甲醇汽油機怠速稀燃特性的試驗研究

王樂俊, 吳斌, 申辛未， 閆榮彬， 岳翔

(北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124)

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甲醇汽油機怠速稀燃特性的試驗研究

王樂俊, 吳斌, 申辛未， 閆榮彬， 岳翔

(北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院， 北京 100124)

為改善傳統汽油機怠速稀燃的燃燒與排放特性，在1臺加裝了電控甲醇噴射系統的汽油機上對燃用汽油(M0)、50%質量比例甲醇汽油(M50)和純甲醇(M100)3種燃料的發(fā)動機的怠速稀燃特性進行了試驗研究。試驗先后在過量空氣系數φa=1.1和φa=1.3兩組稀燃工況下進行，怠速轉速穩(wěn)定在800r/min左右。試驗結果表明：添加甲醇后，兩組稀燃工況下指示熱效率均有所提升；發(fā)動機的火焰發(fā)展期、快速燃燒期和平均指示壓力的循環(huán)變動系數隨著甲醇比例的增加而降低；甲醇能夠顯著降低發(fā)動機怠速稀燃工況下的HC和NOx排放，CO2排放隨著甲醇含量的增加也略有降低。

汽油機； 怠速； 稀燃； 甲醇； 燃燒； 排放

城市路況下，怠速工況約占發(fā)動機總運行時間的1/3，消耗的燃油占總油耗的30%[1]。但怠速時，由于缸內殘余廢氣系數較大及混合氣分布不均，燃料難以充分燃燒，從而導致發(fā)動機的能量消耗增大、排放增加。因此，降低怠速工況的燃油消耗和排放對于改善汽油機工作性能具有重要的意義。

稀燃被認為是怠速工況下提高發(fā)動機熱效率和降低排放的重要措施[2-4]，但由于傳統汽油燃料的燃燒速度較慢，稀燃界限較窄，在稀燃時往往會產生循環(huán)變動增大、燃油消耗上升、排放惡化等問題。甲醇是較常見的汽油替代燃料，其因燃燒特性良好、制取來源豐富、排放性能優(yōu)異等特點[5]受到了極大關注[6-8]。甲醇和汽油的物化特性在許多方面存在較大的差異，甲醇的層流火焰速度遠快于汽油，稀燃界限較汽油寬。這些性質都預示著甲醇在提高汽油機怠速稀燃性能方面具有很大的潛力。

目前，國內外關于甲醇代用燃料的研究主要集中在發(fā)動機外特性和負荷特性下的動力性、經濟性和排放性，對甲醇怠速稀燃特性的關注還不是很多。本研究將探究不同比例甲醇汽油(M0，M50和M100)對汽油機怠速稀燃的經濟性、燃燒過程及排放的影響。

1 試驗系統和試驗方法

1.1 試驗系統

試驗在1臺4缸汽油機上進行，該發(fā)動機的主要技術參數見表1。為了實現不同比例甲醇汽油的噴射，在原機汽油噴射裝置的基礎上，在進氣歧管下方靠近進氣口的位置加裝了一套甲醇噴射裝置。試驗發(fā)動機采用進氣凸輪軸連續(xù)可調方式(CVVT)，為降低殘余廢氣系數，保證發(fā)動機怠速燃燒的穩(wěn)定性，在本試驗中將進氣凸輪軸開啟位置控制在進氣上止點后8°曲軸轉角，進、排氣門的重疊角為2°曲軸轉角。為了排除進氣不均和噴油嘴差異對試驗缸空燃比控制的影響，將氧傳感器單獨安裝在發(fā)動機第4缸(試驗缸)的排氣歧管上。

表1 試驗發(fā)動機基本參數

圖1示出試驗系統的結構示意。控制單元采用自主開發(fā)的雙燃料ECU，并通過USB/CAN卡與上位機進行通信，通過運行在上位機的標定軟件可以在線調節(jié)點火提前角和怠速閥開度，并能夠獨立控制甲醇和汽油的噴射脈寬。安裝在第4缸的Kistler6117BFD15火花塞式缸壓傳感器用于測量發(fā)動機的缸壓數據，經電荷放大器放大后輸出給LMS數據采集儀。EPC260編碼器用于監(jiān)測曲軸自由端的轉速信號，其輸出接入LMS數據采集儀，作為角度域數據處理的參考通道。BOSCH LSU4.9寬域氧傳感器用于測量發(fā)動機尾氣的空燃比(測量誤差為±0.01)。試驗系統采用HZL-20電子秤(測量誤差為±0.2 g)記錄汽油和甲醇消耗的質量。采用FGA4000XDS五組分氣體分析儀測量三元催化器前的HC，CO，CO2和NOx體積分數。其中，HC，CO和CO2采用紅外法測量，量程分別為10×10-3，10%，20%，NOx采用電化學法，量程為20×10-3，4種排放物的測量精度均為測量值的±5%。

1.2 試驗方法

圖2示出試驗ECU采用的怠速稀燃控制策略。首先進行汽油稀燃試驗，運用PI算法分別調節(jié)汽油的噴射脈寬和怠速閥開度以穩(wěn)定發(fā)動機轉速和過量空氣系數。隨后手動增加甲醇的噴射脈寬，此時汽油的噴射脈寬在PI控制算法的作用下會自動降低以穩(wěn)定發(fā)動機轉速，從而進行不同比例甲醇汽油的怠速稀燃試驗。進入純甲醇試驗后，由于汽油噴射脈寬為零，穩(wěn)定發(fā)動機轉速改由通過PI算法控制甲醇的噴射脈寬實現。試驗中甲醇和汽油的噴射相位均為排氣上止點前180°。試驗以MΦ代指不同比例甲醇汽油，其中甲醇的質量比例Φ定義為

(1)

為了排除發(fā)動機溫度對試驗結果的影響，試驗過程中將發(fā)動機水溫控制在(90±1) ℃。怠速轉速穩(wěn)定在800r/min左右。試驗在φa=1.1和φa=1.3兩組稀燃工況下進行，兩組工況的點火提前角分別設置為16°和20°曲軸轉角。

試驗時首先調整好各控制參數，待發(fā)動機的轉速、水溫和空燃比等穩(wěn)定后，應用LMSTestLab12A/SignatureTest-Advanced軟件記錄200個循環(huán)的缸壓和轉速數據，應用FGA4000XDS串行口通信軟件記錄200s的排放數據，同時對甲醇和汽油燃料的消耗量進行測量。試驗結束后，將測得的缸壓及曲軸轉角數據導入CDA燃燒分析軟件對缸內的燃燒性能進行離線分析。

2 試驗結果與分析

2.1 怠速稀燃經濟性分析

圖3示出兩組空燃比下燃用不同比例甲醇汽油的指示燃油消耗率(bi)對比。從圖中可以看出，隨著甲醇比例的提高，燃料總消耗量明顯上升。兩組空燃比下的總油耗從M0的422.0g/(kW·h)和364.8g/(kW·h)分別增長至M100的787.3g/(kW·h)和697g/(kW·h)，增幅達到87%和91%。造成這種現象的主要原因是甲醇的低熱值遠低于汽油，為了產生相同的輸出功率，需要燃燒更多的甲醇。從圖中還可以看出，隨著過量空氣系數的增加，燃用3種燃料的燃油消耗率均有所降低。一方面與混合氣燃燒更加充分有關，另一方面，混合氣變稀降低了缸內燃燒溫度，傳熱損失相對減少。

為了消除燃料熱值的影響，用指示熱效率來比較兩種燃料的經濟性(見表2)。從表2可以看出，添加甲醇后，兩組稀燃工況下汽油機的熱效率約提高3%。這是因為甲醇的層流火焰速度遠高于汽油，促使燃料在上止點附近更加迅速地燃燒，提高了燃燒定容度，從而提高了熱效率。甲醇分子的含氧特性也有助于改善氣缸內局部貧氧區(qū)域的混合氣均勻程度，使燃料燃燒更加充分。甲醇燃燒產物的比熱容更大，有利于降低燃燒溫度和排氣溫度，發(fā)動機的傳熱損失相對減少。此外，甲醇燃燒前后生成物對反應物更高的摩爾比(1.061)引起膨脹功略有增加，也是汽油機熱效率提高的原因。從表2還可以看出，燃用純甲醇后，發(fā)動機的熱效率相比于M50不再升高，φa=1.1時，熱效率基本不變，φa=1.3時，熱效率略有降低。

表2不同比例甲醇汽油指示熱效率%

燃料M0M50M100?a=1.119.922.822.7?a=1.323.026.925.7

2.2 怠速稀燃燃燒過程分析

圖4示出兩組空燃比下，燃用不同比例甲醇汽油時缸壓隨曲軸轉角的變化規(guī)律。添加甲醇后，缸壓曲線的峰值壓力明顯增加，峰值壓力對應的曲軸轉角(峰值壓力相位)也有所提前。這與劉圣華[9]等學者在負荷工況下的試驗結果相一致。造成這種現象的主要原因是甲醇的層流火焰速度快于汽油。從圖中還能發(fā)現，過量空氣系數從1.1增大至1.3后，3組燃料缸壓的峰值均有所降低，這主要是因為缸內混合氣變稀后燃燒速度變慢。

圖5示出過量空氣系數為1.1時，汽油和純甲醇試驗的火焰發(fā)展期θ0-10(自火花塞點火至已燃質量分數為10%所經歷的曲軸轉角)和快速燃燒期θ10-90(已燃質量分數從10%至90%所經歷的曲軸轉角)隨循環(huán)數的變化規(guī)律。從圖中可以看出，試驗發(fā)動機燃用甲醇后，θ0-10和θ10-90明顯降低。其中火焰發(fā)展期的平均值從M0的27.4°降低到M100的20.5°,而快速燃燒期則從29.2°減小至20.4°。此外還可以看出，燃用純甲醇燃料后，θ0-10和θ10-90圍繞其平均值的波動幅度明顯減小。這說明甲醇可以有效地降低火焰發(fā)展期和快速燃燒期的循環(huán)變動,提高汽油機燃燒的穩(wěn)定性。

甲醇較大的汽化潛熱(約為汽油的3.5倍)所帶來的發(fā)動機充氣效率的提升和甲醇分子的含氧特性可使各循環(huán)間火花塞電極附近混合氣狀態(tài)更加穩(wěn)定。因此添加甲醇后，發(fā)動機的火焰發(fā)展期及其循環(huán)變動均有所降低。而快速燃燒期相似的變化規(guī)律則主要可歸結于甲醇較快的層流火焰速度。

2.3 怠速稀燃循環(huán)變動分析

怠速穩(wěn)定性是評價發(fā)動機性能的重要指標，怠速不穩(wěn)會使發(fā)動機經濟性惡化，有害排放上升。用平均指示有效壓力的循環(huán)變動系數Covpi[10]來表征發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性能。

圖6示出過量空氣系數為1.1和1.3時，Covpi隨甲醇比例的變化。當φa=1.3時，隨著甲醇比例的增加，指示壓力的循環(huán)變動系數迅速降低，從汽油的11.2%下降到M50的6.7%和純甲醇的3.3%，分別下降了40%和70.6%。造成這種現象的原因是當缸內混合氣過稀后，汽油的燃燒速度變慢，循環(huán)變動增大，甚至開始發(fā)生失火現象，因此當φa=1.3時，汽油的循環(huán)系數最大；而甲醇的層流火焰速度快于汽油，稀燃極限較汽油更寬，添加甲醇后，火焰燃燒速度加快，有效縮短了發(fā)動機的火焰發(fā)展期和快速燃燒期，從而降低了指示壓力的循環(huán)變動系數。當過量空氣系數降低至1.1后，缸內混合氣變濃，燃燒速度加快，所以φa=1.1時指示壓力的循環(huán)變動系數都較φa=1.3時低，并且隨著甲醇比例的增加Covpi也僅略有降低。

2.4 怠速稀燃排放特性分析

圖7示出φa=1.1和φa=1.3時，燃用不同燃料時的HC，NOx，CO2排放。從圖7a中可以看出，隨著甲醇比例的增大，尾氣中的HC濃度迅速降低。對于φa=1.1和φa=1.3工況，純甲醇試驗的HC濃度相比于汽油試驗分別下降了45.9%和55.4%。首先，不完全燃燒是HC排放的重要來源，雖然稀燃條件下燃料基本可以充分燃燒，但在局部區(qū)域仍然存在混合氣濃度不均、燃燒不完全的現象，而甲醇分子的含氧量達到50%，有效改善了這一狀況，從而降低了HC排放。其次，甲醇較快的層流火焰速度和較寬的稀燃界限有效降低了由于汽油在稀燃時失火和燃燒過慢所引起的HC排放。火焰淬熄也是汽油機HC排放的重要來源，相關研究表明[11]，火焰的淬熄距離與火焰?zhèn)鞑ニ俣让芮邢嚓P，甲醇的淬熄距離小于汽油，有利于降低淬熄效應引發(fā)的HC排放。

圖7b表明，怠速稀燃工況下甲醇對于降低NOx排放效果顯著。φa=1.3條件下，燃用M50和M100的NOx排放相比于燃用汽油分別下降了25.9%和60%。這主要是因為甲醇的汽化潛熱遠高于汽油，燃料蒸發(fā)后吸收的大量熱量降低了充氣溫度。此外，甲醇燃燒產物的比熱容高于汽油，絕熱火焰溫較低。這些都使得添加甲醇后火焰燃燒的峰值溫度變低，而NOx的產生機理是在高溫下氮與氧的反應，其反應產物隨溫度的降低而減少[12]。

從圖7c中可以看出，CO2隨著甲醇比例的增大略有降低。φa=1.1和φa=1.3兩種情況下，CO2濃度從汽油的12.9%和10.9%分別降低到純甲醇的12.1%和10.1%，下降了5.4%和7.3%。甲醇的當量CO2排放(燃料充分燃燒下每放出1MJ的熱量排放的CO2)比汽油低7.5%，因此造成這種現象的主要原因可歸結于甲醇較低的當量CO2排放。

圖7中未列出CO排放。這是因為CO濃度主要受空燃比影響，當過量空氣系數大于1以后，CO排放會急劇降低，在此次怠速稀燃試驗條件下，尾氣中CO的濃度低于排放儀的測試分辨率(CO測試分辨率為0.01%)，無法準確測量。

3 結論

a) 怠速稀燃工況下，甲醇有助于提高發(fā)動機的燃油經濟性;兩組空燃比下，發(fā)動機的指示熱效率均有3%左右的提升；

b) 由于甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，稀燃界限較寬，因此燃用甲醇后發(fā)動機的火焰發(fā)展期和快速燃燒期明顯縮短，平均指示壓力的循環(huán)變動系數降低；

c) 甲醇可降低發(fā)動機怠速稀燃時的HC，NOx，CO2排放；φa=1.1和φa=1.3兩組稀燃工況下，燃用純甲醇的HC排放相對于燃用汽油分別降低了45.9%和55.4%，NOx排放降低了56%和60%，CO2排放降低了5.4%和7.3%。

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[編輯: 李建新]

Experimental Study on Lean Burn Characteristics of Methanol-gasoline Engine at Idle Condition

WANG Lejun, WU Bin, SHEN Xinwei, YAN Rongbin, YUE Xiang

(College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124, China)

To improve the combustion and emission performance of traditional gasoline engine at idle, the effects of pure gasoline (M0), 50% mass content gasoline-methanol blend (M50) and pure methanol (M100) on the lean burn characteristics at idle were experimentally investigated on a gasoline engine equipped with an electronically controlled methanol injection system. The experiments were conducted under the lean burn conditions of excess air coefficientφa=1.1andφa=1.3at800r/minrespectively.Theresultsshowthattheindicatedthermalefficienciesunderbothleanburnconditionsincreaseslightly.Boththeflamedevelopmentandpropagationperiodsshortenandthecyclicvariationcoefficientofindicatedmeaneffectivepressuredecreaseswiththeincreaseofmethanolfraction.TheHCandNOxemissions decrease effectively and the CO2emission decreases slightly after mixing methanol.

gasoline engine; idle; lean burn; methanol; combustion; emission

2015-02-03;

2015-05-09

王樂俊(1991—)，男，碩士，主要研究方向為發(fā)動機電控技術；ljwang@emails.bjut.edu.cn。

吳斌(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向為發(fā)動機電控技術；m_wubin@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.005

TK411.25

B

1001-2222(2015)05-0026-05