甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇/汽油切換噴射控制方法的優(yōu)化

黃玉平 曹石 秦濤 孫松友

摘要：本文對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫狀態(tài)下難以起動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行了論述，并分析了造成的原因，給出了使用同一組噴射驅(qū)動(dòng)針腳實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇和汽油切換的優(yōu)化控制方法。

Abstract： This paper discusses the difficulty of starting methanol engine at low temperature， analyzes the causes， and presents an optimal control method for methanol and gasoline switching by using the same set of injection drive pins.

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動(dòng)機(jī);噴射控制;優(yōu)化方法

Key words： methanol engine;the injection control;optimal control method

中圖分類號(hào)：U464.173? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0201-02

1? 研究背景

甲醇燃料是一種新型的清潔燃料，通過(guò)往工業(yè)甲醇或燃料甲醇中加入變性醇添加劑，然后與現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)汽柴油（或組分油），按照一定的體積比或者重量比，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的科學(xué)工藝配制而成。其使用范圍廣泛，可代替汽/柴油廣泛應(yīng)用于各種車輛及鍋灶爐使用。甲醇可添加到汽油或者柴油中，配制成甲醇汽油燃料或者甲醇柴油燃料。甲醇汽油和甲醇柴油是新能源的重要組成部分，可替代傳統(tǒng)化石燃料。隨著人類對(duì)原油資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，能源短缺問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，其中全球70%以上的原油消耗是在車用燃料領(lǐng)域，新能源的使用迫在眉睫。甲醇柴油也是一種新型環(huán)保燃料，主要成分是柴油、甲醇以及部分添加劑。根據(jù)不同的用途，各成分的比例會(huì)有所不同，甲醇柴油中甲醇的比例一般為15%、50%或者90%。甲醇柴油的外觀與普通柴油相近，也是一種澄清透明液體，兩者的粘度、熱值等指標(biāo)也相近，在各種內(nèi)燃機(jī)車、工業(yè)鍋爐及灶爐等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)70年代開(kāi)始國(guó)外對(duì)甲醇燃料進(jìn)行了大量研究，經(jīng)歷過(guò)兩次石油危機(jī)的影響后，各國(guó)逐漸意識(shí)到發(fā)展石油替代燃料的重要性[1]。甲醇燃料與普通的汽油燃料相比優(yōu)勢(shì)明顯，價(jià)格低，而且燃燒清潔，關(guān)鍵在于物理化學(xué)性能與汽油相近。我們國(guó)家對(duì)甲醇燃料的研究應(yīng)用主要集中在車用甲醇燃料領(lǐng)域，車用甲醇汽油和甲醇燃料技術(shù)已經(jīng)比較成熟。作為一種新型的清潔燃料，甲醇燃料的技術(shù)性能具有比較大的優(yōu)勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇替代傳統(tǒng)燃料時(shí)的優(yōu)點(diǎn)主要包括：①不需要對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)做大的改動(dòng)，在原發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不受影響的前提下，能夠很好的改善經(jīng)濟(jì)性和排放性;②在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面，由于甲醇燃料也是一種液體燃料，可以采用與石油燃料相同的儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)，因此可大大降低基礎(chǔ)設(shè)施的投入;③甲醇燃料燃燒后的產(chǎn)物主要是水和二氧化碳，對(duì)環(huán)境污染小，而且HC和顆粒物的排放也要比石油、煤等化石燃料低得多，屬于一種清潔的車用發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料。但相比于汽油、柴油等燃料，甲醇的甲醛排放略高，針對(duì)此問(wèn)題可采用設(shè)置雙三元催化器的方法來(lái)控制甲醛的排放。

2? 甲醇燃料的應(yīng)用

甲醇燃料在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用，經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)艱難的研發(fā)過(guò)程，甲醇的摻燒比例最開(kāi)始是低比例摻燒，其中的M15甲醇占15%，20世紀(jì)80年代后期發(fā)展到高比例（M85～M100）摻燒。美國(guó)對(duì)柔性燃料汽車（FFV：Flexible Fuel Vehicle）的開(kāi)發(fā)始于1987年，這種汽車能夠同時(shí)使用汽油、甲醇或者汽油和甲醇的混合物。日本在甲醇燃料的應(yīng)用領(lǐng)域主要是開(kāi)發(fā)甲醇專用車，而不是柔性燃料車（FFV），經(jīng)過(guò)幾十年不斷的研究開(kāi)發(fā)，技術(shù)問(wèn)題也已基本解決。

甲醇燃料的燃燒特性有兩大特點(diǎn)：①非常好的抗爆性能，能夠在高于優(yōu)質(zhì)汽油所容許的壓力下燃燒而不會(huì)產(chǎn)生爆震。甲醇燃料的這種特性在高壓縮比、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上尤為重要，其高辛烷值的作用可以得到充分發(fā)揮，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率;②非常好的冷卻作用，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)不致于高溫。甲醇燃料的缺點(diǎn)是能量較低，行駛同樣距離的消耗量幾乎是汽油消耗量的一倍，因此使用車輛就需要配備更大的油箱。甲醇燃料的優(yōu)點(diǎn)是燃燒充分，揮發(fā)性低，排放的碳?xì)浠衔?、氧化氮和一氧化碳等有害氣體比較少。

3? 甲醇燃料的車用技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 甲醇汽油燃料的比例? 不同比例的甲醇汽油穩(wěn)定性有所不同，甲醇汽油體系中存在著不同作用力，這些作用力包括甲醇分子間氫鍵的作用力和甲醇與汽油、汽油與汽油之間的分子間作用力。當(dāng)所含甲醇的比例較低時(shí)，甲醇與汽油分子間的作用力要強(qiáng)于氫鍵的作用力，因此會(huì)表現(xiàn)出比較好的互溶性。隨著所含甲醇比例的增大，甲醇分子間氫鍵的作用力會(huì)逐漸強(qiáng)于汽油分子間的作用力，因此甲醇汽油互溶性會(huì)降低。但當(dāng)溫度高于臨界值，甲醇與汽油可以以任意的比例互溶。由于甲醇的各項(xiàng)性能指標(biāo)與汽油接近，所以甲醇燃料更廣泛的應(yīng)用在汽油車上。

根據(jù)車用甲醇汽油燃料中甲醇所占比例的高低，車用甲醇燃料可分為低比例甲醇汽油，中比例甲醇汽油及高比例甲醇汽油。目前，低比例甲醇汽油在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，甲醇燃料中不需要再額外添加助溶劑和腐蝕抑制劑，即可完全代替汽油使用。對(duì)于中比例甲醇汽油，由于受到分子間作用力的影響，甲醇與汽油的互溶性極差，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，因此中比例甲醇汽油的應(yīng)用極少。高比例甲醇汽油燃料中甲醇多占比例更高，經(jīng)濟(jì)性更好，其應(yīng)用范圍也更廣。而高比例甲醇汽油的物理化學(xué)性能更加接近于甲醇，由于甲醇汽化潛熱值大，而且具有腐蝕溶脹性等特點(diǎn)，所以需要對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝或者生產(chǎn)專門的甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.2 高比例甲醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問(wèn)題? 甲醇在低溫下的著火濃度偏濃，受到甲醇飽和蒸汽壓的限制，甲醇蒸汽的濃度不能達(dá)到最低的著火極限，而且甲醇的汽化潛熱是汽油的7倍，又進(jìn)一步降低了甲醇蒸汽的溫度，導(dǎo)致甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在10攝氏度以下起動(dòng)困難[2]。現(xiàn)有的技術(shù)中，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下起動(dòng)和運(yùn)行通常先采用汽油模式，等溫度升高后再切換成甲醇模式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙燃料噴射系統(tǒng)時(shí)，被替代的發(fā)動(dòng)機(jī)需要有兩套獨(dú)立的噴油泵和噴油器系統(tǒng)，其中一套系統(tǒng)用來(lái)噴射汽油燃料，另一套系統(tǒng)用來(lái)噴射甲醇燃料，目的是保證甲醇燃料在缸內(nèi)能夠順利的進(jìn)行混合霧化燃燒。此方法對(duì)甲醇燃料本身的性能要求比較低，甲醇燃料的替代率較高，但缺點(diǎn)是這種噴射模式需要對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行較大的改動(dòng)，會(huì)大大增加成本，該方法一般應(yīng)用于缸徑比較大的發(fā)動(dòng)機(jī)上。另外，使用該種方法時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能主要受到引燃油束的噴射角度、噴射定時(shí)以及引燃油量的數(shù)量的影響。

4? 問(wèn)題分析

甲醇燃料大多是在燃料甲醇或者工業(yè)甲醇中添加了變性醇添加劑后，再與現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)汽柴油按照一定的體積比經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的科學(xué)工藝調(diào)配而成。最早生產(chǎn)甲醇的方法是氯甲烷水解法和木材干餾法[3]。我國(guó)制備甲醇一般使用煤炭作為原料，甲醇常溫下為液態(tài)，方便運(yùn)輸，含氧50%，有利于完全燃燒，能夠降低CO和HC的排放。但是辛烷值要高于汽油，抗爆性好，汽化潛熱大，飽和蒸汽壓低，著火極限偏濃，這就導(dǎo)致冷啟動(dòng)困難，十六烷值低，因此不能直接應(yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，所以甲醇燃料常用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)或者柴油甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

以甲醇為主要燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于純甲醇冷啟動(dòng)困難，而且甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，所以純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下采用汽油啟動(dòng)，待溫度上升后再切換成甲醇燃料模式。

5? 燃料噴射控制方法優(yōu)化

以常用的六缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)為例，為了控制甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，電控系統(tǒng)（ECU）除了需要具有6路甲醇噴射驅(qū)動(dòng)、6路點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)外，還需要額外6路汽油噴射驅(qū)動(dòng)。除了重新設(shè)計(jì)針對(duì)此類應(yīng)用場(chǎng)景的電控系統(tǒng)以外，現(xiàn)有的電控系統(tǒng)很少有足夠的驅(qū)動(dòng)針腳來(lái)滿足匹配甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，需要額外增加一個(gè)切換開(kāi)關(guān)和控制系統(tǒng)單獨(dú)控制汽油，增加了控制成本和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。筆者研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)噴射控制方法及系統(tǒng)，采用常規(guī)的6缸點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的同一組噴射驅(qū)動(dòng)針腳實(shí)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油和甲醇噴射控制，不需要額外設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)或者增加汽油噴射控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)成本。

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫下很難通過(guò)甲醇模式起動(dòng)，所以低溫下需要采用汽油模式起動(dòng)，待溫度升高后切換成甲醇模式進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，由于汽油和甲醇同為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的常用燃料，且噴射閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)一致或相近，所以采用電控系統(tǒng)中的同一組驅(qū)動(dòng)針腳來(lái)實(shí)現(xiàn)甲醇和汽油的噴射驅(qū)動(dòng)，只需要根據(jù)不同的噴射控制模式來(lái)切換甲醇和汽油的噴射控制參數(shù)即可，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作工況下同一組噴射驅(qū)動(dòng)針腳無(wú)法很好的切換、銜接噴射兩種燃料，所以識(shí)別斷油工況，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入斷油工況后，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求噴射量為0，噴射閥關(guān)閉，如果當(dāng)前溫度滿足切換成甲醇模式，則通過(guò)噴射控制模式將噴射裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)噴射控制參數(shù)切換成甲醇模式，待發(fā)動(dòng)機(jī)退出斷油工況進(jìn)入工作工況后采用甲醇模式運(yùn)行。

具體控制流程如圖1，其中閾值1、2、3為標(biāo)定量，可以根據(jù)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理標(biāo)定。噴射模式中的汽油模式和甲醇模式，分別對(duì)應(yīng)噴射汽油和噴射甲醇，對(duì)應(yīng)模式置位后要切換噴射閥的控制參數(shù)也要打開(kāi)對(duì)應(yīng)燃料的供給系統(tǒng)，如打開(kāi)汽油或甲醇供給管路上的切斷電磁閥，打開(kāi)汽油泵、甲醇泵的驅(qū)動(dòng)等，其中，噴射閥控制參數(shù)除了包含噴射閥驅(qū)動(dòng)參數(shù)外，還包含噴射提前角、噴射加電時(shí)間以及噴射時(shí)序等。

6? 結(jié)束語(yǔ)

筆者在現(xiàn)有的控制模式的基礎(chǔ)上，對(duì)甲醇/汽油的噴射控制方法進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了使用發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的同一組噴射驅(qū)動(dòng)針腳對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油和甲醇噴射模式的控制，不需要額外設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)或者增加汽油噴射控制系統(tǒng)，既提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，又降低了系統(tǒng)成本。

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