余热气化甲醇燃料对内燃机性能的影响*

付建勤，刘敬平，邓帮林，周 峰，朱国辉

(湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082)

随着经济的发展，石油需求量与日俱增，出现了明显的供不应求的局面，导致国际油价一直持续上涨.同时，石油是不可再生能源，资料表明，全球石油保守估计还能开采30～40年.因此，在石油资源日益匮乏以及国际油价日益飙升的双重压力下，寻求替代石油的内燃机燃料已经引起世界各国的高度重视.内燃机代用燃料是缓解能源危机的一条重要途径[1].甲醇作为内燃机代用燃料，因其具有来源广、价格低、可再生等优点，而成为广为研究的热点，并被普遍认为具有广阔的应用前景[2-3].然而，甲醇直接作为内燃机代用燃料，因其气化潜热较大，使得在喷射及燃烧时产生一系列问题.目前较多的研究是将甲醇与汽油或柴油进行掺杂燃烧[4-7]，也有学者提出将甲醇进行热解制氢[8]后作为内燃机的燃料从而实现节能的目的.为了实现纯甲醇在内燃机上直接应用并具有优越的性能，本文提出采用内燃机废气余热蒸发、气化甲醇，并将该方案同时应用于自然吸气式和增压发动机上.通过与发动机燃用汽油时的性能进行对比，验证该汽油机升级为甲醇蒸汽发动机及其增压方式的优越性及可行性.

1 基于废热气化甲醇的燃料供给方案

1.1 甲醇燃料特性分析

表1给出了甲醇和汽油的主要理化特性比较.甲醇作为内燃机代用燃料具有如下特点：密度与汽油相近，容易储存，便于运输；辛烷值高，稀燃范围十分宽泛，允许内燃机使用较高的压缩比(容易实现增压)；甲醇分子中含氧50%，燃烧速度快，自身含氧助燃，燃烧充分，既能提高热效率又可实现机内净化(降低CO和HC等有害气体排放).

表1 甲醇与汽油的主要理化特性比较

但是，甲醇作为内燃机直接燃料仍存在一些问题，主要表现在：甲醇单位体积的热值低，低温起动性较差；着火温度较高，通常只能点燃而不易压燃；甲醇气化潜热很高，直接作为燃料在气化过程中大量吸热，造成进气管及喷油嘴温度很低，致使气化不好，出现甲醇燃烧不净和喷油嘴堵塞现象；此外，甲醇在缸内气化和裂解反应要吸收更多的热量，这就导致了缸内燃烧温度降低，热效率下降.因此，有必要对甲醇混合气的组织方式做一定的改进.

1.2 基于余热回收的甲醇蒸汽发动机

根据液态甲醇在内燃机上直接应用会出现的问题，提出以下两种改进方案：

1)采用内燃机废气余热加热、气化甲醇，实现甲醇在气道以气态喷射.这样就会改善以液态甲醇在气道喷射时出现的一系列问题，同时可以有效地回收内燃机的废气余热，用以提升甲醇燃料的低热值.图1所示为其方案原理.由图可见，该新型甲醇蒸汽供给方案是由传统燃料供给系统改进而来的，并与内燃机排气余热回收装置(甲醇蒸发器)耦合而成，从而形成一套基于废气余热回收的甲醇蒸汽发生器.该蒸汽发生器由甲醇箱、液压泵、蒸发器、喷射器等组成.其中，液压泵起着输送甲醇并给甲醇加压的作用，蒸发器利用废气余热将甲醇蒸发气化，喷射器用来精确控制甲醇蒸汽喷射量.在内燃机冷启动时，可以通过外部加热(例如电热丝等)的方式产生甲醇蒸汽.

图1 甲醇蒸汽发动机示意图(自然吸气)

2)甲醇以气态在气道喷射，虽然与空气的混合效果会更好，但是由于甲醇的空燃比较低，以气态甲醇进入气缸会影响发动机的充气效率，使发动机的动力性有所下降.为进一步提升甲醇蒸汽发动机的动力性，可以将方案1进一步改为涡轮增压、进气中冷的方式.由于甲醇辛烷值高于汽油，因此燃用甲醇时可以允许更高的增压压力.具体方案原理如图2所示.

以上两个方案的共同特点是有效回收了内燃机的废气余热，用以提升内燃机燃料的低热值，将液体燃料改良为气体燃料[9].

3)原机为某型自然吸气式、排量为1 L的乘用车用汽油机，将其作为研究对比的基础.

下面将对这两种新型的甲醇蒸汽发动机的性能与原汽油机进行对比，综合分析以上3种发动机的动力性和经济性及其影响因素，论证废气余热气化甲醇在内燃机上应用的优越性及节能潜力.

1.3 甲醇热力过程分析

图3所示为甲醇在底循环系统中加压、蒸发、喷射等热力变化过程的T-s图.结合该图，对废气余热气化甲醇应用在发动机上的热力过程进行描述.1点为甲醇从甲醇箱流出的初始状态(初始压力为0.1 MPa)；1-2过程为甲醇在液压泵中的加压过程；2点为甲醇加压之后的状态，经过液压泵加压后，将甲醇压力提升到预定值(例如0.5 MPa)；2-3过程为甲醇在蒸发器中的加热过程；3点为甲醇加热后的蒸汽状态；通过1-2-3过程，甲醇由常压下的液态变为高压的蒸汽状态；3-4(4’)过程表示高压甲醇蒸汽在进气道的膨胀(喷射)过程，通过该过程，实现高压甲醇蒸汽与进气道空气的均匀混合.4(4’)点为甲醇蒸汽在发动机进气道喷射后的状态.

图3 甲醇热力过程的T-s图

2 改进方案的应用

2.1 研究对象介绍及数模建立

原汽油机的基本性能和结构参数如表2所示.首先针对原机进行了详细的性能试验和对比分析，为本研究提供各种基础数据，包括摩擦有效压力，气道流量系数等.然后根据该汽油机的结构参数和实验数据，利用内燃机性能仿真的专用软件GT-power，建立其GT-power计算模型，实现对整机热力循环和缸内热功转换过程的精确模拟.该模型主要由进气系统、气缸和曲轴箱、排气系统3大块构成，如图4所示.模型中进出口边界条件(压力和温度)设置为标准环境状态参数.根据实测缸压曲线，采用自编程序计算发动机燃烧放热率，并以此为基础标定燃烧模型；根据实测的发动机过量空气系数，参照已有的燃烧效率曲线来校准缸压曲线计算结果.机械摩擦损失、气道流量系数等均由实验数据标定.

表2 汽油机主要参数

图4 原机GT-power数模

2.2 模型标定和计算

仿真模型建立后，将外特性下GT-power计算得出的性能数据(进气流量)与实验数据进行对比分析，验证该模型的精确度与可信度，如图5所示.通过比较分析可以看出，在全转速范围内进气流量的计算值和实验值基本一致，最大误差在5%以内，表明该GT-power计算模型具有足够的精度.

发动机转速/(r·min-1)

然后，将原自然吸气式发动机升级为废气涡轮增压发动机.以预定增压压力为目标(目标增压压力为0.15 MPa )，以增压器工作特性为参考依据，通过自行开发的基于通流特性的发动机与增压器预匹配软件对多种增压器进行初选，然后通过GT-power软件反求计算验证，得出综合性能最佳的匹配效果.增压升级后的GT-power数模如图6所示.在该模型中，不但加入了增压和中冷模块，还启用了爆震指数监测模块(用以监测缸内是否爆震)，增压压力控制模块(当增压压力超过预定值后，打开放气阀).

图6 增压升级后的GT-power数模

2.3 底循环能量流匹配

如前所述，该方案是利用内燃机废气余热将甲醇加热气化，从而达到改良燃料、提升甲醇燃料低热值的目的.甲醇从液态变为气态，其低热值从19.92 MJ/kg上升到21.02 MJ/kg，燃料热值提升率约为5.5%(需要大于5.5%的燃料能量加热液态甲醇).由内燃机的热平衡分析可知[10-11]，废气能量约占内燃机燃料能量的25%～35%.因此，内燃机废气可以保证提供足够的余热能量气化甲醇.图7给出了方案1(非增压甲醇蒸汽发动机)中底循环回收的废气余热，即通过改良燃料回收的内燃机废气能量.由图可见，对于排量为1 L的内燃机，在外特性下最大可以回收8.4 kW的废气能量，用于提升燃料的低热值.因此，通过改良甲醇燃料回收内燃机废热的潜力是很明显的.图8为喷射后的甲醇蒸汽与进气混合后的混合气温度.对于增压发动机，进气压力在0.145 MPa左右，甲醇的蒸发温度大约为73 ℃；对于自然吸气发动机，进气压力稍低于0.1 MPa，甲醇蒸发温度在64 ℃左右.从图中可以看到，对于增压和自然吸气两种情况，均能保证混合气温度高于甲醇蒸发温度，保证甲醇以气态形式进入气缸.

转速/(r·min-1)

转速/(r·min-1)

3 结果比较分析

3.1 动力性比较

首先比较3种方案的内燃机动力性.图9所示为外特性下3种内燃机的有效功率对比.可以看出，在自然吸气式发动机上燃用甲醇蒸汽后，有效功率较原汽油机稍有下降，最大下降率为7.1%，在大多数转速点，有效功率下降率在5%左右.而当甲醇蒸汽应用在增压发动机上时，这种情况得到较大改善.除转速1 000 r/min和1 500 r/min外(此时增压压力未达到目标值)，增压甲醇发动机的有效功率较非增压甲醇发动机和汽油机都有明显上升，并且随着转速的增大，功率增加更明显.

转速/(r·min-1)

下面来分析产生以上结果的原因.对采用“变量调节、均质燃烧”的点燃式内燃机而言，充气效率是影响其动力性的根本原因[12].由于燃用甲醇的理论空燃比比燃用汽油小得多，所以当甲醇以气态喷射后，甲醇蒸汽会占据一定的气缸容积，从而影响内燃机的充气效率，使得内燃机充气效率较燃用汽油有明显下降，如图10所示.当采用进气增压后，充气效率(以环境大气为参考标准)有较大的回升.充气效率的差别，最终影响了内燃机每循环的燃烧放热量.虽然甲醇低热值小于汽油的一半，但是燃烧单位质量的甲醇需要的空气量小于燃烧单位质量汽油所需空气量的一半.同时，采用内燃机余热气化甲醇，提升了甲醇燃料的低热值，最终导致每单位质量的空气燃烧甲醇时能释放比燃烧汽油更多的能量.于是，尽管以甲醇蒸汽喷射使进气量(充气效率)有所下降，但是每循环燃烧甲醇蒸汽的放热量与燃烧汽油相比相差不大.通过以上因素综合影响，最终导致燃用甲醇蒸汽后内燃机的动力性下降并不明显，而采用进气增压后，动力性能有较大的提升裕度.

转速/(r·min-1)

3.2 经济性比较

内燃机经济性指标主要是比油耗.但是由于甲醇和汽油的低热值不同，常规的比油耗也就不具可比性.为了方便评价和比较内燃机燃用甲醇和汽油时的经济性，定义了当量比油耗，如式(1)所示：

(1)

式中：HLm为甲醇低热值，MJ/kg；HLg为汽油低热值，MJ/kg；Gm为甲醇有效燃油消耗率，g/h；Pe为内燃机有效功率，kW.

定义内燃机热效率提升：

ηinp=η1-η2．

(2)

式中：η1为甲醇发动机热效率；η2为原汽油机热效率．

图11给出了内燃机在外特性下3种方案的有效热效率.可以看出，在自然吸气发动机上燃用甲醇蒸汽后，在全转速范围内有效热效率较燃用汽油有明显上升，最大可提升3.0个百分点.这是因为采用余热气化甲醇，通过回收部分废气能量提升了燃料的低热值，所以当以液态甲醇低热值为参考基准时，燃用甲醇蒸汽的热效率有显著上升.但另一方面，甲醇蒸汽在自然吸气发动机上直接应用，其热效率的提升受到平均有效压力下降的制约.根据内燃机能量流分布规律，平均有效压力在很大程度上决定了内燃机的热效率.换句话说，通过回收余热、改良燃料的正面影响被平均有效压力下降的负面影响削弱了一部分.采用进气增压后，内燃机的热效率可以得到进一步提升，较原汽油机最大可以提升4.0个百分点.这是因为增压后平均有效压力得到显著提高的缘故.图12给出了在外特性下内燃机燃用不同形式燃料的比油耗(燃用甲醇为当量比油耗).由图可见，在自然吸气发动机上燃用甲醇蒸汽后，当量比油耗较原汽油机有明显的下降，在全转速范围内平均下降40 g/(kW·h)左右，最大下降量出现在最高转速.在增压发动机上燃用甲醇蒸汽后，当量比油耗进一步下降，但是下降的幅度有限.综合图11和图12可见，采用余热气化甲醇改良燃料比采用进气增压具有更大的节能潜力.

转速/(r·min-1)

转速/(r·min-1)

4 结 论

采用内燃机余热气化甲醇后，燃料热值得到提升，但由于充气效率的下降导致内燃机功率稍微有所下降，与原汽油机相比功率最大下降率为7.1%；经济性有所改善，热效率最多可提高3.0个百分点.

采用进气增压可以恢复甲醇蒸汽发动机的充气效率，从而可以提升甲醇蒸汽发动机的动力性，并通过提高其工作负荷，进一步改善甲醇蒸汽发动机的热效率.相比之下，增压对甲醇蒸汽发动机的动力性提升更明显，对热效率的提升程度极其有限；废气余热气化甲醇燃料比增压具有更大的节能潜力.因此，“余热气化甲醇、进气增压”是一种非常有节能潜力的新型甲醇燃烧方案.

综上，本文提出的采用内燃机废气余热气化甲醇、将液态甲醇改良为甲醇蒸汽的新型燃料供给方案，能有效解决甲醇直接作为代用燃料的一系列问题，实现甲醇在内燃机上的直接应用，并具有显著的节能潜力，能有效减轻我国石油供应紧张的压力.

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