杜愛(ài)民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

?

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

杜愛(ài)民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

以一臺(tái)1.5 L、直列、四缸、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件和軟件進(jìn)行了局部修改，選擇了比較容易實(shí)現(xiàn)的雙油箱雙油軌結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了甲醇-汽油兩用的燃油供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及控制軟件，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)汽油起動(dòng)、暖機(jī)，甲醇、汽油之間的自由切換以及甲醇、汽油單獨(dú)燃燒等功能。對(duì)甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)速變化較大而負(fù)荷相對(duì)變化較小的工況下適合燃用甲醇。雖然甲醇的消耗量大約是汽油的2倍，但其燃燒熱效率比汽油高。

多元燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 甲醇； 燃料切換

對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和汽車燃料的全生命周期(Well-To-Wheel)性能的研究表明，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾十年內(nèi)，汽車工業(yè)將會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)多元化以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料多元化發(fā)展的趨勢(shì)[1]。世界各大主要汽車生產(chǎn)國(guó)都將根據(jù)本國(guó)自身的技術(shù)基礎(chǔ)和資源存儲(chǔ)狀況選擇符合本國(guó)現(xiàn)狀的汽車技術(shù)路線。

就中國(guó)國(guó)情來(lái)說(shuō)，我國(guó)天然氣存儲(chǔ)量?jī)H占世界總儲(chǔ)量的0.9%，石油存儲(chǔ)量?jī)H占世界已探明石油存儲(chǔ)量的2.7%，而煤炭資源豐富，存儲(chǔ)量占世界存儲(chǔ)量的15%。在中國(guó)，天然氣、石油、煤炭的結(jié)構(gòu)關(guān)系按可燃燒放熱量計(jì)算為4%，5%，91%[2]。因此，從能源結(jié)構(gòu)和應(yīng)用來(lái)看開(kāi)發(fā)應(yīng)用煤制甲醇是解決我國(guó)能源危機(jī)和環(huán)境污染的一個(gè)有效方法。我國(guó)與國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作，運(yùn)用Well-To-Wheel評(píng)價(jià)方法對(duì)在我國(guó)使用甲醇燃料的可行性及經(jīng)濟(jì)性作了全面的評(píng)估。研究報(bào)告指出，在中國(guó)山西省等煤炭存儲(chǔ)量大的地區(qū)發(fā)展甲醇燃料與甲醇汽車具有現(xiàn)實(shí)可行性和較好的經(jīng)濟(jì)性[3]。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)汽油能源路線相比，甲醇汽油能源路線的一次能源消耗降低達(dá)9%，而溫室氣體CO2等排放量?jī)H增加3.5%。在我國(guó)利用煤制甲醇來(lái)部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油，每投入1.8 t煤來(lái)制造甲醇便可以替代1.0 t原油，以甲醇代替汽油的能源調(diào)整策略能夠有效地緩解我國(guó)對(duì)原油進(jìn)口的依賴[4]。

因此，從中國(guó)“少氣、貧油、富煤”的能源結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮到節(jié)能環(huán)保和能源安全，應(yīng)用煤基甲醇燃料替代汽油燃料符合我國(guó)能源國(guó)情。甲醇的這種應(yīng)用可能會(huì)實(shí)現(xiàn)汽油的大面積被取代，這對(duì)中國(guó)的能源安全戰(zhàn)略具有特殊意義。

1 甲醇燃料的特點(diǎn)

甲醇是一種無(wú)色、透明、易燃、易揮發(fā)的有毒液體，略有酒精氣味，能與水、乙醇、乙醚、苯、酮、鹵代烴和許多其他有機(jī)溶劑相混溶，遇熱、明火或氧化劑易燃燒。燃燒反應(yīng)式為

甲醇具有廣泛的應(yīng)用范圍，經(jīng)過(guò)深加工后可以作為一種新型清潔燃料，也可以加入汽油摻燒[5-9]。甲醇和汽油的主要理化性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1。從表中可以看出與汽油相比甲醇的主要理化性質(zhì)有如下特點(diǎn)：1)甲醇低熱值大約為汽油低熱值的45%，但甲醇的理論空燃比為汽油的44.2%，其理論空燃比混合氣的熱值與汽油基本相當(dāng)；2)甲醇的汽化潛熱大約為汽油的3倍，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)；3)甲醇分子內(nèi)含氧，有利于降低HC，CO的排放；4)甲醇的辛烷值高于汽油，其抗爆能力強(qiáng)，可以通過(guò)增大甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比來(lái)提高熱效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性；5)甲醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為汽油的兩倍，甲醇單獨(dú)燃燒或者在汽油中摻入甲醇均可以提高燃料的燃燒速率；6)相對(duì)于汽油而言甲醇在最佳濃度時(shí)需要的最小點(diǎn)火能量較低，比汽油更易于點(diǎn)火，因而汽油中加入甲醇后有利于燃料點(diǎn)火，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性[10]。

表1 甲醇和汽油的主要物理化學(xué)性質(zhì)

2 甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

燃用純甲醇的缺陷是冷起動(dòng)困難以及暖機(jī)排放差?，F(xiàn)有的冷起動(dòng)解決方案如進(jìn)氣預(yù)熱、添加輔助起動(dòng)燃料、提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮比、增大點(diǎn)火能量等措施均不能從根本上解決冷起動(dòng)困難以及暖機(jī)排放差的問(wèn)題。為了充分發(fā)揮純甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的優(yōu)勢(shì)，本研究提出甲醇-汽油兩用燃料的策略，應(yīng)用汽油作為起動(dòng)及暖機(jī)燃料，應(yīng)用甲醇作為主要?jiǎng)恿θ剂蟍11-14]。

同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上單獨(dú)使用兩種燃料，這必然導(dǎo)致兩種燃料之間的切換問(wèn)題。解決燃料切換問(wèn)題有兩種方案可供選擇，即雙油箱單油軌結(jié)構(gòu)、雙油箱雙油軌結(jié)構(gòu)。

2.1 雙油箱單油軌結(jié)構(gòu)

雙油箱單油軌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是油箱采用一體兩腔式油箱，甲醇和汽油共用一套供油系統(tǒng)和噴油設(shè)備。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)相比，雙油箱單油軌結(jié)構(gòu)增加了油品傳感器，用以識(shí)別目前油軌中的燃料。其架構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

由于汽車可以應(yīng)用兩種燃料，燃料性質(zhì)的不同導(dǎo)致兩種燃料的切換過(guò)程必須要應(yīng)用特殊的控制策略來(lái)達(dá)到切換的平順性。圖2示出了雙油箱單油軌結(jié)構(gòu)的切換過(guò)程。當(dāng)滿足燃料切換條件時(shí)，汽油泵關(guān)閉，甲醇泵開(kāi)啟，此時(shí)燃料管路中形成界面A，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)為汽油，另一側(cè)為甲醇；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油軌管路剩余汽油的消耗，則汽油、甲醇臨界面A依次通過(guò)4號(hào)，3號(hào)，2號(hào)，1號(hào)4個(gè)噴油器，當(dāng)臨界面處于A1位置時(shí)，4號(hào)缸燃燒甲醇，其他各缸則繼續(xù)燃燒汽油，系統(tǒng)需要根據(jù)甲醇的特性進(jìn)行噴射，4個(gè)缸依次切換成甲醇。

這種結(jié)構(gòu)的燃料切換存在一定的問(wèn)題，由燃料的性質(zhì)可知，油面A在結(jié)構(gòu)上并不均勻，且具有不確定性，在移動(dòng)過(guò)程中，噴油器噴出的燃油成分未知(汽油與甲醇混合比未知)，需要在試驗(yàn)中反復(fù)尋找并驗(yàn)證其規(guī)律性，找到可控的空燃比加濃系數(shù)。如果時(shí)間比較短暫，僅會(huì)出現(xiàn)一個(gè)缸短暫失火的現(xiàn)象，重點(diǎn)是控制界面A的形態(tài)穩(wěn)定。另外在不同溫度下，驗(yàn)證過(guò)程是否相同，需要在實(shí)車試驗(yàn)中驗(yàn)證。同時(shí)油軌的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響到界面A在油軌中存在的形式及大小，進(jìn)而影響切換過(guò)程的質(zhì)量，特別是目前油軌設(shè)計(jì)的形狀容易形成紊流，會(huì)影響界面A的穩(wěn)定性。由圖3可見(jiàn)，油軌的不規(guī)則設(shè)計(jì)會(huì)直接導(dǎo)致界面A不穩(wěn)定，甚至無(wú)法形成該界面。

由圖4可見(jiàn)，若單向閥存在泄漏，蓄壓能力差，無(wú)法預(yù)知管路三通與甲醇單向閥間燃油狀態(tài)，則起始汽油長(zhǎng)度無(wú)法預(yù)知，此模型無(wú)法正常工作，需要增加油品比例傳感器，反饋給ECU，以此點(diǎn)為計(jì)算汽油長(zhǎng)度起點(diǎn)，并且可以估算出界面A處汽油的比例。另外，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行甲醇可能流入副油箱，降低汽油純度，影響低溫起動(dòng)性能。但是增加油品比例傳感器必然會(huì)提高甲醇-汽油兩用燃料汽車的成本。

2.2 雙油箱雙油軌結(jié)構(gòu)

雙油箱雙油軌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：油箱為一體兩腔式油箱，發(fā)動(dòng)機(jī)有兩套獨(dú)立的供油系統(tǒng)，分別為甲醇供油系統(tǒng)和汽油供油系統(tǒng)。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙油箱雙油軌結(jié)構(gòu)顯著的特點(diǎn)是雙供油系統(tǒng)，每一缸有兩個(gè)噴油器供油。這種結(jié)構(gòu)燃料的切換過(guò)程比較容易實(shí)現(xiàn)，可以采用兩種燃料同時(shí)噴射的方式解決切換平順性的問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

從以上兩種甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案分析來(lái)看，第二種方案更容易實(shí)現(xiàn)，本研究采用第二種方案。

3 甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 燃油供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 燃油供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

為了解決甲醇冷起動(dòng)困難以及暖機(jī)時(shí)排放差等問(wèn)題，本研究采用雙噴油系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)存在兩套油路，兩個(gè)油泵，兩個(gè)油箱，即甲醇油箱(主油箱)和汽油油箱(副油箱)。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可以同時(shí)控制8個(gè)噴油器，既能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)噴油器單獨(dú)噴射甲醇，也能夠?qū)崿F(xiàn)另外4個(gè)噴油器單獨(dú)噴射汽油，在燃料切換過(guò)程中8個(gè)噴油器可以同時(shí)噴油，無(wú)需人工干預(yù)。這樣就可以利用汽油良好的冷起動(dòng)性能及暖機(jī)排放性能完成起動(dòng)過(guò)程，在起動(dòng)完成達(dá)到一定條件后，切換至甲醇，進(jìn)而充分利用甲醇熱機(jī)狀態(tài)下良好的排放性能和經(jīng)濟(jì)性。這樣還可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)汽油模式和甲醇模式的平穩(wěn)切換。

汽油供油系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于汽油只在起動(dòng)及起動(dòng)后一段時(shí)間及緊急情況下應(yīng)用，因此油箱的容量減小為5 L。甲醇燃油供給系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，考慮選用抗腐蝕和抗溶脹材料。

3.1.2 噴油器選擇

甲醇和汽油的化學(xué)計(jì)量空燃比相差較大(甲醇的理論空燃比為6.5，汽油大約是甲醇的2.28倍)。因此，在相同進(jìn)氣量的前提下，噴油器噴射甲醇的時(shí)間要比噴射汽油長(zhǎng)很多，需要改變傳統(tǒng)汽油機(jī)的噴油器以滿足兩用燃料汽車在燃用高甲醇含量油品時(shí)的燃油需求量。

一般而言，噴油器的選型方法有兩種。一種是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)和性能參數(shù)的要求，對(duì)噴油器的主體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算后初步確定，再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)最后確定。另一種是為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的某些特殊要求，對(duì)各種特殊因素進(jìn)行分析，最終選擇能夠滿足這些特殊要求的噴油器。

目前對(duì)甲醇燃料的研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)噴油器不能滿足甲醇燃料對(duì)燃油系統(tǒng)的特殊要求。首先，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在甲醇燃料時(shí)，燃油噴射量大幅增加；其次，由于醇類燃料具有腐蝕作用，易使燃油管路管壁剝落下雜物,且這些雜質(zhì)不溶于甲醇。因此，甲醇噴射器需要采用耐腐蝕材料制作。循環(huán)供應(yīng)量q是發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率時(shí)的燃油供應(yīng)量，q的計(jì)算方法如下：

(1)

(2)

式中:Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率；n為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速；be為最大功率時(shí)的燃油消耗率；i為氣缸數(shù)；τ為沖程數(shù)；B為燃油消耗量。

按照設(shè)計(jì)目的，該發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用甲醇時(shí)，最大功率Pmax=84 kW，最大功率轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，此時(shí)燃油消耗率設(shè)計(jì)目標(biāo)是不高于670 g/(kW·h)。此外i=4，τ=4。由式(2)可得燃油消耗量B=56.28 kg/h，最大功率時(shí)的循環(huán)供應(yīng)量q=78.167 mg/循環(huán)。

綜合上述計(jì)算和甲醇腐蝕性的特殊因素，最后選擇了CEV4-2-4醇類燃料噴射器，其工作溫度為-40～110 ℃，供電電壓為8～16 V，可使用汽油、乙醇、正庚烷、甲醇、機(jī)油、變速箱油、制動(dòng)油等油品，噴油器內(nèi)部能承受600 kPa的壓力，2 kHz下能承受30 g的瞬間加速度，能承受大于等于600 MPa的軸向應(yīng)力、大于等于6 MPa的彎曲應(yīng)力、大于等于4 MPa的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CEV4-2-4-298醇類燃料噴射器性能參數(shù)

3.1.3 油箱及油路設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，在甲醇燃料供油系統(tǒng)中燃油管路中會(huì)生成一種類似凝膠體的物質(zhì)，如果這種凝膠體聚集在燃油過(guò)濾器中，將會(huì)導(dǎo)致燃油過(guò)濾器的濾芯堵塞。而對(duì)于甲醇燃料供給系統(tǒng)中的金屬零部件，特別是對(duì)于鋁零件，如果未進(jìn)行表面處理或表面處理不夠充分，長(zhǎng)期浸泡于甲醇中會(huì)生成氫氧化鋁Al(OH)3，從而在濾芯上形成很難處理的薄膜。這些不利因素都會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾器的阻力過(guò)大，電動(dòng)油泵負(fù)荷及噪聲增加，影響過(guò)濾器及電動(dòng)油泵的使用壽命。大量試驗(yàn)證明，在不采取恰當(dāng)措施的情況下，汽車行駛里程超過(guò)4 000 km燃油過(guò)濾器就會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的堵塞。

為了避免出現(xiàn)甲醇燃料過(guò)濾過(guò)程中的堵塞現(xiàn)象及燃油系部分零件的銹蝕現(xiàn)象，在甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了以下措施：

1) 甲醇燃料在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的膠黏體等雜質(zhì)的尺寸要求為，50%的雜質(zhì)小于2 μm，20%的雜質(zhì)為2～5 μm，因此甲醇燃料在加入到油箱之前進(jìn)行一次過(guò)濾，并在甲醇-汽油兩用燃料汽車的油路中采用空隙為1 μm的過(guò)濾器。

2) 鋁零部件要進(jìn)行表面處理——厚度為0.05 mm的陽(yáng)極氧化處理，鍍0.01 mm的溴層。

3) 在甲醇燃料中加入抑制積炭生成的添加劑。

3.2 點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甲醇的汽化潛熱值遠(yuǎn)大于汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用甲醇時(shí)壓縮終點(diǎn)混合氣的溫度要低于發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用汽油時(shí)。為了使甲醇能夠可靠著火，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)需要提供更高的點(diǎn)火能量。低負(fù)荷工況以及稀混合氣運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度比較低，可以通過(guò)提高點(diǎn)火能量和延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間保證穩(wěn)定的點(diǎn)火，高負(fù)荷工況點(diǎn)火能量可以小一些。

甲醇有早燃的傾向，汽油機(jī)改用燃燒甲醇后，如果仍然沿用原來(lái)同熱值等級(jí)的火花塞，很容易造成早燃現(xiàn)象。一般選用低一個(gè)等級(jí)的冷型火花塞，但不能使用更低熱值等級(jí)的冷型火花塞，否則容易使甲醇冷凝在火花塞電極上，極易形成污垢物和短路現(xiàn)象，造成漏電、點(diǎn)火不正常甚至失火故障。為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用的火花塞裙部溫度不小于450 ℃。同時(shí)為了不產(chǎn)生早燃現(xiàn)象，火花塞的裙部溫度不大于850 ℃。本研究采用的是NGKN06火花塞。

3.3 甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的整體

設(shè)計(jì)

由于本研究甲醇-汽油兩用燃料汽車是在傳統(tǒng)汽油機(jī)汽車上改裝開(kāi)發(fā)的，因此驅(qū)動(dòng)層基本可以維持不變，只需要增加一路噴油的驅(qū)動(dòng)、診斷以及其他外圍控制模塊，即把過(guò)去控制汽油噴油的功能擴(kuò)展到控制甲醇噴油功能，以實(shí)現(xiàn)兩種燃料分別噴射和同時(shí)噴射。

根據(jù)以上分析，甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制器軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中只需要調(diào)整燃油模塊和點(diǎn)火模塊并增加切換過(guò)程的控制模塊。對(duì)于其他模塊，由于甲醇和汽油的相似性，只需要甲醇燃料和汽油燃料使用不同的匹配數(shù)據(jù)就可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

因此，甲醇-汽油兩用燃料汽車主要軟件功能作如下升級(jí)：底層軟件按4缸噴油時(shí)序控制甲醇噴油器和汽油噴油器，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)汽油噴射、單獨(dú)甲醇噴射或甲醇和汽油同時(shí)噴射(燃料切換過(guò)渡工況)；甲醇燃料和汽油燃料使用基本相同的軟件邏輯，但使用不同的數(shù)據(jù)；軟件工具鏈將部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制為兩份，一份供甲醇控制使用，一份供汽油控制使用，軟件運(yùn)行時(shí)根據(jù)控制命令切換。

3.3.2 斷油控制

由于缸數(shù)不變但噴油器的數(shù)量翻倍，這就需要斷油控制能夠保證在由不同原因?qū)е碌臄嘤颓闆r下實(shí)現(xiàn)斷油，同時(shí)保護(hù)三元催化器。在以下兩種情況下噴油器斷油。

1) 可恢復(fù)性必須斷油請(qǐng)求：安全氣囊打開(kāi)后；當(dāng)曲軸信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重缺齒或多齒錯(cuò)誤時(shí)；無(wú)法通過(guò)防盜驗(yàn)證時(shí)；關(guān)閉電源時(shí)。

2) 滿足駕駛員需求進(jìn)行的斷油請(qǐng)求：來(lái)自主動(dòng)降扭造成的斷缸請(qǐng)求(順序斷缸)，將預(yù)斷缸數(shù)轉(zhuǎn)化成噴油嘴號(hào)；因?yàn)楣收隙鴮?dǎo)致的斷缸請(qǐng)求(固定斷缸)，主要包括噴油嘴故障、失火以及發(fā)動(dòng)機(jī)停缸。沒(méi)有相位傳感器或者相位傳感器失效的情況下進(jìn)行斷缸操作。失火斷油、發(fā)動(dòng)機(jī)停缸、主動(dòng)降扭均要切斷一個(gè)缸的2個(gè)噴油器，而噴油器出現(xiàn)故障，將切斷所有故障噴油器。

3.3.3 油泵控制

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前就建立了汽油油泵的油壓，甲醇在這個(gè)階段并不噴射，所以甲醇油泵并不工作，以節(jié)約能源。當(dāng)由汽油模式切換到甲醇模式時(shí)，在切換之前啟動(dòng)甲醇泵，對(duì)甲醇泵進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇噴油器供油。切換過(guò)程中兩個(gè)泵同時(shí)工作，當(dāng)切換完成后汽油泵進(jìn)行afterrun運(yùn)行，然后關(guān)閉。在甲醇切換到汽油過(guò)程中，也對(duì)汽油泵進(jìn)行預(yù)控制。在燃料切換之前啟動(dòng)汽油泵，建立汽油油壓，為切換作準(zhǔn)備。切換完成后，甲醇泵進(jìn)行afterrun運(yùn)行，然后關(guān)閉。

3.3.4 甲醇-汽油切換模塊的設(shè)置

本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用汽油起動(dòng)來(lái)解決甲醇冷起動(dòng)困難的問(wèn)題，起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)達(dá)到一定條件后切換到甲醇燃料。如果甲醇燃料缺失或者遇到甲醇噴油器故障、甲醇油路故障，將會(huì)由甲醇模式切換到汽油模式。因此，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)來(lái)確定是否達(dá)到切換的條件。甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料切換策略的設(shè)計(jì)目的是在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火的情況下，實(shí)現(xiàn)甲醇向汽油或者汽油向甲醇的平穩(wěn)切換。

在燃料切換軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，引入切換標(biāo)志位Convert_Flag和切換完成標(biāo)志位Convert_Finish這兩個(gè)量。圖6示出了燃料切換控制策略的軟件實(shí)現(xiàn)流程。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，ECU經(jīng)過(guò)初始化Convert_Flag置0，此時(shí)只有汽油泵工作，汽油噴油器噴射汽油作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，實(shí)現(xiàn)良好的低溫起動(dòng)性能和暖機(jī)排放。同時(shí)ECU會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器發(fā)送到ECU內(nèi)部的信號(hào)判斷兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)是否滿足切換要求。如果發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)滿足切換要求，Convert_Flag就會(huì)被賦值為1，甲醇和汽油兩種燃料的油泵都開(kāi)始工作，延時(shí)2 s后甲醇噴油器開(kāi)始工作，此時(shí)甲醇和汽油的噴油器均在工作，實(shí)現(xiàn)兩種燃料的同時(shí)供應(yīng)和燃料的切換。延時(shí)2s的目的是在甲醇噴油器工作前在甲醇燃油供給管道中建立甲醇油壓。當(dāng)燃料切換完成后Convert_Finish會(huì)置位，同時(shí)Convert_Flag被賦值為2，這時(shí)只有甲醇泵在工作，而汽油泵停止工作，只有甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。當(dāng)ECU檢測(cè)到甲醇切換到汽油的條件滿足后，就會(huì)賦值Convert_Flag為3，此時(shí)甲醇和汽油的噴油泵再次同時(shí)工作，延時(shí)2 s后汽油噴油器也開(kāi)始噴射汽油，這時(shí)甲醇和汽油同時(shí)供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)兩種燃料的同時(shí)供應(yīng)和燃料的切換。延時(shí)2 s的目的同樣是為了建立汽油供油系統(tǒng)的油壓。同樣當(dāng)甲醇向汽油切換完成后，Convert_Finish會(huì)置位，同時(shí)Convert_Flag被重新賦值為1，恢復(fù)到只有汽油的運(yùn)行模式。

由于甲醇的汽化潛熱值較大，在低溫情況下進(jìn)行燃燒會(huì)導(dǎo)致排放惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)失火嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，甚至?xí)斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。因此，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到指定溫度后才允許進(jìn)行燃料切換。這樣既能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定和切換過(guò)程的穩(wěn)定，又能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的要求，真正體現(xiàn)甲醇燃料排放的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果燃用的是甲醇，那么未燃醇及醛類排放物比較高，要采用三元催化器進(jìn)行催化反應(yīng)來(lái)降低排放。而排氣溫度直接影響著三元催化器的起燃，只有在排氣溫度達(dá)到一定閾值后進(jìn)行燃料切換，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇時(shí)具有理想的排放。因此，排氣溫度也是發(fā)動(dòng)機(jī)切換的限值條件之一。

由于甲醇本身含氧，因此其燃燒速度快，容易發(fā)生早燃，在大負(fù)荷下燃燒甲醇燃料有產(chǎn)生爆震的趨勢(shì)。為了防止產(chǎn)生爆震，應(yīng)在大負(fù)荷工況下限制甲醇、汽油的相互切換。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)濃或者過(guò)稀，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料都不能充分燃燒，會(huì)增加排氣系統(tǒng)的負(fù)荷，如果不及時(shí)控制可能會(huì)導(dǎo)致三元催化器的損壞，因此要求雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入λ閉環(huán)控制后再進(jìn)行燃料切換，以保護(hù)催化器和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)。

只有油泵正常工作，供油壓力能夠達(dá)到一定值，才能夠進(jìn)行切換，因此切換時(shí)要求汽油和甲醇液位達(dá)到一定值。

只有發(fā)動(dòng)機(jī)ECU檢測(cè)到以上各種條件均滿足時(shí)，才會(huì)進(jìn)行燃料切換。特別是由汽油切換甲醇的工況，以上條件必須滿足。

3.3.5 燃料切換過(guò)渡工況

燃料切換過(guò)渡工況為甲醇(汽油)噴油器噴甲醇(汽油)量逐漸減少，汽油(甲醇)噴油器開(kāi)始工作，汽油(甲醇)噴射量逐漸增多的過(guò)程。本研究基于切換前后燃料熱值不變的方法來(lái)保證切換過(guò)程中扭矩的平順性。根據(jù)甲醇、汽油熱值的不同可以得到甲醇和汽油的換算比例，因此切換前后甲醇和汽油的噴射量可以固定。圖7示出了汽油切換至甲醇的過(guò)程，可以看出甲醇、汽油的噴射量是線性變化的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)用萬(wàn)有特性曲線圖可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi)主要參數(shù)的變化關(guān)系以及發(fā)動(dòng)機(jī)最經(jīng)濟(jì)的工作區(qū)域。圖8和圖9示出了汽油和甲醇燃料的萬(wàn)有特性。

從萬(wàn)有特性上可以看出甲醇的等油耗曲線在橫坐標(biāo)方向上比汽油寬，這說(shuō)明甲醇燃料更適合在轉(zhuǎn)速變化較大而負(fù)荷相對(duì)變化較小的情況下工作。由圖可以看出甲醇的燃油消耗量大約是汽油的2倍，這并不是由缸內(nèi)燃燒惡化造成的，而是因?yàn)榧状嫉臒嶂狄绕偷汀?/p>

單純對(duì)比甲醇和汽油的燃油消耗率意義不明顯，因此，根據(jù)甲醇和汽油的熱值，把各工況的燃油消耗率轉(zhuǎn)化為熱效率(見(jiàn)圖10)。從圖10中可以看出，甲醇和汽油的熱效率與燃油消耗率的變化趨勢(shì)正好相反。在所有工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇的熱效率均明顯高于燃用汽油，并且隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高優(yōu)勢(shì)更為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油的熱效率最高值大約為33%，而當(dāng)燃用甲醇時(shí)在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，功率為25 kW時(shí)熱效率甚至可以達(dá)到36%。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合甲醇和汽油兩種燃料優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)、噴油器、油箱油路、點(diǎn)火系統(tǒng)以及軟件，完成了甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一系列開(kāi)發(fā)工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，甲醇-汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的工作熱效率。在石油危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，使用甲醇代替汽油具有廣闊的發(fā)展空間。

[1] Robert Edwards.Well-to-Wheels Analysis of Future Automotive Fuelsand Powertrains in the European Context[C].SAE Paper 2004-01-1924.

[2] 中國(guó)國(guó)家能源局.中國(guó)能源發(fā)展報(bào)告2009[R].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2009.

[3] Walter MKreucher，WeijianHan，DennisSchuetzle，et al.Economic，Environmentaland Energy Life-Cycle Assessment of Coal Conversionto Automotive Fuels in China[C].SAE Paper 982207，1998.

[4] 張亮,黃震.車用甲醇汽油的生命周期能源消耗與溫室氣體排放分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2007,15(1):26-30.

[5] CIPollone R，Villanie C.Model-based A/F contro lfor LPG liquid-Phase injeeted SI ICEs[C].SAE Paper 2004-01-2958.

[6] LesterBLave，Heather Maelean.A life cycle ceomparison of altemative transportationFuels[C].SAE Paper 2000-01-1516.

[7] 王存磊，朱磊，袁銀男，等.氫氣在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用及特點(diǎn)[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2007,34(3):1-3.

[8] 王欲進(jìn).發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料的發(fā)展探索[J].太原大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,8(2):125-127.

[9] 林在犁，巫波，劉清泉.本世紀(jì)我國(guó)內(nèi)燃機(jī)燃料的發(fā)展分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2009(6)：1-5.

[10] 張凡.甲醇汽油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[11] 任繼文，吳建全，李建新，等.發(fā)展我國(guó)車用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)踐與思考[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2003(3):1-5.

[12] 劉志峰.醇類替代燃料汽車可行性分析[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2004.

[13] 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.中國(guó)清潔汽車技術(shù)發(fā)展路徑研究報(bào)告[R].[出版地不詳]：[出版者不詳]，2000.

[14] Yutaka Takada，Shigeru Ueki，Mayumi Kinoshita，et al.The History of M100 Methanol Vehicles Penetration in Japan[C].SAE Paper 2000-01-1216.

[編輯： 姜曉博]

Design of Petrol-methanol Dual-fuel Engine

DU Aimin, ZHU Peipei, ZHU Zhongpan, CHU Chuanchuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A petrol-methanol dual-fuel engine was developed by locally modifying the hardware and software of a 1.5 L inline 4-cylinder and 4-stroke engine. The dual fuel tank and rail which could be realized easily were chosen, the fuel supply system, ignition system and control software for petrol-methanol dual-fuel were designed, and the starting and warming up functions of petrol and the free switch and respective combustion for methanol and petrol were realized. The experiments of the dual- fuel engine show that methanol is more appropriate for transient conditions with large speed and load variance. Although the consumption of methanol is twice of the petrol, the thermal efficiency of methanol is higher than that of petrol.

multifuel engine; methanol; fuel switch

2015-05-10；

2015-07-22

杜愛(ài)民(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槠嚹茉磁c排放控制；duaimin1971@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.001

TK464

B

1001-2222(2015)05-0001-07