甲醇- 汽油靈活混合燃燒發(fā)動機的開發(fā)

齊洪元　倪計民　楊友文（.同濟大學汽車學院，上海0804；.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海0804）

原創(chuàng)

甲醇- 汽油靈活混合燃燒發(fā)動機的開發(fā)

齊洪元1倪計民1楊友文2
（1.同濟大學汽車學院，上海201804；2.上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

提出了“甲醇-汽油靈活混合燃燒發(fā)動機”的概念。首先設(shè)計了可實現(xiàn)燃料獨立供給的燃油系統(tǒng)的布置方案。隨后，進行了靈活混合燃燒發(fā)動機控制系統(tǒng)的開發(fā)，運用GT-Power軟件建立靈活混合燃料特性場，并對靈活混合燃燒發(fā)動機進行了臺架試驗驗證。研究結(jié)果表明，發(fā)動機采用混合燃料模式工作時，發(fā)動機的當量汽油比油耗有明顯的改善，除了在低速低負荷時使用M0的工況外，其余各工況的當量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

甲醇汽油靈活混合混合燃燒

0　引言

我國的煤炭資源儲量較為豐富，而石油資源嚴重依賴進口，自給能力較弱，加之日益增大的汽車保有量，我國顯示出“缺油、少氣、富煤”的能源格局。傳統(tǒng)車用燃料供應面臨巨大壓力［1］。甲醇可由煤炭制取，與汽油相比，氣化潛熱更大、辛烷值更高且含有氧元素，能使發(fā)動機獲得更好的動力性、經(jīng)濟性和較低的排放［2-5］。

作為1種典型的車用發(fā)動機替代燃料，甲醇獲得了越來越多的關(guān)注，在國內(nèi)外一些地區(qū)，甲醇-汽油混合燃料已經(jīng)得到了應用［6-7］。目前在點燃式內(nèi)燃機上所使用的均為固定比例的甲醇-汽油混合燃油，如M10、M15、M85等［8-9］。然而，通過對不同比例甲醇-汽油混合燃料的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在各運行工況時對燃料混合比的要求不同，各工況下均有特定比例的甲醇-汽油混合燃料，可使發(fā)動機的比油耗最低。因此，采用固定比例甲醇-汽油混合燃料不能充分發(fā)揮甲醇的優(yōu)勢［10-11］。

據(jù)此，本文提出了“甲醇-汽油靈活混合燃燒發(fā)動機”的構(gòu)想，甲醇和汽油采用2套獨立的燃油供給系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機的運行工況，分別調(diào)整甲醇和汽油各自的噴油脈寬、點火提前角及相關(guān)的修正參數(shù)，使甲醇和汽油在發(fā)動機氣缸內(nèi)根據(jù)工況需求實現(xiàn)不同比例的混合燃燒，使發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性進一步得到提升。

首先，進行靈活混合燃料發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)的設(shè)計，制定燃油供給系統(tǒng)的布置方案，并根據(jù)甲醇的特性重新設(shè)計相關(guān)零部件。隨后，進行靈活混合燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計控制結(jié)構(gòu)和控制方法，并運用GT-Power軟件確定發(fā)動機各工況下的最優(yōu)燃料種類，建立靈活混合燃料特性場。最后，對靈活混合燃料發(fā)動機進行臺架試驗驗證。本文旨在研究靈活在線混合燃料發(fā)動機的開發(fā)方案，并探究靈活燃料特性場的建立方法，為甲醇-汽油靈活在線混合燃料發(fā)動機的應用提供參考。

1　研究對象和試驗裝置

1.1研究對象

本研究所針對的發(fā)動機為某款自主品牌轎車的自然吸氣4缸四沖程汽油機，發(fā)動機主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1　某款自然吸氣4缸四沖程汽油機主要技術(shù)規(guī)格

1.2試驗裝置

發(fā)動機試驗臺架主要包括發(fā)動機、測功機及其控制系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、尾氣采集測量系統(tǒng)等。本研究所用的發(fā)動機試驗臺架如圖1所示。

2　靈活混合燃料發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)開發(fā)

2.1燃油供給系統(tǒng)布置方案

靈活混合燃燒的實現(xiàn)依賴于2套完全獨立的供油系統(tǒng)，其中一路是甲醇燃料系統(tǒng)專用，用來解決甲醇對一般燃油系統(tǒng)的腐蝕和溶脹問題。甲醇與汽油只在進氣道或氣缸內(nèi)進行混合，并可以實現(xiàn)2種燃料的任意比例混合，必要時可自由切換單獨使用甲醇或汽油。靈活混合燃燒發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)如圖2所示。

2.2燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

與汽油相比，甲醇具有特殊的理化特性，例如甲醇燃料對金屬材料具有明顯的腐蝕作用，對非金屬材料有明顯的溶脹作用。因此需要對甲醇的燃油供給系統(tǒng)進行相應的改造，主要包括燃油箱、液位傳感器和噴油器。

2.2.1燃油箱的設(shè)計

為了便于在整車上進行布置安裝，優(yōu)化設(shè)計了原有油箱。將原有的50 L油箱在內(nèi)部分隔為35 L 和15 L 2個完全獨立的油箱，其中15 L容量為汽油箱，35 L容量的為甲醇燃料箱。油箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2甲醇液位傳感器的設(shè)計

汽油油箱中使用的液位傳感器仍為原機傳統(tǒng)傳感器，而甲醇燃料箱中采用非接觸式霍爾液位傳感器，該傳感器包含不銹鋼管，并在不銹鋼管上套接浮子，在不銹鋼管內(nèi)設(shè)有霍爾元件，在不銹鋼管的頂端固定連接板。其中，浮子是由不銹鋼殼體制成，在浮子中心設(shè)有導向管，導向管套接在不銹鋼管外，由導向管、上殼體和下殼體構(gòu)成1個密閉的腔體，在腔體內(nèi)導向管外套接有磁鐵保持架，磁鐵保持架上固定磁鐵。由于浮子和導管采用的是不銹鋼材料，可避免甲醇腐蝕。而感應部件被包裹在不銹鋼浮子和桿件內(nèi)，不與甲醇接觸，避免了腐蝕、溶脹和電化學侵蝕等問題。非接觸式霍爾傳感器如圖4所示。

2.2.3噴油器的選型及布置

由于同等質(zhì)量甲醇的熱值高出汽油熱值的45.7%，因此與汽油噴油器相比，在同等當量汽油噴油脈寬下，甲醇噴嘴的體積流量必須比原發(fā)動機的汽油噴油流量更大，才能保證發(fā)動機在同功率時，甲醇汽油混合氣的熱值與原汽油混合氣相當，因此在設(shè)計開發(fā)時要選用流量更大的噴油器。

3　靈活混合燃燒發(fā)動機控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

靈活混合燃燒發(fā)動機控制系統(tǒng)主要由傳感器、主電子控制單元（ECU）、燃料混合比ECU和執(zhí)行器4部分組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號傳輸路徑如圖5所示。

與普通汽油發(fā)動機和固定比例混合燃料發(fā)動機相比，靈活混合燃燒發(fā)動機除了能根據(jù)發(fā)動機工況變化來調(diào)整噴油脈寬和噴油正時，還需要根據(jù)發(fā)動機的工況變化，實時選擇最優(yōu)配比的甲醇和汽油混合燃料，因此，對發(fā)動機的控制策略和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

靈活混合燃燒發(fā)動機采用雙ECU結(jié)構(gòu)，即主ECU和燃料混合比ECU，其中主ECU與普通汽油機ECU功能相似，用于控制發(fā)動機的噴油脈寬、噴油正時、點火提前角、點火能量和配氣正時等參數(shù)。燃料混合比ECU內(nèi)部儲存了靈活混合燃料特性場MAP圖。發(fā)動機工作時，傳感器的信號首先傳輸給主ECU，經(jīng)過處理后傳輸給燃料混合比ECU，燃料混合比ECU根據(jù)發(fā)動機的工況，結(jié)合靈活燃料特性場MAP圖確定該工況下最佳的混合燃料比例，隨后將該信號返回主ECU，主ECU計算所需的汽油噴油脈寬和甲醇噴油脈寬，最后將控制信號發(fā)送到執(zhí)行器。

3.2控制目標和方法

3.2.1混合燃燒燃油噴射系統(tǒng)控制目標和方法

該混合燃燒發(fā)動機具有2套燃料供給系統(tǒng)，分別用于汽油和甲醇的供給。工作中，發(fā)動機根據(jù)工況確定最佳燃料混合比，并計算出相應的汽油、甲醇噴油脈寬和噴油時刻，甲醇和汽油按照確定的比例混合，最終實現(xiàn)發(fā)動機的目標性能。根據(jù)工況不同，控制目標可以分為以下3種情況：

（1）冷起動、暖機工況

發(fā)動機冷起動時溫度較低，該工況的主要控制目標是保證順利起動和快速暖機，由于甲醇的氣化潛熱較大，會使氣缸內(nèi)溫度進一步降低，造成起動困難，因此該工況下采用M0燃料，并適當加濃。

（2）經(jīng)濟運行工況

發(fā)動機運行的大部分時間是處于部分負荷工況，該工況下的控制目標是保證經(jīng)濟性和低排放。在混合燃料種類的選擇方面，不同比例的甲醇汽油混合燃料在各工況下的性能優(yōu)勢不同，各運行工況下均存在1個特定比例的甲醇汽油，使發(fā)動機具有最低的當量汽油比油耗。在噴油脈寬的控制方面，為了保證三元催化轉(zhuǎn)化器達到最高的轉(zhuǎn)化效率，應使發(fā)動機運行在化學計量空燃比附近。

（3）全負荷運行工況

該工況要求發(fā)動機實現(xiàn)最高的動力性能。在噴油脈寬的控制方面，該工況下發(fā)動機的控制目標為確保高的動力性，可適當加濃，采用功率混合氣空燃比。在混合燃料的種類方面，應根據(jù)各比例混合燃料的外特性數(shù)據(jù)，選擇各工況下使發(fā)動機實現(xiàn)最高動力性的混合燃料比例。

為實現(xiàn)上述控制目標，靈活混合燃燒發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)采用開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的控制方式。發(fā)動機的控制流程如圖6所示。

開環(huán)控制是指發(fā)動機在某一工況下運行時，主ECU由各傳感器獲取轉(zhuǎn)速、進氣壓力、溫度、冷卻水溫和節(jié)氣門開度等參數(shù)，然后由主ECU查得該工況下的當量汽油噴油量，由燃料混合比ECU查得該工況下的最優(yōu)燃料混合比，并將當量汽油噴油量換算為該混合比燃料的總噴油量，進而計算出汽油和甲醇各自的噴油脈寬。噴油脈寬的計算過程如圖7所示。

3.2.2點火系統(tǒng)控制目標和方法

靈活混合燃料發(fā)動機點火系統(tǒng)的控制目標主要有2方面：（1）選擇合適的點火能量，保證混合氣順利著火，同時也使點火線圈溫度不至于過高，以提高點火線圈工作的可靠性；（2）根據(jù)發(fā)動機的工況采用最合適的點火提前角，從而提高發(fā)動機的動力性，進而改善經(jīng)濟性和排放性。

點火能量的高低是由初級繞組的通電時長決定的，通電時間越長，斷電后次級繞組所產(chǎn)生的電壓越高，然而通電時間過長將使初級繞組過熱，影響點火線圈工作的可靠性。因此，對于點火能量的控制，ECU綜合考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速等因素，通過控制初級繞組斷電時間，對點火能量進行控制。

對于點火提前角的控制，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合的方式。ECU首先根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和冷卻液溫度確定基本點火提前角，即進行開環(huán)控制。大量研究表明，使發(fā)動機工作在爆燃邊緣甚至輕微爆燃時，能夠獲得最佳的動力性和經(jīng)濟性，因此，利用爆燃傳感器，對點火提前角進行閉環(huán)控制，使發(fā)動機工作在爆燃臨界處。

3.3靈活混合燃燒發(fā)動機控制策略開發(fā)

3.3.1發(fā)動機仿真計算模型的建立

運用GT-Power軟件以汽油機原機為基礎(chǔ)，建立靈活混合燃燒發(fā)動機一維仿真計算模型，進而對靈活混合燃燒發(fā)動機進行仿真計算研究。

湍流火焰?zhèn)鞑ツＰ蛯⑷紵业慕Y(jié)構(gòu)尺寸，點火正時、湍流強度和燃料類型納入考慮范疇，并用以下幾個方程來描述進入火焰前鋒的質(zhì)量卷吸率和燃燒速率。

質(zhì)量卷吸率：

質(zhì)量燃燒速率：

并且

式中，Me為未然混合氣卷吸質(zhì)量，ρu為未燃混合氣密度，Ae為火焰前鋒面積，ST為湍流火焰速度，SL為層流火焰速度，Mb為已燃混合氣質(zhì)量，τ為時間常數(shù)，λ為Taylor微尺度。

3.3.2發(fā)動機仿真計算模型的標定

基于汽油機原機臺架試驗數(shù)據(jù)，對模型分別進行外特性和萬有特性的標定。

（1）外特性標定

6.1 生態(tài)監(jiān)測工作長期的運行經(jīng)費缺乏保障。生態(tài)監(jiān)測是一項系統(tǒng)性長期性的工作，隨著重大生態(tài)保護工程實施的結(jié)束，生態(tài)監(jiān)測運行經(jīng)費無法保障，監(jiān)測站點的運行維護、監(jiān)測數(shù)據(jù)長期連續(xù)獲取將受到影響，年度監(jiān)測任務(wù)實施及監(jiān)測成果的質(zhì)控體系缺乏有效的制度保證，使生態(tài)監(jiān)測工作缺乏長效保障機制。

分別進行節(jié)氣門開度最大時缸壓曲線、功率、扭矩、排氣背壓、油耗率和充氣系數(shù)的標定。當轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，缸內(nèi)壓力曲線的標定結(jié)果如圖8所示，充氣系數(shù)和油耗率的標定結(jié)果如圖9所示。其他轉(zhuǎn)速和參數(shù)的標定結(jié)果不再詳述。

由圖8可以看出，缸壓曲線的仿真計算值和試驗值相合度較高。由圖9可以看出，在發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下油耗率、充氣系數(shù)的仿真計算與試驗的外特性誤差均在10%以內(nèi)，說明發(fā)動機模型較為準確，可以滿足仿真計算的要求。

（2）部分負荷標定

對發(fā)動機仿真模型進行部分負荷有效燃油消耗率的標定，以汽油機原機臺架試驗的130個試驗點數(shù)據(jù)進行標定。萬有特性標定結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見，發(fā)動機在各工況下扭矩的誤差均不超過10%，又因為在給定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機功率與扭矩為正比關(guān)系，因此有效油耗率的誤差也在10%以內(nèi)，故可以認為模型準確，可進行下一步的靈活混合燃料發(fā)動機仿真計算研究。

3.3.3發(fā)動機靈活混合燃燒燃料特性場的建立

發(fā)動機靈活混合燃燒模式需要的燃料特性場是以MAP圖的形式儲存于燃料混合比ECU中，包含了發(fā)動機各工況下的最優(yōu)燃料混合比，發(fā)動機工作時，ECU從各傳感器收集數(shù)據(jù)，分析判斷所處的工況，然后由靈活燃料特性場查得此工況下的最優(yōu)燃料混合比，并計算出甲醇和汽油各自的噴油脈寬。

本研究旨在確定發(fā)動機萬有特性場各工況點所對應的最優(yōu)燃料混合比，使發(fā)動機使用該比例混合燃料時具有最低的等效汽油比油耗。理論上，靈活混合燃料發(fā)動機能夠根據(jù)工況的變化，提供從M0～M100任意混合比的甲醇-汽油，然而建立高精度的靈活燃料特性場，需要大量的仿真計算和臺架試驗資源。因此，本研究僅選取具有代表性的M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100混合比，建立簡化的靈活燃料特性場，旨在提出靈活混合燃料發(fā)動機的概念，并探究特性場的建立方法。

首先，確定仿真計算工況點，在汽油機原機萬有特性場中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 000～6 000 r/min中每間隔500 r/min取1個轉(zhuǎn)速點，共選取11個轉(zhuǎn)速，分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、 3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min和6 000 r/min。在每個轉(zhuǎn)速下，按扭矩等分為10個工況點，整個萬有特性場共有110個工況點。

表2　各比例混合燃料參數(shù)

之后，運用GT-Power發(fā)動機一維仿真軟件，在汽油機原機模型的基礎(chǔ)上，將燃料的密度、低熱值和理論空燃比等參數(shù)設(shè)置為指針變量，在分別輸入M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的參數(shù)作為標定點，即每個工況下有7個標定點。各比例混合燃料的參數(shù)如表2所示。

對各工況點分別進行仿真計算，運用GT-Power軟件中的“Optimizer”模塊，以油耗量為控制變量，以扭矩為優(yōu)化目標，將優(yōu)化目標設(shè)定為汽油機萬有特性場中該工況的扭矩值，計算得到在該工況下分別使用M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的比油耗。將各燃料的比油耗換算成當量汽油比油耗，使當量汽油比油耗最低的燃料為該工況下的最佳混合燃料，通過將各工況的最佳混合燃料比例組合起來，即可建立發(fā)動機靈活燃料特性場。

圖11為通過仿真計算建立的靈活混合燃料發(fā)動機的特性場，圖12為靈活混合燃料發(fā)動機的比油耗換算成當量汽油比油耗后的萬有特性圖。

由圖12可以看出，靈活混合燃燒發(fā)動機對燃料種類的需求在發(fā)動機處于低速低負荷工況時，采用M0純汽油燃料，隨著轉(zhuǎn)速和負荷的升高，逐漸提高甲醇使用比例。發(fā)動機采用此混合燃料特性場工作時，發(fā)動機的當量汽油比油耗有明顯改善，除低速低負荷時使用M0的工況外，其余各工況的當量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

4　靈活混合燃料發(fā)動機試驗驗證

為了驗證靈活混合燃料發(fā)動機特性場的準確性，進行發(fā)動機臺架試驗。對汽油機原機的電控系統(tǒng)進行改造，增加燃料混合比ECU，并將仿真計算得到的混合燃料特性場儲存于燃料混合比ECU中。試驗中測取各工況點的甲醇和汽油油耗率，并換算成當量汽油油耗率。

需要說明的是，發(fā)動機電控系統(tǒng)對燃油噴射系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的控制還包括對不同工況的修正，發(fā)動機使用不同比例甲醇和汽油時，修正量及微調(diào)控制策略也要發(fā)生變化，需要對電控系統(tǒng)進行進一步改造。由于該內(nèi)容不屬于本研究的主要內(nèi)容，在此不作詳述。

試驗結(jié)果顯示，靈活混合燃燒發(fā)動機當量汽油比油耗的試驗值與仿真計算值的吻合度較高，各工況的誤差均在5%以內(nèi)，說明本研究基于仿真計算建立靈活混合燃料特性場的方法可靠，也說明發(fā)動機按照靈活混合燃料方式工作時，能夠大幅改善燃油經(jīng)濟性。

5　結(jié)論

采用2套獨立的燃油供給系統(tǒng)分別供應甲醇和汽油，實現(xiàn)甲醇和汽油噴油量的單獨控制，進而可供應任意比例的混合燃料，以支持發(fā)動機的混合燃燒模式。同時，根據(jù)甲醇和汽油的特點，能夠?qū)θ加凸┙o系統(tǒng)進行針對性的設(shè)計。

采用主ECU和燃料選擇ECU的雙ECU設(shè)計，能夠根據(jù)發(fā)動機的工況選擇最優(yōu)混合燃料比例，并確定甲醇和汽油相應的噴油脈寬，對發(fā)動機原機控制系統(tǒng)改動較小，通用性較強。

運用GT-Power軟件建立的混合燃燒發(fā)動機靈活混合燃料特性場，具有較高的精度。使用仿真計算建立靈活燃料特性場的方法確定可行。

發(fā)動機按照靈活混合燃燒模式工作后后，經(jīng)濟性有了顯著提高，除低速低負荷使用M0的工況外，各工況的當量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度為3%～10%。

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