汽油机燃用M100甲醇燃料的试验研究.docx

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *汽* *油* * 机* * *燃* * 用* * *M* * 1* 0* *0* * 甲* * *醇* *燃* * 料* * *的* *试* * 验* * *研* *究* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 郭* 建* *玲*, 姚* * *武*, 郑* *国*璋* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *( *太*原* 东* 方* 发* *动*机*研* 究* 所* *, 山* 西* *太* 原* *03*00*2*4)* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *摘 要 : 在 JT468Q 型 多 点 电 喷 4 气 门 汽 油 机 上 进 行 燃 用 汽 油 、全 甲 醇( M100) 燃 料 的 对 比 试 验 与 燃 用 全 甲 醇 燃 料 提 高压 缩 比 的 试 验 。 燃 用 全 甲 醇 燃 料 , 其 功 率 和 转 矩 都 有 明 显 提 高 , 燃 油 消 耗 率 与 怠 速 污 染 物 CO 和 HC 排 放 都 明 显 降 低 ; 提 高 压 缩 比 后 功 率 与 转 矩 都 大 幅 度 提 高 , 燃 油 消 耗 率 也 大 幅 度 降 低 , 排 放 明 显 改 善 。关 键 词 : 电 喷 汽 油 机 ; 甲 醇 燃 料 ; 功 率 ; 转 矩 ; 燃 油 消 耗 率 ; 排 放 ; 试 验中 图 分 类 号 : TK417文 献 标 识 码 : A文 章 编 号 : 1000- 6494(2008)02- 0038- 03An Exper imental Study on Gasoline EngineFueling M100 MethanolGUO Jian- ling , YAO Wu, ZHENG Guo- zhang(Dongfang Engine Research Institute, Taiyuan 030024, China )Abstr act: A comparison test fueling gasoline and full M100 methanol in JT468Q model multi- point injection (MPI) 4 - valve gasoline engine and a test fueling full M100 methanol to inprove compression ratio are made. In latter test,the power and the torque are obviously higher and the fuel comsumption rate and idle rate pollutants (CO and HC) are obviously lower. When the compression ratio raises, the power and the torque are improved greatly and the compression ratio is lowered greatly and emissions is improved too.Key wor ds: EFI gasoline engine; methanol fuel; power; torque; specific fuel consumption; emission; test表 1 甲 醇 与 汽 油 的 特 性 对 比 表0前言随 着 世 界 经 济 的 发 展 , 内 燃 机 用 量 逐 年 增 大 , 石油消耗也相继增大, 而石油资源日益减少, 为此 世界各国都在寻找石油的替代燃料。发达国家先后 对 汽 车 燃 用 甲 醇 进 行 了 研 究 与 开 发1- 4 。 我 国 从 20 世 纪 70 年 代 开 始 进 行 内 燃 机 燃 用 甲 醇 的 研 究 5- 10, 已有的研究成果表明煤制甲醇是最经济的石油替代燃料11,甲 醇 作 为 燃 料 的 物 理 化 学 特 性 与 汽 油 比 较接近 , 是 汽 油 的 良 好 替 代 燃 料12。 甲 醇 与 汽 油 的 特性比较见表 1。从表 1 中可以看出, 甲醇的辛烷值高, 抗爆性 好, 汽油机燃用甲醇燃料可以采用提高压缩比的方法提高热效率。笔 者 以 JT468Q 型 多 点 电 喷 4 气 门 汽 油 机 为 原 型机, 进行了 汽 油 机 燃 用 汽 油 与 燃 用 全 甲 醇(M100) 燃料的对比试验及燃用全甲醇燃料提高压缩比的对 比试验。汽 化 热 )1试验装置和方法作 者 简 介 : 郭 建 玲( 1972- ) , 女 , 工 程 师 , 主 要 从 事 内 燃 机结 构 设 计 及 燃 用 醇 醚 燃 料 的 研 究收 稿 日 期 : 2007- 10- 17试验用发动机为 JT468Q 电喷 4 气门汽油机, 缸径 68.5 mm, 行 程 72 mm, 排 量 1.06 L, 压 缩 比 101,甲 醇汽 油分 子 式CH3- OHCnH2n分 子 量3295120低 热 值/(MJkg- 1)19.543.944.4液 体 粘 度/(kgms- 1)0.60.280.59液 体 密 度/(kgm- 3)790720780沸 点 / 6540210/ (kJ kg- 11 088310340辛 烷 值 / RON1061158098理 论 空 燃 比/(kgkg- 1)6.514.715自 燃 温 度 / 450350468理 论 混 合 气 热 值/(MJkg- 1)2.722.792.782.786最 小 点 火 能 量/mJ0.410.250.27最 大 火 焰 传 播 速 度/(ms- 1)0.5230.380.58第 2 期郭 建 玲 等 : 汽 油 机 燃 用 M100 甲 醇 燃 料 的 试 验 研 究 39 标 定 功 率 为 53 kW, 转 速 为 6 200 r/min, 试 验 采 用GW160A 电 涡 流 测 功 机 、BYH100 型 油 耗 仪 、 GW160A 型发动机控制系统及 MEX- 324F 型排气分 析仪等。原 JT468 汽油机电控系统是在燃用 RON93# 条件下标定的, 汽油的理论空燃比为 14.715, 而 甲 醇理论空燃比为 6.5, 燃用 M100 甲醇需要用增大喷 油脉宽的方法增大喷油量。所以在原 JT468Q 汽油机 上进行燃用 RON93# 汽油试验后, 将发动机部分零 件改用防腐蚀和防溶胀的材料, 并进行汽油机燃用全 甲醇燃料的电控系统标定, 然后再进行汽油机燃用全 甲醇燃料的原机压缩比(101)和提高压缩比(121) 的试验。采 用 铣 削 气 缸 盖 底 面 降 低 燃 烧 室 深 度 的 方 法 , 减小燃烧室容积以提高压缩比。按理论分析计算点 燃式发动机燃用全甲醇燃料压缩比在 =1314 的 范 围 , 试 验 因 受 JT468Q 气 缸 盖 结 构 的 限 制 , 压 缩 比 只 能 提 高 到 =12, 因 而 仅 进 行 压 缩 比 =10 和 =12 时 燃 用 全 甲 醇(M100)燃 料 与 原 汽 油 机 的 对 比 试验。由于甲醇的质量低热值只有汽油的 46%, 为便 于对比评价汽油机燃用汽油与全甲醇的经济性, 引 用“当量汽油消耗率”, 把燃用全甲醇的耗油率折合 成相同低热值汽油的耗油率。表 2 JT468Q 发 动 机 总 功 率 试 验 主 要 数 据 表总 功 率 特 性 最低 燃 油 消 耗 率燃 料种 类最 大 功 率/kW最 大 扭 矩/(Nm)备 注/(gkW h )- 1 - 1汽 油甲 醇53.555.59093261250=10=10表 3 JT468 发 动 机 怠 速 污 染 物 排 放 对 比 表4.2%,怠 速 污 染 物 CO 和 HC 排 放 分 别 降 低 70%和68.75%。虽 然 甲 醇 低 热 值 只 有 汽 油 的 46% ,但 甲 醇 理论 混 合 气 热 值 达 到 汽 油 理 论 混 合 气 热 值 的 98.9% ,由 于 甲 醇 汽 化 热 是 汽 油 汽 化 热 的 3.3 倍 ,在 发 动 机混 合 气 形 成 过 程 中 甲 醇 混 合 气 温 度 大 大 低 于 汽 油混 合 气 的 温 度 , 所 以 汽 油 机 燃 用 甲 醇 时 的 充 气 效 率 比 燃 用 汽 油 时 的 充 气 效 率 高 , 发 动 机 功 率 与 转 矩 高 于 原 汽 油 机 。 甲 醇 是 含 氧 燃 料 , 在 燃 烧 过 程 中 有 自 供 氧 效 应 , 使 局 部 富 氧 和 局 部 缺 氧 的 几 率减 少 , 燃 烧 趋 于 完 善 , 从 而 燃 烧 效 率 和 热 效 率 较高 , 使 CO 和 HC 的 生 成 量 和 排 放 量 降 低 , 能 耗 率 下降12,13。2.2 汽油机燃用全甲醇燃料提高压缩比的对比试验JT468Q 汽 油 机 原 机 压 缩 比 =10 与 压 缩 比 提 高到 =12 燃用全甲醇燃料对比试验总功率特性曲 线 见 图 2, 试 验 的 主 要 数 据 见 表 4 , 怠 速 污 染 物 排 放见表 5。试验结果表明, JT468Q 汽油机燃用全甲 醇 燃 料 时 , 压 缩 比 由 =10 提 高 到 =12 ( 提 高2试验结果和分析2.1 JT468Q 发动机燃用汽油与全甲醇燃料对比试验 试验结果见图 1、表 2 和表 3。图 1、表 2 和表3 表 明 , JT468 汽 油 机 在 不 改 变 压 缩 比 的 情 况 下(=10), 燃用全甲醇比燃用汽油的最大功率和最大转 矩 分 别 提 高 3.7%和 3.3%,最 低 燃 油 消 耗 率 降 低10080604020010080604020012090603001209060300TtqTtqPePe7005804603406405605104602204101 1001 1004 700 n/(rmin- 1)燃 用 汽 油6 2004 7006 200 n/(rmin- 1)=12, 燃 用 M100 甲 醇=10, 燃 用 M100 甲 醇燃 用 甲 醇 的 当 量 汽 油 消 耗燃 用 全 甲 醇图 1 JT468 发 动 机 燃 用 汽 油 和 M100 甲 醇 总 功 率 曲 线图 2 JT468 发 动 机 燃 用 全 甲 醇 对 比 试 验 总 功 率 特 性 曲 线Ttq/(Nm)ge/(gkW- 1h- 1)Pe/kWge/(gkW h )- 1 - 1Ttq/(Nm)Pe/kW燃 料 种 类CO%HC/10- 6备 注汽 油0.132=10甲 醇0.0310=10 40 内 燃 机2008 年 4 月表 4 JT468 发动机燃用全甲醇燃料总功率主要数据表 参 考 文 献最 大 功 率/kW最 大 转 矩/(Nm)总 功 率 特 性 最 低 燃 油消 耗 率/(gkW- 1h- 1)压 缩 比1 BookD L.Methanol with dimethyl ether ignition promotor asafuel for compression ignition enginees C .SAE Paper.Detroit, New York, USA, 1984, 849083.2 Green C J, Cockshutt N A, King L. Dimethyl ether as a methanol ignition improver: Substitution requirements and exhaust emissions impact C .SAE Paper. Detroit, New York, USA, 1990, 902155.3 Johnson H R, Williams R S. Performance of activated carbon in evaporative loss control systems C .SAE Paper. Detroit, New York, USA, 1990, 902119.4 Fu Maolin, Shi Shaoxi, Yang Jingyun, et al. Study on burning pure Methanol in spark ignition engines C .IX International Symposium on Alcohol Fuel. Firenze, 1991.5 李 宇 峰 , 刘 巽 俊 , 刘 忠 长 , 等. 点 燃 式 甲 醇 发 动 机 的 性 能 和排 放J. 内 燃 机 工 程 , 1991, (1): 52- 57.6 太 原 化 肥 厂.甲 醚 汽 油 混 合 物 作 为 汽 车 用 燃 料 性 试 验 小 结 Z. 甲 醇 汽 油 混 合 燃 料 在 汽 车 上 应 用 的 研 究 鉴 定 会 议 资 料 , 1982.7 国 家 汽 车 质 量 监 督 检 验 中 心 . HL495JIQ 型 甲 醇 发 动 机 检 验 报 告R. 2003.8 国 家 重 型 汽 车 质 量 监 督 检 验 中 心.JT468 汽 油 机 检 验 报 告R. 2003.9 中 美 合 作 研 究 组.中 国 山 西 省 和 其 它 富 煤 地 区 把 煤 转 化 成 汽 车 燃 料 及 其 应 用 的 经 济 、 环 境 和 能 源 利 用 的 生 命 周 期 评 估 报 告R. 1997.10 姜 立 永 、李 玉 峰 , 等.点 燃 式 甲 醇 发 动 机 燃 烧 特 性J. 内 燃 机 学 报. 1994, 28( 3) : 244- 248.11 周 述 志 , 廖 宗 富 , 漆 长 席 , 等 。 甲 醇 是 我 国 能 源 的 最 佳 选 择J. 化 工 管 理 , 2003,( 6) : 20- 21.12 何 学 良 , 詹 永 厚 , 李 疏 松 . 内 燃 机 燃 料 M. 北 京 : 中 国 石 化 出 版 社 , 1999.13 何 学 良 , 李 疏 松 . 内 燃 机 燃 烧 学 M. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1990.=10=1255.562.593103250210表 5 JT468 发动机燃用全甲醇燃料怠速污染物排放对