高壓縮比甲醇發動機的試驗研究*

洪 斌，汪 洋，朱永生，朱自強，程 雄，邱保健

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072； 2.山西佳新能源化工實業有限公司，晉中 030600)

前言

目前，以汽油機為基礎的甲醇發動機技術已進入應用階段，但汽油機壓縮比較低，燃油經濟性差，難以發揮甲醇高辛烷值的優勢[1]，而且汽油機的功率和轉矩特性無法滿足大型車輛的需求。因此，開發以柴油機為基礎的甲醇發動機已成為甲醇應用技術的下一步工作重點。該領域目前開展的主要技術路線有4條[2-6]：(1)甲醇-柴油混合燃料，采用乳化劑將甲醇乳化混合到柴油里，其甲醇摻燒量一般不能大于30%，否則發動機運轉粗暴，起動性能變差；(2)甲醇-柴油雙燃料，采用進氣道噴射甲醇，柴油噴霧引燃，甲醇摻燒率仍然不高，并且需要兩套燃油供給系統；(3)純甲醇中加十六烷值添加劑，采用噴霧壓燃方式，受添加劑量和價格的限制，不能完全體現甲醇的價格優勢；(4)電熱塞熱面點火，采用噴霧壓燃方式，電熱塞的電能消耗大，壽命難以保證。美國聯邦環保署提出了一種高壓縮比甲醇發動機方案，該方案保留了柴油機的壓縮比(19.5),采用進氣道多點噴射、火花塞點火、渦輪增壓中冷和廢氣再循環(EGR)技術，其熱效率最高達到42%，已經十分接近柴油機的熱效率[7-8]。該方案為大功率高效甲醇發動機的開發提供了新思路。

本文中將Phase110柴油機改造為高壓縮比甲醇發動機，開展性能試驗研究，并與原柴油機進行對比。

1 發動機試驗系統

原柴油機基本參數見表1。

發動機改造的技術路線如下。

(1) 保持活塞結構和燃燒室形式不變，在噴油嘴安裝口安裝Denso高能銥金火花塞，將壓燃式燃燒系統改造為火花點火、電控進氣口順序噴射燃燒系統。

表1 原柴油機基本參數

(2) 發動機壓縮比保持不變。高壓縮比使甲醇發動機具有較高的熱效率，提高燃油經濟性，并改善甲醇發動機的冷起動性能。

(3) 在發動機常用工況采用較稀的混合氣，使發動機燃燒效率得到改善，降低燃燒和排氣溫度，降低熱負荷，提高發動機零件的耐久性。

(4) 保留了原機的增壓中冷系統，使發動機的平均有效壓力和原機相當。

(5) 利用EGR抑制高壓縮比和增壓帶來的爆燃傾向。

試驗設備與儀器為：(1)湘儀PowerLink GW160電渦流測功機；(2)湘儀PowerLink FC2000發動機自動測控系統；(3)湘儀PowerLink FC2210智能油耗儀；(4)Innovate公司LM-2數字空燃比分析儀。

試驗臺架結構示意圖見圖1。

2 發動機關鍵控制參數的研究

EGR、點火提前角和混合氣濃度對發動機的性能有重要的影響。由于本試驗側重的是高壓縮比甲醇發動機的經濟性能，因此只研究了上述參數對發動機油耗的影響。對于甲醇發動機的主要排放物HC和CO，本次試驗只是采用氧化催化反應器來處理。在今后的工作中，將進一步研究發動機的排放性能。

2.1 EGR閥開度對油耗的影響

采用廢氣再循環(EGR)技術可以有效抑制發動機的爆燃傾向，試驗中考察了不同EGR閥開度對發動機油耗的影響。

圖2為轉速2 400r/min，相同的混合氣濃度、噴油相位、輸出轉矩，發動機處于正常工作狀態時，其最佳點火提前角(發動機油耗最低時的點火提前角)隨EGR閥開度的變化。從圖中可以看出，隨著EGR閥開度的增大，最佳點火提前角增大。這是因為EGR對爆燃有較好的抑制作用，使點火提前角得以前移。

轉速1 200r/min，相同的混合氣濃度、噴油相位、點火提前角、輸出轉矩時，油耗率隨EGR閥開度的變化如圖3中曲線1所示。由圖可見，在不同EGR閥開度下，達到相同轉速和功率時的油耗率變化較小。由于不同EGR閥開度下最佳點火提前角可能不同，在對點火提前角進行優化以后的油耗率如圖3中曲線2所示。對比兩條曲線可以看出，對點火提前角進行優化后，其油耗明顯下降。

試驗中，在保證發動機動力輸出和穩定工作的前提下，采用較大的EGR閥開度，盡可能降低甲醇消耗率。

2.2 點火提前角對油耗的影響

點火提前角的大小直接影響發動機的動力性和經濟性等性能指標。圖4為轉速2 400r/min，保持EGR閥全開，轉矩分別為75、145、235和300N·m時不同點火提前角下的油耗率對比。

由圖可見：每個工況點都有一個最佳點火提前角，使熱效率最高，油耗率最低；在相同轉速下，隨著轉矩的增加，最佳點火提前角變小。

2.3 混合氣濃度對油耗的影響

甲醇混合氣濃度的著火界限比汽油、柴油寬，能使用較稀的混合氣，有利于缸內混合氣濃度的控制。圖5和圖6為轉速1 200r/min，轉矩分別為75和145N·m時不同過量空氣系數下油耗率對比。在試驗過程中各工況點保持相同的噴油相位和EGR閥開度，點火提前角調整到最佳。

由圖5和圖6可見：對應于每一個工況點，在著火界限內都有一個使油耗最低的過量空氣系數λ值，此時，混合氣偏稀，氧氣充足，甲醇與氧氣可以充分混合，使甲醇完全燃燒，熱效率最高，燃油消耗率最低；當λ進一步增加時，雖然混合氣中氧氣豐富，甲醇可以完全燃燒，但由于燃燒速度減慢，燃燒持續期長，等容度降低，導致經濟性下降。隨著負荷的增加，最佳λ值減小。在大負荷時，為了保證發動機的動力性和穩定性，防止回火等現象的產生，采用偏濃混合氣。圖7為1 200r/min時最佳λ值隨發動機負荷的變化曲線。

3 與原機的性能對比

對發動機進行標定，使其處于最佳的工作狀態，得出高壓縮比甲醇發動機油耗率的負荷特性曲線和外特性曲線，并與原柴油機同工況點進行動力性和經濟性比較。

甲醇和柴油的等熱值的理論質量比是2.16，如果發動機的甲醇消耗率等于或小于原機柴油消耗率的2.16倍，就說明甲醇發動機達到或超過原柴油機的熱效率。

圖8～圖11分別是1 200、1 600、2 000和2 400r/min下甲醇發動機和原柴油機的負荷特性對比。由圖可見：1 200r/min時，在中小負荷下，甲醇發動機的油耗可以保持在2.16倍柴油油耗以下，在大負荷下，甲醇發動機的油耗超過2.16倍柴油油耗；1 600r/min時，甲醇發動機的油耗略高于2.16倍柴油油耗，小負荷和大負荷的油耗偏高；2 000r/min時，甲醇發動機油耗基本小于2.16倍柴油油耗，只有在大負荷時油耗略微偏高；2 400r/min時，甲醇發動機油耗都在2.16倍柴油油耗以下。

圖12為甲醇發動機和原柴油機的外特性對比。由圖可見：相對于原柴油機，在低速時，甲醇發動機油耗較高；而高速時油耗持平或稍低。這是因為在低轉速時，甲醇發動機有較大的爆燃傾向，限制了點火角的提前。和原機相比，甲醇發動機在高速工況下可以獲得更大的功率輸出，而在低速時，功率略小。

4 結論

(1) 隨著EGR率的增加，最佳點火提前角前移，同等工況下可以獲得較低的燃油消耗率。

(2) 每個工況點都有一個最佳點火提前角，同轉速下隨著轉矩的增加，最佳點火提前角減小。

(3) 小負荷宜采用稀混合氣，降低油耗；中等負荷采用理論混合氣，保持發動機穩定工作和較低油耗；大負荷采用濃混合氣，保證功率輸出。

(4) 不同速度下的負荷特性試驗表明，在高速工況，高壓縮比甲醇發動機在不同負荷下，油耗率低于原柴油機，即熱效率高于原柴油機；在中低速工況，大負荷時油耗率較高，中低負荷時則圍繞原機油耗率上下波動。

(5) 發動機的外特性試驗表明：高壓縮比甲醇發動機在高速工況，可以獲得更大的功率輸出和更低的油耗率；中低轉速時，功率略小于原機，油耗率也高于原柴油機。

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