甲醇汽油机怠速稀燃特性的试验研究

王乐俊, 吴斌, 申辛未， 闫荣彬， 岳翔

(北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)



甲醇汽油机怠速稀燃特性的试验研究

王乐俊, 吴斌, 申辛未， 闫荣彬， 岳翔

(北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)

为改善传统汽油机怠速稀燃的燃烧与排放特性，在1台加装了电控甲醇喷射系统的汽油机上对燃用汽油(M0)、50%质量比例甲醇汽油(M50)和纯甲醇(M100)3种燃料的发动机的怠速稀燃特性进行了试验研究。试验先后在过量空气系数φa=1.1和φa=1.3两组稀燃工况下进行，怠速转速稳定在800r/min左右。试验结果表明：添加甲醇后，两组稀燃工况下指示热效率均有所提升；发动机的火焰发展期、快速燃烧期和平均指示压力的循环变动系数随着甲醇比例的增加而降低；甲醇能够显著降低发动机怠速稀燃工况下的HC和NOx排放，CO2排放随着甲醇含量的增加也略有降低。

汽油机； 怠速； 稀燃； 甲醇； 燃烧； 排放

城市路况下，怠速工况约占发动机总运行时间的1/3，消耗的燃油占总油耗的30%[1]。但怠速时，由于缸内残余废气系数较大及混合气分布不均，燃料难以充分燃烧，从而导致发动机的能量消耗增大、排放增加。因此，降低怠速工况的燃油消耗和排放对于改善汽油机工作性能具有重要的意义。

稀燃被认为是怠速工况下提高发动机热效率和降低排放的重要措施[2-4]，但由于传统汽油燃料的燃烧速度较慢，稀燃界限较窄，在稀燃时往往会产生循环变动增大、燃油消耗上升、排放恶化等问题。甲醇是较常见的汽油替代燃料，其因燃烧特性良好、制取来源丰富、排放性能优异等特点[5]受到了极大关注[6-8]。甲醇和汽油的物化特性在许多方面存在较大的差异，甲醇的层流火焰速度远快于汽油，稀燃界限较汽油宽。这些性质都预示着甲醇在提高汽油机怠速稀燃性能方面具有很大的潜力。

目前，国内外关于甲醇代用燃料的研究主要集中在发动机外特性和负荷特性下的动力性、经济性和排放性，对甲醇怠速稀燃特性的关注还不是很多。本研究将探究不同比例甲醇汽油(M0，M50和M100)对汽油机怠速稀燃的经济性、燃烧过程及排放的影响。

1 试验系统和试验方法

1.1 试验系统

试验在1台4缸汽油机上进行，该发动机的主要技术参数见表1。为了实现不同比例甲醇汽油的喷射，在原机汽油喷射装置的基础上，在进气歧管下方靠近进气口的位置加装了一套甲醇喷射装置。试验发动机采用进气凸轮轴连续可调方式(CVVT)，为降低残余废气系数，保证发动机怠速燃烧的稳定性，在本试验中将进气凸轮轴开启位置控制在进气上止点后8°曲轴转角，进、排气门的重叠角为2°曲轴转角。为了排除进气不均和喷油嘴差异对试验缸空燃比控制的影响，将氧传感器单独安装在发动机第4缸(试验缸)的排气歧管上。

表1 试验发动机基本参数

图1示出试验系统的结构示意。控制单元采用自主开发的双燃料ECU，并通过USB/CAN卡与上位机进行通信，通过运行在上位机的标定软件可以在线调节点火提前角和怠速阀开度，并能够独立控制甲醇和汽油的喷射脉宽。安装在第4缸的Kistler6117BFD15火花塞式缸压传感器用于测量发动机的缸压数据，经电荷放大器放大后输出给LMS数据采集仪。EPC260编码器用于监测曲轴自由端的转速信号，其输出接入LMS数据采集仪，作为角度域数据处理的参考通道。BOSCH LSU4.9宽域氧传感器用于测量发动机尾气的空燃比(测量误差为±0.01)。试验系统采用HZL-20电子秤(测量误差为±0.2 g)记录汽油和甲醇消耗的质量。采用FGA4000XDS五组分气体分析仪测量三元催化器前的HC，CO，CO2和NOx体积分数。其中，HC，CO和CO2采用红外法测量，量程分别为10×10-3，10%，20%，NOx采用电化学法，量程为20×10-3，4种排放物的测量精度均为测量值的±5%。

1.2 试验方法

图2示出试验ECU采用的怠速稀燃控制策略。首先进行汽油稀燃试验，运用PI算法分别调节汽油的喷射脉宽和怠速阀开度以稳定发动机转速和过量空气系数。随后手动增加甲醇的喷射脉宽，此时汽油的喷射脉宽在PI控制算法的作用下会自动降低以稳定发动机转速，从而进行不同比例甲醇汽油的怠速稀燃试验。进入纯甲醇试验后，由于汽油喷射脉宽为零，稳定发动机转速改由通过PI算法控制甲醇的喷射脉宽实现。试验中甲醇和汽油的喷射相位均为排气上止点前180°。试验以MΦ代指不同比例甲醇汽油，其中甲醇的质量比例Φ定义为

(1)

为了排除发动机温度对试验结果的影响，试验过程中将发动机水温控制在(90±1) ℃。怠速转速稳定在800r/min左右。试验在φa=1.1和φa=1.3两组稀燃工况下进行，两组工况的点火提前角分别设置为16°和20°曲轴转角。

试验时首先调整好各控制参数，待发动机的转速、水温和空燃比等稳定后，应用LMSTestLab12A/SignatureTest-Advanced软件记录200个循环的缸压和转速数据，应用FGA4000XDS串行口通信软件记录200s的排放数据，同时对甲醇和汽油燃料的消耗量进行测量。试验结束后，将测得的缸压及曲轴转角数据导入CDA燃烧分析软件对缸内的燃烧性能进行离线分析。

2 试验结果与分析

2.1 怠速稀燃经济性分析

图3示出两组空燃比下燃用不同比例甲醇汽油的指示燃油消耗率(bi)对比。从图中可以看出，随着甲醇比例的提高，燃料总消耗量明显上升。两组空燃比下的总油耗从M0的422.0g/(kW·h)和364.8g/(kW·h)分别增长至M100的787.3g/(kW·h)和697g/(kW·h)，增幅达到87%和91%。造成这种现象的主要原因是甲醇的低热值远低于汽油，为了产生相同的输出功率，需要燃烧更多的甲醇。从图中还可以看出，随着过量空气系数的增加，燃用3种燃料的燃油消耗率均有所降低。一方面与混合气燃烧更加充分有关，另一方面，混合气变稀降低了缸内燃烧温度，传热损失相对减少。

为了消除燃料热值的影响，用指示热效率来比较两种燃料的经济性(见表2)。从表2可以看出，添加甲醇后，两组稀燃工况下汽油机的热效率约提高3%。这是因为甲醇的层流火焰速度远高于汽油，促使燃料在上止点附近更加迅速地燃烧，提高了燃烧定容度，从而提高了热效率。甲醇分子的含氧特性也有助于改善气缸内局部贫氧区域的混合气均匀程度，使燃料燃烧更加充分。甲醇燃烧产物的比热容更大，有利于降低燃烧温度和排气温度，发动机的传热损失相对减少。此外，甲醇燃烧前后生成物对反应物更高的摩尔比(1.061)引起膨胀功略有增加，也是汽油机热效率提高的原因。从表2还可以看出，燃用纯甲醇后，发动机的热效率相比于M50不再升高，φa=1.1时，热效率基本不变，φa=1.3时，热效率略有降低。

表2不同比例甲醇汽油指示热效率%

燃料M0M50M100ϕa=1.119.922.822.7ϕa=1.323.026.925.7

2.2 怠速稀燃燃烧过程分析

图4示出两组空燃比下，燃用不同比例甲醇汽油时缸压随曲轴转角的变化规律。添加甲醇后，缸压曲线的峰值压力明显增加，峰值压力对应的曲轴转角(峰值压力相位)也有所提前。这与刘圣华[9]等学者在负荷工况下的试验结果相一致。造成这种现象的主要原因是甲醇的层流火焰速度快于汽油。从图中还能发现，过量空气系数从1.1增大至1.3后，3组燃料缸压的峰值均有所降低，这主要是因为缸内混合气变稀后燃烧速度变慢。

图5示出过量空气系数为1.1时，汽油和纯甲醇试验的火焰发展期θ0-10(自火花塞点火至已燃质量分数为10%所经历的曲轴转角)和快速燃烧期θ10-90(已燃质量分数从10%至90%所经历的曲轴转角)随循环数的变化规律。从图中可以看出，试验发动机燃用甲醇后，θ0-10和θ10-90明显降低。其中火焰发展期的平均值从M0的27.4°降低到M100的20.5°,而快速燃烧期则从29.2°减小至20.4°。此外还可以看出，燃用纯甲醇燃料后，θ0-10和θ10-90围绕其平均值的波动幅度明显减小。这说明甲醇可以有效地降低火焰发展期和快速燃烧期的循环变动,提高汽油机燃烧的稳定性。

甲醇较大的汽化潜热(约为汽油的3.5倍)所带来的发动机充气效率的提升和甲醇分子的含氧特性可使各循环间火花塞电极附近混合气状态更加稳定。因此添加甲醇后，发动机的火焰发展期及其循环变动均有所降低。而快速燃烧期相似的变化规律则主要可归结于甲醇较快的层流火焰速度。

2.3 怠速稀燃循环变动分析

怠速稳定性是评价发动机性能的重要指标，怠速不稳会使发动机经济性恶化，有害排放上升。用平均指示有效压力的循环变动系数Covpi[10]来表征发动机的怠速稳定性能。

图6示出过量空气系数为1.1和1.3时，Covpi随甲醇比例的变化。当φa=1.3时，随着甲醇比例的增加，指示压力的循环变动系数迅速降低，从汽油的11.2%下降到M50的6.7%和纯甲醇的3.3%，分别下降了40%和70.6%。造成这种现象的原因是当缸内混合气过稀后，汽油的燃烧速度变慢，循环变动增大，甚至开始发生失火现象，因此当φa=1.3时，汽油的循环系数最大；而甲醇的层流火焰速度快于汽油，稀燃极限较汽油更宽，添加甲醇后，火焰燃烧速度加快，有效缩短了发动机的火焰发展期和快速燃烧期，从而降低了指示压力的循环变动系数。当过量空气系数降低至1.1后，缸内混合气变浓，燃烧速度加快，所以φa=1.1时指示压力的循环变动系数都较φa=1.3时低，并且随着甲醇比例的增加Covpi也仅略有降低。

2.4 怠速稀燃排放特性分析

图7示出φa=1.1和φa=1.3时，燃用不同燃料时的HC，NOx，CO2排放。从图7a中可以看出，随着甲醇比例的增大，尾气中的HC浓度迅速降低。对于φa=1.1和φa=1.3工况，纯甲醇试验的HC浓度相比于汽油试验分别下降了45.9%和55.4%。首先，不完全燃烧是HC排放的重要来源，虽然稀燃条件下燃料基本可以充分燃烧，但在局部区域仍然存在混合气浓度不均、燃烧不完全的现象，而甲醇分子的含氧量达到50%，有效改善了这一状况，从而降低了HC排放。其次，甲醇较快的层流火焰速度和较宽的稀燃界限有效降低了由于汽油在稀燃时失火和燃烧过慢所引起的HC排放。火焰淬熄也是汽油机HC排放的重要来源，相关研究表明[11]，火焰的淬熄距离与火焰传播速度密切相关，甲醇的淬熄距离小于汽油，有利于降低淬熄效应引发的HC排放。

图7b表明，怠速稀燃工况下甲醇对于降低NOx排放效果显著。φa=1.3条件下，燃用M50和M100的NOx排放相比于燃用汽油分别下降了25.9%和60%。这主要是因为甲醇的汽化潜热远高于汽油，燃料蒸发后吸收的大量热量降低了充气温度。此外，甲醇燃烧产物的比热容高于汽油，绝热火焰温较低。这些都使得添加甲醇后火焰燃烧的峰值温度变低，而NOx的产生机理是在高温下氮与氧的反应，其反应产物随温度的降低而减少[12]。

从图7c中可以看出，CO2随着甲醇比例的增大略有降低。φa=1.1和φa=1.3两种情况下，CO2浓度从汽油的12.9%和10.9%分别降低到纯甲醇的12.1%和10.1%，下降了5.4%和7.3%。甲醇的当量CO2排放(燃料充分燃烧下每放出1MJ的热量排放的CO2)比汽油低7.5%，因此造成这种现象的主要原因可归结于甲醇较低的当量CO2排放。

图7中未列出CO排放。这是因为CO浓度主要受空燃比影响，当过量空气系数大于1以后，CO排放会急剧降低，在此次怠速稀燃试验条件下，尾气中CO的浓度低于排放仪的测试分辨率(CO测试分辨率为0.01%)，无法准确测量。

3 结论

a) 怠速稀燃工况下，甲醇有助于提高发动机的燃油经济性;两组空燃比下，发动机的指示热效率均有3%左右的提升；

b) 由于甲醇的火焰传播速度较快，稀燃界限较宽，因此燃用甲醇后发动机的火焰发展期和快速燃烧期明显缩短，平均指示压力的循环变动系数降低；

c) 甲醇可降低发动机怠速稀燃时的HC，NOx，CO2排放；φa=1.1和φa=1.3两组稀燃工况下，燃用纯甲醇的HC排放相对于燃用汽油分别降低了45.9%和55.4%，NOx排放降低了56%和60%，CO2排放降低了5.4%和7.3%。

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[编辑: 李建新]

Experimental Study on Lean Burn Characteristics of Methanol-gasoline Engine at Idle Condition

WANG Lejun, WU Bin, SHEN Xinwei, YAN Rongbin, YUE Xiang

(College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124, China)

To improve the combustion and emission performance of traditional gasoline engine at idle, the effects of pure gasoline (M0), 50% mass content gasoline-methanol blend (M50) and pure methanol (M100) on the lean burn characteristics at idle were experimentally investigated on a gasoline engine equipped with an electronically controlled methanol injection system. The experiments were conducted under the lean burn conditions of excess air coefficientφa=1.1andφa=1.3at800r/minrespectively.Theresultsshowthattheindicatedthermalefficienciesunderbothleanburnconditionsincreaseslightly.Boththeflamedevelopmentandpropagationperiodsshortenandthecyclicvariationcoefficientofindicatedmeaneffectivepressuredecreaseswiththeincreaseofmethanolfraction.TheHCandNOxemissions decrease effectively and the CO2emission decreases slightly after mixing methanol.

gasoline engine; idle; lean burn; methanol; combustion; emission

2015-02-03;

2015-05-09

王乐俊(1991—)，男，硕士，主要研究方向为发动机电控技术；ljwang@emails.bjut.edu.cn。

吴斌(1971—)，男，副教授，博士，主要研究方向为发动机电控技术；m_wubin@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.005

TK411.25

B

1001-2222(2015)05-0026-05