重型M100甲醇发动机排放及燃烧热效率分布研究

彭辉，苏茂辉，张甲乐，卢瑞军，蔡文远

(浙江吉利新能源商用车研究院有限公司，浙江 杭州　311200)

引言

甲醇作为重要的车用发动机替代燃料之一。早在20世纪70年代美国、德国、日本等发达国家都曾投入大量精力，致力于甲醇燃料和甲醇汽车相关技术的研发，并在20世纪90年代的巅峰时期，全球的甲醇汽车数量达到数万辆规模[1]。在我国，近几年吉利汽车公司研发的甲醇出租汽车已在国内五省一市以及欧洲冰岛开展试点运营；与此同时，吉利商用车公司也正在开展重型M100甲醇发动机的研发工作。目前国家工信部针对试点车辆的检测结果表明，甲醇出租汽车在动力性方面与汽油车辆相当，并且在经济性及排放性方面具有明显优势。甲醇燃料是解决当前严重能源危机和环境污染问题的重要途径。

甲醇是一种轻质、无色、略有臭味的可燃液体。甲醇燃料的汽化潜热高，汽化过程需要吸收大量的热，可以降低燃烧室及缸套的循环平均温度；同时甲醇的辛烷值高，抗爆性好，可以采用高压缩比以提高燃烧热效率。此外甲醇还具有较宽的可燃极限，燃烧速度快，在混合气比较稀的情况下仍能保持相对较高的火焰传播速度[2-4]。

表1　甲醇和汽油的理化特性对比[5]

甲醇发动机的排放性能和燃烧热效率一直是行业内关注的热点。目前国内还没有制定专门针对甲醇的排放法规。通过在一台自主研发的重型M100甲醇发动机上进行了试验，基于当前实施的法规，研究了该甲醇发动机的排放性能及燃烧热效率的分布。

图1　台架设备布置

1　试验设备及方法

1.1　实验设备

发动机的转速和扭矩由AVL电力测功机进行控制，采用TOCEIL油耗仪测量系统测量稳态油耗和AVL全流稀释采样系统对发动机转速、扭矩、功率、油耗及排放数据进行采集。台架设备布置如图1所示[6]。

研究采用的M100甲醇发动机是以CNG发动机为平台，重新设计燃料供给系统、点火控制系统，优化燃烧系统、配气系统、进排气系统[7]。M100甲醇发动机采用的技术路线：多点顺序喷射、理论空燃比燃烧、EGR冷却系统、三元催化后处理系统。表2为M100甲醇发动机的相关技术参数。

表2　M100甲醇发动机参数表

1.2　试验法规及方法

根据工信部[2012]42号文件《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》对甲醇发动机的要求，甲醇发动机采用GB 14762—2008《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)》(以下简称重型汽油机瞬态循环)，同时结合常规燃料发动机采用的GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)》(ETC循环部分)瞬态循环工况，开展M100甲醇发动机在两种排放测试循环下的排放性能和燃烧热效率分析研究。[8-9]

图2　重型汽油机瞬态循环工况

图3　ETC循环工况

2　燃烧热效率计算及万有特性图绘制

利用AVL电力测功机和TOCEIL油耗仪，测得该甲醇发动机各转速下的10%、20%、40%、60%、80%、100%的扭矩、功率及燃油消耗率数据，绘制万有特性图。

图4　万有特性图

万有特性图中最低油耗率为发动机的额定扭矩点，低于465 g/(kW·h)。

为研究该甲醇发动机的燃烧热效率，利用图4的数据，通过推导公式计算燃烧热效率和平均有效压力，绘制燃烧热效率图。根据公式(1)、公式(2)[10]：

(1)

(2)

推导出公式(3)：

(3)

计算出燃烧热效率。以上公式中Pe为有效功率，单位是kW；B为整机燃油消耗率，单位是kg/h；β为有效燃烧热效率，单位是%；Hu为甲醇燃料的低热值，单位是kJ/kg；be代表有效燃油消耗率，单位是g/(kW·h)。

根据公式(4)、(5)、(6)[10]：

图5　燃烧热效率图

(4)

(5)

(6)

推导出公式(7)：

(7)

计算出平均有效压力。公式中BMEP为平均有效压力，kPa；We为有效功，kJ；Pe为有效功率，kW；τ为冲程数；Me为有效扭矩,Nm；V为发动机排量，L。并绘制出燃烧热效率图。从图中看出，该甲醇发动机的最高有效热效率超过39%，且其范围较大。

3　法规工况下的排放性能研究

为研究甲醇发动机的排放性能，在该M100甲醇发动机上进行了重型汽油机瞬态循环以及ETC循环测试，并利用AVL全流稀释采样系统检测主要污染物排放值。

3.1　常规排放研究

甲醇是一种含氧燃料，燃烧更充分、更完全，甲醇发动机的常规排放物包括CO、HC、NOx都有不同程度地减少，一般情况下，CO排放下降30%～35%，HC排放量下降25%～30%，NOx排放量下降20%～25%[11]。采用非分散红外分析仪NDIR测量CO含量，氢火离子化分析仪FID测量总HC含量，光化学分析仪CLD测量NOx含量[12-13]。根据排放检测设备测量结果，重型汽油机瞬态循环工况和ETC循环工况下常规污染排放物的浓度如图6、7所示，常规污染物排放结果如表3、4所示。

图6　重型汽油机循环工况下常规排放污染物的浓度变化

图7　ETC循环工况下常规排放污染物的浓度变化

表3　重型汽油机瞬态循环排放结果 g/(kW·h)

表4ETC循环排放结果g/(kW·h)

排放物国Ⅴ限值[9]实测值CO4．00．417NMHC0．550．001CH41．10．02NOx2．00．141

实际结果显示，甲醇发动机在两种法规工况下实测污染物排放值均远低于法规限值。同时通过对比发现，甲醇燃料发动机在重型汽油机瞬态循环工况下排放均好于ETC循环工况。主要原因是甲醇燃料本身的燃烧排放特性好，同时匹配合理的三元催化器进行排放污染物的后处理。

3.2　非常规排放研究

表5　甲醛排放结果　g/(kW·h)

甲醇发动机的大部分醛类排放物是排气管中未燃烧的醇，在适当的含氧浓度及温度下继续反应而生成的[4]。使用袋采装置，对甲醇发动机的非常规排放物的主要部分甲醛进行采集，利用高效液相色谱分析仪[13-14]，测试结果如表5所示。实测甲醛排放值低于法规限值。主要原因是发动机的燃烧控制的比较好，未燃烧的甲醇非常少，同时通过三元催化器对甲醛的排放进行一定的处理。

4　法规工况下的燃烧热效率分布研究

通过观察重型汽油机瞬态循环工况点和ETC循环工况点在燃烧热效率图上的分布，来研究该甲醇发动机在法规工况下的燃烧热效率，如图8、9所示。

重型汽油机瞬态循环工况测试点主要集中分布在1 200～2 000 r/min的中低负荷范围内，也有部分工况点分布在600～1 200 r/min的低负荷范围内，发动机主要工作在热效率36%的区域。因此在发动机台架标定开发时，应尽可能优化该区域的标定数据，提升该区域的燃烧热效率，以获取该工况下更好的排放性能和经济性能。

图8　重型汽油机瞬态循环工况燃烧热效率分布

图9　ETC循环工况燃烧热效率分布

ETC循环工况测试点主要集中分布在1 400～1 800 r/min的所有负荷范围内，该区域属于发动机燃烧热效率较高的区域，因此优化中低负荷的标定数据，才能有效提升发动机在该工况下的性能。

根据公式(8)：

(8)

计算结果显示：该发动机在重型汽油机瞬态循环工况下的平均燃烧热效率为17.487%，而在ETC循环工况下的平均燃烧热效率为24.678%。

5　结论

1)该重型M100甲醇发动机在重型汽油机瞬态循环和ETC循环工况下，排放污染物均低于法规限值，且有余量；并且重型汽油机瞬态循环工况下的排放性能优于ETC循环工况。

2) 重型汽油机瞬态循环工况测试点主要集中分布在中低负荷，建议优化该负荷区域标定数据，降低中低负荷的燃油消耗，提高该区域的燃烧热效率，以提升发动机在该法规工况下的整体经济性能以及排放性能。

3) ETC循环工况测试点主要集中分布于1 400～1 800 r/min区域，建议优化该转速区域中低负荷的标定数据，以进一步提升发动机在该法规工况下的整体经济性能以及排放性能。

4)该重型M100甲醇发动机的燃烧热效率与同等排量的其它燃料发动机相当，燃烧热效率可达到39%，甚至更高；重型汽油机瞬态循环工况下的平均燃烧热效率低于ETC循环工况。

参考文献：

[1] 张凡，甲醇汽油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究[D].北京：清华大学，2010.

[2]甄旭东，火花点燃式甲醇发动机燃烧过程及爆震机理的研究[D].天津:天津大学，2013.

[3]Bassem H Ramadan，Fakhri J Hamady，Charles L Gray，et al. Multidimensional Predictions of Methanol Combustion in a High-Comperssion DI Engine. SAE Paper 2003：2003-1-3133.

[4]崔心存.醇燃料与灵活燃料汽车[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5]刘振革.甲醇汽车使用性能研究[D].济南：山东大学，2011.

[6]尹超，高俊华,尧命发.甲醇发动机与汽油发动机瞬态排放特性的对比研究[J].汽车工程，2011，33(9)：753-756.

[7]蔡文远，卢瑞军，苏茂辉，等.点燃式甲醇重型发动机排放特性研究[J].内燃机科技，2017，824-827.

[8]国家环境保护局，国家质量监督检验检疫总局.GB 14762—2008《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)》[S].北京，中国环境科学出版社.2008-04-02.

[9]国家环境保护局，国家质量监督检验检疫总局.GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)》[S].北京，中国环境科学出版社.2005-05-30.

[10]王建昕，帅金石，等.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.

[11]刘生全，车用甲醇燃料应用技术[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[12]苏茂辉，汽车排放测量技术与方法研究[D].武汉：武汉理工大学汽车学院，2006.

[13]葛藴珊，尤可为，王军方等.甲醇燃料汽车的排放特性研究[J].北京理工大学学报，2008，28(4):314-318.

[14]刘丹丹.醇类燃料中甲醇含量和甲醛排放测试方法研究[D].西安：长安大学，2008.