甲醇燃料供油系統(tǒng)研究

收稿日期：2024-05-16

作者簡介

梅光燦，工程師，主要從事汽車供油系統(tǒng)開發(fā)工作。

【摘 要】文章通過設(shè)計一套甲醇燃料供給、燃燒及控制系統(tǒng)，滿足任意甲醇與汽油比例混合燃料的燃燒比，解決當前階段部分區(qū)域無甲醇燃料可加注的現(xiàn)狀，消除客戶使用續(xù)航焦慮，提升甲醇推廣及使用可行性。同時通過簡化供油系統(tǒng)設(shè)計方案，降低系統(tǒng)脫附及泄漏診斷復(fù)雜度，減少系統(tǒng)失效風險，提升系統(tǒng)方案魯棒性。

【關(guān)鍵詞】甲醇；續(xù)航焦慮；系統(tǒng)魯棒性

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0016-03

Research on Methanol Fuel Oil Supply System

MEI Guangcan， MA Diantao，MA Xinying，LI Zhenglv，CHEN Xiaojun，SUN Xiaoping

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.，Ltd.，Ningbo 315336，China）

【Abstract】A set of methanol fuel supply，combustion and control system is designed to satisfy the combustion of any mixture of methanol and gasoline，solve the current situation that no methanol fuel can be refilled in some areas，eliminate customers' anxiety about service life，and improve the feasibility of methanol promotion and use. At the same time，by simplifying the design scheme of the oil supply system，reducing the complexity of system desorption and leak diagnosis，reducing the risk of system failure and improving the robustness of the system scheme.

【Key words】methanol；endurance anxiety；system robustness

中國石油自給率不足30%，故對外依存度超過70%。甲醇是低碳、含氧燃料，具有燃燒高效、排放清潔、可再生綠色屬性等特點，且常溫常態(tài)下為液體，使得儲存、運輸、使用及能量形式轉(zhuǎn)換為其他新能源和清潔能源更加安全便捷。在實現(xiàn)全球碳中和戰(zhàn)略背景下，甲醇由于生產(chǎn)來源廣泛、經(jīng)濟體量巨大、全產(chǎn)業(yè)鏈可持續(xù)發(fā)展，已逐步成為全球業(yè)界公認的一種理想的新型清潔可再生燃料。中國是全球最大的甲醇生產(chǎn)國和消費國，而交通是重要的能源消費領(lǐng)域，開發(fā)使用低碳甲醇燃料車輛，可減少二氧化碳排放，助力碳中和，保障中國交通領(lǐng)域能源安全。

目前現(xiàn)有車輛開發(fā)方案中，采用2個燃油箱分別完成對車輛冷起動及正常運行。其中小油箱中存儲汽油，在車輛冷起動時使用汽油，完成車輛冷起動。冷起動成功后，由發(fā)動機控制系統(tǒng)切換選用甲醇，車輛正常運行。本文通過設(shè)計一個油箱同時存儲甲醇及汽油，按不同甲醇與汽油比例混合燃料的開發(fā)方案進行研究，為后續(xù)車型供油系統(tǒng)開發(fā)靈活燃料提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 供油系統(tǒng)方案

供油系統(tǒng)采用一個燃油箱，零部件設(shè)計方案兼顧儲存及燃燒甲醇、汽油及甲醇與汽油的任何比例混合燃料。供油系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

燃油甲醇濃度通過安裝在燃油管路上的靈活燃料傳感器測得，燃料流過傳感器測量單元并填充在2個電極之間的空間。隨著燃料中甲醇/汽油的比例變化，燃料中的相對介電常數(shù)以及2個電極之間的電容也隨之變化。測量2個電極之間的電容并計算得到燃料的介電常數(shù)，根據(jù)介電常數(shù)及溫度推斷出當前燃料中的甲醇/汽油混合比例。通過該燃料傳感器能夠在線實時檢測燃料中的混合比例，將燃料比例信息輸出給發(fā)動機控制單元，解決不同比例的燃料與發(fā)動機工況的匹配問題。

1.2 燃燒控制系統(tǒng)策略

為確?？蛻粼谶x用任意比例燃料時，發(fā)動機工作平順及燃燒處于最佳燃燒點，對燃料中的混合比例進行采集及調(diào)控閉環(huán)反饋。燃燒控制策略如圖2所示。

在確定發(fā)動機管理系統(tǒng)被喚醒或者電源模式處于開啟狀態(tài)后，采集發(fā)動機的第一水溫以及第一轉(zhuǎn)速。在第一水溫小于第一預(yù)設(shè)溫度且第一轉(zhuǎn)速小于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時，控制器控制預(yù)加熱單元對燃油進行預(yù)加熱，并控制油門開度為預(yù)設(shè)值。其中，第一水溫小于第一預(yù)設(shè)溫度且第一轉(zhuǎn)速小于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，表示發(fā)動機處于冷起動過程，甲醇霧化能力較低，通過預(yù)加熱提高甲醇霧化能力，使得采用甲醇燃料能夠完成冷起動過程，以降低對汽油的依賴性。在第一水溫大于等于第一預(yù)設(shè)溫度，或第一轉(zhuǎn)速大于等于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時，控制器實時采集第一油門開度，并根據(jù)第一燃油甲醇濃度、預(yù)設(shè)燃油泵工作壓力以及第一油門開度，確定目標油門開度。

發(fā)動機起動后，實時采集第二水溫、第二油門開度以及第二燃油甲醇濃度，根據(jù)第二水溫、第二油門開度以及第二燃油甲醇濃度，確定目標油門開度。

1.3 系統(tǒng)泄漏診斷方案

主副2個油箱診斷策略方案如圖3所示，單一油箱診斷策略方案如圖4所示。對比圖3、圖4，通過采用一套車輛燃油供給系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)設(shè)計方案，降低系統(tǒng)泄漏診斷復(fù)雜度，減少系統(tǒng)失效風險，提升系統(tǒng)方案魯棒性。以上方案的簡化，大大降低系統(tǒng)成本，同時也有助于整車成本優(yōu)化。

2 系統(tǒng)方案驗證

2.1 燃料傳感器驗證

燃燒過程中，發(fā)動機需及時精準接收到供油系統(tǒng)進入發(fā)動機燃燒燃料的甲醇燃料比例，因而燃料傳感器可靠性至關(guān)重要。為此，需要按照環(huán)境溫度及甲醇濃度對燃料傳感器進行測試，分析其對結(jié)果的影響。測試條件如下所述。

1）環(huán)境溫度變量：45℃、25℃、5℃、-15℃。

2）甲醇燃料濃度變量：0、25%、50%、75%。

3）測量結(jié)果：多次測量傳感器輸出的頻率，計算平均值及均方差。

測試結(jié)果表明燃料傳感器輸出頻率線性及測量一致性較好，傳感器用于測試甲醇/汽油混合燃料比例可靠性高。傳感器不同濃度輸出頻率如圖5所示，傳感器不同濃度輸出偏差如圖6所示。

2.2 系統(tǒng)診斷驗證

正常氣密合格系統(tǒng)診斷測試如圖7所示，裝配標準泄漏孔系統(tǒng)診斷測試如圖8所示。通過對混合有甲醇及汽油燃料的車輛，進行系統(tǒng)泄漏診斷測試。測試結(jié)果驗證方案有效可行。

2.3 整車低溫起動驗證（圖9）

甲醇燃料具有高引燃溫度、高汽化潛熱和低蒸汽壓的特性，低溫起動問題是混合燃料能否實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過設(shè)計的燃燒控制策略，經(jīng)環(huán)境艙驗證，純甲醇（M100）能在-36℃低溫環(huán)境下起動成功，起動時間1.06s。驗證表明方案可行。

3 結(jié)論

本文通過采用一個燃油箱，同時儲存甲醇、汽油或甲醇與汽油的混合燃料，減少當前階段部分區(qū)域無甲醇燃料可加注現(xiàn)狀，解決客戶使用續(xù)航焦慮，加大甲醇使用可行性。該車輛燃油供給系統(tǒng)，既能簡化系統(tǒng)設(shè)計方案，降低系統(tǒng)泄漏診斷的復(fù)雜度，也能減少系統(tǒng)失效風險，提升系統(tǒng)方案魯棒性。此方案大大降低了系統(tǒng)成本，有助于整車成本優(yōu)化，可進一步推動甲醇車輛在市場中的競爭力，潛在推動甲醇車輛的市場推廣及運用。

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（編輯 凌 波）