甲醇燃料供油系统研究

收稿日期：2024-05-16

作者简介

梅光灿，工程师，主要从事汽车供油系统开发工作。

【摘 要】文章通过设计一套甲醇燃料供给、燃烧及控制系统，满足任意甲醇与汽油比例混合燃料的燃烧比，解决当前阶段部分区域无甲醇燃料可加注的现状，消除客户使用续航焦虑，提升甲醇推广及使用可行性。同时通过简化供油系统设计方案，降低系统脱附及泄漏诊断复杂度，减少系统失效风险，提升系统方案鲁棒性。

【关键词】甲醇；续航焦虑；系统鲁棒性

中图分类号：U463.7 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0016-03

Research on Methanol Fuel Oil Supply System

MEI Guangcan， MA Diantao，MA Xinying，LI Zhenglv，CHEN Xiaojun，SUN Xiaoping

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.，Ltd.，Ningbo 315336，China）

【Abstract】A set of methanol fuel supply，combustion and control system is designed to satisfy the combustion of any mixture of methanol and gasoline，solve the current situation that no methanol fuel can be refilled in some areas，eliminate customers' anxiety about service life，and improve the feasibility of methanol promotion and use. At the same time，by simplifying the design scheme of the oil supply system，reducing the complexity of system desorption and leak diagnosis，reducing the risk of system failure and improving the robustness of the system scheme.

【Key words】methanol；endurance anxiety；system robustness

中国石油自给率不足30%，故对外依存度超过70%。甲醇是低碳、含氧燃料，具有燃烧高效、排放清洁、可再生绿色属性等特点，且常温常态下为液体，使得储存、运输、使用及能量形式转换为其他新能源和清洁能源更加安全便捷。在实现全球碳中和战略背景下，甲醇由于生产来源广泛、经济体量巨大、全产业链可持续发展，已逐步成为全球业界公认的一种理想的新型清洁可再生燃料。中国是全球最大的甲醇生产国和消费国，而交通是重要的能源消费领域，开发使用低碳甲醇燃料车辆，可减少二氧化碳排放，助力碳中和，保障中国交通领域能源安全。

目前现有车辆开发方案中，采用2个燃油箱分别完成对车辆冷起动及正常运行。其中小油箱中存储汽油，在车辆冷起动时使用汽油，完成车辆冷起动。冷起动成功后，由发动机控制系统切换选用甲醇，车辆正常运行。本文通过设计一个油箱同时存储甲醇及汽油，按不同甲醇与汽油比例混合燃料的开发方案进行研究，为后续车型供油系统开发灵活燃料提供参考依据。

1 系统方案设计

1.1 供油系统方案

供油系统采用一个燃油箱，零部件设计方案兼顾储存及燃烧甲醇、汽油及甲醇与汽油的任何比例混合燃料。供油系统设计方案如图1所示。

燃油甲醇浓度通过安装在燃油管路上的灵活燃料传感器测得，燃料流过传感器测量单元并填充在2个电极之间的空间。随着燃料中甲醇/汽油的比例变化，燃料中的相对介电常数以及2个电极之间的电容也随之变化。测量2个电极之间的电容并计算得到燃料的介电常数，根据介电常数及温度推断出当前燃料中的甲醇/汽油混合比例。通过该燃料传感器能够在线实时检测燃料中的混合比例，将燃料比例信息输出给发动机控制单元，解决不同比例的燃料与发动机工况的匹配问题。

1.2 燃烧控制系统策略

为确保客户在选用任意比例燃料时，发动机工作平顺及燃烧处于最佳燃烧点，对燃料中的混合比例进行采集及调控闭环反馈。燃烧控制策略如图2所示。

在确定发动机管理系统被唤醒或者电源模式处于开启状态后，采集发动机的第一水温以及第一转速。在第一水温小于第一预设温度且第一转速小于预设转速时，控制器控制预加热单元对燃油进行预加热，并控制油门开度为预设值。其中，第一水温小于第一预设温度且第一转速小于预设转速，表示发动机处于冷起动过程，甲醇雾化能力较低，通过预加热提高甲醇雾化能力，使得采用甲醇燃料能够完成冷起动过程，以降低对汽油的依赖性。在第一水温大于等于第一预设温度，或第一转速大于等于预设转速时，控制器实时采集第一油门开度，并根据第一燃油甲醇浓度、预设燃油泵工作压力以及第一油门开度，确定目标油门开度。

发动机起动后，实时采集第二水温、第二油门开度以及第二燃油甲醇浓度，根据第二水温、第二油门开度以及第二燃油甲醇浓度，确定目标油门开度。

1.3 系统泄漏诊断方案

主副2个油箱诊断策略方案如图3所示，单一油箱诊断策略方案如图4所示。对比图3、图4，通过采用一套车辆燃油供给系统，简化系统设计方案，降低系统泄漏诊断复杂度，减少系统失效风险，提升系统方案鲁棒性。以上方案的简化，大大降低系统成本，同时也有助于整车成本优化。

2 系统方案验证

2.1 燃料传感器验证

燃烧过程中，发动机需及时精准接收到供油系统进入发动机燃烧燃料的甲醇燃料比例，因而燃料传感器可靠性至关重要。为此，需要按照环境温度及甲醇浓度对燃料传感器进行测试，分析其对结果的影响。测试条件如下所述。

1）环境温度变量：45℃、25℃、5℃、-15℃。

2）甲醇燃料浓度变量：0、25%、50%、75%。

3）测量结果：多次测量传感器输出的频率，计算平均值及均方差。

测试结果表明燃料传感器输出频率线性及测量一致性较好，传感器用于测试甲醇/汽油混合燃料比例可靠性高。传感器不同浓度输出频率如图5所示，传感器不同浓度输出偏差如图6所示。

2.2 系统诊断验证

正常气密合格系统诊断测试如图7所示，装配标准泄漏孔系统诊断测试如图8所示。通过对混合有甲醇及汽油燃料的车辆，进行系统泄漏诊断测试。测试结果验证方案有效可行。

2.3 整车低温起动验证（图9）

甲醇燃料具有高引燃温度、高汽化潜热和低蒸汽压的特性，低温起动问题是混合燃料能否实现的关键环节。通过设计的燃烧控制策略，经环境舱验证，纯甲醇（M100）能在-36℃低温环境下起动成功，起动时间1.06s。验证表明方案可行。

3 结论

本文通过采用一个燃油箱，同时储存甲醇、汽油或甲醇与汽油的混合燃料，减少当前阶段部分区域无甲醇燃料可加注现状，解决客户使用续航焦虑，加大甲醇使用可行性。该车辆燃油供给系统，既能简化系统设计方案，降低系统泄漏诊断的复杂度，也能减少系统失效风险，提升系统方案鲁棒性。此方案大大降低了系统成本，有助于整车成本优化，可进一步推动甲醇车辆在市场中的竞争力，潜在推动甲醇车辆的市场推广及运用。

参考文献：

[1] 李东利，宋志辉，刘岩，等. 甲醇发动机直接起动技术研究[J]. 小型内燃机与车辆技术，2023，52（4）：27-30.

[2] 陈月春，李志杰，曾笑笑，等. 改善M100甲醇发动机低温起动性能的试验研究[J]. 车用发动机，2024（1）：16-20.

[3] 刘生全，李复活． 醇醚燃料与汽车应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

（编辑 凌 波）