裂解器的设计及其在电控发动机上的试验

徐元利，姚春德，李旭聪

裂解器的设计及其在电控发动机上的试验

徐元利1,2，姚春德1，李旭聪1

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222)

为适应装车要求，并提高甲醇喷嘴的可靠性，研究设计了第三代甲醇裂解器. 通过对裂解器外部形状的改进设计和采用独特的回醇冷却的方式，既满足了装车要求，又解决了甲醇喷嘴高温可靠性问题. 同时，为了确保裂解气发动机的性能，在点燃式电控发动机上进行试验研究. 结果表明：研制的第三代甲醇裂解器，发动机的动力性达到了与原机相当的水平；甲醇的当量燃料消耗率较汽油降低14.3%～30.7%；最小的甲醇与汽油的容积替换比为1.43.

点燃式电控发动机；甲醇裂解器；喷油嘴可靠性；发动机性能

根据我国缺油、富煤的能源结构特点，甲醇作为替代燃料具有良好的发展前景，更是缓解我国石油能源紧张和实现汽车工业可持续发展的重要保障．

裂解气发动机就是利用发动机的废气余热和催化剂的作用，将甲醇裂解为裂解气(含氢气和一氧化碳)，然后送到发动机气缸燃烧．由于甲醇完全裂解后燃料的热值较裂解前甲醇的热值提高了20%，所以发动机的燃料经济性提高了，另外，氢气和一氧化碳的燃烧产物是水蒸气和二氧化碳，所以燃烧较清洁[1-4].

国内外学者曾在化油器点燃式发动机上进行了诸多的研究[5-9]，并取得了一些研究成果．然而，随着科技的进步，化油器式发动机已经完全被电控发动机所取代，因此，在电控发动机上进行甲醇裂解气的研究，具有非常重要的现实意义[10]．

笔者在电控发动机上，采用设计和实验相结合的方法进行研究．研制了第三代甲醇裂解器装置，并进行了相关的发动机台架实验．研制出的裂解气电控发动机样机，动力性能等同于原机，燃料消耗率以热值计低于原机，为裂解气电控发动机的开发研究奠定基础.

1 试验设备和方法

1.1发动机

所使用的原型发动机为东风日产发动机制造有限公司生产的NISSAN HR16DE型1.6,L四缸电喷汽油发动机，燃油供给系统采用气道口多点分组喷射形式图．发动机具体参数：缸径78,mm；行程83.6,mm；压缩比9.8；最大转矩153,N·m(4,400,r/min)；标定功率80,kW(6,000,r/min)．

图1是用于裂解气电喷发动机试验方案的总体设计．如图1所示，该发动机装有2套燃料供给系：汽油燃料供给系和甲醇燃料供给系．汽油燃料供给系由汽油箱、汽油泵和进气道喷射汽油喷嘴组成，该燃料系只在起动时使用，在不使用裂解气燃料时与传统燃料系相同．

附加的甲醇燃料系由甲醇箱、甲醇泵和甲醇喷嘴、甲醇裂解器、裂解气输送管等组成．甲醇裂解器串联联接在发动机的排气总管上．甲醇液体以液雾的形式通过甲醇喷嘴喷入甲醇裂解器中的预热管后，在排气管余热的作用下转变为甲醇蒸气，然后在催化剂的作用下转变为H2和CO，通过裂解气输送管于节气门前进入进气管与空气混合，而后进入发动机气缸燃烧．

图1 裂解甲醇系统示意Fig.1 Schematic of dissociated methanol system

保留原机电控单元，新开发的裂解气电控单元采集发动机的转速、节气门的开度(负荷)、过量空气系数λ及排气温度等作为输入信号，控制甲醇的喷射量，作为输出信号．

采用自行开发的电控单元，协同原机的ECU实现了由汽油模式向完全裂解气模式的平稳切换和在完全裂解气模式下的自动运行．

1.2实验设备及仪器

实验所用主要测试设备有：①WE32H水力测功机及EIM0301D发动机测控系统，用来控制发动机转矩和转速；②利用出水温度、排气温度和机油温度传感器来检测发动机的状态参数；③2台FCM05瞬态燃油消耗率测量仪分别对汽油和甲醇消耗量进行测量．

1.3实验方法及内容

为考察裂解气对电控发动机性能的影响，进行过量空气系数对发动机燃料消耗量的影响试验(转速分别为2,000,r/min、3,000,r/min和4,400,r/min，扭矩40,N·m)；合适的过量空气系数对发动机的燃料经济性的影响试验(2,000,r/min和3,500,r/min的负荷特性)；发动机的外特性试验．

2 裂解装置的设计

裂解器是甲醇裂解系统设计的关键，其性能的好坏直接关系到发动机性能的优劣．由于本研究的目标是达到车辆正常行驶的要求，即在满足性能的同时，还要满足装车要求，因此，裂解器设计力求简单实用．国内外研究的甲醇裂解系统将蒸发器和裂解器分成2个独立的部件，本研究将这2个独立的部件集成在1个装置内，该装置取名裂解器．

尽管参阅了文献[5-9]，但由于没有裂解器的研究基础，一共开发研制了3代甲醇裂解器．每一代都是在前一代的基础上，进行了实质性的改进，第3代只是为了适应装车要求，外形做了改变．

2.1第一代裂解器的设计

如图2所示，第一代甲醇裂解器的横截面为边长150,mm的正方形，长度约515,mm．沿长度方向裂解器两端，各焊接一个联接法兰，分别与前后排气管相连．裂解器内设置有预热室、预热管和催化室．预热室的外壁上设置2个甲醇喷嘴，以提高甲醇的雾化质量和汽化效果．催化室内设置有铜、锌铝催化剂．发动机的排气从前排气管进入裂解器内，对预热室、预热管和催化室的外壁加热后，从后排气管排出．甲醇液体以液雾的形式进入预热室，在预热室内将一部分甲醇汽化，转换为甲醇蒸气，然后进入预热管内，将剩下一部分没有汽化的甲醇汽化．甲醇蒸气进入催化室，在催化剂的作用下，催化裂解为甲醇裂解气．甲醇裂解气通过甲醇输送管进入发动机的进气管与空气混合，进入发动机的气缸燃烧．

该裂解器采用正向换热，即甲醇从排气管的前端进入，裂解气从排气管的后端出来，与发动机排气的方向一致．

图2 第一代裂解器的设计Fig.2 Design of the first-generation methanol reformer

由于第一代甲醇裂解器的效率较低，发动机在2,000,r/min时的扭矩最高才达到30,N·m，而且工况极不稳定，甲醇喷嘴很容易被烧化．于是对第一代甲醇裂解器结构进行了分析，其不足主要有4个方面.

(1)甲醇液体与预热室内空气接触，汽化效果差；(2)预热管弯曲半径小，加工难度大；

(3)甲醇喷嘴在500～600,℃的高温环境下，必须采取隔热措施或冷却措施，才能使其可靠性及寿命延长；

(4)裂解气输送管流通截面较小，流动阻力较大．

2.2第二代裂解器的设计

在第一代甲醇裂解器的基础上，开发研制了第二代甲醇裂解器[11]．如图3所示，其横截面与第一代甲醇裂解器相同，而长度减小到400,mm．裂解器内取消了预热室，完全由预热管取代，但预热管设计为L形，并在其上设置有许多加热片，主要是为了提高预热管的吸热和甲醇的汽化效果．催化室改为鼠笼结构，内外各设置一个圆桶，内外圆桶之间有7,mm间隙．甲醇液体以液雾的形式进入预热管内，在预热管内全部汽化为甲醇蒸气．甲醇蒸气进入催化室内外圆桶间隙内，通过内桶壁上的小孔进入内桶内，经过催化剂的作用，然后通过内桶中心设置的出气管外壁上的小孔进入出气管，再通过裂解气输送管，进入发动机的进气管与空气混合，进入发动机的气缸燃烧．

图3 第二代裂解器的设计Fig.3 Design of second-generation methanol reformer

为了改善裂解器的换热效果及提高甲醇喷嘴的可靠性及寿命，第二代裂解器采用逆向换热，即甲醇从排气管的后端进入，裂解气从排气管的前端出来，与发动机排气方向相反．另外，甲醇喷嘴还采取了隔热措施，即在喷嘴内支座的外壁上包裹几层石棉，压装于外支座的内孔中，见图4．

由于第二代甲醇裂解器甲醇液体与预热管壁面接触，汽化效果好，效率高，发动机的功率达到了原机的95%，而且工况较稳定．预热管弯曲半径大，工艺性好．甲醇喷嘴的可靠性及寿命较第一代甲醇裂解器有所提高，但仍存在不足，主要问题有：①甲醇喷嘴仍存在烧化现象；②由于甲醇喷嘴处采用石棉隔热，出现了漏气现象．

图4 甲醇喷嘴隔热结构示意Fig.4 Structure diagram of methanol nozzle insulating heat

2.3第三代裂解器的设计

针对第二代甲醇裂解器存在的问题，同时为了满足装车要求，在第二代甲醇裂解器的基础上，开发研制了第三代甲醇裂解器．如图5所示，其横截面改为椭圆形，而长度仍为400,mm．裂解器内预热管设计为直管，在其上仍设置有许多加热片．催化室用2个隔板分成3室：前室、中室和后室，隔板上钻有许多10,mm的小孔，为防止催化剂进入前室和后室，在隔板上设置一层2,mm方格的铁丝网．甲醇蒸气先进入前室，通过中室与前室之间隔板上的小孔进入中室．在催化剂的作用下，裂解为甲醇裂解气，通过中室与后室之间隔板上的小孔进入后室，然后通过裂解气输送管进入发动机的进气管与空气混合，进入发动机的气缸燃烧．

第三代裂解器仍采用逆向换热方式．为了解决甲醇喷嘴在工作中易被烧化问题，第三代裂解器的重要改进是甲醇喷嘴采用回醇方式进行冷却，即在喷嘴支座内设置冷却腔，甲醇液体通过冷却腔，对喷嘴支座进行冷却，然后回到醇泵箱内，从而达到提高甲醇喷嘴可靠性和寿命的目的．工作中发现，该结构有效地避免了甲醇喷嘴的烧损，满足长期使用的要求．

图5 第三代裂解器的设计Fig.5 Design of the third-generation methanol reformer

第三代甲醇裂解器与第二代甲醇裂解器具有相同的效率，发动机的功率仍可达到原机的95%，而且工况较稳定．由于预热管改为直管，加工更加容易，同时也有利于提高可靠性．甲醇喷嘴采用回醇冷却后，可靠性及寿命得到保证，未出现过甲醇喷嘴被烧化的现象．裂解器的外形设计成椭圆形，满足装车要求.

3 实验结果与分析

第二代裂解器性能和排放在文献[9]中进行过研究．由于第三代裂解器为了适应装车要求，在外形和内部结构上做了较大改进，因此，在装车前有必要对第三代裂解器的性能进行研究，以确保裂解气汽车的动力性和经济性．

3.1过量空气系数对甲醇消耗量的影响

图6给出了负荷均为40,N·m，转速分别为2,000,r/min、3,000,r/min和4,400,r/min下的燃料消耗量随过量空气系数λ的变化曲线．由图6可见，随着过量空气系数的增加，甲醇的消耗量降低．可见裂解气稀薄燃烧是甲醇高效燃烧的有效途径．

图6 过量空气系数对甲醇消耗量的影响Fig.6 Effects of excess air ratio on methanol consumption

发动机经济性改善有以下几方面的原因：节流损失减小，在给定功率输出下，混合气的稀薄化，即增大了过量空气系数，升高了发动机进气管内压力，减小了节流损失，也大为减少了发动机混合气泵入气缸时所消耗的泵气功，这样发动机有效效率得以提高；采用裂解气作为燃料并实现稀薄燃烧，使发动机最佳节气门开度增加，从而使进入气缸的空气量增加，因此大量空气的稀释作用，使最高燃烧温度下降，从而导致了传热损失的减少．另外，燃烧温度的降低，使燃烧产物的高温分解作用减弱，从而提高了燃料燃烧的利用率；更重要的是，甲醇裂解气的产生来源于废气中的余热．大量排出的余热得到有效利用，提升了燃料能源品位，提高了燃料的利用效率．研究结果表明，裂解气中除含有H2和CO外，还含有一定量的CH3OH蒸气，三者的比例随发动机的工况而变化．根据液体甲醇、甲醇蒸气及甲醇裂解气(H2+ CO)的质量热值计算得到，甲醇液体受热转换为甲醇蒸气时，燃料的低热值增加6%，甲醇蒸气再转换为甲醇裂解气时，燃料的低热值又增加14%．由于各工况下，裂解气中各成分的比例不同，故燃料低热值的增加幅度不同．总体来说，甲醇裂解率越高，燃料低热值的增加程度越大，发动机热效率增加程度也相应越大．

在试验中发现，虽然甲醇裂解气具有相当强的稀薄燃烧能力，但是当过量空气系数大于1.7以后，工况变得不太稳定，所以试验中，将过量空气系数控制在1.7以下．

3.2裂解气与汽油的经济性比较

图7和图8分别给出了转速为2,000,r/min和3,500,r/min负荷特性下甲醇的当量燃料消耗率和容积替换比．各工况过量空气系数λ均控制在1.4～1.6之间．

由图7可见，发动机燃用裂解气作燃料时，甲醇的当量燃料消耗率较汽油明显降低，最大降低30.7%，最小降低14.3%．当量燃料消耗率计算式为

式中：HLg为汽油的质量热值，HLg=43.9,MJ/kg；HLm代表甲醇的质量热值，HLm=19.916,MJ/kg；Gg和Gm分别为汽油和甲醇的燃料消耗量，kg/h；Pe代表功率，kW．由此可以看出，利用废气余热将甲醇裂解为裂解气燃烧，发动机的热效率更高．

采用裂解气作燃料时，由图8可见，各工况下甲醇与汽油的容积替换比(相同工况下采用裂解气作燃料时甲醇的容积消耗量与采用汽油作燃料时汽油的容积消耗量的比值)较小，最小达到了1.43．

图7 裂解气的当量燃料消耗率Fig.7 Equivalent specific fuel consumption of dissociated methanoland compared to gasoline

图8 裂解气与汽油的容积替换比Fig.8 Volume substitution ratio of methanol to gasoline

从过量空气系数对甲醇燃料消耗量的影响可知，随着过量空气系数的增大，燃料消耗量随之下降．由于在试验中，过量空气系数难于调整，进行负荷特性试验时，各工况下的过量空气系数不一定在较理想的状态，所以裂解气的燃料经济性还有进一步优化的潜力．

3.3裂解气与汽油的动力性比较

为了考查裂解气发动机的动力性，对裂解气发动机的外特性进行了试验．由于该发动机高速游车，所以发动机的最高转速低于原机的标定转速，试验结果见图9．由图9可以看出，利用废气余热将甲醇裂解为裂解气使用，通过采用较稀混合气燃烧，发动机的动力性可以达到原汽油机的95%以上．

图9 裂解气与汽油的动力性Fig.9 Power performance of dissociated methanoland compared to gasoline

4 结 论

(1) 第三代裂解器通过采用逆向换热和带有加热片的预热直管及预热管内直喷甲醇技术，在电喷发动机上实现了纯甲醇裂解气作燃料的应用．

(2) 甲醇喷嘴采用回醇冷却技术，确保了其高温环境下的可靠性及寿命．裂解器的外形设计成椭圆形，满足装车要求．

(3) 利用废气余热产生裂解气及裂解气的稀薄燃烧可以提高发动机的燃料经济性，而发动机的动力性基本保持不变．

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Design of Methanol Reformer and Its Experiment on SI Electronic-Controlled Engine

XU Yuan-li1,2，YAO Chun-de1，LI Xu-cong1
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China)

A third-generation methanol reformer，which can dissociate methanol by exhaust heat，for electroniccontrolled engine was developed and tested. The testing results show that the engine with the reformer can improve the thermal efficiency，and equivalent specific fuel三者consumption of methanol reduced by 14.3%—30.7% compared to gasoline and keep the power performance. The minimum substitution ratio of methanol to gasoline can reach 1.43(on volume).

SI electronic-controlled engine；methanol reformer；nozzle reliability；engine performance

TK402

A

0493-2137(2012)03-273-06

2010-09-28；

2011-04-25.

国家自然科学基金资助项目(50876075)；教育部博士点基金资助项目(200800560040)．

徐元利（1968— ），男，博士，高级工程师.

徐元利，xuyuanli2006@126.com．