在用車燃用甲醇/汽油靈活燃料的改造

閻文兵，姜紹忠

（天津工程師范學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

在用車燃用甲醇/汽油靈活燃料的改造

閻文兵，姜紹忠

（天津工程師范學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

應(yīng)用邏輯電路信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研制出一種甲醇/汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射量的精確控制。在用車改裝結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能穩(wěn)定，控制裝置控制精度高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性提高，排放量明顯下降。

在用車；甲醇/汽油；靈活燃料；改造

能源和環(huán)境是世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展面臨的兩大主要問(wèn)題。有關(guān)資料表明，全世界石油資源可供開采40余年，我國(guó)石油資源可供開采僅能維持約20年，天然氣按目前的用量推算只能維持60年。隨著石油資源日益枯竭，供需矛盾將會(huì)日趨突出。我國(guó)是一個(gè)富煤貧油的國(guó)家，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，立足國(guó)內(nèi)豐富的煤炭資源，尋找替代燃料，發(fā)展新型能源清潔汽車具有十分重要的意義。在眾多代用燃料中，醇類燃料以其優(yōu)異的品質(zhì)被認(rèn)為是最有前途的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料[1]。甲醇是一種無(wú)色透明液體，分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含氧豐富易于燃燒，辛烷值較高，生產(chǎn)原料來(lái)源廣，價(jià)格較低，且易于儲(chǔ)存、加注、運(yùn)輸和使用，是汽油的一種重要替代燃料。摻有甲醇的汽油被稱作甲醇汽油，甲醇汽油的標(biāo)號(hào)是按照其所含甲醇體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)定的，如由25%甲醇和75%汽油混合而成的甲醇汽油標(biāo)號(hào)為M25。甲醇/汽油靈活燃料是指汽車可使用純甲醇（M100）、汽油（M0）以及汽油與甲醇任意比例混合的燃料。鑒于目前加醇站難以滿足甲醇汽車加醇的需求，可以在保留原車汽油供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)在用電噴車進(jìn)行甲醇化改造。目前國(guó)內(nèi)車用甲醇汽油應(yīng)用大致分為兩種方法[2，3]：一是小比例摻燒，如M5、M15甲醇汽油，它可以和汽油一樣使用，發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何改動(dòng)；二是高比例甲醇汽油M85和M100燃料甲醇，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝優(yōu)化后，其功率排放和熱效率都優(yōu)于或接近原汽油機(jī)[4，5]。但目前還沒有一種控制裝置可以實(shí)現(xiàn)汽車燃用任意比例的甲醇汽油。本文旨在尋求一種裝置，把限定只能使用汽油燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置成為可以使用汽油、醇類以及汽油與醇類任意比例混合燃料的靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 甲醇/汽油靈活燃料控制系統(tǒng)工作原理

1.1 控制理論基礎(chǔ)

甲醇與汽油的熱值差異很大，從能量守恒的理論出發(fā)，要使汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在使用任意比例甲醇汽油的情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須使甲醇汽油的供應(yīng)量與當(dāng)量汽油熱值相同。如果甲醇汽油對(duì)于汽油的替代比K定義為發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇汽油的消耗量與同工況下汽油消耗量的比值。假定汽油的熱值為1個(gè)單位，則M60的甲醇汽油的熱值為0.7個(gè)單位，當(dāng)使用M60的甲醇汽油取代汽油工作時(shí)，要滿足原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，此時(shí)需要燃料供給系統(tǒng)提供的M60甲醇汽油量與原使用汽油量的比值為1.4/1，才能達(dá)到約0.96～1.12個(gè)單位的理論熱值。即M60甲醇汽油的供油量只有達(dá)到正常汽油機(jī)供汽油量的1.4倍才能替代汽油工作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。甲醇汽油的熱值與汽油熱值的替代關(guān)系如圖1所示。

1.2 噴油脈寬的確定

電控汽油噴射系統(tǒng)噴油器每個(gè)循環(huán)的噴油量由下式確定[6]：

式中：G為噴油器在每個(gè)噴油循環(huán)的噴油量；μ為噴孔流量系數(shù)；A為噴孔截面積；g為重力加速度；ρ為燃油密度；pi為噴油壓力；p0為進(jìn)氣管壓力；T0為噴油脈寬。

欲使在用車燃用不同比例甲醇汽油的熱值與汽油的熱值相當(dāng)，需要根據(jù)甲醇汽油與汽油的熱值替代關(guān)系，適度擴(kuò)展噴油脈寬，增大每循環(huán)噴油量。對(duì)噴油脈寬進(jìn)行修正，燃用甲醇汽油時(shí)噴油器的實(shí)際噴油脈寬T為：

式中，K值大小確定的關(guān)鍵是正確識(shí)別甲醇汽油中甲醇的含量。

2 甲醇/汽油靈活燃料控制裝置

2.1 數(shù)字電路特性

數(shù)字電路處理的是離散的非連續(xù)的電信號(hào)，它在電路中只表現(xiàn)為信號(hào)的有無(wú)或電平的高低。數(shù)字電路中的晶體管多工作在開關(guān)狀態(tài)，即晶體管要么是“飽和”，要么是“截止”，而“放大”只是過(guò)渡狀態(tài)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴

實(shí)現(xiàn)甲醇對(duì)汽油的替代關(guān)系，從根本上來(lái)說(shuō)是由發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的開啟時(shí)間來(lái)執(zhí)行的，而發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴本來(lái)就是一種精密的電磁開關(guān)，其兩個(gè)接線端子一端接發(fā)動(dòng)機(jī)+12 V電壓，一端連接來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的控制信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)為高電平+12 V時(shí)，兩個(gè)端子間的電位差為零，噴油嘴電磁線圈中無(wú)電流通過(guò)，則噴油嘴處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)控制信號(hào)為低電平0 V（搭鐵）時(shí)，兩個(gè)端子間的電位差為12 V，噴油嘴電磁線圈中有電流通過(guò)，則噴油嘴處于開啟狀態(tài)[6]。因此，用數(shù)字電路來(lái)處理發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的噴射信號(hào)只需要識(shí)別控制信號(hào)的高低電平，就能對(duì)各種型號(hào)的多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油信號(hào)進(jìn)行精確修正。

2.3 CPLD在數(shù)據(jù)處理中的工作過(guò)程

大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵校–PLD）簡(jiǎn)稱為獨(dú)立可編程芯片，是甲醇/汽油靈活燃料控制器的數(shù)據(jù)處理中心。其技術(shù)核心是EPM7064、EPM7128大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵屑捌渫鈬娐?。通過(guò)改變外圍參數(shù)（轉(zhuǎn)換信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)）高低電平（即控制噴油嘴的通斷信號(hào)），使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的噴油信號(hào)得到不同修正，并同步輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況對(duì)汽油和甲醇燃料的需求。

2.4 甲醇/汽油靈活燃料控制裝置

甲醇/汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置工作原理如圖2所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置包括主ECU、輔助ECU、噴油器、啟動(dòng)開關(guān)、溫控開關(guān)、氧傳感器。其工作原理是：主ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各種傳感器的輸入信號(hào)，輸出用于控制假定在汽油狀態(tài)下的噴油信號(hào)，被全部輸入到輔助ECU；輔助ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)、設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體上溫控開關(guān)的溫度信號(hào)以及來(lái)自燃料識(shí)別系統(tǒng)的指令，對(duì)來(lái)自主ECU的噴油信號(hào)進(jìn)行修正。以氣缸#1為例，當(dāng)燃料識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出燃油為任意比例甲醇汽油時(shí)，主ECU輸入信號(hào)控制噴油嘴開啟，輸出信號(hào)也同步控制噴油嘴開啟；當(dāng)主ECU輸入信號(hào)控制噴油嘴開始關(guān)閉時(shí)，輔助控制器開始延時(shí)輸出，輸出信號(hào)完全是在原輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)合理的延長(zhǎng)量，使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的噴油信號(hào)得到不同修正，從而實(shí)現(xiàn)了在用電噴車甲醇化改造真正意義上的“靈活”與“自由”。

3 在用車改裝

研制的甲醇/汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置如圖3所示。

該控制裝置包括：發(fā)動(dòng)機(jī)輔助ECU、線束、溫度傳感器及為保障甲醇汽車正常運(yùn)行所必要的耐醇部件如耐醇燃油泵、油泵保護(hù)裝置、耐醇密封圈、油位傳感器保護(hù)器、專用濾芯等。甲醇/汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置在神龍富康轎車上進(jìn)行了改裝，改裝后的汽車進(jìn)行了燃用甲醇（M100）與93#汽油的整車性能對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，該車在燃用甲醇燃料時(shí)，甲醇燃料百公里消耗量上升65.4%，按照目前汽油和甲醇的價(jià)格計(jì)算，百公里省錢30%左右；發(fā)動(dòng)機(jī)在低怠速與高怠速時(shí)，廢氣排放量明顯下降。CO下降50%，HC下降8.3%和9.1%，即整車排放減??；安裝本系統(tǒng)后，駕駛員可以根據(jù)需要自由選擇汽油、醇類以及汽油與醇類任意比例的混合燃料，燃料適應(yīng)性強(qiáng)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)在用車上加裝甲醇/汽油靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了電控汽油車燃用汽油、醇類以及汽油與醇類任意比例混合燃料的目的。所開發(fā)的裝置由于噴射信號(hào)的修正參數(shù)是從燃料的熱值換算出的，因此可以作為原車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輔助系統(tǒng)，在工作中能與原車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行有效的對(duì)話并協(xié)調(diào)工作，保證了原車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能；改裝裝置采用數(shù)字電路控制技術(shù)，運(yùn)行電壓低，能耗低，不會(huì)對(duì)原車電路及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU帶來(lái)額外的工作負(fù)荷，保證了車輛運(yùn)行可靠。樣車改裝試驗(yàn)結(jié)果表明，改裝后的方案切實(shí)可行，特別是提高了燃油經(jīng)濟(jì)性能，廢氣排放量明顯下降。

［1］ 毛功平，劉永啟，潘立國(guó).內(nèi)燃機(jī)燃用甲醇的研究進(jìn)展和發(fā)展前景[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2005（2）：34-38.

［2］ 司利增，劉生全，馬志義，等.電控汽油機(jī)燃用中低比例甲醇汽油的試驗(yàn)研究 [J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007（4）：41-43.

［3］ 楊蔚權(quán)，許世海.甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的使用方法[J].內(nèi)燃機(jī)，2005（5）：32-35.

［4］ 胡真，楊慶佛，李湘萍.M85甲醇燃料在EQ6100發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998（3）：189-192.

［5］ SUPPER G J，CHEN Z，CHAN P N.Review of cetane improver technology and alternative fuel application[R].SAE Paper 962046：227-273.

［6］ 舒華，姚國(guó)平.汽車電子控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2002：89-103.

Converting car in use into methanol/gasoline flexible one

YAN Wen-bing，JIANG Shao-zhong
（School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

By technologies of logic circuit signal processing and computer control,a new kind of methanol/ gasoline flexible fuel control device is developed in this paper.The controller is fixed at a vehicle in use.With this device，the car′s working performance is stable. The controller could control the fuel′s injection amount precisely.The engine′s fuel consumption and the emission have decreased significantly.

vehicle in use；methanol/gasoline；flexible fuel；conversion

book=1,ebook=22

U473.14

A

1673－1018（2010）01－0024－03

2009-12-04

天津工程師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目（KYQD08007）.

閻文兵（1968—），女，副教授，碩士，研究方向?yàn)榇萌剂掀?