中比例甲醇汽油臺架試驗及仿真研究

李昕光，張文超，李云杰，杜夢覃，張 華，陳雪瑞

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

甲醇具有來源豐富，可以規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，常以摻混的方式在發(fā)動機中使用。目前國內(nèi)對于甲醇汽油的研究多集中于低比例甲醇汽油對原發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響等方面[1-4]。低比例甲醇汽油M15(甲醇和汽油的體積比為15)已經(jīng)在我國部分省市進入了穩(wěn)步發(fā)展階段。由于甲醇具有腐蝕性和熱值低的特點，發(fā)動機如果燃用高比例甲醇汽油(甲醇含量超過85％)，則需要對現(xiàn)有發(fā)動機進行改造或者制造專用發(fā)動機，不易在現(xiàn)有車輛上推廣使用[5-8]。因此對中比例甲醇汽油展開研究，其摻加甲醇比例較高，又不用改動車輛，在現(xiàn)有車輛上的推廣意義更大。

本研究首先進行中比例甲醇汽油的發(fā)動機臺架試驗，研究電噴發(fā)動機燃用中比例甲醇汽油的動力性、經(jīng)濟性以及常規(guī)排放特性。然后應(yīng)用GT-POWER軟件建立發(fā)動機工作過程模型，并耦合化學(xué)動力學(xué)軟件CHEMIKIN來對甲醇汽油的非常規(guī)排放特性進行研究。

1 試驗方法與儀器設(shè)備

由于在不改變車輛發(fā)動機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下，能夠有利于甲醇汽油的迅速推廣使用，因此試驗所用發(fā)動機未經(jīng)任何改動，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)動機臺架試驗的主要測試儀器設(shè)備為洛陽南峰的電渦流測功機、長沙湘儀的自動控制系統(tǒng)、長沙湘儀的智能油耗儀和南海南華的五氣分析儀。

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 試驗方案

發(fā)動機的全負荷速度特性能夠反映發(fā)動機所能達到的最高性能，因此在發(fā)動機充分熱機的情況下，分別進行了93#汽油與M30和M40的全負荷速度特性對比試驗，同時測量了常規(guī)排放物(CO、HC和NOX)的排放情況。為了研究中比例甲醇汽油的經(jīng)濟性能，還進行了2 000r/min和4 000r/min的負荷特性試驗。

2.2 全負荷速度特性試驗結(jié)果及分析

全負荷速度特性對比曲線如圖1和圖2所示。

圖1 全負荷速度特性扭矩對比圖

圖2 全負荷速度特性功率對比圖

從圖1和圖2可以看出，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)動機燃用M30和M40的功率、扭矩都低于燃用93#汽油，其中M40的功率和扭矩最低。這是因為甲醇的低熱值(19.7MJ/kg)比汽油(44MJ/kg)要低55％左右，而M40的甲醇摻混比例較大，其混合氣的熱值較低，因此其最大功率和扭矩下降也最多。

2.3 負荷特性結(jié)果及分析

由于甲醇的低熱值低于汽油，因此把燃油消耗率轉(zhuǎn)化為用能耗率表示更為適合，轉(zhuǎn)換公式為：

Ee=be×Hu。

式中：Ee為能耗率，J/kWh；be為燃料消耗率，g/kWh；Hu為質(zhì)量低熱值，kJ/kg。

發(fā)動機燃用93#汽油和中比例甲醇汽油的2 000r/min和4 000r/min的能耗率曲線如圖3和圖4所示。

圖3 4000轉(zhuǎn)負荷特性能耗率對比圖

圖4 2000轉(zhuǎn)負荷特性能耗率對比圖

從圖3和圖4可以看出，在低負荷階段，發(fā)動機在燃用M30、M40時其能耗率比燃用93#汽油時的略高，在高負荷階段三種燃料的能耗率相差不多。這是因為在發(fā)動機負荷特性的低負荷工況下，電噴發(fā)動機的燃油噴射系統(tǒng)實行閉環(huán)控制，由于甲醇含氧而使發(fā)動機排氣中氧含量增多，氧傳感器給電控單元進一步加大了噴油量形成了較濃混合氣，因此甲醇汽油的燃料消耗率隨著摻混比的增加而有一定增加。

2.4 常規(guī)排放污染物分析

汽油機的常規(guī)污染物包括CO，HC和NOX等，汽油機燃用中比例甲醇汽油(M30和M40)在外特性時的常規(guī)污染物排放情況如圖5、6和7所示。

從圖中可以看到，發(fā)動機燃用甲醇汽油的常規(guī)排放物都比燃用93#汽油有所降低，并且隨著摻醇比的增加進一步降低，這是由于醇類燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助于充分燃燒，同時還可以看出，影響發(fā)動機CO和NOX的排放性能的不僅和甲醇的摻混比例有關(guān)，而且與發(fā)動機的空燃比控制策略有關(guān)。發(fā)動機在全負荷工況下，其燃油噴射系統(tǒng)實行開環(huán)控制，噴油量增加，缸內(nèi)形成功率混合氣，不完全燃燒增加，因此在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)CO的排放呈現(xiàn)上升趨勢加，NOX的排放呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5 全負荷速度特性CO對比圖

圖6 全負荷速度特性HC排放對比圖

圖7 全負荷速度特性NOX排放對比圖

3 甲醛排放的模擬計算

在汽油機上燃用中比例的甲醇汽油，常規(guī)排放物在不同程度上都有所降低，而隨著甲醇汽油中甲醇含量的提高，甲醛的排放情況研究變得尤為重要。

由于不具備甲醛排放的測試條件，因此采用發(fā)動機過程軟件GTPOWER耦合氣相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)軟件包CHEMKIN來對甲醛的排放情況進行仿真分析。發(fā)動機外特性下的甲醛排放情況如圖8所示。

圖8 全負荷速度特性甲醛排放對比圖

從圖中可以看出，隨著摻醇比例的增加，甲醛的排放量呈現(xiàn)上升趨勢，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加進一步上升，在5 000r/min時，M40的甲醛排放量已經(jīng)達到了80ppm，遠高于93#汽油此轉(zhuǎn)速的甲醛排放濃度。

4 結(jié) 論

對未經(jīng)任何改造的電噴發(fā)動機燃用中比例甲醇汽油的動力性能及排放性能等進行了發(fā)動機臺架試驗以及仿真研究，研究結(jié)果如下：

(1)發(fā)動機燃用中比例甲醇汽油的全負荷速度特性試驗結(jié)果顯示：發(fā)動機燃用M30和M40的最大功率和扭矩均比93#汽油有所下降，其中M40的最大功率和扭矩最低，M30的動力性能稍好于M40。

(2)發(fā)動機燃用中比例甲醇汽油的負荷特性試驗結(jié)果顯示：在低負荷階段，發(fā)動機在燃用M30、M40時其能耗率比燃用93#汽油時的略高，在高負荷階段三種燃料的能耗率相差不多。

(3)發(fā)動機的常規(guī)排放試驗和非常規(guī)排放物仿真結(jié)果顯示：發(fā)動機燃用M30和M40同燃用93#汽油相比CO和NOX以及HC的排放都呈現(xiàn)下降趨勢，而且摻混比例越大，下降趨勢越明顯，但是甲醛的排放量隨著摻醇比例的增加而呈現(xiàn)上升趨勢。

(4)綜合來看，M30的動力性比93#汽油稍有下降，但常規(guī)排放特性大幅優(yōu)于93#汽油，而且甲醛排放比M40稍低，因此M30比較適宜推廣使用。

【參 考 文 獻】

[1]耿 鵬，姚春德，王妹荔.甲醇汽油強化燃料對汽油機性能影響的試驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2013，34(7)：1379-1382.

[2]曾 科.小型汽油機燃用甲醇汽油混合燃料的性能研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

[3]劉若飛.汽油機使用甲醇汽油混合燃料的燃燒和排放仿真及試驗研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4]張 凡，帥石金，肖建華，等.M15甲醇汽油燃料的催化劑適應(yīng)性研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2010，28(4)：345-349.

[5]曾東建，黃海波，姚 英.汽油機燃用甲醇汽油的動力性、經(jīng)濟性及非常規(guī)排放物試驗研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2009，38(3)：50-53.

[6]李紅松，曹建國，張 勇.不同比例甲醇汽油混合燃料對電噴汽油機性能影響的研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2008，37(4)：70-74.

[7]張忠強，強添綱.基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃燒模擬研究[J].森林工程，2012，28(2)：58-60.

[8]李 毅，劉圣華，魏衍舉.環(huán)境溫度對甲醇/汽油發(fā)動機冷起動排放影響的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45(11)：37-42.