王樂俊, 吳斌, 申辛未， 閆榮彬， 岳翔

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

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甲醇汽油機(jī)怠速稀燃特性的試驗(yàn)研究

王樂俊, 吳斌, 申辛未， 閆榮彬， 岳翔

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

為改善傳統(tǒng)汽油機(jī)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(tǒng)的汽油機(jī)上對燃用汽油(M0)、50%質(zhì)量比例甲醇汽油(M50)和純甲醇(M100)3種燃料的發(fā)動機(jī)的怠速稀燃特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)先后在過量空氣系數(shù)φa=1.1和φa=1.3兩組稀燃工況下進(jìn)行，怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min左右。試驗(yàn)結(jié)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(jī)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(shù)隨著甲醇比例的增加而降低；甲醇能夠顯著降低發(fā)動機(jī)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(jī)； 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(jī)總運(yùn)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(nèi)殘余廢氣系數(shù)較大及混合氣分布不均，燃料難以充分燃燒，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)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(jī)工作性能具有重要的意義。

稀燃被認(rèn)為是怠速工況下提高發(fā)動機(jī)熱效率和降低排放的重要措施[2-4]，但由于傳統(tǒng)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(chǎn)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(diǎn)[5]受到了極大關(guān)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(yuǎn)快于汽油，稀燃界限較汽油寬。這些性質(zhì)都預(yù)示著甲醇在提高汽油機(jī)怠速稀燃性能方面具有很大的潛力。

目前，國內(nèi)外關(guān)于甲醇代用燃料的研究主要集中在發(fā)動機(jī)外特性和負(fù)荷特性下的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，對甲醇怠速稀燃特性的關(guān)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(jī)怠速稀燃的經(jīng)濟(jì)性、燃燒過程及排放的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在1臺4缸汽油機(jī)上進(jìn)行，該發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。為了實(shí)現(xiàn)不同比例甲醇汽油的噴射，在原機(jī)汽油噴射裝置的基礎(chǔ)上，在進(jìn)氣歧管下方靠近進(jìn)氣口的位置加裝了一套甲醇噴射裝置。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)采用進(jìn)氣凸輪軸連續(xù)可調(diào)方式(CVVT)，為降低殘余廢氣系數(shù)，保證發(fā)動機(jī)怠速燃燒的穩(wěn)定性，在本試驗(yàn)中將進(jìn)氣凸輪軸開啟位置控制在進(jìn)氣上止點(diǎn)后8°曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)、排氣門的重疊角為2°曲軸轉(zhuǎn)角。為了排除進(jìn)氣不均和噴油嘴差異對試驗(yàn)缸空燃比控制的影響，將氧傳感器單獨(dú)安裝在發(fā)動機(jī)第4缸(試驗(yàn)缸)的排氣歧管上。

表1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

圖1示出試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)進(jìn)行通信，通過運(yùn)行在上位機(jī)的標(biāo)定軟件可以在線調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角和怠速閥開度，并能夠獨(dú)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(jī)的缸壓數(shù)據(jù)，經(jīng)電荷放大器放大后輸出給LMS數(shù)據(jù)采集儀。EPC260編碼器用于監(jiān)測曲軸自由端的轉(zhuǎn)速信號，其輸出接入LMS數(shù)據(jù)采集儀，作為角度域數(shù)據(jù)處理的參考通道。BOSCH LSU4.9寬域氧傳感器用于測量發(fā)動機(jī)尾氣的空燃比(測量誤差為±0.01)。試驗(yàn)系統(tǒng)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(zhì)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?jǐn)?shù)。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(xué)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(yàn)方法

圖2示出試驗(yàn)ECU采用的怠速稀燃控制策略。首先進(jìn)行汽油稀燃試驗(yàn)，運(yùn)用PI算法分別調(diào)節(jié)汽油的噴射脈寬和怠速閥開度以穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和過量空氣系數(shù)。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(jī)轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)行不同比例甲醇汽油的怠速稀燃試驗(yàn)。進(jìn)入純甲醇試驗(yàn)后，由于汽油噴射脈寬為零，穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改由通過PI算法控制甲醇的噴射脈寬實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中甲醇和汽油的噴射相位均為排氣上止點(diǎn)前180°。試驗(yàn)以MΦ代指不同比例甲醇汽油，其中甲醇的質(zhì)量比例Φ定義為

(1)

為了排除發(fā)動機(jī)溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)過程中將發(fā)動機(jī)水溫控制在(90±1) ℃。怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min左右。試驗(yàn)在φa=1.1和φa=1.3兩組稀燃工況下進(jìn)行，兩組工況的點(diǎn)火提前角分別設(shè)置為16°和20°曲軸轉(zhuǎn)角。

試驗(yàn)時首先調(diào)整好各控制參數(shù)，待發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、水溫和空燃比等穩(wěn)定后，應(yīng)用LMSTestLab12A/SignatureTest-Advanced軟件記錄200個循環(huán)的缸壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，應(yīng)用FGA4000XDS串行口通信軟件記錄200s的排放數(shù)據(jù)，同時對甲醇和汽油燃料的消耗量進(jìn)行測量。試驗(yàn)結(jié)束后，將測得的缸壓及曲軸轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)導(dǎo)入CDA燃燒分析軟件對缸內(nèi)的燃燒性能進(jìn)行離線分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 怠速稀燃經(jīng)濟(jì)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(dá)到87%和91%。造成這種現(xiàn)象的主要原因是甲醇的低熱值遠(yuǎn)低于汽油，為了產(chǎn)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(shù)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(guān)，另一方面，混合氣變稀降低了缸內(nèi)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(jīng)濟(jì)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(jī)的熱效率約提高3%。這是因?yàn)榧状嫉膶恿骰鹧嫠俣冗h(yuǎn)高于汽油，促使燃料在上止點(diǎn)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(nèi)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(chǎn)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(jī)的傳熱損失相對減少。此外，甲醇燃燒前后生成物對反應(yīng)物更高的摩爾比(1.061)引起膨脹功略有增加，也是汽油機(jī)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(jī)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(zhuǎn)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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(峰值壓力相位)也有所提前。這與劉圣華[9]等學(xué)者在負(fù)荷工況下的試驗(yàn)結(jié)果相一致。造成這種現(xiàn)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(xiàn)，過量空氣系數(shù)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?yàn)楦變?nèi)混合氣變稀后燃燒速度變慢。

圖5示出過量空氣系數(shù)為1.1時，汽油和純甲醇試驗(yàn)的火焰發(fā)展期θ0-10(自火花塞點(diǎn)火至已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角)和快速燃燒期θ10-90(已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%至90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角)隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，試驗(yàn)發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jié)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(jī)性能的重要指標(biāo)，怠速不穩(wěn)會使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(shù)Covpi[10]來表征發(fā)動機(jī)的怠速穩(wěn)定性能。

圖6示出過量空氣系數(shù)為1.1和1.3時，Covpi隨甲醇比例的變化。當(dāng)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(shù)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(xiàn)象的原因是當(dāng)缸內(nèi)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(xiàn)象，因此當(dāng)φa=1.3時，汽油的循環(huán)系數(shù)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(jī)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(shù)。當(dāng)過量空氣系數(shù)降低至1.1后，缸內(nèi)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(shù)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(yàn)的HC濃度相比于汽油試驗(yàn)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(xiàn)象，而甲醇分子的含氧量達(dá)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?；鹧娲阆ㄒ彩瞧蜋C(jī)HC排放的重要來源，相關(guān)研究表明[11]，火焰的淬熄距離與火焰?zhèn)鞑ニ俣让芮邢嚓P(guān)，甲醇的淬熄距離小于汽油，有利于降低淬熄效應(yīng)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?yàn)榧状嫉钠瘽摕徇h(yuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生機(jī)理是在高溫下氮與氧的反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)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(dāng)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(xiàn)象的主要原因可歸結(jié)于甲醇較低的當(dāng)量CO2排放。

圖7中未列出CO排放。這是因?yàn)镃O濃度主要受空燃比影響，當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1以后，CO排放會急劇降低，在此次怠速稀燃試驗(yàn)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(zhǔn)確測量。

3 結(jié)論

a) 怠速稀燃工況下，甲醇有助于提高發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性;兩組空燃比下，發(fā)動機(jī)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(jī)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(shù)降低；

c) 甲醇可降低發(fā)動機(jī)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?yàn)榘l(fā)動機(jī)電控技術(shù)；ljwang@emails.bjut.edu.cn。

吳斌(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)電控技術(shù)；m_wubin@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.005

TK411.25

B

1001-2222(2015)05-0026-05