乙醇-汽油燃料车用发动机设计开发

第42卷第4期小型内燃机与摩托车Vol 42 No 42013年8月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEAug.2013乙醇-汽油燃料车用发动机设计开发钱德猛钱多德(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心动力总成研究院安徽合肥230601)摘要:灵活燃料发动机即可以使用任意配比的乙醇和汽油的发动机。本文首先对乙醇和汽油的理化性质进行了深入的分析,然后通过计算机模拟和试验的方法研究了不同热值的燃料对发动机机械性能、电控系统及排放特性的影响。阐述了使用任意配比的乙醇和汽油的灵活燃料发动机的开发思路,并结合具体的案例阐明了灵活燃料发动机的工程可行性和广阔的应用前景。关键词:灵活燃料乙醇汽油发动机机械性能排放特性中图分类号:TK411.71文献标识码:A文章编号:1671-0630(2013)04-0043-04Engine Design for Ethanol-Gasoline VehicleQian Demeng, Qian DuodePowertrain Academy, Technology Center, Anhui Jianghuai AutomobileCo, Ltd.( Hefei, Anhui, 230601, ChinaAbstract: Flexible fuel engine can use free ratio mixed fuel of ethanol and gasoline. This paper first deeplyanalyzes the physics and chemistry character of ethanol and gasoline. Then the influences of the fuel of differentrmal values to the mechanism performance, electronic control system and emission are studied through themethod of simulation and experiment. Based on this, the development route of the flexible fuel engine usingfree ratio mixed fuel is illuminated Finally, the detailed engine projectole proves the feasibility of flexible fuel engine and wide application foregroundKeywords: Flexible fuel, Ethanol gasoline, Engine, Mechanism performance, Emission performance引言燃料汽车在巴西市场很受欢迎。在中国,奇瑞公司从乙醇是一种极具潜力的替代燃料,使用乙醇不但2008年5月开始开发灵活燃料汽车,其他企业200可以改善能源结构减少对石油的依赖,同时可以降低年开始涉足灵活燃料汽车的研发。汽车的有害排放,缓解能源紧张和环境污染所带来的本文通过仿真和试验的方法研究分析了不同燃料压力。近些年我们国家也开始在部分省份和地区推对发动机性能的影响研究了车用灵活燃料发动机的广使用含乙醇10%的乙醇汽油燃料。工程可行性和设计思路。世界范围内,巴西是世界上最大的燃料乙醇生产1乙醇-汽油的物理化学特性分析和消费国,巴西从2003年开始推广应用灵活燃料汽乙醇是一种无色透明、易挥发、易燃的液体。汽油车,目前灵活燃料汽车占国内总销量的90%以上。综是烃类燃料,而醇类是烃基和羟基组成的化合物这也合燃油成本方面,乙醇比汽油低约30%,若是在产糖从化学性质上说明了醇类可以作为内燃机的代用燃的夏季或产糖区,成本差异更大;此外,消费者的环保料。从分子组中国煤化式为C2H4O,含有意识不断增强;再加上政府的税收补贴导向使得灵活2个碳原子HCNMHG,而汽油则是碳作者简介:钱德猛(1976-),男,工学博士,主要研究方向为整车、发动机设计及CAE模拟仿真分析。44小型内燃机与摩托车第42卷原子为5~12或10~21的液态烃类混合物,不含氧元素4。不同燃料的理化性质如表1所示。表1不同燃料的理化性质对比理化性质汽油乙醇汽油乙醇对发动机的性能影响化学分子式C,Hn C,H, C2H,0 C2H,O沸点25-22025~17579乙醇的沸点低产生气阻的倾向比汽油大闪点小于-3012乙醇燃料汽车的冷起动性能比较差辛烷值(RON90~106107乙醇的辛烷值比汽油高,具有高的抗爆性能可以实现发动机动力性提升蒸汽压/kPA38蒸发潜热/(k·kg-)334850发动机冷起动困难降低进气温度提高充气效率增加了功率液态密度/(g…·L-1)700756810燃料低热值/(kJ·kg-)4002700乙醇热值低,在同等的热效率下醇类的燃料经济性会比较差混合气热值/(kJ·m-3)37503710366混合气热值接近,可以保证动力性基本持平空燃比14.713.8空燃比需要调整备注:表中,乙醇汽油指含2%乙醇,78%汽油的E2混合燃料,下文所述的E00燃料指含93%乙醇7%水的乙醇燃料。由对比数据可以看出:乙醇的辛烷值比汽油高,具在理论上降低了3%,所以从宏观来看,发动机的功率有高的抗爆性能,故发动机可以采用高压缩比,提高热至少要下降3%。效率。但是乙醇类的抗爆性敏感度大,中高速时的抗2.1.1发动机工作过程模拟分析及试验爆性不如低速好;乙醇的蒸发潜热大,是汽油的3倍左燃料所含热量是发动机输出功率的来源,因而燃右,使得使用醇类燃料的汽车冷起动困难,并且在低温料的低热值是评价发动机性能的一个重要指标。乙醇运行时性能恶化;乙醇的可燃界限宽燃烧速度快,可汽油混合燃料的低热值可用以下数学方法进行以实现稀薄燃烧;乙醇的热值低,乙醇的热值约只有汽估算油的61%。但是乙醇含氧量大,燃烧所需要的理论空HE=aH+BH(kJ·kg气量不到汽油的一半所以两者混合气热值接近,从而式中,H为混合燃料的低热值(kJ·kg-);a为混合保证发动机动力性不致明显降低。由于热值低与燃燃料中汽油的质量百分比;H为汽油的低热值kJ用汽油相比在同等的热效率下,醇类的燃料经济性会kgiB为混合燃料中乙醇的质量百分比;H,为乙醇的比较差;乙醇的沸点低,产生气阻的倾向比汽油大;在低热值(kJ·kg-)。常温下醇难溶于汽油,混合不均的燃料会使发动机运利用一维性能分析软件 BOOST构建某款1.5L排转不稳定为此在使用混合燃料时需要加人助溶剂以量发动机的工作过程模型,边界条件取值为试验测量利于乙醇和汽油的相互溶解。得到的进气温度和压力,燃烧模型和传热模型有关参2燃料对发动机工作过程的影响机理数的设置则根据试验值或经验公式计算得到,同时结研究合试验对相应系数进行修正。最终建立的发动机工作基于乙醇特殊的物理化学性质,有必要从各个方过程模型如图1所示。面分析由于燃料的不同而对发动机工作过程产生的不在相同的边界条件下,通过模拟使用不同燃料的同影响发动机工作过程可以发现(如图2所示),随着乙醇含2.1发动机动力性、经济性量的增加直至100%,发动机的功率和扭矩是呈现下乙醇的热值比汽油要低,意味着同样燃烧1kg的降的趋势的,最大功率从83kW降低到33W,最大扭乙醇,发出的热量要小于汽油。从能量守恒的角度,使距从150N中国煤化工耗率显著提高,用乙醇的热效率要低于汽油。从机理上讲燃料乙醇从250g/(kWCNMHG1.h),提高了热值低,注入了10%乙醇的混合燃料乙醇汽油,热值近70%。第4期钱德猛等:乙醇-汽油燃料车用发动机设计开发1.5LWT Gasoline Engine不能太浓,否则容易造成机油稀释而拉缸1201-93#标准汽油E22乙醇汽油T6E100乙醇燃料XMP2180170叶时R160XMP114050015002500350045005500AT2CAT图33种燃料外特性动力性对比93#标准汽油501E22乙醇汽油图1发动机工作过程模型E100乙醇燃料0000000000600540二20三93#H E22E10030050015002500350045005500图43种燃料外特性经济性对比22发动机冷起动性能乙醇的闪点比汽油高,所以乙醇燃料汽车冷起动2000400050006000性能比较差。通常,在气温低于15℃和燃油中乙醇含/(r.min量达到85%以上时,发动机冷起动性能变差,需要使图2使用不同燃料的发动机外特性数值模拟结果用冷起动系统。目前,世界上应用比较成熟的解决发但是,乙醇和汽油的混合气热值接近所以是可以动机冷起动问题的方案是增加辅助油箱该油箱大约保证发动机动力性不致明显降低的,并且乙醇的辛烷2-3L的容量,发动机起动时由ECU控制使用辅助油值比汽油高,所以可以通过提高压缩比和增加点火提箱的燃料正常行驶时切换至使用主油箱的燃料。前角延长供油时间以提高发动机的热效率和动力性。2.3发动机排放性能验证试验中,根据条件针对某款2.0L发动机,分别选如化学反应式(2)~(3),乙醇和汽油在燃烧反应取93#标准汽油、E22乙醇汽油、E100乙醇燃料3种燃后均产生了CO2和H2O。由于乙醇在燃烧不完全的情料进行试验研究。在经过ECU标定数据优化后进行况下除了产生CO2和H2O之外,还会产生醛类产物发动机的外特性试验,对比不同含量的乙醇对发动机(公式4),该产物在国内外的排放法规中均有限值台架性能和燃烧特性的影响。如图3所示,使用纯乙要求。醇作为燃料的发动机是可以实现更高的动力性的。同C2HO+30,完全燃烧=2CO2+3H2O(2)时图4也证明了乙醇含量越高,发动机的燃油消耗率也越高,使用F22乙醇汽油的发动机燃油消耗较使用C,HO+(n+)02点燃n,C02+H0 (3)93#标准汽油增加约10%,使用E100乙醇燃料的发动3C2HO中国煤化工+5H2O(4)机燃油消耗增加约70%。值得注意的是,对电喷发动燃用乙醇NMH己排放,HC的排机而言,点火提前角的标定需要保守减少燃烧温度对放有所降低,而m,哈骨增加。图0龙通过发动机台火花塞预先加热,从而减少预燃的概率。此外混合气架试验测试得到的全负荷工况时燃用3种燃料的CO46小型内燃机与摩托车第42卷排放曲线。从图上可以看出,燃用93#汽油,E22,E100缸套、喷油嘴、气门、进气导管和座圈、氧传感器、火花的CO排放的变化趋势都是发动机转速在1000·塞及电控系统等。对油路而言,改变燃料后需要改进min1-2000·min-时较为平稳,后来在转速达到设计的相关零部件包括:油箱、油泵、油管汽油滤清器2500r·min时迅速上升;同时,随着乙醇比例的不断滤芯和油轨。增加,CO的排放依次明显降低,改善效果可达30%针对机械系统的零部件,我们将零部件的材料属左右。性和制造工艺进行了耐乙醇的改进设计;ECU的控制策略中增加了智能学习的功能,使用者在加注E22燃93#汽油料、E100燃料或者乙醇和汽油任意比例混合燃料的情况下,控制程序可以自动识别燃料特性,根据不同类型燃料的空燃比改变ECU控制参数以实现发动机在不同工况下顺利起动满足动力性、经济性和排放法规的要求。E1003结束语1000150020002500300035004000转速/r·min)1)乙醇和汽油的物理化学性质对比分析表明醇图6全负荷工况CO的排放对比类可以作为内燃机的代用燃料;如式(4)所示,通常采用了乙醇燃料以后,会产生2)基于使用不同的燃料,采用模拟分析和试验的些新的化学物质,如NMHC(非甲烷碳氢),Alde-方法,从动力性,经济性,排放机械系统等方面对发动hyde(醛)等。为了满足不同区域的排放法规对这些机工作过程的影响机理进行的详细分析证明了开发灵排放物的限值要求需要对催化装置的结构和贵金属活燃料发动机在工程上是可行的;含量进行适应性设计变更。例如改进发动机控制策3)该款发动机的顺利开发为国内开发替代燃料略采用更激进的冷起动方式(催化剂床温在40s内发动机积累了一定的工程研发经验。达到400℃),采用更精确的瞬态控制,使用高目数薄参考文献壁的紧耦合催化剂;为了降低由于燃烧乙醇导致的陆耀祖内燃机构造与原理[M].北京:中国建材工业出NO,排放增加,釆用更精确的空然比窗口控制,增大催版社,2005化器载体的体积(载体体积/发动机排量≥1)。2邓元望,刘放浪,刘学英.乙醇燃料及其在发动机中的应2.4发动机机械零部件系统用[门].小型内燃机与摩托车,2002,34(1):28~30醇类本身具有较强的化学活性,能腐蚀铝、铅、锰、3许沧粟汽油机燃用乙醇和汽油的混合燃料的试验研究塑料、合成橡胶等,而这些材料是汽油燃料汽车的典型[门].环境科学学报,2004,24(4):734~738材料。汽油汽车中如燃油箱油泵、油泵膜片、浮子汽4高国珍,王育辉,陈光敏醇类燃料理化性质对汽油机性油滤清器滤芯和许多密封件等在醇燃料汽车中将腐能及排放的影响[J].江西能源2004(3):8-10,20蚀、容胀、软化或龟裂而导致迅速损坏。另外,醇与汽5李晓娟,宋崇林,郭振鹏,等.乙醇/汽油的理化特性及其油的混合燃料对橡胶、塑料的溶胀作用比单独的醇或对电控汽油机性能的影响[J].农业机械学报2006,37(11):l17~179汽油都强,混合20%的醇时,对橡胶的溶胀最大。另6邵明龙,纪威,鲍晓峰,等.车用乙醇燃料对发动机排放影个方面是乙醇的燃烧,乙醇在燃烧过程中,会产生乙响的试验研究[J.车用发动机,2008(4):90~9酸,要产生比汽油更多的水分,过多的水分,对金属件7蔡志华,程金东乙醇汽油对发动机系统的适应性研究特别是铜会产生一种氧化腐蚀。时间长了腐蚀会越来[J].内燃机与动力装置,2008(4):17-19越明显。尤其是对电喷发动机的氧传感器,是非常不8郭美华杜宝杰李岳林乙醇汽油混合燃料的排放特性利的。试验表明,在汽油中乙醇含量在10%以下时研究[J].内燃机,2010(6):45~48对金属基本没有腐蚀,但乙醇超过15%时,则必须添9刘方杰,魏衍举刘子华.等.7醇汽油发动机非常规排加腐蚀抑制剂。放及其催中国煤化工大学学报,2010,4(1):13~CNMHG在乙醇燃烧过程中,对发动机本身而言,改变燃料(收稿日期:2012-12-17)后需要改进设计的相关零部件包括:活塞、活塞环、气