黃玉平 曹石 秦濤 孫松友

摘要：本文對甲醇發(fā)動機在低溫狀態(tài)下難以起動的問題進行了論述，并分析了造成的原因，給出了使用同一組噴射驅動針腳實現(xiàn)發(fā)動機甲醇和汽油切換的優(yōu)化控制方法。

Abstract： This paper discusses the difficulty of starting methanol engine at low temperature， analyzes the causes， and presents an optimal control method for methanol and gasoline switching by using the same set of injection drive pins.

關鍵詞：甲醇發(fā)動機;噴射控制;優(yōu)化方法

Key words： methanol engine;the injection control;optimal control method

中圖分類號：U464.173? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0201-02

1? 研究背景

甲醇燃料是一種新型的清潔燃料，通過往工業(yè)甲醇或燃料甲醇中加入變性醇添加劑，然后與現(xiàn)有的國標汽柴油（或組分油），按照一定的體積比或者重量比，經(jīng)過嚴格的科學工藝配制而成。其使用范圍廣泛，可代替汽/柴油廣泛應用于各種車輛及鍋灶爐使用。甲醇可添加到汽油或者柴油中，配制成甲醇汽油燃料或者甲醇柴油燃料。甲醇汽油和甲醇柴油是新能源的重要組成部分，可替代傳統(tǒng)化石燃料。隨著人類對原油資源的過度開發(fā)，能源短缺問題愈發(fā)嚴重，其中全球70%以上的原油消耗是在車用燃料領域，新能源的使用迫在眉睫。甲醇柴油也是一種新型環(huán)保燃料，主要成分是柴油、甲醇以及部分添加劑。根據(jù)不同的用途，各成分的比例會有所不同，甲醇柴油中甲醇的比例一般為15%、50%或者90%。甲醇柴油的外觀與普通柴油相近，也是一種澄清透明液體，兩者的粘度、熱值等指標也相近，在各種內燃機車、工業(yè)鍋爐及灶爐等領域都有著廣泛應用。上世紀70年代開始國外對甲醇燃料進行了大量研究，經(jīng)歷過兩次石油危機的影響后，各國逐漸意識到發(fā)展石油替代燃料的重要性[1]。甲醇燃料與普通的汽油燃料相比優(yōu)勢明顯，價格低，而且燃燒清潔，關鍵在于物理化學性能與汽油相近。我們國家對甲醇燃料的研究應用主要集中在車用甲醇燃料領域，車用甲醇汽油和甲醇燃料技術已經(jīng)比較成熟。作為一種新型的清潔燃料，甲醇燃料的技術性能具有比較大的優(yōu)勢。發(fā)動機燃用甲醇替代傳統(tǒng)燃料時的優(yōu)點主要包括：①不需要對原發(fā)動機做大的改動，在原發(fā)動機動力性不受影響的前提下，能夠很好的改善經(jīng)濟性和排放性;②在儲存和運輸方面，由于甲醇燃料也是一種液體燃料，可以采用與石油燃料相同的儲存和運輸系統(tǒng)，因此可大大降低基礎設施的投入;③甲醇燃料燃燒后的產物主要是水和二氧化碳，對環(huán)境污染小，而且HC和顆粒物的排放也要比石油、煤等化石燃料低得多，屬于一種清潔的車用發(fā)動機替代燃料。但相比于汽油、柴油等燃料，甲醇的甲醛排放略高，針對此問題可采用設置雙三元催化器的方法來控制甲醛的排放。

2? 甲醇燃料的應用

甲醇燃料在汽油發(fā)動機上的使用，經(jīng)歷了一個相當艱難的研發(fā)過程，甲醇的摻燒比例最開始是低比例摻燒，其中的M15甲醇占15%，20世紀80年代后期發(fā)展到高比例（M85～M100）摻燒。美國對柔性燃料汽車（FFV：Flexible Fuel Vehicle）的開發(fā)始于1987年，這種汽車能夠同時使用汽油、甲醇或者汽油和甲醇的混合物。日本在甲醇燃料的應用領域主要是開發(fā)甲醇專用車，而不是柔性燃料車（FFV），經(jīng)過幾十年不斷的研究開發(fā)，技術問題也已基本解決。

甲醇燃料的燃燒特性有兩大特點：①非常好的抗爆性能，能夠在高于優(yōu)質汽油所容許的壓力下燃燒而不會產生爆震。甲醇燃料的這種特性在高壓縮比、高性能發(fā)動機上尤為重要，其高辛烷值的作用可以得到充分發(fā)揮，提高發(fā)動機的功率;②非常好的冷卻作用，可以降低發(fā)動機的溫度，使發(fā)動機不致于高溫。甲醇燃料的缺點是能量較低，行駛同樣距離的消耗量幾乎是汽油消耗量的一倍，因此使用車輛就需要配備更大的油箱。甲醇燃料的優(yōu)點是燃燒充分，揮發(fā)性低，排放的碳氫化合物、氧化氮和一氧化碳等有害氣體比較少。

3? 甲醇燃料的車用技術研究現(xiàn)狀

3.1 甲醇汽油燃料的比例? 不同比例的甲醇汽油穩(wěn)定性有所不同，甲醇汽油體系中存在著不同作用力，這些作用力包括甲醇分子間氫鍵的作用力和甲醇與汽油、汽油與汽油之間的分子間作用力。當所含甲醇的比例較低時，甲醇與汽油分子間的作用力要強于氫鍵的作用力，因此會表現(xiàn)出比較好的互溶性。隨著所含甲醇比例的增大，甲醇分子間氫鍵的作用力會逐漸強于汽油分子間的作用力，因此甲醇汽油互溶性會降低。但當溫度高于臨界值，甲醇與汽油可以以任意的比例互溶。由于甲醇的各項性能指標與汽油接近，所以甲醇燃料更廣泛的應用在汽油車上。

根據(jù)車用甲醇汽油燃料中甲醇所占比例的高低，車用甲醇燃料可分為低比例甲醇汽油，中比例甲醇汽油及高比例甲醇汽油。目前，低比例甲醇汽油在汽車上的應用已經(jīng)比較成熟，甲醇燃料中不需要再額外添加助溶劑和腐蝕抑制劑，即可完全代替汽油使用。對于中比例甲醇汽油，由于受到分子間作用力的影響，甲醇與汽油的互溶性極差，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，因此中比例甲醇汽油的應用極少。高比例甲醇汽油燃料中甲醇多占比例更高，經(jīng)濟性更好，其應用范圍也更廣。而高比例甲醇汽油的物理化學性能更加接近于甲醇，由于甲醇汽化潛熱值大，而且具有腐蝕溶脹性等特點，所以需要對現(xiàn)有發(fā)動機進行改裝或者生產專門的甲醇燃料發(fā)動機。

3.2 高比例甲醇汽油發(fā)動機存在的問題? 甲醇在低溫下的著火濃度偏濃，受到甲醇飽和蒸汽壓的限制，甲醇蒸汽的濃度不能達到最低的著火極限，而且甲醇的汽化潛熱是汽油的7倍，又進一步降低了甲醇蒸汽的溫度，導致甲醇發(fā)動機在10攝氏度以下起動困難[2]?，F(xiàn)有的技術中，甲醇發(fā)動機在低溫下起動和運行通常先采用汽油模式，等溫度升高后再切換成甲醇模式。當發(fā)動機采用雙燃料噴射系統(tǒng)時，被替代的發(fā)動機需要有兩套獨立的噴油泵和噴油器系統(tǒng)，其中一套系統(tǒng)用來噴射汽油燃料，另一套系統(tǒng)用來噴射甲醇燃料，目的是保證甲醇燃料在缸內能夠順利的進行混合霧化燃燒。此方法對甲醇燃料本身的性能要求比較低，甲醇燃料的替代率較高，但缺點是這種噴射模式需要對原發(fā)動機進行較大的改動，會大大增加成本，該方法一般應用于缸徑比較大的發(fā)動機上。另外，使用該種方法時，該發(fā)動機的性能主要受到引燃油束的噴射角度、噴射定時以及引燃油量的數(shù)量的影響。

4? 問題分析

甲醇燃料大多是在燃料甲醇或者工業(yè)甲醇中添加了變性醇添加劑后，再與現(xiàn)有的國標汽柴油按照一定的體積比經(jīng)過嚴格的科學工藝調配而成。最早生產甲醇的方法是氯甲烷水解法和木材干餾法[3]。我國制備甲醇一般使用煤炭作為原料，甲醇常溫下為液態(tài)，方便運輸，含氧50%，有利于完全燃燒，能夠降低CO和HC的排放。但是辛烷值要高于汽油，抗爆性好，汽化潛熱大，飽和蒸汽壓低，著火極限偏濃，這就導致冷啟動困難，十六烷值低，因此不能直接應用于壓燃式發(fā)動機，所以甲醇燃料常用于點燃式發(fā)動機或者柴油甲醇雙燃料發(fā)動機。

以甲醇為主要燃料的發(fā)動機，由于純甲醇冷啟動困難，而且甲醇發(fā)動機為點燃式發(fā)動機，所以純甲醇發(fā)動機在低溫下采用汽油啟動，待溫度上升后再切換成甲醇燃料模式。

5? 燃料噴射控制方法優(yōu)化

以常用的六缸直列發(fā)動機為例，為了控制甲醇發(fā)動機，電控系統(tǒng)（ECU）除了需要具有6路甲醇噴射驅動、6路點火線圈驅動外，還需要額外6路汽油噴射驅動。除了重新設計針對此類應用場景的電控系統(tǒng)以外，現(xiàn)有的電控系統(tǒng)很少有足夠的驅動針腳來滿足匹配甲醇發(fā)動機的需求，需要額外增加一個切換開關和控制系統(tǒng)單獨控制汽油，增加了控制成本和復雜性，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。筆者研究的主要內容是設計一種甲醇發(fā)動機噴射控制方法及系統(tǒng)，采用常規(guī)的6缸點燃式發(fā)動機電控系統(tǒng)的同一組噴射驅動針腳實現(xiàn)甲醇發(fā)動機的汽油和甲醇噴射控制，不需要額外設計電控系統(tǒng)或者增加汽油噴射控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)成本。

甲醇發(fā)動機低溫下很難通過甲醇模式起動，所以低溫下需要采用汽油模式起動，待溫度升高后切換成甲醇模式進行發(fā)動機運行，由于汽油和甲醇同為點燃式發(fā)動機的常用燃料，且噴射閥驅動參數(shù)一致或相近，所以采用電控系統(tǒng)中的同一組驅動針腳來實現(xiàn)甲醇和汽油的噴射驅動，只需要根據(jù)不同的噴射控制模式來切換甲醇和汽油的噴射控制參數(shù)即可，由于在發(fā)動機工作工況下同一組噴射驅動針腳無法很好的切換、銜接噴射兩種燃料，所以識別斷油工況，在發(fā)動機進入斷油工況后，此時發(fā)動機的需求噴射量為0，噴射閥關閉，如果當前溫度滿足切換成甲醇模式，則通過噴射控制模式將噴射裝置和發(fā)動機噴射控制參數(shù)切換成甲醇模式，待發(fā)動機退出斷油工況進入工作工況后采用甲醇模式運行。

具體控制流程如圖1，其中閾值1、2、3為標定量，可以根據(jù)實際發(fā)動機臺架和整車的試驗結果進行合理標定。噴射模式中的汽油模式和甲醇模式，分別對應噴射汽油和噴射甲醇，對應模式置位后要切換噴射閥的控制參數(shù)也要打開對應燃料的供給系統(tǒng)，如打開汽油或甲醇供給管路上的切斷電磁閥，打開汽油泵、甲醇泵的驅動等，其中，噴射閥控制參數(shù)除了包含噴射閥驅動參數(shù)外，還包含噴射提前角、噴射加電時間以及噴射時序等。

6? 結束語

筆者在現(xiàn)有的控制模式的基礎上，對甲醇/汽油的噴射控制方法進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了使用發(fā)動機電控系統(tǒng)的同一組噴射驅動針腳對甲醇發(fā)動機的汽油和甲醇噴射模式的控制，不需要額外設計電控系統(tǒng)或者增加汽油噴射控制系統(tǒng)，既提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，又降低了系統(tǒng)成本。

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