甲醇发动机甲醇/汽油切换喷射控制方法的优化

黄玉平 曹石 秦涛 孙松友

摘要：本文对甲醇发动机在低温状态下难以起动的问题进行了论述，并分析了造成的原因，给出了使用同一组喷射驱动针脚实现发动机甲醇和汽油切换的优化控制方法。

Abstract： This paper discusses the difficulty of starting methanol engine at low temperature， analyzes the causes， and presents an optimal control method for methanol and gasoline switching by using the same set of injection drive pins.

關键词：甲醇发动机;喷射控制;优化方法

Key words： methanol engine;the injection control;optimal control method

中图分类号：U464.173                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）01-0201-02

1  研究背景

甲醇燃料是一种新型的清洁燃料，通过往工业甲醇或燃料甲醇中加入变性醇添加剂，然后与现有的国标汽柴油（或组分油），按照一定的体积比或者重量比，经过严格的科学工艺配制而成。其使用范围广泛，可代替汽/柴油广泛应用于各种车辆及锅灶炉使用。甲醇可添加到汽油或者柴油中，配制成甲醇汽油燃料或者甲醇柴油燃料。甲醇汽油和甲醇柴油是新能源的重要组成部分，可替代传统化石燃料。随着人类对原油资源的过度开发，能源短缺问题愈发严重，其中全球70%以上的原油消耗是在车用燃料领域，新能源的使用迫在眉睫。甲醇柴油也是一种新型环保燃料，主要成分是柴油、甲醇以及部分添加剂。根据不同的用途，各成分的比例会有所不同，甲醇柴油中甲醇的比例一般为15%、50%或者90%。甲醇柴油的外观与普通柴油相近，也是一种澄清透明液体，两者的粘度、热值等指标也相近，在各种内燃机车、工业锅炉及灶炉等领域都有着广泛应用。上世纪70年代开始国外对甲醇燃料进行了大量研究，经历过两次石油危机的影响后，各国逐渐意识到发展石油替代燃料的重要性[1]。甲醇燃料与普通的汽油燃料相比优势明显，价格低，而且燃烧清洁，关键在于物理化学性能与汽油相近。我们国家对甲醇燃料的研究应用主要集中在车用甲醇燃料领域，车用甲醇汽油和甲醇燃料技术已经比较成熟。作为一种新型的清洁燃料，甲醇燃料的技术性能具有比较大的优势。发动机燃用甲醇替代传统燃料时的优点主要包括：①不需要对原发动机做大的改动，在原发动机动力性不受影响的前提下，能够很好的改善经济性和排放性;②在储存和运输方面，由于甲醇燃料也是一种液体燃料，可以采用与石油燃料相同的储存和运输系统，因此可大大降低基础设施的投入;③甲醇燃料燃烧后的产物主要是水和二氧化碳，对环境污染小，而且HC和颗粒物的排放也要比石油、煤等化石燃料低得多，属于一种清洁的车用发动机替代燃料。但相比于汽油、柴油等燃料，甲醇的甲醛排放略高，针对此问题可采用设置双三元催化器的方法来控制甲醛的排放。

2  甲醇燃料的应用

甲醇燃料在汽油发动机上的使用，经历了一个相当艰难的研发过程，甲醇的掺烧比例最开始是低比例掺烧，其中的M15甲醇占15%，20世纪80年代后期发展到高比例（M85～M100）掺烧。美国对柔性燃料汽车（FFV：Flexible Fuel Vehicle）的开发始于1987年，这种汽车能够同时使用汽油、甲醇或者汽油和甲醇的混合物。日本在甲醇燃料的应用领域主要是开发甲醇专用车，而不是柔性燃料车（FFV），经过几十年不断的研究开发，技术问题也已基本解决。

甲醇燃料的燃烧特性有两大特点：①非常好的抗爆性能，能够在高于优质汽油所容许的压力下燃烧而不会产生爆震。甲醇燃料的这种特性在高压缩比、高性能发动机上尤为重要，其高辛烷值的作用可以得到充分发挥，提高发动机的功率;②非常好的冷却作用，可以降低发动机的温度，使发动机不致于高温。甲醇燃料的缺点是能量较低，行驶同样距离的消耗量几乎是汽油消耗量的一倍，因此使用车辆就需要配备更大的油箱。甲醇燃料的优点是燃烧充分，挥发性低，排放的碳氢化合物、氧化氮和一氧化碳等有害气体比较少。

3  甲醇燃料的车用技术研究现状

3.1 甲醇汽油燃料的比例  不同比例的甲醇汽油稳定性有所不同，甲醇汽油体系中存在着不同作用力，这些作用力包括甲醇分子间氢键的作用力和甲醇与汽油、汽油与汽油之间的分子间作用力。当所含甲醇的比例较低时，甲醇与汽油分子间的作用力要强于氢键的作用力，因此会表现出比较好的互溶性。随着所含甲醇比例的增大，甲醇分子间氢键的作用力会逐渐强于汽油分子间的作用力，因此甲醇汽油互溶性会降低。但当温度高于临界值，甲醇与汽油可以以任意的比例互溶。由于甲醇的各项性能指标与汽油接近，所以甲醇燃料更广泛的应用在汽油车上。

根据车用甲醇汽油燃料中甲醇所占比例的高低，车用甲醇燃料可分为低比例甲醇汽油，中比例甲醇汽油及高比例甲醇汽油。目前，低比例甲醇汽油在汽车上的应用已经比较成熟，甲醇燃料中不需要再额外添加助溶剂和腐蚀抑制剂，即可完全代替汽油使用。对于中比例甲醇汽油，由于受到分子间作用力的影响，甲醇与汽油的互溶性极差，容易出现分层现象，因此中比例甲醇汽油的应用极少。高比例甲醇汽油燃料中甲醇多占比例更高，经济性更好，其应用范围也更广。而高比例甲醇汽油的物理化学性能更加接近于甲醇，由于甲醇汽化潜热值大，而且具有腐蚀溶胀性等特点，所以需要对现有发动机进行改装或者生产专门的甲醇燃料发动机。

3.2 高比例甲醇汽油发动机存在的问题  甲醇在低温下的着火浓度偏浓，受到甲醇饱和蒸汽压的限制，甲醇蒸汽的濃度不能达到最低的着火极限，而且甲醇的汽化潜热是汽油的7倍，又进一步降低了甲醇蒸汽的温度，导致甲醇发动机在10摄氏度以下起动困难[2]。现有的技术中，甲醇发动机在低温下起动和运行通常先采用汽油模式，等温度升高后再切换成甲醇模式。当发动机采用双燃料喷射系统时，被替代的发动机需要有两套独立的喷油泵和喷油器系统，其中一套系统用来喷射汽油燃料，另一套系统用来喷射甲醇燃料，目的是保证甲醇燃料在缸内能够顺利的进行混合雾化燃烧。此方法对甲醇燃料本身的性能要求比较低，甲醇燃料的替代率较高，但缺点是这种喷射模式需要对原发动机进行较大的改动，会大大增加成本，该方法一般应用于缸径比较大的发动机上。另外，使用该种方法时，该发动机的性能主要受到引燃油束的喷射角度、喷射定时以及引燃油量的数量的影响。

4  问题分析

甲醇燃料大多是在燃料甲醇或者工业甲醇中添加了变性醇添加剂后，再与现有的国标汽柴油按照一定的体积比经过严格的科学工艺调配而成。最早生产甲醇的方法是氯甲烷水解法和木材干馏法[3]。我国制备甲醇一般使用煤炭作为原料，甲醇常温下为液态，方便运输，含氧50%，有利于完全燃烧，能够降低CO和HC的排放。但是辛烷值要高于汽油，抗爆性好，汽化潜热大，饱和蒸汽压低，着火极限偏浓，这就导致冷启动困难，十六烷值低，因此不能直接应用于压燃式发动机，所以甲醇燃料常用于点燃式发动机或者柴油甲醇双燃料发动机。

以甲醇为主要燃料的发动机，由于纯甲醇冷启动困难，而且甲醇发动机为点燃式发动机，所以纯甲醇发动机在低温下采用汽油启动，待温度上升后再切换成甲醇燃料模式。

5  燃料喷射控制方法优化

以常用的六缸直列发动机为例，为了控制甲醇发动机，电控系统（ECU）除了需要具有6路甲醇喷射驱动、6路点火线圈驱动外，还需要额外6路汽油喷射驱动。除了重新设计针对此类应用场景的电控系统以外，现有的电控系统很少有足够的驱动针脚来满足匹配甲醇发动机的需求，需要额外增加一个切换开关和控制系统单独控制汽油，增加了控制成本和复杂性，降低了系统稳定性。笔者研究的主要内容是设计一种甲醇发动机喷射控制方法及系统，采用常规的6缸点燃式发动机电控系统的同一组喷射驱动针脚实现甲醇发动机的汽油和甲醇喷射控制，不需要额外设计电控系统或者增加汽油喷射控制系统，提高了系统稳定性，降低了系统成本。

甲醇发动机低温下很难通过甲醇模式起动，所以低温下需要采用汽油模式起动，待温度升高后切换成甲醇模式进行发动机运行，由于汽油和甲醇同为点燃式发动机的常用燃料，且喷射阀驱动参数一致或相近，所以采用电控系统中的同一组驱动针脚来实现甲醇和汽油的喷射驱动，只需要根据不同的喷射控制模式来切换甲醇和汽油的喷射控制参数即可，由于在发动机工作工况下同一组喷射驱动针脚无法很好的切换、衔接喷射两种燃料，所以识别断油工况，在发动机进入断油工况后，此时发动机的需求喷射量为0，喷射阀关闭，如果当前温度满足切换成甲醇模式，则通过喷射控制模式将喷射装置和发动机喷射控制参数切换成甲醇模式，待发动机退出断油工况进入工作工况后采用甲醇模式运行。

具体控制流程如图1，其中阈值1、2、3为标定量，可以根据实际发动机台架和整车的试验结果进行合理标定。喷射模式中的汽油模式和甲醇模式，分别对应喷射汽油和喷射甲醇，对应模式置位后要切换喷射阀的控制参数也要打开对应燃料的供给系统，如打开汽油或甲醇供给管路上的切断电磁阀，打开汽油泵、甲醇泵的驱动等，其中，喷射阀控制参数除了包含喷射阀驱动参数外，还包含喷射提前角、喷射加电时间以及喷射时序等。

6  结束语

笔者在现有的控制模式的基础上，对甲醇/汽油的喷射控制方法进行了优化，实现了使用发动机电控系统的同一组喷射驱动针脚对甲醇发动机的汽油和甲醇喷射模式的控制，不需要额外设计电控系统或者增加汽油喷射控制系统，既提高了系统稳定性，又降低了系统成本。

参考文献：

[1]殷建平.探寻合适的石油替代品：国外替代石油发展渐入佳境[J].中国石油化工，2007（7）：19-23.

[2]李强.基于CycloneⅢ的车用甲醇汽油的控制系统研究与设计[D].长安大学，2013.

[3]刘丹丹，于增信.醇类燃料作为车用燃料的前景展望[J].汽车工业研，2009（11）：28-31.