高压缩比甲醇发动机的试验研究*

洪 斌，汪 洋，朱永生，朱自强，程 雄，邱保健

(1.天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072； 2.山西佳新能源化工实业有限公司，晋中 030600)

前言

目前，以汽油机为基础的甲醇发动机技术已进入应用阶段，但汽油机压缩比较低，燃油经济性差，难以发挥甲醇高辛烷值的优势[1]，而且汽油机的功率和转矩特性无法满足大型车辆的需求。因此，开发以柴油机为基础的甲醇发动机已成为甲醇应用技术的下一步工作重点。该领域目前开展的主要技术路线有4条[2-6]：(1)甲醇-柴油混合燃料，采用乳化剂将甲醇乳化混合到柴油里，其甲醇掺烧量一般不能大于30%，否则发动机运转粗暴，起动性能变差；(2)甲醇-柴油双燃料，采用进气道喷射甲醇，柴油喷雾引燃，甲醇掺烧率仍然不高，并且需要两套燃油供给系统；(3)纯甲醇中加十六烷值添加剂，采用喷雾压燃方式，受添加剂量和价格的限制，不能完全体现甲醇的价格优势；(4)电热塞热面点火，采用喷雾压燃方式，电热塞的电能消耗大，寿命难以保证。美国联邦环保署提出了一种高压缩比甲醇发动机方案，该方案保留了柴油机的压缩比(19.5),采用进气道多点喷射、火花塞点火、涡轮增压中冷和废气再循环(EGR)技术，其热效率最高达到42%，已经十分接近柴油机的热效率[7-8]。该方案为大功率高效甲醇发动机的开发提供了新思路。

本文中将Phase110柴油机改造为高压缩比甲醇发动机，开展性能试验研究，并与原柴油机进行对比。

1 发动机试验系统

原柴油机基本参数见表1。

发动机改造的技术路线如下。

(1) 保持活塞结构和燃烧室形式不变，在喷油嘴安装口安装Denso高能銥金火花塞，将压燃式燃烧系统改造为火花点火、电控进气口顺序喷射燃烧系统。

表1 原柴油机基本参数

(2) 发动机压缩比保持不变。高压缩比使甲醇发动机具有较高的热效率，提高燃油经济性，并改善甲醇发动机的冷起动性能。

(3) 在发动机常用工况采用较稀的混合气，使发动机燃烧效率得到改善，降低燃烧和排气温度，降低热负荷，提高发动机零件的耐久性。

(4) 保留了原机的增压中冷系统，使发动机的平均有效压力和原机相当。

(5) 利用EGR抑制高压缩比和增压带来的爆燃倾向。

试验设备与仪器为：(1)湘仪PowerLink GW160电涡流测功机；(2)湘仪PowerLink FC2000发动机自动测控系统；(3)湘仪PowerLink FC2210智能油耗仪；(4)Innovate公司LM-2数字空燃比分析仪。

试验台架结构示意图见图1。

2 发动机关键控制参数的研究

EGR、点火提前角和混合气浓度对发动机的性能有重要的影响。由于本试验侧重的是高压缩比甲醇发动机的经济性能，因此只研究了上述参数对发动机油耗的影响。对于甲醇发动机的主要排放物HC和CO，本次试验只是采用氧化催化反应器来处理。在今后的工作中，将进一步研究发动机的排放性能。

2.1 EGR阀开度对油耗的影响

采用废气再循环(EGR)技术可以有效抑制发动机的爆燃倾向，试验中考察了不同EGR阀开度对发动机油耗的影响。

图2为转速2 400r/min，相同的混合气浓度、喷油相位、输出转矩，发动机处于正常工作状态时，其最佳点火提前角(发动机油耗最低时的点火提前角)随EGR阀开度的变化。从图中可以看出，随着EGR阀开度的增大，最佳点火提前角增大。这是因为EGR对爆燃有较好的抑制作用，使点火提前角得以前移。

转速1 200r/min，相同的混合气浓度、喷油相位、点火提前角、输出转矩时，油耗率随EGR阀开度的变化如图3中曲线1所示。由图可见，在不同EGR阀开度下，达到相同转速和功率时的油耗率变化较小。由于不同EGR阀开度下最佳点火提前角可能不同，在对点火提前角进行优化以后的油耗率如图3中曲线2所示。对比两条曲线可以看出，对点火提前角进行优化后，其油耗明显下降。

试验中，在保证发动机动力输出和稳定工作的前提下，采用较大的EGR阀开度，尽可能降低甲醇消耗率。

2.2 点火提前角对油耗的影响

点火提前角的大小直接影响发动机的动力性和经济性等性能指标。图4为转速2 400r/min，保持EGR阀全开，转矩分别为75、145、235和300N·m时不同点火提前角下的油耗率对比。

由图可见：每个工况点都有一个最佳点火提前角，使热效率最高，油耗率最低；在相同转速下，随着转矩的增加，最佳点火提前角变小。

2.3 混合气浓度对油耗的影响

甲醇混合气浓度的着火界限比汽油、柴油宽，能使用较稀的混合气，有利于缸内混合气浓度的控制。图5和图6为转速1 200r/min，转矩分别为75和145N·m时不同过量空气系数下油耗率对比。在试验过程中各工况点保持相同的喷油相位和EGR阀开度，点火提前角调整到最佳。

由图5和图6可见：对应于每一个工况点，在着火界限内都有一个使油耗最低的过量空气系数λ值，此时，混合气偏稀，氧气充足，甲醇与氧气可以充分混合，使甲醇完全燃烧，热效率最高，燃油消耗率最低；当λ进一步增加时，虽然混合气中氧气丰富，甲醇可以完全燃烧，但由于燃烧速度减慢，燃烧持续期长，等容度降低，导致经济性下降。随着负荷的增加，最佳λ值减小。在大负荷时，为了保证发动机的动力性和稳定性，防止回火等现象的产生，采用偏浓混合气。图7为1 200r/min时最佳λ值随发动机负荷的变化曲线。

3 与原机的性能对比

对发动机进行标定，使其处于最佳的工作状态，得出高压缩比甲醇发动机油耗率的负荷特性曲线和外特性曲线，并与原柴油机同工况点进行动力性和经济性比较。

甲醇和柴油的等热值的理论质量比是2.16，如果发动机的甲醇消耗率等于或小于原机柴油消耗率的2.16倍，就说明甲醇发动机达到或超过原柴油机的热效率。

图8～图11分别是1 200、1 600、2 000和2 400r/min下甲醇发动机和原柴油机的负荷特性对比。由图可见：1 200r/min时，在中小负荷下，甲醇发动机的油耗可以保持在2.16倍柴油油耗以下，在大负荷下，甲醇发动机的油耗超过2.16倍柴油油耗；1 600r/min时，甲醇发动机的油耗略高于2.16倍柴油油耗，小负荷和大负荷的油耗偏高；2 000r/min时，甲醇发动机油耗基本小于2.16倍柴油油耗，只有在大负荷时油耗略微偏高；2 400r/min时，甲醇发动机油耗都在2.16倍柴油油耗以下。

图12为甲醇发动机和原柴油机的外特性对比。由图可见：相对于原柴油机，在低速时，甲醇发动机油耗较高；而高速时油耗持平或稍低。这是因为在低转速时，甲醇发动机有较大的爆燃倾向，限制了点火角的提前。和原机相比，甲醇发动机在高速工况下可以获得更大的功率输出，而在低速时，功率略小。

4 结论

(1) 随着EGR率的增加，最佳点火提前角前移，同等工况下可以获得较低的燃油消耗率。

(2) 每个工况点都有一个最佳点火提前角，同转速下随着转矩的增加，最佳点火提前角减小。

(3) 小负荷宜采用稀混合气，降低油耗；中等负荷采用理论混合气，保持发动机稳定工作和较低油耗；大负荷采用浓混合气，保证功率输出。

(4) 不同速度下的负荷特性试验表明，在高速工况，高压缩比甲醇发动机在不同负荷下，油耗率低于原柴油机，即热效率高于原柴油机；在中低速工况，大负荷时油耗率较高，中低负荷时则围绕原机油耗率上下波动。

(5) 发动机的外特性试验表明：高压缩比甲醇发动机在高速工况，可以获得更大的功率输出和更低的油耗率；中低转速时，功率略小于原机，油耗率也高于原柴油机。

[1] 李晖,刘圣华,周龙保.柴油机燃用甲醇的应用研究与进展[J].柴油机,2004(5):1-3.

[2] 杨蔚权,许世海.甲醇作为发动机燃料的使用方法[J].内燃机,2005(5):32-35.

[3] 邢春鸿,杨庆佛.关于甲醇在压燃式发动机上的应用[J].机械管理开发,2007(3):49-51.

[4] 张军昌.柴油-甲醇双燃料发动机试验研究[D].杨陵:西北农林科技大学,2004.

[5] 段峰.柴油/甲醇组合燃烧方式在增压柴油机上的应用研究[D].天津:天津大学,2004.

[6] 崔心存.柴油机使用甲醇燃料M100的试验研究[J].柴油机,2007,29(1):1-18.

[7] Matthew Brusstar, Mark Stuhldreher, David Swain, et al. High Efficiency and Low Emissions from a Port-Injected Engine with Neat Alcohol Fuels[C]. SAE Paper 2002-01-2743.

[8] Matthew Brusstar, Marco Bakenhus. Economical, High-Efficiency Engine Technologies for Alcohol Fuels[R]. EPA Work Paper,2002.