分流直采法進行測量，PM 排放采用AVL 472 進行測量，PN 排放采用AVL 489 分析儀進行測量，主要測試設(shè)備及型號見表1。

表1 主要測試設(shè)備及型號

2 甲醇增程式發(fā)動機

考慮到甲醇增程式發(fā)動機的實際運行工況和發(fā)電過程損耗，為了防止甲醇燃料燃燒后燃燒產(chǎn)物中甲醛、甲酸的腐蝕性，該甲醇增程式發(fā)動機燃油系統(tǒng)零部件采用耐腐蝕金屬材料，并采用抗溶脹性較好的氟橡膠、改性丁晴橡膠作為密封材料；氣缸內(nèi)金屬零部件采用鍍鉻環(huán)、含鎳材料等。為了加強缸內(nèi)流動、提高燃燒效率、降低油耗，該甲醇增程式發(fā)動機采用了高滾流比、降摩擦、進氣米勒循環(huán)等技術(shù)。甲醇增程式發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

3 甲醇與汽油的燃料性質(zhì)對比

試驗用甲醇和汽油的燃料性質(zhì)對比見表3。

通過對甲醇和汽油的理化性質(zhì)及燃燒特性比較可知，甲醇燃料具有如下特點[7-8]：

1）甲醇的碳分子數(shù)量是汽油的碳分子數(shù)量的1/5～1/12 倍，燃燒產(chǎn)生的碳顆粒較少；

2）甲醇的汽化潛熱是汽油的4 倍，高的汽化潛熱可以降低進氣溫度，提高充氣效率，但低溫起動性能差，需要汽油輔助起動；

3）甲醇密度與汽油相近，容易儲存，便于運輸；

4）甲醇分子中含氧50%，燃燒速度快，自身含氧助燃，燃燒充分，既能提高熱效率又可實現(xiàn)機內(nèi)凈化。使用甲醇燃料，減少了汽車尾氣中的CO 和HC排放，但未燃甲醇及甲醛類排放量比燃用汽油有明顯的增加；

5）甲醇的辛烷值高，以甲醇作為發(fā)動機燃料時，抗爆性能好，允許發(fā)動機使用較高的壓縮比。而汽油辛烷值較低，需加入添加劑，因而增加了經(jīng)濟成本并污染環(huán)境。

4 起動燃料切換控制策略對PM、PN排放的影響

4.1 起動燃料切換控制策略

為了確保甲醇增程式發(fā)動機的起動成功率，起動燃料的切換是以發(fā)動機冷卻液溫度和運行時間組合決定的。冷卻液溫度由增程式發(fā)動機上的冷卻液溫度傳感器測量并輸入ECU；運行時間由ECU 內(nèi)部計時器計算得到，ECU 通過邏輯判斷，當起動前冷卻液溫度在40℃以內(nèi)是汽油起動，冷卻液溫度在40℃以上是甲醇起動。由于GB17691-2018 標準中的WHTCcold 排放試驗循環(huán)測試對環(huán)境溫度有要求，冷態(tài)起動試驗時，潤滑劑、冷卻液和后處理系統(tǒng)的溫度需要在20℃～30℃之間[5]，本文主要分析在20℃～30℃溫度區(qū)間起動燃料切換策略對PM、PN 排放的影響，本次試驗中，3 種汽油與甲醇的切換控制策略如圖2～圖4 所示，圖2～圖4 中的變量說明及解釋見表4。

表4 變量說明及解釋表

1）起動前，冷卻液溫度在20 ℃～30 ℃區(qū)間（冷態(tài)排放溫度區(qū)間）時，發(fā)動機由汽油燃料起動，起動成功后，發(fā)動機運行，待冷卻液溫度達到40 ℃時，滿足甲醇燃料切換條件，再等3 s 左右，建立甲醇軌壓后，切換甲醇燃料運行。汽油燃料總參與時間為82 s，ECU 計數(shù)器運行時間不參與控制轉(zhuǎn)換邏輯，見圖2。

圖2 汽油/甲醇燃料切換時間為82 s

2）起動前，冷卻液溫度在20 ℃～30 ℃區(qū)間（冷態(tài)排放溫度區(qū)間）時，發(fā)動機由汽油燃料起動，起動成功后，發(fā)動機運行，冷卻液溫度增加0.75 ℃，且ECU計數(shù)器運行時間超過12 s，則滿足甲醇燃料切換條件，再等3 s 左右，建立甲醇軌壓后，切換甲醇燃料運行，汽油燃料總參與時間為15.5 s，見圖3。

圖3 汽油/甲醇燃料切換時間為15.5 s

3）起動前，冷卻液溫度在20 ℃～30 ℃區(qū)間（冷態(tài)排放溫度區(qū)間）時，發(fā)動機由汽油燃料起動，起動成功后，發(fā)動機運行，冷卻液溫度增加0.75 ℃，且ECU計數(shù)器運行時間超過6 s，則滿足甲醇燃料切換條件，再等3 s 左右，建立甲醇軌壓后，切換甲醇燃料運行，汽油燃料總參與時間為10.7 s，見圖4。

圖4 汽油/甲醇燃料切換時間為10.7 s

4.2 控制策略對PM、PN 排放的影響

PM 排放的構(gòu)成為Dry Soot、可溶性有機成分（SOF）、硫酸鹽及來自潤滑油和燃燒室表面脫落的金屬，主要成分C 占83.4%～99.5%，其余為O2、H2和揮發(fā)物。在一定的空燃比條件下，不同碳氫化合物形成Soot 的趨勢按下列順序遞增：醛、酮、醚、醇、乙烯、輕芳香族化合物、烯烴、烷烴同分異構(gòu)體、鏈烷烴、重單芳香族化合物、萘的衍生物。本次試驗使用的汽油燃料為石油裂解物：烴類物質(zhì)，甲醇燃料為醇類物質(zhì)。在相同邊界條、不同的燃料切換策略（82 s、15.5 s、10.7 s）下，隨著燃料切換時間的變化，烴類物質(zhì)與醇類物質(zhì)參與燃燒的時間隨著變化，切換時間越長，烴類物質(zhì)形成的Soot 越多，醇類物質(zhì)形成的Soot 越少。因此，在整個WHTCcold 循環(huán)，PM 濾紙稱重值與燃料切換時間成正比，見圖5。

圖5 WHTCcold 循環(huán)PM 濾紙稱重結(jié)果

相比汽油，甲醇含氧量高、碳含量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⑷紵鶆颉⑷紵浞郑Y(jié)合GB17691-2018標準中WHTCcold 排放試驗循環(huán)測試對溫度的要求，在20 ℃～30 ℃區(qū)間起動燃料切換控制策略的對比，可以看出，WHTCcold 循環(huán)中，PN 排放在汽油燃料狀態(tài)下產(chǎn)生的比重較大，見圖6、圖7。其中，圖6為汽油燃料與甲醇燃料切換時間分別為82s、15.5s、10.7 s 的切換策略下前120 s 產(chǎn)生PN 排放的曲線圖，圖7 為汽油燃料與甲醇燃料切換時間分別為82 s、15.5 s、10.7 s 的切換策略下整個WHTCcold 循環(huán)PN 排放的曲線圖。

圖6 WHTCcold 循環(huán)前120 sPN 排放曲線

圖7 WHTCcold 循環(huán)PN 排放曲線

5 結(jié)論

本文就甲醇增程式發(fā)動機起動燃料切換控制策略對PM、PN 排放的影響進行測試，初步驗證了甲醇燃料在汽車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。基于此次試驗數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

1）起動燃料切換控制策略和切換時間的長短對WHTCcold 循環(huán)的PM、PN 排放結(jié)果有很大影響。

2）甲醇含碳量為37.50%，汽油含碳量為86.49%，燃用甲醇燃料產(chǎn)生的PM、PN 排放較少，易于滿足車用排放標準。