甲醇- 汽油灵活混合燃烧发动机的开发

齐洪元　倪计民　杨友文（.同济大学汽车学院，上海0804；.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海0804）

原创

甲醇- 汽油灵活混合燃烧发动机的开发

齐洪元1倪计民1杨友文2
（1.同济大学汽车学院，上海201804；2.上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）

提出了“甲醇-汽油灵活混合燃烧发动机”的概念。首先设计了可实现燃料独立供给的燃油系统的布置方案。随后，进行了灵活混合燃烧发动机控制系统的开发，运用GT-Power软件建立灵活混合燃料特性场，并对灵活混合燃烧发动机进行了台架试验验证。研究结果表明，发动机采用混合燃料模式工作时，发动机的当量汽油比油耗有明显的改善，除了在低速低负荷时使用M0的工况外，其余各工况的当量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度为3%～10%。

甲醇汽油灵活混合混合燃烧

0　引言

我国的煤炭资源储量较为丰富，而石油资源严重依赖进口，自给能力较弱，加之日益增大的汽车保有量，我国显示出“缺油、少气、富煤”的能源格局。传统车用燃料供应面临巨大压力［1］。甲醇可由煤炭制取，与汽油相比，气化潜热更大、辛烷值更高且含有氧元素，能使发动机获得更好的动力性、经济性和较低的排放［2-5］。

作为1种典型的车用发动机替代燃料，甲醇获得了越来越多的关注，在国内外一些地区，甲醇-汽油混合燃料已经得到了应用［6-7］。目前在点燃式内燃机上所使用的均为固定比例的甲醇-汽油混合燃油，如M10、M15、M85等［8-9］。然而，通过对不同比例甲醇-汽油混合燃料的研究发现，发动机在各运行工况时对燃料混合比的要求不同，各工况下均有特定比例的甲醇-汽油混合燃料，可使发动机的比油耗最低。因此，采用固定比例甲醇-汽油混合燃料不能充分发挥甲醇的优势［10-11］。

据此，本文提出了“甲醇-汽油灵活混合燃烧发动机”的构想，甲醇和汽油采用2套独立的燃油供给系统，根据发动机的运行工况，分别调整甲醇和汽油各自的喷油脉宽、点火提前角及相关的修正参数，使甲醇和汽油在发动机气缸内根据工况需求实现不同比例的混合燃烧，使发动机的动力性和经济性进一步得到提升。

首先，进行灵活混合燃料发动机燃油供给系统的设计，制定燃油供给系统的布置方案，并根据甲醇的特性重新设计相关零部件。随后，进行灵活混合燃料发动机控制系统的开发，设计控制结构和控制方法，并运用GT-Power软件确定发动机各工况下的最优燃料种类，建立灵活混合燃料特性场。最后，对灵活混合燃料发动机进行台架试验验证。本文旨在研究灵活在线混合燃料发动机的开发方案，并探究灵活燃料特性场的建立方法，为甲醇-汽油灵活在线混合燃料发动机的应用提供参考。

1　研究对象和试验装置

1.1研究对象

本研究所针对的发动机为某款自主品牌轿车的自然吸气4缸四冲程汽油机，发动机主要技术规格如表1所示。

表1　某款自然吸气4缸四冲程汽油机主要技术规格

1.2试验装置

发动机试验台架主要包括发动机、测功机及其控制系统、燃油供给系统、散热系统、尾气采集测量系统等。本研究所用的发动机试验台架如图1所示。

2　灵活混合燃料发动机燃油供给系统开发

2.1燃油供给系统布置方案

灵活混合燃烧的实现依赖于2套完全独立的供油系统，其中一路是甲醇燃料系统专用，用来解决甲醇对一般燃油系统的腐蚀和溶胀问题。甲醇与汽油只在进气道或气缸内进行混合，并可以实现2种燃料的任意比例混合，必要时可自由切换单独使用甲醇或汽油。灵活混合燃烧发动机燃料供给系统如图2所示。

2.2燃油供给系统结构设计

与汽油相比，甲醇具有特殊的理化特性，例如甲醇燃料对金属材料具有明显的腐蚀作用，对非金属材料有明显的溶胀作用。因此需要对甲醇的燃油供给系统进行相应的改造，主要包括燃油箱、液位传感器和喷油器。

2.2.1燃油箱的设计

为了便于在整车上进行布置安装，优化设计了原有油箱。将原有的50 L油箱在内部分隔为35 L 和15 L 2个完全独立的油箱，其中15 L容量为汽油箱，35 L容量的为甲醇燃料箱。油箱结构如图3所示。

2.2.2甲醇液位传感器的设计

汽油油箱中使用的液位传感器仍为原机传统传感器，而甲醇燃料箱中采用非接触式霍尔液位传感器，该传感器包含不锈钢管，并在不锈钢管上套接浮子，在不锈钢管内设有霍尔元件，在不锈钢管的顶端固定连接板。其中，浮子是由不锈钢壳体制成，在浮子中心设有导向管，导向管套接在不锈钢管外，由导向管、上壳体和下壳体构成1个密闭的腔体，在腔体内导向管外套接有磁铁保持架，磁铁保持架上固定磁铁。由于浮子和导管采用的是不锈钢材料，可避免甲醇腐蚀。而感应部件被包裹在不锈钢浮子和杆件内，不与甲醇接触，避免了腐蚀、溶胀和电化学侵蚀等问题。非接触式霍尔传感器如图4所示。

2.2.3喷油器的选型及布置

由于同等质量甲醇的热值高出汽油热值的45.7%，因此与汽油喷油器相比，在同等当量汽油喷油脉宽下，甲醇喷嘴的体积流量必须比原发动机的汽油喷油流量更大，才能保证发动机在同功率时，甲醇汽油混合气的热值与原汽油混合气相当，因此在设计开发时要选用流量更大的喷油器。

3　灵活混合燃烧发动机控制系统开发

3.1控制系统结构设计

灵活混合燃烧发动机控制系统主要由传感器、主电子控制单元（ECU）、燃料混合比ECU和执行器4部分组成。控制系统结构及信号传输路径如图5所示。

与普通汽油发动机和固定比例混合燃料发动机相比，灵活混合燃烧发动机除了能根据发动机工况变化来调整喷油脉宽和喷油正时，还需要根据发动机的工况变化，实时选择最优配比的甲醇和汽油混合燃料，因此，对发动机的控制策略和控制系统提出了更高的要求。

灵活混合燃烧发动机采用双ECU结构，即主ECU和燃料混合比ECU，其中主ECU与普通汽油机ECU功能相似，用于控制发动机的喷油脉宽、喷油正时、点火提前角、点火能量和配气正时等参数。燃料混合比ECU内部储存了灵活混合燃料特性场MAP图。发动机工作时，传感器的信号首先传输给主ECU，经过处理后传输给燃料混合比ECU，燃料混合比ECU根据发动机的工况，结合灵活燃料特性场MAP图确定该工况下最佳的混合燃料比例，随后将该信号返回主ECU，主ECU计算所需的汽油喷油脉宽和甲醇喷油脉宽，最后将控制信号发送到执行器。

3.2控制目标和方法

3.2.1混合燃烧燃油喷射系统控制目标和方法

该混合燃烧发动机具有2套燃料供给系统，分别用于汽油和甲醇的供给。工作中，发动机根据工况确定最佳燃料混合比，并计算出相应的汽油、甲醇喷油脉宽和喷油时刻，甲醇和汽油按照确定的比例混合，最终实现发动机的目标性能。根据工况不同，控制目标可以分为以下3种情况：

（1）冷起动、暖机工况

发动机冷起动时温度较低，该工况的主要控制目标是保证顺利起动和快速暖机，由于甲醇的气化潜热较大，会使气缸内温度进一步降低，造成起动困难，因此该工况下采用M0燃料，并适当加浓。

（2）经济运行工况

发动机运行的大部分时间是处于部分负荷工况，该工况下的控制目标是保证经济性和低排放。在混合燃料种类的选择方面，不同比例的甲醇汽油混合燃料在各工况下的性能优势不同，各运行工况下均存在1个特定比例的甲醇汽油，使发动机具有最低的当量汽油比油耗。在喷油脉宽的控制方面，为了保证三元催化转化器达到最高的转化效率，应使发动机运行在化学计量空燃比附近。

（3）全负荷运行工况

该工况要求发动机实现最高的动力性能。在喷油脉宽的控制方面，该工况下发动机的控制目标为确保高的动力性，可适当加浓，采用功率混合气空燃比。在混合燃料的种类方面，应根据各比例混合燃料的外特性数据，选择各工况下使发动机实现最高动力性的混合燃料比例。

为实现上述控制目标，灵活混合燃烧发动机燃油喷射系统采用开环和闭环结合的控制方式。发动机的控制流程如图6所示。

开环控制是指发动机在某一工况下运行时，主ECU由各传感器获取转速、进气压力、温度、冷却水温和节气门开度等参数，然后由主ECU查得该工况下的当量汽油喷油量，由燃料混合比ECU查得该工况下的最优燃料混合比，并将当量汽油喷油量换算为该混合比燃料的总喷油量，进而计算出汽油和甲醇各自的喷油脉宽。喷油脉宽的计算过程如图7所示。

3.2.2点火系统控制目标和方法

灵活混合燃料发动机点火系统的控制目标主要有2方面：（1）选择合适的点火能量，保证混合气顺利着火，同时也使点火线圈温度不至于过高，以提高点火线圈工作的可靠性；（2）根据发动机的工况采用最合适的点火提前角，从而提高发动机的动力性，进而改善经济性和排放性。

点火能量的高低是由初级绕组的通电时长决定的，通电时间越长，断电后次级绕组所产生的电压越高，然而通电时间过长将使初级绕组过热，影响点火线圈工作的可靠性。因此，对于点火能量的控制，ECU综合考虑发动机转速等因素，通过控制初级绕组断电时间，对点火能量进行控制。

对于点火提前角的控制，采用开环控制和闭环控制结合的方式。ECU首先根据发动机转速、节气门开度和冷却液温度确定基本点火提前角，即进行开环控制。大量研究表明，使发动机工作在爆燃边缘甚至轻微爆燃时，能够获得最佳的动力性和经济性，因此，利用爆燃传感器，对点火提前角进行闭环控制，使发动机工作在爆燃临界处。

3.3灵活混合燃烧发动机控制策略开发

3.3.1发动机仿真计算模型的建立

运用GT-Power软件以汽油机原机为基础，建立灵活混合燃烧发动机一维仿真计算模型，进而对灵活混合燃烧发动机进行仿真计算研究。

湍流火焰传播模型将燃烧室的结构尺寸，点火正时、湍流强度和燃料类型纳入考虑范畴，并用以下几个方程来描述进入火焰前锋的质量卷吸率和燃烧速率。

质量卷吸率：

质量燃烧速率：

并且

式中，Me为未然混合气卷吸质量，ρu为未燃混合气密度，Ae为火焰前锋面积，ST为湍流火焰速度，SL为层流火焰速度，Mb为已燃混合气质量，τ为时间常数，λ为Taylor微尺度。

3.3.2发动机仿真计算模型的标定

基于汽油机原机台架试验数据，对模型分别进行外特性和万有特性的标定。

（1）外特性标定

6.1 生态监测工作长期的运行经费缺乏保障。生态监测是一项系统性长期性的工作，随着重大生态保护工程实施的结束，生态监测运行经费无法保障，监测站点的运行维护、监测数据长期连续获取将受到影响，年度监测任务实施及监测成果的质控体系缺乏有效的制度保证，使生态监测工作缺乏长效保障机制。

分别进行节气门开度最大时缸压曲线、功率、扭矩、排气背压、油耗率和充气系数的标定。当转速达到2 000 r/min时，缸内压力曲线的标定结果如图8所示，充气系数和油耗率的标定结果如图9所示。其他转速和参数的标定结果不再详述。

由图8可以看出，缸压曲线的仿真计算值和试验值相合度较高。由图9可以看出，在发动机各转速下油耗率、充气系数的仿真计算与试验的外特性误差均在10%以内，说明发动机模型较为准确，可以满足仿真计算的要求。

（2）部分负荷标定

对发动机仿真模型进行部分负荷有效燃油消耗率的标定，以汽油机原机台架试验的130个试验点数据进行标定。万有特性标定结果如图10所示。

由图10可见，发动机在各工况下扭矩的误差均不超过10%，又因为在给定转速下，发动机功率与扭矩为正比关系，因此有效油耗率的误差也在10%以内，故可以认为模型准确，可进行下一步的灵活混合燃料发动机仿真计算研究。

3.3.3发动机灵活混合燃烧燃料特性场的建立

发动机灵活混合燃烧模式需要的燃料特性场是以MAP图的形式储存于燃料混合比ECU中，包含了发动机各工况下的最优燃料混合比，发动机工作时，ECU从各传感器收集数据，分析判断所处的工况，然后由灵活燃料特性场查得此工况下的最优燃料混合比，并计算出甲醇和汽油各自的喷油脉宽。

本研究旨在确定发动机万有特性场各工况点所对应的最优燃料混合比，使发动机使用该比例混合燃料时具有最低的等效汽油比油耗。理论上，灵活混合燃料发动机能够根据工况的变化，提供从M0～M100任意混合比的甲醇-汽油，然而建立高精度的灵活燃料特性场，需要大量的仿真计算和台架试验资源。因此，本研究仅选取具有代表性的M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100混合比，建立简化的灵活燃料特性场，旨在提出灵活混合燃料发动机的概念，并探究特性场的建立方法。

首先，确定仿真计算工况点，在汽油机原机万有特性场中，发动机转速在1 000～6 000 r/min中每间隔500 r/min取1个转速点，共选取11个转速，分别为1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、 3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min、5 500 r/min和6 000 r/min。在每个转速下，按扭矩等分为10个工况点，整个万有特性场共有110个工况点。

表2　各比例混合燃料参数

之后，运用GT-Power发动机一维仿真软件，在汽油机原机模型的基础上，将燃料的密度、低热值和理论空燃比等参数设置为指针变量，在分别输入M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的参数作为标定点，即每个工况下有7个标定点。各比例混合燃料的参数如表2所示。

对各工况点分别进行仿真计算，运用GT-Power软件中的“Optimizer”模块，以油耗量为控制变量，以扭矩为优化目标，将优化目标设定为汽油机万有特性场中该工况的扭矩值，计算得到在该工况下分别使用M0、M10、M15、M30、M50、M85和M100的比油耗。将各燃料的比油耗换算成当量汽油比油耗，使当量汽油比油耗最低的燃料为该工况下的最佳混合燃料，通过将各工况的最佳混合燃料比例组合起来，即可建立发动机灵活燃料特性场。

图11为通过仿真计算建立的灵活混合燃料发动机的特性场，图12为灵活混合燃料发动机的比油耗换算成当量汽油比油耗后的万有特性图。

由图12可以看出，灵活混合燃烧发动机对燃料种类的需求在发动机处于低速低负荷工况时，采用M0纯汽油燃料，随着转速和负荷的升高，逐渐提高甲醇使用比例。发动机采用此混合燃料特性场工作时，发动机的当量汽油比油耗有明显改善，除低速低负荷时使用M0的工况外，其余各工况的当量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度为3%～10%。

4　灵活混合燃料发动机试验验证

为了验证灵活混合燃料发动机特性场的准确性，进行发动机台架试验。对汽油机原机的电控系统进行改造，增加燃料混合比ECU，并将仿真计算得到的混合燃料特性场储存于燃料混合比ECU中。试验中测取各工况点的甲醇和汽油油耗率，并换算成当量汽油油耗率。

需要说明的是，发动机电控系统对燃油喷射系统和点火系统的控制还包括对不同工况的修正，发动机使用不同比例甲醇和汽油时，修正量及微调控制策略也要发生变化，需要对电控系统进行进一步改造。由于该内容不属于本研究的主要内容，在此不作详述。

试验结果显示，灵活混合燃烧发动机当量汽油比油耗的试验值与仿真计算值的吻合度较高，各工况的误差均在5%以内，说明本研究基于仿真计算建立灵活混合燃料特性场的方法可靠，也说明发动机按照灵活混合燃料方式工作时，能够大幅改善燃油经济性。

5　结论

采用2套独立的燃油供给系统分别供应甲醇和汽油，实现甲醇和汽油喷油量的单独控制，进而可供应任意比例的混合燃料，以支持发动机的混合燃烧模式。同时，根据甲醇和汽油的特点，能够对燃油供给系统进行针对性的设计。

采用主ECU和燃料选择ECU的双ECU设计，能够根据发动机的工况选择最优混合燃料比例，并确定甲醇和汽油相应的喷油脉宽，对发动机原机控制系统改动较小，通用性较强。

运用GT-Power软件建立的混合燃烧发动机灵活混合燃料特性场，具有较高的精度。使用仿真计算建立灵活燃料特性场的方法确定可行。

发动机按照灵活混合燃烧模式工作后后，经济性有了显著提高，除低速低负荷使用M0的工况外，各工况的当量汽油比油耗均有不同程度的下降，下降幅度为3%～10%。

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