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        中比例甲醇汽油臺(tái)架試驗(yàn)及仿真研究

        2014-09-13 07:36:42李昕光張文超李云杰杜夢(mèng)覃陳雪瑞
        森林工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:燃用汽油甲醛

        李昕光,張文超,李云杰,杜夢(mèng)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(diǎn),常以摻混的方式在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用。目前國內(nèi)對(duì)于甲醇汽油的研究多集中于低比例甲醇汽油對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)如果燃用高比例甲醇汽油(甲醇含量超過85%),則需要對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造或者制造專用發(fā)動(dòng)機(jī),不易在現(xiàn)有車輛上推廣使用[5-8]。因此對(duì)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(dòng)車輛,在現(xiàn)有車輛上的推廣意義更大。

        本研究首先進(jìn)行中比例甲醇汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),研究電噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃用中比例甲醇汽油的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及常規(guī)排放特性。然后應(yīng)用GT-POWER軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模型,并耦合化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMIKIN來對(duì)甲醇汽油的非常規(guī)排放特性進(jìn)行研究。

        1 試驗(yàn)方法與儀器設(shè)備

        由于在不改變車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)未經(jīng)任何改動(dòng),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(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的主要測(cè)試儀器設(shè)備為洛陽南峰的電渦流測(cè)功機(jī)、長沙湘儀的自動(dòng)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(yàn)方案及結(jié)果分析

        2.1 試驗(yàn)方案

        發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷速度特性能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高性能,因此在發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)的情況下,分別進(jìn)行了93#汽油與M30和M40的全負(fù)荷速度特性對(duì)比試驗(yàn),同時(shí)測(cè)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(jì)性能,還進(jìn)行了2 000r/min和4 000r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)。

        2.2 全負(fù)荷速度特性試驗(yàn)結(jié)果及分析

        全負(fù)荷速度特性對(duì)比曲線如圖1和圖2所示。

        圖1 全負(fù)荷速度特性扭矩對(duì)比圖

        圖2 全負(fù)荷速度特性功率對(duì)比圖

        從圖1和圖2可以看出,在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)榧状嫉牡蜔嶂?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(fù)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(dòng)機(jī)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(fù)荷特性能耗率對(duì)比圖

        圖4 2000轉(zhuǎn)負(fù)荷特性能耗率對(duì)比圖

        從圖3和圖4可以看出,在低負(fù)荷階段,發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用M30、M40時(shí)其能耗率比燃用93#汽油時(shí)的略高,在高負(fù)荷階段三種燃料的能耗率相差不多。這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性的低負(fù)荷工況下,電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)控制,由于甲醇含氧而使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧含量增多,氧傳感器給電控單元進(jìn)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(jī)的常規(guī)污染物包括CO,HC和NOX等,汽油機(jī)燃用中比例甲醇汽油(M30和M40)在外特性時(shí)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(dòng)機(jī)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(jìn)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(shí)還可以看出,影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的空燃比控制策略有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下,其燃油噴射系統(tǒng)實(shí)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(shì)加,NOX的排放呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

        圖5 全負(fù)荷速度特性CO對(duì)比圖

        圖6 全負(fù)荷速度特性HC排放對(duì)比圖

        圖7 全負(fù)荷速度特性NOX排放對(duì)比圖

        3 甲醛排放的模擬計(jì)算

        在汽油機(jī)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(cè)試條件,因此采用發(fā)動(dòng)機(jī)過程軟件GTPOWER耦合氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件包CHEMKIN來對(duì)甲醛的排放情況進(jìn)行仿真分析。發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下的甲醛排放情況如圖8所示。

        圖8 全負(fù)荷速度特性甲醛排放對(duì)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(shì),并且隨著轉(zhuǎn)速的增加進(jìn)一步上升,在5 000r/min時(shí),M40的甲醛排放量已經(jīng)達(dá)到了80ppm,遠(yuǎn)高于93#汽油此轉(zhuǎn)速的甲醛排放濃度。

        4 結(jié) 論

        對(duì)未經(jīng)任何改造的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃用中比例甲醇汽油的動(dòng)力性能及排放性能等進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)以及仿真研究,研究結(jié)果如下:

        (1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用中比例甲醇汽油的全負(fù)荷速度特性試驗(yàn)結(jié)果顯示:發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力性能稍好于M40。

        (2)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用中比例甲醇汽油的負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果顯示:在低負(fù)荷階段,發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用M30、M40時(shí)其能耗率比燃用93#汽油時(shí)的略高,在高負(fù)荷階段三種燃料的能耗率相差不多。

        (3)發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)排放試驗(yàn)和非常規(guī)排放物仿真結(jié)果顯示:發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì),而且摻混比例越大,下降趨勢(shì)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(shì)。

        (4)綜合來看,M30的動(dòng)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(xiàn)】

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

        [2]曾 科.小型汽油機(jī)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(jī)使用甲醇汽油混合燃料的燃燒和排放仿真及試驗(yàn)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(jī)學(xué)報(bào),2010,28(4):345-349.

        [5]曾東建,黃海波,姚 英.汽油機(jī)燃用甲醇汽油的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及非常規(guī)排放物試驗(yàn)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)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(duì)電噴汽油機(jī)性能影響的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2008,37(4):70-74.

        [7]張忠強(qiáng),強(qiáng)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(duì)甲醇/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放影響的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(11):37-42.

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