过量空气系数和点火正时对M100甲醇发动机性能影响研究

王燕鹏，王忠，张登攀，居钰生，张永铭（.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江03；.中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡4063）

过量空气系数和点火正时对M100甲醇发动机性能影响研究

王燕鹏1，王忠1，张登攀1，居钰生2，张永铭2
（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；2.中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡214063）

将一台4气门汽油机改装为燃用M100甲醇发动机，测量了甲醇发动机的动力性、经济性参数，研究了M100甲醇发动机性能随过量空气系数、点火提前角的变化规律。结果表明：转速为2 500 r/min、部分负荷工况时，当过量空气系数一定，随点火提前角的增加，甲醇发动机的转矩增大，当量燃料消耗率下降，NO排放升高80%以上；相同工况时，当点火提前角一定，随过量空气系数的减小，发动机转矩增大，HC、CO排放明显增加。与燃用汽油相比，M100甲醇发动机外特性上的最大转矩增加约5.2%；在城市道路常用转速2 000 r/min，甲醇发动机按负荷特性运行，当量燃料消耗率低于原汽油机。

动力机械工程；甲醇；点火提前角；过量空气系数

0　引言

能源、环境问题是汽车研究工作的重点，汽油机替代燃料的研究引起了世界各国的关注。甲醇与汽油的理化特性相近，甲醇沸点为65℃，低于汽油，易与空气混合；甲醇辛烷值为110，高于汽油，可以抑制汽油机的爆震；甲醇与空气混合形成的混合气热值与汽油相当；研究表明，汽油机燃用甲醇燃料能提高汽油机的热效率，改善动力性、经济性，并降低CO、HC排放[1-3]。甲醇是一种高效、清洁的汽油机替代燃料，具有来源丰富、生产工艺成熟、储运安全等特点。

按不同体积比形成的甲醇/汽油混合燃料是汽油机的主要应用方式，体积比为85%的甲醇与体积比为15%的汽油混合形成的M85是典型的高比例甲醇/汽油混合燃料，在不改变汽油机控制策略的情况下，在汽油机上已得到了应用。燃用纯甲醇M100时，甲醇较高的汽化潜热会降低缸内压缩终了混合气的温度，造成着火延迟期延长[4]，如果不对汽油机的控制策略进行改变，可能造成燃烧持续期增加，将影响发动机的热效率；同样，混合气的质量对燃烧过程也存在很大的影响。过量空气系数的变化对燃用M100和汽油的燃烧速率的影响存在差异，过量空气系数改变时，燃用M100层流燃烧速率的变化比燃用汽油时大[5]。发动机每一工况点对应的最佳点火提前角和过量空气系数不同，为了获得M100甲醇发动机的最佳性能，有必要对甲醇发动机的过量空气系数和点火提前角进行研究。

1　甲醇的理化性质

甲醇和汽油理化特性如表1所示。与汽油相比，甲醇辛烷值高（110），抗爆性好，允许采用更高的压缩比，提高热效率[6]；甲醇分子含氧量达50%，有利于燃料的完全燃烧，降低HC、CO排放；甲醇的着火界限为7.3% ～36.9%，比汽油更容易着火。甲醇的低热值约为汽油的46%，甲醇的汽化潜热为1.088MJ/kg，约为汽油的3倍，在汽化时需吸收更多的热量。

表1　甲醇、汽油的理化特性参数Tab.1　Physicochemical properties ofmethanol and gasoline

甲醇的化学计量空燃比为6.45，汽油的化学计量空燃比为14.7.与完全燃烧相同质量的汽油相比，甲醇完全燃烧所需的空气量为汽油的43.8%.

2　试验装置及试验方案

2.1试验装置及发动机参数

甲醇发动机是在一台直列、4缸、4气门汽油机的基础上，更换大流量喷油嘴和甲醇泵，增加喷醇量而得，未对发动机的结构参数进行修改。发动机参数如表2所示。试验主要仪器：杭州中成测试设备有限公司生产的CW160型电涡流测功器和MCS-960型燃油耗仪、德国EATS公司生产的ES630型空燃比测试仪、佛山分析仪有限公司生产的FGA-4100型汽油车排气分析仪。

表2　甲醇发动机参数Tab.2　Specifications ofmethanol engine

2.2试验方案

过量空气系数试验，选取2 500 r/min、功率30 kW的工况点，固定节气门开度，保持进入气缸的空气量不变，改变供醇脉宽，过量空气系数为0.9、1.0、1.1时，测量了发动机转矩随过量空气系数的变化规律。

点火提前角试验，选取2 500 r/min，功率30 kW的工况点，固定节气门开度，进入气缸的空气量不变，保持过量空气系数不变，改变点火提前角分别为15.4°CA、17.3°CA、21.0°CA、24.0°CA、27.0°CA、29.6°CA、32.6°CA、34.5°CA，测量了甲醇发动机功率、燃料消耗及CO、HC和NO排放浓度等参数。排放物的测量位置选在三效催化器后约20 cm处。

考虑到甲醇的低热值与汽油不同，采用当量燃料消耗率评价发动机燃用甲醇和汽油两种燃料的经济性。具体方法就是把甲醇的燃料消耗率折算为相同低热值汽油的燃料消耗率。当量燃料消耗率

式中：Hum、Hug分别为甲醇、汽油的低热值（MJ/kg）；bem为实测的甲醇消耗率。

3　试验结果与分析

3.1过量空气系数及点火提前角对性能参数的影响

过量空气系数一定，发动机转矩Ttq随点火提前角的变化曲线如图1所示。可看出，发动机转速一定，部分负荷工况，过量空气系数为0.9时，发动机转矩大于过量空气系数为1.0和1.1时的转矩；过量空气系数一定，随点火提前角的增大，发动机的转矩增大。过量空气系数分别为0.9、1.0、1.1时，点火提前角从15.4°CA增大到32.5°CA，发动机转矩分别增加了10.2 N·m、13.4 N·m、19.4 N·m.可看出，过量空气系数为1.1时，点火提前角的变化对发动机转矩的影响最大。

图1　点火提前角和过量空气系数对转矩的影响Fig.1　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on engine torque

过量空气系数一定，当量燃料消耗率随点火提前角的变化关系如图2所示。可看出，在2 500 r/min部分负荷工况，过量空气系数不变，当量燃料消耗率随点火提前角的增大呈现先大幅降低，后缓慢减小的趋势。点火提前角在15.4°CA～21.0°CA范围内，过量空气系数为1.0时，理论空燃比混合气燃料消耗率最低，过量空气系数为1.1的稀混合气当量燃料消耗率最高。点火提前角较小时，对于过量空气系数为1.1的稀混合气，缸内混合气的着火延迟期增加，火焰传播的平均速率下降，燃烧持续期变长。在膨胀行程中燃烧的混合气量增加，使得发动机输出的功率显著下降，而燃料消耗量保持不变，因此，点火提前角较小时，稀混合气的燃料消耗率显著增加。点火提前角从21.0°CA增大到34.5°CA，过量空气系数为1.0和1.1的混合气当量燃料消耗率相差不大，而空燃比在0.9的浓混合气当量燃料消耗率明显高于前二者，且变化较为平缓。甲醇发动机燃用过量空气系数为1.1的混合气，同样可以实现较好的燃料经济性，但由图1可知，发动机转矩下降明显。

图2　点火提前角和过量空气系数对当量燃料消耗率的影响Fig.2　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on brake specific fuel consumption

过量空气系数一定，排气温度随点火提前角的变化关系如图3所示。可看出，在3种过量空气系数下，排气温度随点火提前角的变化趋势相同，都随点火提前角增大而降低。由于推迟点火，气缸内工质后燃增加，导致最终的排气温度上升[7]。点火提前角一定，理论空燃比混合气的排气温度最高，过量空气系数为1.1的稀混合气排气温度最低。对于过量空气系数为0.9的浓混合气来讲，燃料缺氧不利于混合气的充分燃烧，因此排气温度低于理论空燃比混合气。

图3　点火提前角和过量空气系数对排气温度的影响Fig.3　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust temperature

3.2过量空气系数和点火提前角对排放的影响

点火提前角和过量空气系数对甲醇发动机NO、CO、HC排放的影响如图4所示。可看出，在3种过量空气系数下，NO排放均随着点火时刻的推迟呈现下降趋势，且下降趋势明显。点火提前角由34.5°CA减小到15.4°CA，NO排放降低约80%.推迟点火使气缸内最高燃烧温度下降，缩短了焰后燃烧产物区的反应时间，使NO排放降低。过量空气系数既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中的氧浓度，因此对NO排放影响很大。随点火提前角的变化，理论空燃比混合气的NO排放最高，对于过量空气系数为0.9和1.1的混合气，浓混合气有较高的燃烧温度，但局部缺氧的缸内氛围抑制了NO的生成；稀混合气的缸内最高燃烧温度低于浓混合气，但氧分压增大对NO生成的影响大于缸内燃烧温度降低的效果，因此，稀混合气的NO排放要高于浓混合气[8]。

图4　点火提前角和过量空气系数对气体排放的影响Fig.4　The effects of advanced ignition angle and excess air ratio on exhaust emission

从图4可看出，点火提前角的变化对CO排放的影响不明显。过量空气系数为1.0和1.1时，CO排放量较低，随混合气浓度的增加，CO排放明显增加，这主要是燃烧的不完全程度增加所导致。过量空气系数一定时，随点火提前角的增大，HC排放变化规律与CO相似。过量空气系数在0.9的浓混合气，缸内氧浓度降低，部分燃料不能迅速、完全燃烧，使得HC排放升高。甲醇分子含氧量高达50%，可以促进燃料的完全燃烧[9]，在3种过量空气系数下，HC排放都较低。

3.3甲醇发动机的性能参数

选择了最佳的供醇脉宽及点火提前角后，进行了甲醇发动机的外特性试验和2 000 r/min的负荷特性试验，与原汽油机外特性的动力性、经济性参数进行了对比。原汽油机的性能参数是在发动机改装之前测得，使用的汽油为市售93号汽油。图5为M100甲醇发动机和原汽油机的外特性曲线。可看出，转速低于2 500 r/min时，甲醇发动机的转矩低于原汽油机；转速高于2 500 r/min时，甲醇发动机的转矩、功率高于原汽油机，3 500 r/min时转矩、功率高于原机约5.2%.甲醇的低热值约为汽油的1/2，按理论混合气计算，甲醇与空气形成的混合气热值与汽油和空气形成的混合气热值相当，通过增加供醇量可以弥补甲醇低热值较低的不足，保证了发动机的动力性。转速较低时，压缩终了缸内温度较低，着火延迟期延长，着火滞后[10]，导致热效率下降，功率略低于原汽油机，燃料消耗率高于原汽油机。随着转速的升高，甲醇燃料的优势逐渐显现。一方面，压缩终了缸内温度有所上升，甲醇与空气的混合更加均匀，较快的火焰传播速度提高了燃烧定容度，热效率提高；另一方面，甲醇的辛烷值高于汽油，可以抑制发动机爆震，在外特性上可以使用较大的点火提前角来增加发动机的动力输出，因此，转速高于2 500 r/min，甲醇发动机的功率比原汽油机有所增加，燃料消耗率趋于一致。

图5　甲醇发动机与原汽油机的外特性曲线Fig.5　The exterior characteristics curves ofmethanol engine and gasoline engine

图6为转速2000 r/min时甲醇发动机与原汽油机的负荷特性曲线。由图6可看出，转速为2 000 r/min，甲醇发动机的当量燃料消耗率在各负荷下均低于汽油，降幅最大约为10%.甲醇的汽化热约为汽油的3.4倍，可以降低进气温度，提高了充量系数；甲醇的层流火焰速度比汽油快，燃烧定容度高；甲醇分子含氧，利于燃料的完全燃烧；有利于热效率的提高，使得甲醇发动机输出相同功率时当量燃料消耗率降低。

图6　转速2 000 r/min时当量燃料消耗率及热效率随平均有效压力的变化Fig.6　Brake specific fuel consumption and brake thermal efficiency against brakemean effective pressure

4　结论

1）过量空气系数一定，随点火提前角的增大，甲醇发动机的转矩增大，当量燃料消耗率下降，减小点火提前角可使NO降幅达80%以上。

2）点火提前角一定，随过量空气系数的减小，甲醇发动机的转矩增大，过量空气系数为0.9时，CO、HC排放明显升高。

3）全负荷工况，转速高于2 500 r/min时，M100甲醇发动机的转矩、功率较原汽油机明显增大，最大转矩增加约5.2%.2 000 r/min的负荷特性，甲醇发动机的当量燃料消耗率低于原汽油机。

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Effect of Excess Air Ratio and Ignition Tim ing on Performance of M 100 Methanol Engine

WANG Yan-peng1，WANG Zhong1，ZHANG Deng-pan1，JU Yu-sheng2，ZHANG Yong-ming2
（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2.Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，China FAW Group Corporation，Wuxi214063，Jiangsu，China）

The effects of excess air ratio and ignition timing on engine torque and break specific fuel consumption of amethanol engine transformed from a gasoline engine are studied，and the performance of M100 methanol engine is experimentally investigated.Results show that the engine torque increaseswith the increase in advanced ignition angle for a specified excess air ratio at2 500 r/min，and the NO emission is increased by 80%when the fuel consumption decreases.When the excess air ratio decreases at a specified ignition time，the engine torque increases，and HC and CO emissions are significantly increased.Themaximum torque is increased by 5.2%higher than that of original gasoline engine，and the brake specific fuel consumption is lower at speed of 2 000 r/min.

powermachinery engineering；methanol；advanced ignition angle；excess air ratio

TK46+4

A

1000-1093（2015）12-2358-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.020

2015-04-13

江苏省高校自然科学基金项目（13KJA470001）；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（CXZZ13_0672、KYLX_1035）；江苏省高校优势学科建设工程项目（2011年）

王燕鹏（1990—），男，硕士研究生。E-mail：wypujs@163.com；王忠（1961—），男，教授，博士生导师。E-mail：wangzhong@ujs.edu.cn