中比例甲醇汽油台架试验及仿真研究

李昕光，张文超，李云杰，杜梦覃，张 华，陈雪瑞

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

甲醇具有来源丰富，可以规模化生产，生产成本低等优点，常以掺混的方式在发动机中使用。目前国内对于甲醇汽油的研究多集中于低比例甲醇汽油对原发动机的动力性、经济性和排放特性的影响等方面[1-4]。低比例甲醇汽油M15(甲醇和汽油的体积比为15)已经在我国部分省市进入了稳步发展阶段。由于甲醇具有腐蚀性和热值低的特点，发动机如果燃用高比例甲醇汽油(甲醇含量超过85％)，则需要对现有发动机进行改造或者制造专用发动机，不易在现有车辆上推广使用[5-8]。因此对中比例甲醇汽油展开研究，其掺加甲醇比例较高，又不用改动车辆，在现有车辆上的推广意义更大。

本研究首先进行中比例甲醇汽油的发动机台架试验，研究电喷发动机燃用中比例甲醇汽油的动力性、经济性以及常规排放特性。然后应用GT-POWER软件建立发动机工作过程模型，并耦合化学动力学软件CHEMIKIN来对甲醇汽油的非常规排放特性进行研究。

1 试验方法与仪器设备

由于在不改变车辆发动机现有结构的前提下，能够有利于甲醇汽油的迅速推广使用，因此试验所用发动机未经任何改动，其主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

发动机台架试验的主要测试仪器设备为洛阳南峰的电涡流测功机、长沙湘仪的自动控制系统、长沙湘仪的智能油耗仪和南海南华的五气分析仪。

2 试验方案及结果分析

2.1 试验方案

发动机的全负荷速度特性能够反映发动机所能达到的最高性能，因此在发动机充分热机的情况下，分别进行了93#汽油与M30和M40的全负荷速度特性对比试验，同时测量了常规排放物(CO、HC和NOX)的排放情况。为了研究中比例甲醇汽油的经济性能，还进行了2 000r/min和4 000r/min的负荷特性试验。

2.2 全负荷速度特性试验结果及分析

全负荷速度特性对比曲线如图1和图2所示。

图1 全负荷速度特性扭矩对比图

图2 全负荷速度特性功率对比图

从图1和图2可以看出，在整个转速范围内发动机燃用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。这是因为甲醇的低热值(19.7MJ/kg)比汽油(44MJ/kg)要低55％左右，而M40的甲醇掺混比例较大，其混合气的热值较低，因此其最大功率和扭矩下降也最多。

2.3 负荷特性结果及分析

由于甲醇的低热值低于汽油，因此把燃油消耗率转化为用能耗率表示更为适合，转换公式为：

Ee=be×Hu。

式中：Ee为能耗率，J/kWh；be为燃料消耗率，g/kWh；Hu为质量低热值，kJ/kg。

发动机燃用93#汽油和中比例甲醇汽油的2 000r/min和4 000r/min的能耗率曲线如图3和图4所示。

图3 4000转负荷特性能耗率对比图

图4 2000转负荷特性能耗率对比图

从图3和图4可以看出，在低负荷阶段，发动机在燃用M30、M40时其能耗率比燃用93#汽油时的略高，在高负荷阶段三种燃料的能耗率相差不多。这是因为在发动机负荷特性的低负荷工况下，电喷发动机的燃油喷射系统实行闭环控制，由于甲醇含氧而使发动机排气中氧含量增多，氧传感器给电控单元进一步加大了喷油量形成了较浓混合气，因此甲醇汽油的燃料消耗率随着掺混比的增加而有一定增加。

2.4 常规排放污染物分析

汽油机的常规污染物包括CO，HC和NOX等，汽油机燃用中比例甲醇汽油(M30和M40)在外特性时的常规污染物排放情况如图5、6和7所示。

从图中可以看到，发动机燃用甲醇汽油的常规排放物都比燃用93#汽油有所降低，并且随着掺醇比的增加进一步降低，这是由于醇类燃料自携氧要比空气中的氧更有助于充分燃烧，同时还可以看出，影响发动机CO和NOX的排放性能的不仅和甲醇的掺混比例有关，而且与发动机的空燃比控制策略有关。发动机在全负荷工况下，其燃油喷射系统实行开环控制，喷油量增加，缸内形成功率混合气，不完全燃烧增加，因此在高转速范围内CO的排放呈现上升趋势加，NOX的排放呈现下降趋势。

图5 全负荷速度特性CO对比图

图6 全负荷速度特性HC排放对比图

图7 全负荷速度特性NOX排放对比图

3 甲醛排放的模拟计算

在汽油机上燃用中比例的甲醇汽油，常规排放物在不同程度上都有所降低，而随着甲醇汽油中甲醇含量的提高，甲醛的排放情况研究变得尤为重要。

由于不具备甲醛排放的测试条件，因此采用发动机过程软件GTPOWER耦合气相化学反应动力学软件包CHEMKIN来对甲醛的排放情况进行仿真分析。发动机外特性下的甲醛排放情况如图8所示。

图8 全负荷速度特性甲醛排放对比图

从图中可以看出，随着掺醇比例的增加，甲醛的排放量呈现上升趋势，并且随着转速的增加进一步上升，在5 000r/min时，M40的甲醛排放量已经达到了80ppm，远高于93#汽油此转速的甲醛排放浓度。

4 结 论

对未经任何改造的电喷发动机燃用中比例甲醇汽油的动力性能及排放性能等进行了发动机台架试验以及仿真研究，研究结果如下：

(1)发动机燃用中比例甲醇汽油的全负荷速度特性试验结果显示：发动机燃用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的动力性能稍好于M40。

(2)发动机燃用中比例甲醇汽油的负荷特性试验结果显示：在低负荷阶段，发动机在燃用M30、M40时其能耗率比燃用93#汽油时的略高，在高负荷阶段三种燃料的能耗率相差不多。

(3)发动机的常规排放试验和非常规排放物仿真结果显示：发动机燃用M30和M40同燃用93#汽油相比CO和NOX以及HC的排放都呈现下降趋势，而且掺混比例越大，下降趋势越明显，但是甲醛的排放量随着掺醇比例的增加而呈现上升趋势。

(4)综合来看，M30的动力性比93#汽油稍有下降，但常规排放特性大幅优于93#汽油，而且甲醛排放比M40稍低，因此M30比较适宜推广使用。

【参 考 文 献】

[1]耿 鹏，姚春德，王妹荔.甲醇汽油强化燃料对汽油机性能影响的试验研究[J].工程热物理学报，2013，34(7)：1379-1382.

[2]曾 科.小型汽油机燃用甲醇汽油混合燃料的性能研究[D].北京：北京林业大学，2012.

[3]刘若飞.汽油机使用甲醇汽油混合燃料的燃烧和排放仿真及试验研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[4]张 凡，帅石金，肖建华，等.M15甲醇汽油燃料的催化剂适应性研究[J].内燃机学报，2010，28(4)：345-349.

[5]曾东建，黄海波，姚 英.汽油机燃用甲醇汽油的动力性、经济性及非常规排放物试验研究[J].小型内燃机与摩托车，2009，38(3)：50-53.

[6]李红松，曹建国，张 勇.不同比例甲醇汽油混合燃料对电喷汽油机性能影响的研究[J].小型内燃机与摩托车，2008，37(4)：70-74.

[7]张忠强，强添纲.基于CHEMKIN的E10乙醇汽油的燃烧模拟研究[J].森林工程，2012，28(2)：58-60.

[8]李 毅，刘圣华，魏衍举.环境温度对甲醇/汽油发动机冷起动排放影响的研究[J].西安交通大学学报，2011，45(11)：37-42.