第42卷第4期小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車Vol 42 No 42013年8月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEAug.2013乙醇-汽油燃料車用發(fā)動機(jī)設(shè)計開發(fā)錢德猛錢多德(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心動力總成研究院安徽合肥230601)摘要:靈活燃料發(fā)動機(jī)即可以使用任意配比的乙醇和汽油的發(fā)動機(jī)。本文首先對乙醇和汽油的理化性質(zhì)進(jìn)行了深入的分析,然后通過計算機(jī)模擬和試驗(yàn)的方法研究了不同熱值的燃料對發(fā)動機(jī)機(jī)械性能、電控系統(tǒng)及排放特性的影響。闡述了使用任意配比的乙醇和汽油的靈活燃料發(fā)動機(jī)的開發(fā)思路,并結(jié)合具體的案例闡明了靈活燃料發(fā)動機(jī)的工程可行性和廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:靈活燃料乙醇汽油發(fā)動機(jī)機(jī)械性能排放特性中圖分類號:TK411.71文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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引言燃料汽車在巴西市場很受歡迎。在中國,奇瑞公司從乙醇是一種極具潛力的替代燃料,使用乙醇不但2008年5月開始開發(fā)靈活燃料汽車,其他企業(yè)200可以改善能源結(jié)構(gòu)減少對石油的依賴,同時可以降低年開始涉足靈活燃料汽車的研發(fā)。汽車的有害排放,緩解能源緊張和環(huán)境污染所帶來的本文通過仿真和試驗(yàn)的方法研究分析了不同燃料壓力。近些年我們國家也開始在部分省份和地區(qū)推對發(fā)動機(jī)性能的影響研究了車用靈活燃料發(fā)動機(jī)的廣使用含乙醇10%的乙醇汽油燃料。工程可行性和設(shè)計思路。世界范圍內(nèi),巴西是世界上最大的燃料乙醇生產(chǎn)1乙醇-汽油的物理化學(xué)特性分析和消費(fèi)國,巴西從2003年開始推廣應(yīng)用靈活燃料汽乙醇是一種無色透明、易揮發(fā)、易燃的液體。汽油車,目前靈活燃料汽車占國內(nèi)總銷量的90%以上。綜是烴類燃料,而醇類是烴基和羥基組成的化合物這也合燃油成本方面,乙醇比汽油低約30%,若是在產(chǎn)糖從化學(xué)性質(zhì)上說明了醇類可以作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃的夏季或產(chǎn)糖區(qū),成本差異更大;此外,消費(fèi)者的環(huán)保料。從分子組中國煤化式為C2H4O,含有意識不斷增強(qiáng);再加上政府的稅收補(bǔ)貼導(dǎo)向使得靈活2個碳原子HCNMHG,而汽油則是碳作者簡介:錢德猛(1976-),男,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)檎?、發(fā)動機(jī)設(shè)計及CAE模擬仿真分析。44小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第42卷原子為5~12或10~21的液態(tài)烴類混合物,不含氧元素4。不同燃料的理化性質(zhì)如表1所示。表1不同燃料的理化性質(zhì)對比理化性質(zhì)汽油乙醇汽油乙醇對發(fā)動機(jī)的性能影響化學(xué)分子式C,Hn C,H, C2H,0 C2H,O沸點(diǎn)25-22025~17579乙醇的沸點(diǎn)低產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油大閃點(diǎn)小于-3012乙醇燃料汽車的冷起動性能比較差辛烷值(RON90~106107乙醇的辛烷值比汽油高,具有高的抗爆性能可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)動力性提升蒸汽壓/kPA38蒸發(fā)潛熱/(k·kg-)334850發(fā)動機(jī)冷起動困難降低進(jìn)氣溫度提高充氣效率增加了功率液態(tài)密度/(g…·L-1)700756810燃料低熱值/(kJ·kg-)4002700乙醇熱值低,在同等的熱效率下醇類的燃料經(jīng)濟(jì)性會比較差混合氣熱值/(kJ·m-3)37503710366混合氣熱值接近,可以保證動力性基本持平空燃比14.713.8空燃比需要調(diào)整備注: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。由對比數(shù)據(jù)可以看出:乙醇的辛烷值比汽油高,具在理論上降低了3%,所以從宏觀來看,發(fā)動機(jī)的功率有高的抗爆性能,故發(fā)動機(jī)可以采用高壓縮比,提高熱至少要下降3%。效率。但是乙醇類的抗爆性敏感度大,中高速時的抗2.1.1發(fā)動機(jī)工作過程模擬分析及試驗(yàn)爆性不如低速好;乙醇的蒸發(fā)潛熱大,是汽油的3倍左燃料所含熱量是發(fā)動機(jī)輸出功率的來源,因而燃右,使得使用醇類燃料的汽車?yán)淦饎永щy,并且在低溫料的低熱值是評價發(fā)動機(jī)性能的一個重要指標(biāo)。乙醇運(yùn)行時性能惡化;乙醇的可燃界限寬燃燒速度快,可汽油混合燃料的低熱值可用以下數(shù)學(xué)方法進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒;乙醇的熱值低,乙醇的熱值約只有汽估算油的61%。但是乙醇含氧量大,燃燒所需要的理論空HE=aH+BH(kJ·kg氣量不到汽油的一半所以兩者混合氣熱值接近,從而式中,H為混合燃料的低熱值(kJ·kg-);a為混合保證發(fā)動機(jī)動力性不致明顯降低。由于熱值低與燃燃料中汽油的質(zhì)量百分比;H為汽油的低熱值kJ用汽油相比在同等的熱效率下,醇類的燃料經(jīng)濟(jì)性會kgiB為混合燃料中乙醇的質(zhì)量百分比;H,為乙醇的比較差;乙醇的沸點(diǎn)低,產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油大;在低熱值(kJ·kg-)。常溫下醇難溶于汽油,混合不均的燃料會使發(fā)動機(jī)運(yùn)利用一維性能分析軟件 BOOST構(gòu)建某款1.5L排轉(zhuǎn)不穩(wěn)定為此在使用混合燃料時需要加人助溶劑以量發(fā)動機(jī)的工作過程模型,邊界條件取值為試驗(yàn)測量利于乙醇和汽油的相互溶解。得到的進(jìn)氣溫度和壓力,燃燒模型和傳熱模型有關(guān)參2燃料對發(fā)動機(jī)工作過程的影響機(jī)理數(shù)的設(shè)置則根據(jù)試驗(yàn)值或經(jīng)驗(yàn)公式計算得到,同時結(jié)研究合試驗(yàn)對相應(yīng)系數(shù)進(jìn)行修正。最終建立的發(fā)動機(jī)工作基于乙醇特殊的物理化學(xué)性質(zhì),有必要從各個方過程模型如圖1所示。面分析由于燃料的不同而對發(fā)動機(jī)工作過程產(chǎn)生的不在相同的邊界條件下,通過模擬使用不同燃料的同影響發(fā)動機(jī)工作過程可以發(fā)現(xiàn)(如圖2所示),隨著乙醇含2.1發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性量的增加直至100%,發(fā)動機(jī)的功率和扭矩是呈現(xiàn)下乙醇的熱值比汽油要低,意味著同樣燃燒1kg的降的趨勢的,最大功率從83kW降低到33W,最大扭乙醇,發(fā)出的熱量要小于汽油。從能量守恒的角度,使距從150N中國煤化工耗率顯著提高,用乙醇的熱效率要低于汽油。從機(jī)理上講燃料乙醇從250g/(kWCNMHG1.h),提高了熱值低,注入了10%乙醇的混合燃料乙醇汽油,熱值近70%。第4期錢德猛等:乙醇-汽油燃料車用發(fā)動機(jī)設(shè)計開發(fā)1.5LWT Gasoline Engine不能太濃,否則容易造成機(jī)油稀釋而拉缸1201-93#標(biāo)準(zhǔn)汽油E22乙醇汽油T6E100乙醇燃料XMP2180170葉時R160XMP114050015002500350045005500AT2CAT圖33種燃料外特性動力性對比93#標(biāo)準(zhǔn)汽油501E22乙醇汽油圖1發(fā)動機(jī)工作過程模型E100乙醇燃料0000000000600540二20三93#H E22E10030050015002500350045005500圖43種燃料外特性經(jīng)濟(jì)性對比22發(fā)動機(jī)冷起動性能乙醇的閃點(diǎn)比汽油高,所以乙醇燃料汽車?yán)淦饎?000400050006000性能比較差。通常,在氣溫低于15℃和燃油中乙醇含/(r.min量達(dá)到85%以上時,發(fā)動機(jī)冷起動性能變差,需要使圖2使用不同燃料的發(fā)動機(jī)外特性數(shù)值模擬結(jié)果用冷起動系統(tǒng)。目前,世界上應(yīng)用比較成熟的解決發(fā)但是,乙醇和汽油的混合氣熱值接近所以是可以動機(jī)冷起動問題的方案是增加輔助油箱該油箱大約保證發(fā)動機(jī)動力性不致明顯降低的,并且乙醇的辛烷2-3L的容量,發(fā)動機(jī)起動時由ECU控制使用輔助油值比汽油高,所以可以通過提高壓縮比和增加點(diǎn)火提箱的燃料正常行駛時切換至使用主油箱的燃料。前角延長供油時間以提高發(fā)動機(jī)的熱效率和動力性。2.3發(fā)動機(jī)排放性能驗(yàn)證試驗(yàn)中,根據(jù)條件針對某款2.0L發(fā)動機(jī),分別選如化學(xué)反應(yīng)式(2)~(3),乙醇和汽油在燃燒反應(yīng)取93#標(biāo)準(zhǔn)汽油、E22乙醇汽油、E100乙醇燃料3種燃后均產(chǎn)生了CO2和H2O。由于乙醇在燃燒不完全的情料進(jìn)行試驗(yàn)研究。在經(jīng)過ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)優(yōu)化后進(jìn)行況下除了產(chǎn)生CO2和H2O之外,還會產(chǎn)生醛類產(chǎn)物發(fā)動機(jī)的外特性試驗(yàn),對比不同含量的乙醇對發(fā)動機(jī)(公式4),該產(chǎn)物在國內(nèi)外的排放法規(guī)中均有限值臺架性能和燃燒特性的影響。如圖3所示,使用純乙要求。醇作為燃料的發(fā)動機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)更高的動力性的。同C2HO+30,完全燃燒=2CO2+3H2O(2)時圖4也證明了乙醇含量越高,發(fā)動機(jī)的燃油消耗率也越高,使用F22乙醇汽油的發(fā)動機(jī)燃油消耗較使用C,HO+(n+)02點(diǎn)燃n,C02+H0 (3)93#標(biāo)準(zhǔn)汽油增加約10%,使用E100乙醇燃料的發(fā)動3C2HO中國煤化工+5H2O(4)機(jī)燃油消耗增加約70%。值得注意的是,對電噴發(fā)動燃用乙醇NMH己排放,HC的排機(jī)而言,點(diǎn)火提前角的標(biāo)定需要保守減少燃燒溫度對放有所降低,而m,哈骨增加。圖0龍通過發(fā)動機(jī)臺火花塞預(yù)先加熱,從而減少預(yù)燃的概率。此外混合氣架試驗(yàn)測試得到的全負(fù)荷工況時燃用3種燃料的CO46小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車第42卷排放曲線。從圖上可以看出,燃用93#汽油,E22,E100缸套、噴油嘴、氣門、進(jìn)氣導(dǎo)管和座圈、氧傳感器、火花的CO排放的變化趨勢都是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1000·塞及電控系統(tǒng)等。對油路而言,改變?nèi)剂虾笮枰倪M(jìn)min1-2000·min-時較為平穩(wěn),后來在轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計的相關(guān)零部件包括:油箱、油泵、油管汽油濾清器2500r·min時迅速上升;同時,隨著乙醇比例的不斷濾芯和油軌。增加,CO的排放依次明顯降低,改善效果可達(dá)30%針對機(jī)械系統(tǒng)的零部件,我們將零部件的材料屬左右。性和制造工藝進(jìn)行了耐乙醇的改進(jìn)設(shè)計;ECU的控制策略中增加了智能學(xué)習(xí)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況下,控制程序可以自動識別燃料特性,根據(jù)不同類型燃料的空燃比改變ECU控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)在不同工況下順利起動滿足動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)的要求。E1003結(jié)束語1000150020002500300035004000轉(zhuǎn)速/r·min)1)乙醇和汽油的物理化學(xué)性質(zhì)對比分析表明醇圖6全負(fù)荷工況CO的排放對比類可以作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料;如式(4)所示,通常采用了乙醇燃料以后,會產(chǎn)生2)基于使用不同的燃料,采用模擬分析和試驗(yàn)的些新的化學(xué)物質(zhì),如NMHC(非甲烷碳?xì)?,Alde-方法,從動力性,經(jīng)濟(jì)性,排放機(jī)械系統(tǒng)等方面對發(fā)動hyde(醛)等。為了滿足不同區(qū)域的排放法規(guī)對這些機(jī)工作過程的影響機(jī)理進(jìn)行的詳細(xì)分析證明了開發(fā)靈排放物的限值要求需要對催化裝置的結(jié)構(gòu)和貴金屬活燃料發(fā)動機(jī)在工程上是可行的;含量進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計變更。例如改進(jìn)發(fā)動機(jī)控制策3)該款發(fā)動機(jī)的順利開發(fā)為國內(nèi)開發(fā)替代燃料略采用更激進(jìn)的冷起動方式(催化劑床溫在40s內(nèi)發(fā)動機(jī)積累了一定的工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。達(dá)到400℃),采用更精確的瞬態(tài)控制,使用高目數(shù)薄參考文獻(xiàn)壁的緊耦合催化劑;為了降低由于燃燒乙醇導(dǎo)致的陸耀祖內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理[M].北京:中國建材工業(yè)出NO,排放增加,釆用更精確的空然比窗口控制,增大催版社,2005化器載體的體積(載體體積/發(fā)動機(jī)排量≥1)。2鄧元望,劉放浪,劉學(xué)英.乙醇燃料及其在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)2.4發(fā)動機(jī)機(jī)械零部件系統(tǒng)用[門].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2002,34(1):28~30醇類本身具有較強(qiáng)的化學(xué)活性,能腐蝕鋁、鉛、錳、3許滄粟汽油機(jī)燃用乙醇和汽油的混合燃料的試驗(yàn)研究塑料、合成橡膠等,而這些材料是汽油燃料汽車的典型[門].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,24(4):734~738材料。汽油汽車中如燃油箱油泵、油泵膜片、浮子汽4高國珍,王育輝,陳光敏醇類燃料理化性質(zhì)對汽油機(jī)性油濾清器濾芯和許多密封件等在醇燃料汽車中將腐能及排放的影響[J].江西能源2004(3):8-10,20蝕、容脹、軟化或龜裂而導(dǎo)致迅速損壞。另外,醇與汽5李曉娟,宋崇林,郭振鵬,等.乙醇/汽油的理化特性及其油的混合燃料對橡膠、塑料的溶脹作用比單獨(dú)的醇或?qū)﹄娍仄蜋C(jī)性能的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2006,37(11):l17~179汽油都強(qiáng),混合20%的醇時,對橡膠的溶脹最大。另6邵明龍,紀(jì)威,鮑曉峰,等.車用乙醇燃料對發(fā)動機(jī)排放影個方面是乙醇的燃燒,乙醇在燃燒過程中,會產(chǎn)生乙響的試驗(yàn)研究[J.車用發(fā)動機(jī),2008(4):90~9酸,要產(chǎn)生比汽油更多的水分,過多的水分,對金屬件7蔡志華,程金東乙醇汽油對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的適應(yīng)性研究特別是銅會產(chǎn)生一種氧化腐蝕。時間長了腐蝕會越來[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2008(4):17-19越明顯。尤其是對電噴發(fā)動機(jī)的氧傳感器,是非常不8郭美華杜寶杰李岳林乙醇汽油混合燃料的排放特性利的。試驗(yàn)表明,在汽油中乙醇含量在10%以下時研究[J].內(nèi)燃機(jī),2010(6):45~48對金屬基本沒有腐蝕,但乙醇超過15%時,則必須添9劉方杰,魏衍舉劉子華.等.7醇汽油發(fā)動機(jī)非常規(guī)排加腐蝕抑制劑。放及其催中國煤化工大學(xué)學(xué)報,2010,4(1):13~CNMHG在乙醇燃燒過程中,對發(fā)動機(jī)本身而言,改變?nèi)剂?收稿日期:2012-12-17)后需要改進(jìn)設(shè)計的相關(guān)零部件包括:活塞、活塞環(huán)、氣