甲醇-汽油两用燃料发动机设计

杜爱民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同济大学汽车学院， 上海 201804)



·设计计算·

甲醇-汽油两用燃料发动机设计

杜爱民， 朱沛沛， 朱忠攀， 初川川

(同济大学汽车学院， 上海 201804)

以一台1.5 L、直列、四缸、四冲程发动机为基础开发了甲醇-汽油两用燃料发动机，对原发动机的硬件和软件进行了局部修改，选择了比较容易实现的双油箱双油轨结构，设计了甲醇-汽油两用的燃油供给系统、点火系统以及控制软件，实现了发动机汽油起动、暖机，甲醇、汽油之间的自由切换以及甲醇、汽油单独燃烧等功能。对甲醇-汽油两用燃料发动机进行了试验研究，试验表明，在转速变化较大而负荷相对变化较小的工况下适合燃用甲醇。虽然甲醇的消耗量大约是汽油的2倍，但其燃烧热效率比汽油高。

多元燃料发动机； 甲醇； 燃料切换

对动力系统和汽车燃料的全生命周期(Well-To-Wheel)性能的研究表明，在可预见的未来几十年内，汽车工业将会出现动力系统多元化以及发动机燃料多元化发展的趋势[1]。世界各大主要汽车生产国都将根据本国自身的技术基础和资源存储状况选择符合本国现状的汽车技术路线。

就中国国情来说，我国天然气存储量仅占世界总储量的0.9%，石油存储量仅占世界已探明石油存储量的2.7%，而煤炭资源丰富，存储量占世界存储量的15%。在中国，天然气、石油、煤炭的结构关系按可燃烧放热量计算为4%，5%，91%[2]。因此，从能源结构和应用来看开发应用煤制甲醇是解决我国能源危机和环境污染的一个有效方法。我国与国际上多个研究机构合作，运用Well-To-Wheel评价方法对在我国使用甲醇燃料的可行性及经济性作了全面的评估。研究报告指出，在中国山西省等煤炭存储量大的地区发展甲醇燃料与甲醇汽车具有现实可行性和较好的经济性[3]。同时有研究发现，与传统汽油能源路线相比，甲醇汽油能源路线的一次能源消耗降低达9%，而温室气体CO2等排放量仅增加3.5%。在我国利用煤制甲醇来部分代替传统汽油，每投入1.8 t煤来制造甲醇便可以替代1.0 t原油，以甲醇代替汽油的能源调整策略能够有效地缓解我国对原油进口的依赖[4]。

因此，从中国“少气、贫油、富煤”的能源结构出发，考虑到节能环保和能源安全，应用煤基甲醇燃料替代汽油燃料符合我国能源国情。甲醇的这种应用可能会实现汽油的大面积被取代，这对中国的能源安全战略具有特殊意义。

1 甲醇燃料的特点

甲醇是一种无色、透明、易燃、易挥发的有毒液体，略有酒精气味，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮、卤代烃和许多其他有机溶剂相混溶，遇热、明火或氧化剂易燃烧。燃烧反应式为

甲醇具有广泛的应用范围，经过深加工后可以作为一种新型清洁燃料，也可以加入汽油掺烧[5-9]。甲醇和汽油的主要理化性质对比见表1。从表中可以看出与汽油相比甲醇的主要理化性质有如下特点：1)甲醇低热值大约为汽油低热值的45%，但甲醇的理论空燃比为汽油的44.2%，其理论空燃比混合气的热值与汽油基本相当；2)甲醇的汽化潜热大约为汽油的3倍，不利于发动机的冷起动；3)甲醇分子内含氧，有利于降低HC，CO的排放；4)甲醇的辛烷值高于汽油，其抗爆能力强，可以通过增大甲醇发动机的压缩比来提高热效率，改善燃油经济性；5)甲醇的火焰传播速度约为汽油的两倍，甲醇单独燃烧或者在汽油中掺入甲醇均可以提高燃料的燃烧速率；6)相对于汽油而言甲醇在最佳浓度时需要的最小点火能量较低，比汽油更易于点火，因而汽油中加入甲醇后有利于燃料点火，改善发动机的燃烧稳定性[10]。

表1 甲醇和汽油的主要物理化学性质

2 甲醇-汽油两用燃料发动机设计方案

燃用纯甲醇的缺陷是冷起动困难以及暖机排放差。现有的冷起动解决方案如进气预热、添加辅助起动燃料、提高发动机转速和压缩比、增大点火能量等措施均不能从根本上解决冷起动困难以及暖机排放差的问题。为了充分发挥纯甲醇作为发动机燃料的优势，本研究提出甲醇-汽油两用燃料的策略，应用汽油作为起动及暖机燃料，应用甲醇作为主要动力燃料[11-14]。

同一台发动机上单独使用两种燃料，这必然导致两种燃料之间的切换问题。解决燃料切换问题有两种方案可供选择，即双油箱单油轨结构、双油箱双油轨结构。

2.1 双油箱单油轨结构

双油箱单油轨结构的特点是油箱采用一体两腔式油箱，甲醇和汽油共用一套供油系统和喷油设备。与传统发动机的供油系统相比，双油箱单油轨结构增加了油品传感器，用以识别目前油轨中的燃料。其架构简图见图1。

由于汽车可以应用两种燃料，燃料性质的不同导致两种燃料的切换过程必须要应用特殊的控制策略来达到切换的平顺性。图2示出了双油箱单油轨结构的切换过程。当满足燃料切换条件时，汽油泵关闭，甲醇泵开启，此时燃料管路中形成界面A，靠近发动机侧为汽油，另一侧为甲醇；随着发动机对油轨管路剩余汽油的消耗，则汽油、甲醇临界面A依次通过4号，3号，2号，1号4个喷油器，当临界面处于A1位置时，4号缸燃烧甲醇，其他各缸则继续燃烧汽油，系统需要根据甲醇的特性进行喷射，4个缸依次切换成甲醇。

这种结构的燃料切换存在一定的问题，由燃料的性质可知，油面A在结构上并不均匀，且具有不确定性，在移动过程中，喷油器喷出的燃油成分未知(汽油与甲醇混合比未知)，需要在试验中反复寻找并验证其规律性，找到可控的空燃比加浓系数。如果时间比较短暂，仅会出现一个缸短暂失火的现象，重点是控制界面A的形态稳定。另外在不同温度下，验证过程是否相同，需要在实车试验中验证。同时油轨的结构也会影响到界面A在油轨中存在的形式及大小，进而影响切换过程的质量，特别是目前油轨设计的形状容易形成紊流，会影响界面A的稳定性。由图3可见，油轨的不规则设计会直接导致界面A不稳定，甚至无法形成该界面。

由图4可见，若单向阀存在泄漏，蓄压能力差，无法预知管路三通与甲醇单向阀间燃油状态，则起始汽油长度无法预知，此模型无法正常工作，需要增加油品比例传感器，反馈给ECU，以此点为计算汽油长度起点，并且可以估算出界面A处汽油的比例。另外，长时间运行甲醇可能流入副油箱，降低汽油纯度，影响低温起动性能。但是增加油品比例传感器必然会提高甲醇-汽油两用燃料汽车的成本。

2.2 双油箱双油轨结构

双油箱双油轨结构的特点是：油箱为一体两腔式油箱，发动机有两套独立的供油系统，分别为甲醇供油系统和汽油供油系统。与传统发动机相比，双油箱双油轨结构显著的特点是双供油系统，每一缸有两个喷油器供油。这种结构燃料的切换过程比较容易实现，可以采用两种燃料同时喷射的方式解决切换平顺性的问题。其结构见图5。

从以上两种甲醇-汽油两用燃料发动机的实现方案分析来看，第二种方案更容易实现，本研究采用第二种方案。

3 甲醇-汽油两用燃料发动机设计

3.1 燃油供给系统设计

3.1.1 燃油供给系统设计原理

为了解决甲醇冷起动困难以及暖机时排放差等问题，本研究采用双喷油系统。整个系统存在两套油路，两个油泵，两个油箱，即甲醇油箱(主油箱)和汽油油箱(副油箱)。发动机ECU可以同时控制8个喷油器，既能够实现4个喷油器单独喷射甲醇，也能够实现另外4个喷油器单独喷射汽油，在燃料切换过程中8个喷油器可以同时喷油，无需人工干预。这样就可以利用汽油良好的冷起动性能及暖机排放性能完成起动过程，在起动完成达到一定条件后，切换至甲醇，进而充分利用甲醇热机状态下良好的排放性能和经济性。这样还可以实现发动机汽油模式和甲醇模式的平稳切换。

汽油供油系统沿用传统设计，由于汽油只在起动及起动后一段时间及紧急情况下应用，因此油箱的容量减小为5 L。甲醇燃油供给系统需要经过特殊设计，考虑选用抗腐蚀和抗溶胀材料。

3.1.2 喷油器选择

甲醇和汽油的化学计量空燃比相差较大(甲醇的理论空燃比为6.5，汽油大约是甲醇的2.28倍)。因此，在相同进气量的前提下，喷油器喷射甲醇的时间要比喷射汽油长很多，需要改变传统汽油机的喷油器以满足两用燃料汽车在燃用高甲醇含量油品时的燃油需求量。

一般而言，喷油器的选型方法有两种。一种是根据发动机燃油系统和性能参数的要求，对喷油器的主体结构参数进行理论计算后初步确定，再通过发动机试验最后确定。另一种是为满足发动机的某些特殊要求，对各种特殊因素进行分析，最终选择能够满足这些特殊要求的喷油器。

目前对甲醇燃料的研究发现传统喷油器不能满足甲醇燃料对燃油系统的特殊要求。首先，当发动机运行在甲醇燃料时，燃油喷射量大幅增加；其次，由于醇类燃料具有腐蚀作用，易使燃油管路管壁剥落下杂物,且这些杂质不溶于甲醇。因此，甲醇喷射器需要采用耐腐蚀材料制作。循环供应量q是发动机在最大功率时的燃油供应量，q的计算方法如下：

(1)

(2)

式中:Pmax为发动机最大功率；n为发动机最大功率转速；be为最大功率时的燃油消耗率；i为气缸数；τ为冲程数；B为燃油消耗量。

按照设计目的，该发动机在燃用甲醇时，最大功率Pmax=84 kW，最大功率转速n=6 000 r/min，此时燃油消耗率设计目标是不高于670 g/(kW·h)。此外i=4，τ=4。由式(2)可得燃油消耗量B=56.28 kg/h，最大功率时的循环供应量q=78.167 mg/循环。

综合上述计算和甲醇腐蚀性的特殊因素，最后选择了CEV4-2-4醇类燃料喷射器，其工作温度为-40～110 ℃，供电电压为8～16 V，可使用汽油、乙醇、正庚烷、甲醇、机油、变速箱油、制动油等油品，喷油器内部能承受600 kPa的压力，2 kHz下能承受30 g的瞬间加速度，能承受大于等于600 MPa的轴向应力、大于等于6 MPa的弯曲应力、大于等于4 MPa的扭转应力。其性能参数见表2。

表2 CEV4-2-4-298醇类燃料喷射器性能参数

3.1.3 油箱及油路设计

长期研究发现，在甲醇燃料供油系统中燃油管路中会生成一种类似凝胶体的物质，如果这种凝胶体聚集在燃油过滤器中，将会导致燃油过滤器的滤芯堵塞。而对于甲醇燃料供给系统中的金属零部件，特别是对于铝零件，如果未进行表面处理或表面处理不够充分，长期浸泡于甲醇中会生成氢氧化铝Al(OH)3，从而在滤芯上形成很难处理的薄膜。这些不利因素都会导致过滤器的阻力过大，电动油泵负荷及噪声增加，影响过滤器及电动油泵的使用寿命。大量试验证明，在不采取恰当措施的情况下，汽车行驶里程超过4 000 km燃油过滤器就会产生较严重的堵塞。

为了避免出现甲醇燃料过滤过程中的堵塞现象及燃油系部分零件的锈蚀现象，在甲醇-汽油两用燃料发动机设计过程中采取了以下措施：

1) 甲醇燃料在存储和运输过程中产生的胶黏体等杂质的尺寸要求为，50%的杂质小于2 μm，20%的杂质为2～5 μm，因此甲醇燃料在加入到油箱之前进行一次过滤，并在甲醇-汽油两用燃料汽车的油路中采用空隙为1 μm的过滤器。

2) 铝零部件要进行表面处理——厚度为0.05 mm的阳极氧化处理，镀0.01 mm的溴层。

3) 在甲醇燃料中加入抑制积炭生成的添加剂。

3.2 点火系统设计

甲醇的汽化潜热值远大于汽油，发动机应用甲醇时压缩终点混合气的温度要低于发动机应用汽油时。为了使甲醇能够可靠着火，发动机点火系统需要提供更高的点火能量。低负荷工况以及稀混合气运行时发动机缸内温度比较低，可以通过提高点火能量和延长点火时间保证稳定的点火，高负荷工况点火能量可以小一些。

甲醇有早燃的倾向，汽油机改用燃烧甲醇后，如果仍然沿用原来同热值等级的火花塞，很容易造成早燃现象。一般选用低一个等级的冷型火花塞，但不能使用更低热值等级的冷型火花塞，否则容易使甲醇冷凝在火花塞电极上，极易形成污垢物和短路现象，造成漏电、点火不正常甚至失火故障。为了避免这种现象的出现，甲醇燃料发动机使用的火花塞裙部温度不小于450 ℃。同时为了不产生早燃现象，火花塞的裙部温度不大于850 ℃。本研究采用的是NGKN06火花塞。

3.3 甲醇-汽油两用燃料发动机软件设计

3.3.1 甲醇-汽油两用燃料发动机管理系统的整体

设计

由于本研究甲醇-汽油两用燃料汽车是在传统汽油机汽车上改装开发的，因此驱动层基本可以维持不变，只需要增加一路喷油的驱动、诊断以及其他外围控制模块，即把过去控制汽油喷油的功能扩展到控制甲醇喷油功能，以实现两种燃料分别喷射和同时喷射。

根据以上分析，甲醇-汽油两用燃料发动机控制器软件在开发过程中只需要调整燃油模块和点火模块并增加切换过程的控制模块。对于其他模块，由于甲醇和汽油的相似性，只需要甲醇燃料和汽油燃料使用不同的匹配数据就可以满足发动机的需求。

因此，甲醇-汽油两用燃料汽车主要软件功能作如下升级：底层软件按4缸喷油时序控制甲醇喷油器和汽油喷油器，可实现单独汽油喷射、单独甲醇喷射或甲醇和汽油同时喷射(燃料切换过渡工况)；甲醇燃料和汽油燃料使用基本相同的软件逻辑，但使用不同的数据；软件工具链将部分数据复制为两份，一份供甲醇控制使用，一份供汽油控制使用，软件运行时根据控制命令切换。

3.3.2 断油控制

由于缸数不变但喷油器的数量翻倍，这就需要断油控制能够保证在由不同原因导致的断油情况下实现断油，同时保护三元催化器。在以下两种情况下喷油器断油。

1) 可恢复性必须断油请求：安全气囊打开后；当曲轴信号出现严重缺齿或多齿错误时；无法通过防盗验证时；关闭电源时。

2) 满足驾驶员需求进行的断油请求：来自主动降扭造成的断缸请求(顺序断缸)，将预断缸数转化成喷油嘴号；因为故障而导致的断缸请求(固定断缸)，主要包括喷油嘴故障、失火以及发动机停缸。没有相位传感器或者相位传感器失效的情况下进行断缸操作。失火断油、发动机停缸、主动降扭均要切断一个缸的2个喷油器，而喷油器出现故障，将切断所有故障喷油器。

3.3.3 油泵控制

发动机起动前就建立了汽油油泵的油压，甲醇在这个阶段并不喷射，所以甲醇油泵并不工作，以节约能源。当由汽油模式切换到甲醇模式时，在切换之前启动甲醇泵，对甲醇泵进行预测控制，以实现对甲醇喷油器供油。切换过程中两个泵同时工作，当切换完成后汽油泵进行afterrun运行，然后关闭。在甲醇切换到汽油过程中，也对汽油泵进行预控制。在燃料切换之前启动汽油泵，建立汽油油压，为切换作准备。切换完成后，甲醇泵进行afterrun运行，然后关闭。

3.3.4 甲醇-汽油切换模块的设置

本研究中发动机应用汽油起动来解决甲醇冷起动困难的问题，起动后发动机状态达到一定条件后切换到甲醇燃料。如果甲醇燃料缺失或者遇到甲醇喷油器故障、甲醇油路故障，将会由甲醇模式切换到汽油模式。因此，要时刻监测发动机的状态来确定是否达到切换的条件。甲醇-汽油两用燃料发动机燃料切换策略的设计目的是在保证发动机不熄火的情况下，实现甲醇向汽油或者汽油向甲醇的平稳切换。

在燃料切换软件设计时，为了便于实现不同工作状态的相互转化，引入切换标志位Convert_Flag和切换完成标志位Convert_Finish这两个量。图6示出了燃料切换控制策略的软件实现流程。

发动机起动时，ECU经过初始化Convert_Flag置0，此时只有汽油泵工作，汽油喷油器喷射汽油作为发动机燃料，实现良好的低温起动性能和暖机排放。同时ECU会根据发动机传感器发送到ECU内部的信号判断两用燃料发动机的状态是否满足切换要求。如果发动机状态满足切换要求，Convert_Flag就会被赋值为1，甲醇和汽油两种燃料的油泵都开始工作，延时2 s后甲醇喷油器开始工作，此时甲醇和汽油的喷油器均在工作，实现两种燃料的同时供应和燃料的切换。延时2s的目的是在甲醇喷油器工作前在甲醇燃油供给管道中建立甲醇油压。当燃料切换完成后Convert_Finish会置位，同时Convert_Flag被赋值为2，这时只有甲醇泵在工作，而汽油泵停止工作，只有甲醇作为发动机燃料。当ECU检测到甲醇切换到汽油的条件满足后，就会赋值Convert_Flag为3，此时甲醇和汽油的喷油泵再次同时工作，延时2 s后汽油喷油器也开始喷射汽油，这时甲醇和汽油同时供应，实现两种燃料的同时供应和燃料的切换。延时2 s的目的同样是为了建立汽油供油系统的油压。同样当甲醇向汽油切换完成后，Convert_Finish会置位，同时Convert_Flag被重新赋值为1，恢复到只有汽油的运行模式。

由于甲醇的汽化潜热值较大，在低温情况下进行燃烧会导致排放恶化，发动机失火严重，转速波动较大，甚至会造成发动机停机。因此，只有在发动机温度达到指定温度后才允许进行燃料切换。这样既能够保证发动机运行的稳定和切换过程的稳定，又能够满足发动机排放法规的要求，真正体现甲醇燃料排放的优势。

发动机处于小负荷运转时，如果燃用的是甲醇，那么未燃醇及醛类排放物比较高，要采用三元催化器进行催化反应来降低排放。而排气温度直接影响着三元催化器的起燃，只有在排气温度达到一定阈值后进行燃料切换，才能保证发动机燃用甲醇时具有理想的排放。因此，排气温度也是发动机切换的限值条件之一。

由于甲醇本身含氧，因此其燃烧速度快，容易发生早燃，在大负荷下燃烧甲醇燃料有产生爆震的趋势。为了防止产生爆震，应在大负荷工况下限制甲醇、汽油的相互切换。

发动机排气过浓或者过稀，发动机燃料都不能充分燃烧，会增加排气系统的负荷，如果不及时控制可能会导致三元催化器的损坏，因此要求双燃料发动机在进入λ闭环控制后再进行燃料切换，以保护催化器和发动机排气系统。

只有油泵正常工作，供油压力能够达到一定值，才能够进行切换，因此切换时要求汽油和甲醇液位达到一定值。

只有发动机ECU检测到以上各种条件均满足时，才会进行燃料切换。特别是由汽油切换甲醇的工况，以上条件必须满足。

3.3.5 燃料切换过渡工况

燃料切换过渡工况为甲醇(汽油)喷油器喷甲醇(汽油)量逐渐减少，汽油(甲醇)喷油器开始工作，汽油(甲醇)喷射量逐渐增多的过程。本研究基于切换前后燃料热值不变的方法来保证切换过程中扭矩的平顺性。根据甲醇、汽油热值的不同可以得到甲醇和汽油的换算比例，因此切换前后甲醇和汽油的喷射量可以固定。图7示出了汽油切换至甲醇的过程，可以看出甲醇、汽油的喷射量是线性变化的。

4 试验验证

运用万有特性曲线图可以分析发动机整个工作范围内主要参数的变化关系以及发动机最经济的工作区域。图8和图9示出了汽油和甲醇燃料的万有特性。

从万有特性上可以看出甲醇的等油耗曲线在横坐标方向上比汽油宽，这说明甲醇燃料更适合在转速变化较大而负荷相对变化较小的情况下工作。由图可以看出甲醇的燃油消耗量大约是汽油的2倍，这并不是由缸内燃烧恶化造成的，而是因为甲醇的热值要比汽油低。

单纯对比甲醇和汽油的燃油消耗率意义不明显，因此，根据甲醇和汽油的热值，把各工况的燃油消耗率转化为热效率(见图10)。从图10中可以看出，甲醇和汽油的热效率与燃油消耗率的变化趋势正好相反。在所有工况下，发动机燃用甲醇的热效率均明显高于燃用汽油，并且随着转速和负荷的升高优势更为明显。发动机燃用汽油的热效率最高值大约为33%，而当燃用甲醇时在转速为2 000 r/min，功率为25 kW时热效率甚至可以达到36%。

5 结束语

结合甲醇和汽油两种燃料优势，设计了发动机燃油供给系统、喷油器、油箱油路、点火系统以及软件，完成了甲醇-汽油两用燃料发动机一系列开发工作。试验结果表明，甲醇-汽油两用燃料发动机具有较好的工作热效率。在石油危机日益严重的今天，使用甲醇代替汽油具有广阔的发展空间。

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[编辑： 姜晓博]

Design of Petrol-methanol Dual-fuel Engine

DU Aimin, ZHU Peipei, ZHU Zhongpan, CHU Chuanchuan

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A petrol-methanol dual-fuel engine was developed by locally modifying the hardware and software of a 1.5 L inline 4-cylinder and 4-stroke engine. The dual fuel tank and rail which could be realized easily were chosen, the fuel supply system, ignition system and control software for petrol-methanol dual-fuel were designed, and the starting and warming up functions of petrol and the free switch and respective combustion for methanol and petrol were realized. The experiments of the dual- fuel engine show that methanol is more appropriate for transient conditions with large speed and load variance. Although the consumption of methanol is twice of the petrol, the thermal efficiency of methanol is higher than that of petrol.

multifuel engine; methanol; fuel switch

2015-05-10；

2015-07-22

杜爱民(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向为汽车能源与排放控制；duaimin1971@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.001

TK464

B

1001-2222(2015)05-0001-07