甲醇增程式发动机起动燃料切换控制策略对PM、PN 排放的影响

2021-10-29郭英伟沈源建

小型内燃机与车辆技术 2021年4期

郭英伟李密曲龙霍元沈源建

（浙江吉利新能源商用车集团有限公司浙江杭州 311228）

引言

随着我国经济的快速发展，石油进口依存度越来越高，摆脱对石油的依赖，确保国家能源安全，是我国的头等大事。中国政府郑重制定能源战略，发展立足于本土资源的石油替代能源。我国拥有丰富的甲醇资源，包括煤炭、煤层气、页岩气和生物质资源等。甲醇能源既可用于动力、电力，还可用于化工，是石油的替代品之一[1]。甲醇在常温、常压下是液体，是结构最为简单的饱和一元醇，具有非常好的燃烧特性。甲醇本身是一种清洁燃料，辛烷值为114，燃烧时不产生烟雾、炭黑，只产生极少的颗粒物。目前，甲醇是重要的车用发动机替代燃料之一[2]。

造成空气污染的原因多种多样，交通工具排放的污染物是其中之一。汽车是污染物排放总量的主要贡献者，空气污染物中，汽车排放的CO 和HC 超过80%，NOx和PM 排放超过90%[1]。因此，我国加强了汽车污染物的排放法规，鼓励发展清洁能源。2019 年发布的“八部委关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见（工信部联节〔2019〕61 号）[3]”，进一步推动了国内高校、科研单位和汽车及发动机生产厂家对甲醇发动机的研究，上海交通大学、天津大学、同济大学等分别对甲醇发动机燃烧特性与排放进行了研究[2]。近几年，吉利汽车集团投入了大量资金用于研发甲醇汽车，掌握了甲醇燃烧技术、排放技术、润滑技术、低温起动、工程化应用等关键技术，于2012 年在山西、陕西、贵州、甘肃等省开展了甲醇汽车试点工作。试点期间，共投入运营甲醇汽车1 024 辆，总运行里程超过1.84 亿km，单车最高行驶里程超过35 万km，共建设甲醇燃料加注站20座，累计消耗甲醇燃料超过2.4 万t，为甲醇汽车的市场化应用积累了宝贵的经验，奠定了坚实的实践基础。

按相同热值的混合气计算，甲醇燃料的气化潜热为汽油的7 倍，从而使混合气在汽化时温度降低较多，有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，造成发动机冷起动困难和暖机时间较长[4]。因此，低温时需采用其它燃料辅助起动。本文在一台自主研发的甲醇增程式发动机（低温起动时采用汽油作为燃料）上进行WHTC 排放试验循环测试（此发动机应用在M3 类载客车辆中，按照GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[5]中规定的单一气体燃料机试验循环进行台架WHTC 循环测试），研究起动燃料切换控制策略对PM、PN 排放的影响。

1 发动机台架及试验设备

为了研究甲醇增程式发动机起动燃料切换控制策略对PM、PN 排放的影响，在配备有AVL 电力测功机系统以及HORIBA 排放分析系统的发动机台架上进行了试验，测试台架示意图见图1。

图1 排放测试台架示意图

试验时，上位机通过软件INCA 和硬件EATS 与ECU 实现通讯。发动机排气污染物采用部分流直采法进行测量，PM 排放采用AVL 472 进行测量，PN 排放采用AVL 489 分析仪进行测量，主要测试设备及型号见表1。

表1 主要测试设备及型号

2 甲醇增程式发动机

考虑到甲醇增程式发动机的实际运行工况和发电过程损耗，为了防止甲醇燃料燃烧后燃烧产物中甲醛、甲酸的腐蚀性，该甲醇增程式发动机燃油系统零部件采用耐腐蚀金属材料，并采用抗溶胀性较好的氟橡胶、改性丁晴橡胶作为密封材料；气缸内金属零部件采用镀铬环、含镍材料等。为了加强缸内流动、提高燃烧效率、降低油耗，该甲醇增程式发动机采用了高滚流比、降摩擦、进气米勒循环等技术。甲醇增程式发动机主要技术参数见表2。

表2 发动机主要技术参数

3 甲醇与汽油的燃料性质对比

试验用甲醇和汽油的燃料性质对比见表3。

通过对甲醇和汽油的理化性质及燃烧特性比较可知，甲醇燃料具有如下特点[7-8]：

1）甲醇的碳分子数量是汽油的碳分子数量的1/5～1/12 倍，燃烧产生的碳颗粒较少；

2）甲醇的汽化潜热是汽油的4 倍，高的汽化潜热可以降低进气温度，提高充气效率，但低温起动性能差，需要汽油辅助起动；

3）甲醇密度与汽油相近，容易储存，便于运输；

4）甲醇分子中含氧50%，燃烧速度快，自身含氧助燃，燃烧充分，既能提高热效率又可实现机内净化。使用甲醇燃料，减少了汽车尾气中的CO 和HC排放，但未燃甲醇及甲醛类排放量比燃用汽油有明显的增加；

5）甲醇的辛烷值高，以甲醇作为发动机燃料时，抗爆性能好，允许发动机使用较高的压缩比。而汽油辛烷值较低，需加入添加剂，因而增加了经济成本并污染环境。

4 起动燃料切换控制策略对PM、PN排放的影响

4.1 起动燃料切换控制策略

为了确保甲醇增程式发动机的起动成功率，起动燃料的切换是以发动机冷却液温度和运行时间组合决定的。冷却液温度由增程式发动机上的冷却液温度传感器测量并输入ECU；运行时间由ECU 内部计时器计算得到，ECU 通过逻辑判断，当起动前冷却液温度在40℃以内是汽油起动，冷却液温度在40℃以上是甲醇起动。由于GB17691-2018 标准中的WHTCcold 排放试验循环测试对环境温度有要求，冷态起动试验时，润滑剂、冷却液和后处理系统的温度需要在20℃～30℃之间[5]，本文主要分析在20℃～30℃温度区间起动燃料切换策略对PM、PN 排放的影响，本次试验中，3 种汽油与甲醇的切换控制策略如图2～图4 所示，图2～图4 中的变量说明及解释见表4。

表4 变量说明及解释表

1）起动前，冷却液温度在20 ℃～30 ℃区间（冷态排放温度区间）时，发动机由汽油燃料起动，起动成功后，发动机运行，待冷却液温度达到40 ℃时，满足甲醇燃料切换条件，再等3 s 左右，建立甲醇轨压后，切换甲醇燃料运行。汽油燃料总参与时间为82 s，ECU 计数器运行时间不参与控制转换逻辑，见图2。

图2 汽油/甲醇燃料切换时间为82 s

2）起动前，冷却液温度在20 ℃～30 ℃区间（冷态排放温度区间）时，发动机由汽油燃料起动，起动成功后，发动机运行，冷却液温度增加0.75 ℃，且ECU计数器运行时间超过12 s，则满足甲醇燃料切换条件，再等3 s 左右，建立甲醇轨压后，切换甲醇燃料运行，汽油燃料总参与时间为15.5 s，见图3。

图3 汽油/甲醇燃料切换时间为15.5 s

3）起动前，冷却液温度在20 ℃～30 ℃区间（冷态排放温度区间）时，发动机由汽油燃料起动，起动成功后，发动机运行，冷却液温度增加0.75 ℃，且ECU计数器运行时间超过6 s，则满足甲醇燃料切换条件，再等3 s 左右，建立甲醇轨压后，切换甲醇燃料运行，汽油燃料总参与时间为10.7 s，见图4。

图4 汽油/甲醇燃料切换时间为10.7 s

4.2 控制策略对PM、PN 排放的影响

PM 排放的构成为Dry Soot、可溶性有机成分（SOF）、硫酸盐及来自润滑油和燃烧室表面脱落的金属，主要成分C 占83.4%～99.5%，其余为O2、H2和挥发物。在一定的空燃比条件下，不同碳氢化合物形成Soot 的趋势按下列顺序递增：醛、酮、醚、醇、乙烯、轻芳香族化合物、烯烃、烷烃同分异构体、链烷烃、重单芳香族化合物、萘的衍生物。本次试验使用的汽油燃料为石油裂解物：烃类物质，甲醇燃料为醇类物质。在相同边界条、不同的燃料切换策略（82 s、15.5 s、10.7 s）下，随着燃料切换时间的变化，烃类物质与醇类物质参与燃烧的时间随着变化，切换时间越长，烃类物质形成的Soot 越多，醇类物质形成的Soot 越少。因此，在整个WHTCcold 循环，PM 滤纸称重值与燃料切换时间成正比，见图5。

图5 WHTCcold 循环PM 滤纸称重结果

相比汽油，甲醇含氧量高、碳含量低、火焰传播速度快、燃烧均匀、燃烧充分，结合GB17691-2018标准中WHTCcold 排放试验循环测试对温度的要求，在20 ℃～30 ℃区间起动燃料切换控制策略的对比，可以看出，WHTCcold 循环中，PN 排放在汽油燃料状态下产生的比重较大，见图6、图7。其中，图6为汽油燃料与甲醇燃料切换时间分别为82s、15.5s、10.7 s 的切换策略下前120 s 产生PN 排放的曲线图，图7 为汽油燃料与甲醇燃料切换时间分别为82 s、15.5 s、10.7 s 的切换策略下整个WHTCcold 循环PN 排放的曲线图。