高壓縮比甲醇發(fā)動機的試驗研究*

洪 斌，汪 洋，朱永生，朱自強，程 雄，邱保健

(1.天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072； 2.山西佳新能源化工實業(yè)有限公司，晉中 030600)

前言

目前，以汽油機為基礎的甲醇發(fā)動機技術已進入應用階段，但汽油機壓縮比較低，燃油經濟性差，難以發(fā)揮甲醇高辛烷值的優(yōu)勢[1]，而且汽油機的功率和轉矩特性無法滿足大型車輛的需求。因此，開發(fā)以柴油機為基礎的甲醇發(fā)動機已成為甲醇應用技術的下一步工作重點。該領域目前開展的主要技術路線有4條[2-6]：(1)甲醇-柴油混合燃料，采用乳化劑將甲醇乳化混合到柴油里，其甲醇摻燒量一般不能大于30%，否則發(fā)動機運轉粗暴，起動性能變差；(2)甲醇-柴油雙燃料，采用進氣道噴射甲醇，柴油噴霧引燃，甲醇摻燒率仍然不高，并且需要兩套燃油供給系統(tǒng)；(3)純甲醇中加十六烷值添加劑，采用噴霧壓燃方式，受添加劑量和價格的限制，不能完全體現(xiàn)甲醇的價格優(yōu)勢；(4)電熱塞熱面點火，采用噴霧壓燃方式，電熱塞的電能消耗大，壽命難以保證。美國聯(lián)邦環(huán)保署提出了一種高壓縮比甲醇發(fā)動機方案，該方案保留了柴油機的壓縮比(19.5),采用進氣道多點噴射、火花塞點火、渦輪增壓中冷和廢氣再循環(huán)(EGR)技術，其熱效率最高達到42%，已經十分接近柴油機的熱效率[7-8]。該方案為大功率高效甲醇發(fā)動機的開發(fā)提供了新思路。

本文中將Phase110柴油機改造為高壓縮比甲醇發(fā)動機，開展性能試驗研究，并與原柴油機進行對比。

1 發(fā)動機試驗系統(tǒng)

原柴油機基本參數(shù)見表1。

發(fā)動機改造的技術路線如下。

(1) 保持活塞結構和燃燒室形式不變，在噴油嘴安裝口安裝Denso高能銥金火花塞，將壓燃式燃燒系統(tǒng)改造為火花點火、電控進氣口順序噴射燃燒系統(tǒng)。

表1 原柴油機基本參數(shù)

(2) 發(fā)動機壓縮比保持不變。高壓縮比使甲醇發(fā)動機具有較高的熱效率，提高燃油經濟性，并改善甲醇發(fā)動機的冷起動性能。

(3) 在發(fā)動機常用工況采用較稀的混合氣，使發(fā)動機燃燒效率得到改善，降低燃燒和排氣溫度，降低熱負荷，提高發(fā)動機零件的耐久性。

(4) 保留了原機的增壓中冷系統(tǒng)，使發(fā)動機的平均有效壓力和原機相當。

(5) 利用EGR抑制高壓縮比和增壓帶來的爆燃傾向。

試驗設備與儀器為：(1)湘儀PowerLink GW160電渦流測功機；(2)湘儀PowerLink FC2000發(fā)動機自動測控系統(tǒng)；(3)湘儀PowerLink FC2210智能油耗儀；(4)Innovate公司LM-2數(shù)字空燃比分析儀。

試驗臺架結構示意圖見圖1。

2 發(fā)動機關鍵控制參數(shù)的研究

EGR、點火提前角和混合氣濃度對發(fā)動機的性能有重要的影響。由于本試驗側重的是高壓縮比甲醇發(fā)動機的經濟性能，因此只研究了上述參數(shù)對發(fā)動機油耗的影響。對于甲醇發(fā)動機的主要排放物HC和CO，本次試驗只是采用氧化催化反應器來處理。在今后的工作中，將進一步研究發(fā)動機的排放性能。

2.1 EGR閥開度對油耗的影響

采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術可以有效抑制發(fā)動機的爆燃傾向，試驗中考察了不同EGR閥開度對發(fā)動機油耗的影響。

圖2為轉速2 400r/min，相同的混合氣濃度、噴油相位、輸出轉矩，發(fā)動機處于正常工作狀態(tài)時，其最佳點火提前角(發(fā)動機油耗最低時的點火提前角)隨EGR閥開度的變化。從圖中可以看出，隨著EGR閥開度的增大，最佳點火提前角增大。這是因為EGR對爆燃有較好的抑制作用，使點火提前角得以前移。

轉速1 200r/min，相同的混合氣濃度、噴油相位、點火提前角、輸出轉矩時，油耗率隨EGR閥開度的變化如圖3中曲線1所示。由圖可見，在不同EGR閥開度下，達到相同轉速和功率時的油耗率變化較小。由于不同EGR閥開度下最佳點火提前角可能不同，在對點火提前角進行優(yōu)化以后的油耗率如圖3中曲線2所示。對比兩條曲線可以看出，對點火提前角進行優(yōu)化后，其油耗明顯下降。

試驗中，在保證發(fā)動機動力輸出和穩(wěn)定工作的前提下，采用較大的EGR閥開度，盡可能降低甲醇消耗率。

2.2 點火提前角對油耗的影響

點火提前角的大小直接影響發(fā)動機的動力性和經濟性等性能指標。圖4為轉速2 400r/min，保持EGR閥全開，轉矩分別為75、145、235和300N·m時不同點火提前角下的油耗率對比。

由圖可見：每個工況點都有一個最佳點火提前角，使熱效率最高，油耗率最低；在相同轉速下，隨著轉矩的增加，最佳點火提前角變小。

2.3 混合氣濃度對油耗的影響

甲醇混合氣濃度的著火界限比汽油、柴油寬，能使用較稀的混合氣，有利于缸內混合氣濃度的控制。圖5和圖6為轉速1 200r/min，轉矩分別為75和145N·m時不同過量空氣系數(shù)下油耗率對比。在試驗過程中各工況點保持相同的噴油相位和EGR閥開度，點火提前角調整到最佳。

由圖5和圖6可見：對應于每一個工況點，在著火界限內都有一個使油耗最低的過量空氣系數(shù)λ值，此時，混合氣偏稀，氧氣充足，甲醇與氧氣可以充分混合，使甲醇完全燃燒，熱效率最高，燃油消耗率最低；當λ進一步增加時，雖然混合氣中氧氣豐富，甲醇可以完全燃燒，但由于燃燒速度減慢，燃燒持續(xù)期長，等容度降低，導致經濟性下降。隨著負荷的增加，最佳λ值減小。在大負荷時，為了保證發(fā)動機的動力性和穩(wěn)定性，防止回火等現(xiàn)象的產生，采用偏濃混合氣。圖7為1 200r/min時最佳λ值隨發(fā)動機負荷的變化曲線。

3 與原機的性能對比

對發(fā)動機進行標定，使其處于最佳的工作狀態(tài)，得出高壓縮比甲醇發(fā)動機油耗率的負荷特性曲線和外特性曲線，并與原柴油機同工況點進行動力性和經濟性比較。

甲醇和柴油的等熱值的理論質量比是2.16，如果發(fā)動機的甲醇消耗率等于或小于原機柴油消耗率的2.16倍，就說明甲醇發(fā)動機達到或超過原柴油機的熱效率。

圖8～圖11分別是1 200、1 600、2 000和2 400r/min下甲醇發(fā)動機和原柴油機的負荷特性對比。由圖可見：1 200r/min時，在中小負荷下，甲醇發(fā)動機的油耗可以保持在2.16倍柴油油耗以下，在大負荷下，甲醇發(fā)動機的油耗超過2.16倍柴油油耗；1 600r/min時，甲醇發(fā)動機的油耗略高于2.16倍柴油油耗，小負荷和大負荷的油耗偏高；2 000r/min時，甲醇發(fā)動機油耗基本小于2.16倍柴油油耗，只有在大負荷時油耗略微偏高；2 400r/min時，甲醇發(fā)動機油耗都在2.16倍柴油油耗以下。

圖12為甲醇發(fā)動機和原柴油機的外特性對比。由圖可見：相對于原柴油機，在低速時，甲醇發(fā)動機油耗較高；而高速時油耗持平或稍低。這是因為在低轉速時，甲醇發(fā)動機有較大的爆燃傾向，限制了點火角的提前。和原機相比，甲醇發(fā)動機在高速工況下可以獲得更大的功率輸出，而在低速時，功率略小。

4 結論

(1) 隨著EGR率的增加，最佳點火提前角前移，同等工況下可以獲得較低的燃油消耗率。

(2) 每個工況點都有一個最佳點火提前角，同轉速下隨著轉矩的增加，最佳點火提前角減小。

(3) 小負荷宜采用稀混合氣，降低油耗；中等負荷采用理論混合氣，保持發(fā)動機穩(wěn)定工作和較低油耗；大負荷采用濃混合氣，保證功率輸出。

(4) 不同速度下的負荷特性試驗表明，在高速工況，高壓縮比甲醇發(fā)動機在不同負荷下，油耗率低于原柴油機，即熱效率高于原柴油機；在中低速工況，大負荷時油耗率較高，中低負荷時則圍繞原機油耗率上下波動。

(5) 發(fā)動機的外特性試驗表明：高壓縮比甲醇發(fā)動機在高速工況，可以獲得更大的功率輸出和更低的油耗率；中低轉速時，功率略小于原機，油耗率也高于原柴油機。

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