重型M100甲醇發(fā)動機排放及燃燒熱效率分布研究

彭輝，蘇茂輝，張甲樂，盧瑞軍，蔡文遠

(浙江吉利新能源商用車研究院有限公司，浙江 杭州　311200)

引言

甲醇作為重要的車用發(fā)動機替代燃料之一。早在20世紀70年代美國、德國、日本等發(fā)達國家都曾投入大量精力，致力于甲醇燃料和甲醇汽車相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并在20世紀90年代的巔峰時期，全球的甲醇汽車數(shù)量達到數(shù)萬輛規(guī)模[1]。在我國，近幾年吉利汽車公司研發(fā)的甲醇出租汽車已在國內(nèi)五省一市以及歐洲冰島開展試點運營；與此同時，吉利商用車公司也正在開展重型M100甲醇發(fā)動機的研發(fā)工作。目前國家工信部針對試點車輛的檢測結(jié)果表明，甲醇出租汽車在動力性方面與汽油車輛相當(dāng)，并且在經(jīng)濟性及排放性方面具有明顯優(yōu)勢。甲醇燃料是解決當(dāng)前嚴重能源危機和環(huán)境污染問題的重要途徑。

甲醇是一種輕質(zhì)、無色、略有臭味的可燃液體。甲醇燃料的汽化潛熱高，汽化過程需要吸收大量的熱，可以降低燃燒室及缸套的循環(huán)平均溫度；同時甲醇的辛烷值高，抗爆性好，可以采用高壓縮比以提高燃燒熱效率。此外甲醇還具有較寬的可燃極限，燃燒速度快，在混合氣比較稀的情況下仍能保持相對較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚2-4]。

表1　甲醇和汽油的理化特性對比[5]

甲醇發(fā)動機的排放性能和燃燒熱效率一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。目前國內(nèi)還沒有制定專門針對甲醇的排放法規(guī)。通過在一臺自主研發(fā)的重型M100甲醇發(fā)動機上進行了試驗，基于當(dāng)前實施的法規(guī)，研究了該甲醇發(fā)動機的排放性能及燃燒熱效率的分布。

圖1　臺架設(shè)備布置

1　試驗設(shè)備及方法

1.1　實驗設(shè)備

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩由AVL電力測功機進行控制，采用TOCEIL油耗儀測量系統(tǒng)測量穩(wěn)態(tài)油耗和AVL全流稀釋采樣系統(tǒng)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗及排放數(shù)據(jù)進行采集。臺架設(shè)備布置如圖1所示[6]。

研究采用的M100甲醇發(fā)動機是以CNG發(fā)動機為平臺，重新設(shè)計燃料供給系統(tǒng)、點火控制系統(tǒng)，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)[7]。M100甲醇發(fā)動機采用的技術(shù)路線：多點順序噴射、理論空燃比燃燒、EGR冷卻系統(tǒng)、三元催化后處理系統(tǒng)。表2為M100甲醇發(fā)動機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表2　M100甲醇發(fā)動機參數(shù)表

1.2　試驗法規(guī)及方法

根據(jù)工信部[2012]42號文件《關(guān)于開展甲醇汽車試點工作的通知》對甲醇發(fā)動機的要求，甲醇發(fā)動機采用GB 14762—2008《重型車用汽油發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國III、IV階段)》(以下簡稱重型汽油機瞬態(tài)循環(huán))，同時結(jié)合常規(guī)燃料發(fā)動機采用的GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國III、IV、V階段)》(ETC循環(huán)部分)瞬態(tài)循環(huán)工況，開展M100甲醇發(fā)動機在兩種排放測試循環(huán)下的排放性能和燃燒熱效率分析研究。[8-9]

圖2　重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況

圖3　ETC循環(huán)工況

2　燃燒熱效率計算及萬有特性圖繪制

利用AVL電力測功機和TOCEIL油耗儀，測得該甲醇發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的10%、20%、40%、60%、80%、100%的扭矩、功率及燃油消耗率數(shù)據(jù)，繪制萬有特性圖。

圖4　萬有特性圖

萬有特性圖中最低油耗率為發(fā)動機的額定扭矩點，低于465 g/(kW·h)。

為研究該甲醇發(fā)動機的燃燒熱效率，利用圖4的數(shù)據(jù)，通過推導(dǎo)公式計算燃燒熱效率和平均有效壓力，繪制燃燒熱效率圖。根據(jù)公式(1)、公式(2)[10]：

(1)

(2)

推導(dǎo)出公式(3)：

(3)

計算出燃燒熱效率。以上公式中Pe為有效功率，單位是kW；B為整機燃油消耗率，單位是kg/h；β為有效燃燒熱效率，單位是%；Hu為甲醇燃料的低熱值，單位是kJ/kg；be代表有效燃油消耗率，單位是g/(kW·h)。

根據(jù)公式(4)、(5)、(6)[10]：

圖5　燃燒熱效率圖

(4)

(5)

(6)

推導(dǎo)出公式(7)：

(7)

計算出平均有效壓力。公式中BMEP為平均有效壓力，kPa；We為有效功，kJ；Pe為有效功率，kW；τ為沖程數(shù)；Me為有效扭矩,Nm；V為發(fā)動機排量，L。并繪制出燃燒熱效率圖。從圖中看出，該甲醇發(fā)動機的最高有效熱效率超過39%，且其范圍較大。

3　法規(guī)工況下的排放性能研究

為研究甲醇發(fā)動機的排放性能，在該M100甲醇發(fā)動機上進行了重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)以及ETC循環(huán)測試，并利用AVL全流稀釋采樣系統(tǒng)檢測主要污染物排放值。

3.1　常規(guī)排放研究

甲醇是一種含氧燃料，燃燒更充分、更完全，甲醇發(fā)動機的常規(guī)排放物包括CO、HC、NOx都有不同程度地減少，一般情況下，CO排放下降30%～35%，HC排放量下降25%～30%，NOx排放量下降20%～25%[11]。采用非分散紅外分析儀NDIR測量CO含量，氫火離子化分析儀FID測量總HC含量，光化學(xué)分析儀CLD測量NOx含量[12-13]。根據(jù)排放檢測設(shè)備測量結(jié)果，重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況和ETC循環(huán)工況下常規(guī)污染排放物的濃度如圖6、7所示，常規(guī)污染物排放結(jié)果如表3、4所示。

圖6　重型汽油機循環(huán)工況下常規(guī)排放污染物的濃度變化

圖7　ETC循環(huán)工況下常規(guī)排放污染物的濃度變化

表3　重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)排放結(jié)果 g/(kW·h)

表4ETC循環(huán)排放結(jié)果g/(kW·h)

排放物國Ⅴ限值[9]實測值CO4．00．417NMHC0．550．001CH41．10．02NOx2．00．141

實際結(jié)果顯示，甲醇發(fā)動機在兩種法規(guī)工況下實測污染物排放值均遠低于法規(guī)限值。同時通過對比發(fā)現(xiàn)，甲醇燃料發(fā)動機在重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況下排放均好于ETC循環(huán)工況。主要原因是甲醇燃料本身的燃燒排放特性好，同時匹配合理的三元催化器進行排放污染物的后處理。

3.2　非常規(guī)排放研究

表5　甲醛排放結(jié)果　g/(kW·h)

甲醇發(fā)動機的大部分醛類排放物是排氣管中未燃燒的醇，在適當(dāng)?shù)暮鯘舛燃皽囟认吕^續(xù)反應(yīng)而生成的[4]。使用袋采裝置，對甲醇發(fā)動機的非常規(guī)排放物的主要部分甲醛進行采集，利用高效液相色譜分析儀[13-14]，測試結(jié)果如表5所示。實測甲醛排放值低于法規(guī)限值。主要原因是發(fā)動機的燃燒控制的比較好，未燃燒的甲醇非常少，同時通過三元催化器對甲醛的排放進行一定的處理。

4　法規(guī)工況下的燃燒熱效率分布研究

通過觀察重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況點和ETC循環(huán)工況點在燃燒熱效率圖上的分布，來研究該甲醇發(fā)動機在法規(guī)工況下的燃燒熱效率，如圖8、9所示。

重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況測試點主要集中分布在1 200～2 000 r/min的中低負荷范圍內(nèi)，也有部分工況點分布在600～1 200 r/min的低負荷范圍內(nèi)，發(fā)動機主要工作在熱效率36%的區(qū)域。因此在發(fā)動機臺架標定開發(fā)時，應(yīng)盡可能優(yōu)化該區(qū)域的標定數(shù)據(jù)，提升該區(qū)域的燃燒熱效率，以獲取該工況下更好的排放性能和經(jīng)濟性能。

圖8　重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況燃燒熱效率分布

圖9　ETC循環(huán)工況燃燒熱效率分布

ETC循環(huán)工況測試點主要集中分布在1 400～1 800 r/min的所有負荷范圍內(nèi)，該區(qū)域?qū)儆诎l(fā)動機燃燒熱效率較高的區(qū)域，因此優(yōu)化中低負荷的標定數(shù)據(jù)，才能有效提升發(fā)動機在該工況下的性能。

根據(jù)公式(8)：

(8)

計算結(jié)果顯示：該發(fā)動機在重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況下的平均燃燒熱效率為17.487%，而在ETC循環(huán)工況下的平均燃燒熱效率為24.678%。

5　結(jié)論

1)該重型M100甲醇發(fā)動機在重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)和ETC循環(huán)工況下，排放污染物均低于法規(guī)限值，且有余量；并且重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況下的排放性能優(yōu)于ETC循環(huán)工況。

2) 重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況測試點主要集中分布在中低負荷，建議優(yōu)化該負荷區(qū)域標定數(shù)據(jù)，降低中低負荷的燃油消耗，提高該區(qū)域的燃燒熱效率，以提升發(fā)動機在該法規(guī)工況下的整體經(jīng)濟性能以及排放性能。

3) ETC循環(huán)工況測試點主要集中分布于1 400～1 800 r/min區(qū)域，建議優(yōu)化該轉(zhuǎn)速區(qū)域中低負荷的標定數(shù)據(jù)，以進一步提升發(fā)動機在該法規(guī)工況下的整體經(jīng)濟性能以及排放性能。

4)該重型M100甲醇發(fā)動機的燃燒熱效率與同等排量的其它燃料發(fā)動機相當(dāng)，燃燒熱效率可達到39%，甚至更高；重型汽油機瞬態(tài)循環(huán)工況下的平均燃燒熱效率低于ETC循環(huán)工況。

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