過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火正時(shí)對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究

王燕鵬，王忠，張登攀，居鈺生，張永銘（.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江03；.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司無(wú)錫油泵油嘴研究所，江蘇無(wú)錫4063）

過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火正時(shí)對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究

王燕鵬1，王忠1，張登攀1，居鈺生2，張永銘2
（1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司無(wú)錫油泵油嘴研究所，江蘇無(wú)錫214063）

將一臺(tái)4氣門(mén)汽油機(jī)改裝為燃用M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)量了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，研究了M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨過(guò)量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角的變化規(guī)律。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、部分負(fù)荷工況時(shí)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)一定，隨點(diǎn)火提前角的增加，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，當(dāng)量燃料消耗率下降，NO排放升高80%以上；相同工況時(shí)，當(dāng)點(diǎn)火提前角一定，隨過(guò)量空氣系數(shù)的減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，HC、CO排放明顯增加。與燃用汽油相比，M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上的最大轉(zhuǎn)矩增加約5.2%；在城市道路常用轉(zhuǎn)速2 000 r/min，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)按負(fù)荷特性運(yùn)行，當(dāng)量燃料消耗率低于原汽油機(jī)。

動(dòng)力機(jī)械工程；甲醇；點(diǎn)火提前角；過(guò)量空氣系數(shù)

0　引言

能源、環(huán)境問(wèn)題是汽車(chē)研究工作的重點(diǎn)，汽油機(jī)替代燃料的研究引起了世界各國(guó)的關(guān)注。甲醇與汽油的理化特性相近，甲醇沸點(diǎn)為65℃，低于汽油，易與空氣混合；甲醇辛烷值為110，高于汽油，可以抑制汽油機(jī)的爆震；甲醇與空氣混合形成的混合氣熱值與汽油相當(dāng)；研究表明，汽油機(jī)燃用甲醇燃料能提高汽油機(jī)的熱效率，改善動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，并降低CO、HC排放[1-3]。甲醇是一種高效、清潔的汽油機(jī)替代燃料，具有來(lái)源豐富、生產(chǎn)工藝成熟、儲(chǔ)運(yùn)安全等特點(diǎn)。

按不同體積比形成的甲醇/汽油混合燃料是汽油機(jī)的主要應(yīng)用方式，體積比為85%的甲醇與體積比為15%的汽油混合形成的M85是典型的高比例甲醇/汽油混合燃料，在不改變汽油機(jī)控制策略的情況下，在汽油機(jī)上已得到了應(yīng)用。燃用純甲醇M100時(shí)，甲醇較高的汽化潛熱會(huì)降低缸內(nèi)壓縮終了混合氣的溫度，造成著火延遲期延長(zhǎng)[4]，如果不對(duì)汽油機(jī)的控制策略進(jìn)行改變，可能造成燃燒持續(xù)期增加，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；同樣，混合氣的質(zhì)量對(duì)燃燒過(guò)程也存在很大的影響。過(guò)量空氣系數(shù)的變化對(duì)燃用M100和汽油的燃燒速率的影響存在差異，過(guò)量空氣系數(shù)改變時(shí)，燃用M100層流燃燒速率的變化比燃用汽油時(shí)大[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)每一工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)不同，為了獲得M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能，有必要對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角進(jìn)行研究。

1　甲醇的理化性質(zhì)

甲醇和汽油理化特性如表1所示。與汽油相比，甲醇辛烷值高（110），抗爆性好，允許采用更高的壓縮比，提高熱效率[6]；甲醇分子含氧量達(dá)50%，有利于燃料的完全燃燒，降低HC、CO排放；甲醇的著火界限為7.3% ～36.9%，比汽油更容易著火。甲醇的低熱值約為汽油的46%，甲醇的汽化潛熱為1.088MJ/kg，約為汽油的3倍，在汽化時(shí)需吸收更多的熱量。

表1　甲醇、汽油的理化特性參數(shù)Tab.1　Physicochemical properties ofmethanol and gasoline

甲醇的化學(xué)計(jì)量空燃比為6.45，汽油的化學(xué)計(jì)量空燃比為14.7.與完全燃燒相同質(zhì)量的汽油相比，甲醇完全燃燒所需的空氣量為汽油的43.8%.

2　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)裝置及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是在一臺(tái)直列、4缸、4氣門(mén)汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，更換大流量噴油嘴和甲醇泵，增加噴醇量而得，未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)主要儀器：杭州中成測(cè)試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CW160型電渦流測(cè)功器和MCS-960型燃油耗儀、德國(guó)EATS公司生產(chǎn)的ES630型空燃比測(cè)試儀、佛山分析儀有限公司生產(chǎn)的FGA-4100型汽油車(chē)排氣分析儀。

表2　甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.2　Specifications ofmethanol engine

2.2試驗(yàn)方案

過(guò)量空氣系數(shù)試驗(yàn)，選取2 500 r/min、功率30 kW的工況點(diǎn)，固定節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，保持進(jìn)入氣缸的空氣量不變，改變供醇脈寬，過(guò)量空氣系數(shù)為0.9、1.0、1.1時(shí)，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化規(guī)律。

點(diǎn)火提前角試驗(yàn)，選取2 500 r/min，功率30 kW的工況點(diǎn)，固定節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，進(jìn)入氣缸的空氣量不變，保持過(guò)量空氣系數(shù)不變，改變點(diǎn)火提前角分別為15.4°CA、17.3°CA、21.0°CA、24.0°CA、27.0°CA、29.6°CA、32.6°CA、34.5°CA，測(cè)量了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料消耗及CO、HC和NO排放濃度等參數(shù)。排放物的測(cè)量位置選在三效催化器后約20 cm處。

考慮到甲醇的低熱值與汽油不同，采用當(dāng)量燃料消耗率評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇和汽油兩種燃料的經(jīng)濟(jì)性。具體方法就是把甲醇的燃料消耗率折算為相同低熱值汽油的燃料消耗率。當(dāng)量燃料消耗率

式中：Hum、Hug分別為甲醇、汽油的低熱值（MJ/kg）；bem為實(shí)測(cè)的甲醇消耗率。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1過(guò)量空氣系數(shù)及點(diǎn)火提前角對(duì)性能參數(shù)的影響

過(guò)量空氣系數(shù)一定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Ttq隨點(diǎn)火提前角的變化曲線如圖1所示?？煽闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，部分負(fù)荷工況，過(guò)量空氣系數(shù)為0.9時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大于過(guò)量空氣系數(shù)為1.0和1.1時(shí)的轉(zhuǎn)矩；過(guò)量空氣系數(shù)一定，隨點(diǎn)火提前角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大。過(guò)量空氣系數(shù)分別為0.9、1.0、1.1時(shí)，點(diǎn)火提前角從15.4°CA增大到32.5°CA，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分別增加了10.2 N·m、13.4 N·m、19.4 N·m.可看出，過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，點(diǎn)火提前角的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響最大。

圖1　點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響Fig.1　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on engine torque

過(guò)量空氣系數(shù)一定，當(dāng)量燃料消耗率隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系如圖2所示?？煽闯觯? 500 r/min部分負(fù)荷工況，過(guò)量空氣系數(shù)不變，當(dāng)量燃料消耗率隨點(diǎn)火提前角的增大呈現(xiàn)先大幅降低，后緩慢減小的趨勢(shì)。點(diǎn)火提前角在15.4°CA～21.0°CA范圍內(nèi)，過(guò)量空氣系數(shù)為1.0時(shí)，理論空燃比混合氣燃料消耗率最低，過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的稀混合氣當(dāng)量燃料消耗率最高。點(diǎn)火提前角較小時(shí)，對(duì)于過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的稀混合氣，缸內(nèi)混合氣的著火延遲期增加，火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾氏陆?，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)。在膨脹行程中燃燒的混合氣量增加，使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率顯著下降，而燃料消耗量保持不變，因此，點(diǎn)火提前角較小時(shí)，稀混合氣的燃料消耗率顯著增加。點(diǎn)火提前角從21.0°CA增大到34.5°CA，過(guò)量空氣系數(shù)為1.0和1.1的混合氣當(dāng)量燃料消耗率相差不大，而空燃比在0.9的濃混合氣當(dāng)量燃料消耗率明顯高于前二者，且變化較為平緩。甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的混合氣，同樣可以實(shí)現(xiàn)較好的燃料經(jīng)濟(jì)性，但由圖1可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降明顯。

圖2　點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)當(dāng)量燃料消耗率的影響Fig.2　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on brake specific fuel consumption

過(guò)量空氣系數(shù)一定，排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系如圖3所示?？煽闯?，在3種過(guò)量空氣系數(shù)下，排氣溫度隨點(diǎn)火提前角的變化趨勢(shì)相同，都隨點(diǎn)火提前角增大而降低。由于推遲點(diǎn)火，氣缸內(nèi)工質(zhì)后燃增加，導(dǎo)致最終的排氣溫度上升[7]。點(diǎn)火提前角一定，理論空燃比混合氣的排氣溫度最高，過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的稀混合氣排氣溫度最低。對(duì)于過(guò)量空氣系數(shù)為0.9的濃混合氣來(lái)講，燃料缺氧不利于混合氣的充分燃燒，因此排氣溫度低于理論空燃比混合氣。

圖3　點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排氣溫度的影響Fig.3　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust temperature

3.2過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對(duì)排放的影響

點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)NO、CO、HC排放的影響如圖4所示?？煽闯觯?種過(guò)量空氣系數(shù)下，NO排放均隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)明顯。點(diǎn)火提前角由34.5°CA減小到15.4°CA，NO排放降低約80%.推遲點(diǎn)火使氣缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，縮短了焰后燃燒產(chǎn)物區(qū)的反應(yīng)時(shí)間，使NO排放降低。過(guò)量空氣系數(shù)既影響燃燒溫度，又影響燃燒產(chǎn)物中的氧濃度，因此對(duì)NO排放影響很大。隨點(diǎn)火提前角的變化，理論空燃比混合氣的NO排放最高，對(duì)于過(guò)量空氣系數(shù)為0.9和1.1的混合氣，濃混合氣有較高的燃燒溫度，但局部缺氧的缸內(nèi)氛圍抑制了NO的生成；稀混合氣的缸內(nèi)最高燃燒溫度低于濃混合氣，但氧分壓增大對(duì)NO生成的影響大于缸內(nèi)燃燒溫度降低的效果，因此，稀混合氣的NO排放要高于濃混合氣[8]。

圖4　點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)氣體排放的影響Fig.4　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust emission

從圖4可看出，點(diǎn)火提前角的變化對(duì)CO排放的影響不明顯。過(guò)量空氣系數(shù)為1.0和1.1時(shí)，CO排放量較低，隨混合氣濃度的增加，CO排放明顯增加，這主要是燃燒的不完全程度增加所導(dǎo)致。過(guò)量空氣系數(shù)一定時(shí)，隨點(diǎn)火提前角的增大，HC排放變化規(guī)律與CO相似。過(guò)量空氣系數(shù)在0.9的濃混合氣，缸內(nèi)氧濃度降低，部分燃料不能迅速、完全燃燒，使得HC排放升高。甲醇分子含氧量高達(dá)50%，可以促進(jìn)燃料的完全燃燒[9]，在3種過(guò)量空氣系數(shù)下，HC排放都較低。

3.3甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)

選擇了最佳的供醇脈寬及點(diǎn)火提前角后，進(jìn)行了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性試驗(yàn)和2 000 r/min的負(fù)荷特性試驗(yàn)，與原汽油機(jī)外特性的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。原汽油機(jī)的性能參數(shù)是在發(fā)動(dòng)機(jī)改裝之前測(cè)得，使用的汽油為市售93號(hào)汽油。圖5為M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和原汽油機(jī)的外特性曲線?？煽闯?，轉(zhuǎn)速低于2 500 r/min時(shí)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩低于原汽油機(jī)；轉(zhuǎn)速高于2 500 r/min時(shí)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率高于原汽油機(jī)，3 500 r/min時(shí)轉(zhuǎn)矩、功率高于原機(jī)約5.2%.甲醇的低熱值約為汽油的1/2，按理論混合氣計(jì)算，甲醇與空氣形成的混合氣熱值與汽油和空氣形成的混合氣熱值相當(dāng)，通過(guò)增加供醇量可以彌補(bǔ)甲醇低熱值較低的不足，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。轉(zhuǎn)速較低時(shí)，壓縮終了缸內(nèi)溫度較低，著火延遲期延長(zhǎng)，著火滯后[10]，導(dǎo)致熱效率下降，功率略低于原汽油機(jī)，燃料消耗率高于原汽油機(jī)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，甲醇燃料的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。一方面，壓縮終了缸內(nèi)溫度有所上升，甲醇與空氣的混合更加均勻，較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣吡巳紵ㄈ荻龋瑹嵝侍岣?；另一方面，甲醇的辛烷值高于汽油，可以抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，在外特性上可以使用較大的點(diǎn)火提前角來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，因此，轉(zhuǎn)速高于2 500 r/min，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比原汽油機(jī)有所增加，燃料消耗率趨于一致。

圖5　甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油機(jī)的外特性曲線Fig.5　The exterior characteristics curves ofmethanol engine and gasoline engine

圖6為轉(zhuǎn)速2000 r/min時(shí)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與原汽油機(jī)的負(fù)荷特性曲線。由圖6可看出，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量燃料消耗率在各負(fù)荷下均低于汽油，降幅最大約為10%.甲醇的汽化熱約為汽油的3.4倍，可以降低進(jìn)氣溫度，提高了充量系數(shù)；甲醇的層流火焰速度比汽油快，燃燒定容度高；甲醇分子含氧，利于燃料的完全燃燒；有利于熱效率的提高，使得甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相同功率時(shí)當(dāng)量燃料消耗率降低。

圖6　轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)當(dāng)量燃料消耗率及熱效率隨平均有效壓力的變化Fig.6　Brake specific fuel consumption and brake thermal efficiency against brakemean effective pressure

4　結(jié)論

1）過(guò)量空氣系數(shù)一定，隨點(diǎn)火提前角的增大，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，當(dāng)量燃料消耗率下降，減小點(diǎn)火提前角可使NO降幅達(dá)80%以上。

2）點(diǎn)火提前角一定，隨過(guò)量空氣系數(shù)的減小，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，過(guò)量空氣系數(shù)為0.9時(shí)，CO、HC排放明顯升高。

3）全負(fù)荷工況，轉(zhuǎn)速高于2 500 r/min時(shí)，M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率較原汽油機(jī)明顯增大，最大轉(zhuǎn)矩增加約5.2%.2 000 r/min的負(fù)荷特性，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)量燃料消耗率低于原汽油機(jī)。

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Effect of Excess Air Ratio and Ignition Tim ing on Performance of M 100 Methanol Engine

WANG Yan-peng1，WANG Zhong1，ZHANG Deng-pan1，JU Yu-sheng2，ZHANG Yong-ming2
（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2.Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，China FAW Group Corporation，Wuxi214063，Jiangsu，China）

The effects of excess air ratio and ignition timing on engine torque and break specific fuel consumption of amethanol engine transformed from a gasoline engine are studied，and the performance of M100 methanol engine is experimentally investigated.Results show that the engine torque increaseswith the increase in advanced ignition angle for a specified excess air ratio at2 500 r/min，and the NO emission is increased by 80%when the fuel consumption decreases.When the excess air ratio decreases at a specified ignition time，the engine torque increases，and HC and CO emissions are significantly increased.Themaximum torque is increased by 5.2%higher than that of original gasoline engine，and the brake specific fuel consumption is lower at speed of 2 000 r/min.

powermachinery engineering；methanol；advanced ignition angle；excess air ratio

TK46+4

A

1000-1093（2015）12-2358-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.020

2015-04-13

江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13KJA470001）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ13_0672、KYLX_1035）；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（2011年）

王燕鵬（1990—），男，碩士研究生。E-mail：wypujs@163.com；王忠（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：wangzhong@ujs.edu.cn