基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試研究

張鵬，陳學(xué)勁，姚萌萌，姜向京

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

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基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的醇醚燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試研究

張鵬，陳學(xué)勁，姚萌萌，姜向京

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，以模擬整車實(shí)際行駛動(dòng)態(tài)工況的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，對(duì)93號(hào)汽油以及15%、50%混合比例的醇醚類燃料進(jìn)行動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比測(cè)試。結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

醇醚類燃料；發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架；動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

0　前言

醇醚燃料具有原料消耗少、成本低、投資少、規(guī)模靈活等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)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(wèn)題。但高比例摻燒或純燒甲醇燃料以及二甲醚燃料時(shí)，需新建加油系統(tǒng)和改造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。山西省長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的甲醇燃料車隊(duì)示范運(yùn)營(yíng)已證明：甲醇燃料是經(jīng)濟(jì)可行的清潔燃料[1]。

在我國(guó)，由于汽車是能源的消耗大戶，生物燃料的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)自然看重這塊市場(chǎng)。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)越來(lái)越多主供汽車的醇類汽油和生物柴油，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)者都在宣稱自身的產(chǎn)品不影響動(dòng)力、節(jié)能、減排[2]。但實(shí)際情況是怎樣，由于國(guó)內(nèi)目前缺少權(quán)威的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，無(wú)法給出客觀的評(píng)價(jià)。針對(duì)其動(dòng)力性及節(jié)能情況，需要對(duì)醇醚類燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行燃料消耗測(cè)試，并通過(guò)計(jì)算、分析與傳統(tǒng)化石燃料的油耗對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估其效率；針對(duì)其減排情況，雖然與化石燃料相比更清潔，但由于獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，醇醚類燃料在使用過(guò)程中排放出的未燃燒完的醇易轉(zhuǎn)化為醛，對(duì)人體健康具有潛在危險(xiǎn)，這需進(jìn)行排放的檢測(cè)。由于質(zhì)量參差不齊，為了確保市場(chǎng)上流通的生物燃料的質(zhì)量、保障消費(fèi)者的權(quán)益，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的生物燃料的評(píng)估研究顯得迫在眉睫。

1　試驗(yàn)設(shè)備

圖1為測(cè)試用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，表1為構(gòu)成系統(tǒng)的主要設(shè)備，表2為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2　試驗(yàn)方法

對(duì)于汽車運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：當(dāng)汽車在暢通的公路上行駛時(shí)，每千米平均操縱汽車作業(yè)次數(shù)(如變速、離合器的結(jié)合和分離、制動(dòng)等)為1～2次；在交通繁忙的市區(qū)行駛時(shí)的作業(yè)次數(shù)可達(dá)到16次。沿著暢通而平坦的道路以不變時(shí)速行駛時(shí)，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(jī)構(gòu)仍處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并在相當(dāng)大的范圍內(nèi)移動(dòng)[3]。

在運(yùn)營(yíng)條件下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多處于動(dòng)態(tài)工況下工作，其在動(dòng)態(tài)工況下的行駛時(shí)間、燃油消耗量和有害排放等均占主導(dǎo)地位。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)工況相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況而言，就是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或節(jié)氣門開(kāi)度中的任意一個(gè)量或多個(gè)量處于變化過(guò)程時(shí)所處的工況。當(dāng)車輛在道路上行駛時(shí)，即使是在高速公路上巡航行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等參數(shù)也處于變動(dòng)狀態(tài)，因此動(dòng)態(tài)工況占整個(gè)運(yùn)行工況的66%～88%[4]。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況大都隨路面阻力的情況而不斷地變化著，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況的標(biāo)志是發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)中的一個(gè)、幾個(gè)或所有隨時(shí)間而變化。在動(dòng)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的能量平衡條件被破壞，其結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)能量的過(guò)?；蛘卟蛔?。

在正常熱力狀態(tài)下工作的汽油機(jī)，通常是通過(guò)曲軸轉(zhuǎn)速n、節(jié)氣門開(kāi)度αkd和空燃比βAF來(lái)實(shí)現(xiàn)工況的調(diào)節(jié)與控制，亦即當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速n、節(jié)氣門開(kāi)度αkd和空燃比βAF這3個(gè)量確定時(shí)，便確定了汽油機(jī)的工況。以時(shí)間t作為自變量來(lái)考察，則有：

穩(wěn)態(tài)工況dn/dt≈0、dαkd/dt≈0和dβAF/dt≈0

動(dòng)態(tài)工況dn/dt≠0、dαkd/dt≠0和dβAF/dt≠0

因此，在非穩(wěn)態(tài)工況下，永不確定的是n、αkd、βAF、dn/dt、dαkd/dt和dβAF/dt等6個(gè)量。對(duì)于電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)在不考慮溫度補(bǔ)償時(shí)，空燃比βAF是節(jié)氣門開(kāi)度αkd及其變化率dαkd/dt的函數(shù)。故在大多數(shù)情況下，是n、αkd、dn/dt、dαkd/dt等4個(gè)量決定了汽油機(jī)的工況[5]。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用工況變化范圍很大，加速、減速，急劇增減轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)，從冷機(jī)突然啟動(dòng)進(jìn)入行駛狀態(tài)等多為動(dòng)態(tài)工況。在這樣劇烈變化的工況條件下，其油耗比穩(wěn)態(tài)工況高出很多，雖然用動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)方法更能反映燃料的經(jīng)濟(jì)性，但考慮到進(jìn)行動(dòng)力性及燃料消耗量的測(cè)定，特制定如下實(shí)驗(yàn)方案：

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇為穩(wěn)態(tài)，油門變化為大循環(huán)，轉(zhuǎn)速變化為小循環(huán)。大循環(huán)中，油門開(kāi)度從10%開(kāi)始，每次遞增10%每秒，一直到100%；小循環(huán)內(nèi)，轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min開(kāi)始，每次增250 r/min，一直到發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。dn/dt高于500 r/(min·s)的實(shí)際工況很少，不予考慮。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

此次試驗(yàn)選用2種混合比例不同的醇醚類燃料與93號(hào)汽油針對(duì)其經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性進(jìn)行對(duì)比。

3.1動(dòng)力性測(cè)試結(jié)果

(1)G15樣品是醇醚燃料與93號(hào)汽油按15∶85混合得到的，將它與93號(hào)汽油進(jìn)行動(dòng)力性對(duì)比，扭矩、功率測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4，扭矩測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖2，功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖3。

表3　G15樣品和93號(hào)汽油扭矩測(cè)試結(jié)果

表4　G15樣品和93號(hào)汽油功率測(cè)試結(jié)果

圖2G15樣品和93號(hào)汽油扭矩測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線

圖3G15樣品和93號(hào)汽油功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線

(2)G50樣品是醇醚燃料與93號(hào)汽油按50∶50混合得到的，將它與93號(hào)汽油進(jìn)行動(dòng)力性對(duì)比，扭矩、功率測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6，扭矩測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖4，功率測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖5。

表5　G50樣品與93號(hào)汽油扭矩測(cè)試結(jié)果

表6　G50樣品和93號(hào)汽油功率測(cè)試結(jié)果

3.2經(jīng)濟(jì)性測(cè)試結(jié)果

G15樣品與93號(hào)汽油燃油消耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7，燃料消耗量測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖6；G50樣品與93號(hào)汽油燃油消耗測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8，燃料消耗量測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線見(jiàn)圖7。

表7　G15樣品與93號(hào)汽油燃油消耗測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)醇醚類燃料混合比增大到50%時(shí)，油耗率并無(wú)顯著增大，醇醚類燃料在高速高負(fù)荷下比低速低負(fù)荷下有著更好的表現(xiàn)。醇醚類燃料在高溫高壓的條件下能更好地燃燒，而動(dòng)力性指標(biāo)基本無(wú)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(dòng)力。

4　結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，對(duì)93號(hào)汽油及15%濃度以及50%濃度醇醚類燃料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性對(duì)比，得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

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

(2)醇醚類燃料混合比例低于50%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率無(wú)明顯降低，并不影響汽車原有的動(dòng)力。

【1】郭新宇,劉志遠(yuǎn).我國(guó)醇醚燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思路及對(duì)策[J].煤化工,2008(3):1-4.

【2】劉瑾,鄔建國(guó).生物燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008(4):1339-1353.

【3】黎蘇,黎曉鷹,黎志勤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)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(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)車輛換擋特性的影響[J]．軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,17(5)：18-20．

【5】嚴(yán)運(yùn)兵,顏伏伍,杜常清，等.基于PUMAOPEN1.2的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性研究[J]．武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(cè)試工作。E-mail:18665663171@163.com。