毛德智， 李岳林， 戴湘柱， 王重阳

(长沙理工大学汽车与机械工程学院， 湖南 长沙　410076)



低比例甲醇汽油的油膜动态特性研究

毛德智， 李岳林， 戴湘柱， 王重阳

(长沙理工大学汽车与机械工程学院， 湖南 长沙410076)

在某发动机台架上进行了低比例甲醇汽油油膜动态特性试验，研究了不同工况下M10甲醇汽油的油膜特性和甲醇比例对甲醇汽油油膜特性的影响。结果表明：发动机转速对甲醇汽油燃油沉积比例系数X和油膜蒸发时间常数τ的影响较小；冷却水温度对甲醇汽油的油膜蒸发时间常数τ的影响最大；同种工况下，甲醇比例在5%～15%之间时甲醇汽油的燃油沉积比例系数X达到最小；甲醇汽油比纯汽油更容易挥发，当甲醇比例低于10%时，甲醇汽油油膜蒸发时间常数随着甲醇比例的增加显著减小，但是当甲醇比例超过15%时，随着甲醇比例的增加，油膜蒸发时间常数变大。

甲醇汽油； 油膜； 动态特性； 数学模型； 空燃比

甲醇汽油是由汽油、甲醇和甲醇汽油添加剂配制而成的新能源燃料，研究证明，甲醇汽油混合燃料发动机的动力性与汽油机相差不大[1]。甲醇的层流火焰速度比汽油快，燃烧持续期缩短，有利于降低发动机的循环变动和提高发动机动力性能，并且研究发现甲醇和甲醇汽油有效热效率和燃烧效率均高于汽油[2-6]。另外，甲醇燃料也能够明显降低HC,CO和NOx的排放[7]。国内外已经有学者对甲醇和甲醇汽油的物化性能进行了研究。甲醇的饱和蒸气压比汽油低，与汽油中的轻组分形成饱和蒸气压大的共沸物，使得甲醇汽油的饱和蒸气压和最高馏出温度相对汽油都发生了很大的变化,掺醇比例在10%左右时甲醇汽油的饱和蒸气压达到最大[8]。杨建军等人[9]研究了低比例甲醇汽油的蒸发性能，研究表明，混合燃料的蒸气压增加，馏出温度下降。

上述对甲醇汽油物化性能的研究并没有考虑甲醇汽油在发动机运行的实际情况，实际上汽油机在瞬态工况下，进气道内的油膜动态效应是造成汽油瞬态空燃比难以控制的主要原因，从甲醇汽油的物理特性上看，甲醇汽油比汽油容易蒸发，利用低比例的甲醇汽油混合燃料可以减弱汽油机进气道的油膜效应带来的空燃比波动问题。本研究开展了甲醇汽油油膜动态特性研究，为实现低比例甲醇汽油燃料汽油机瞬态空燃比的最优控制提供理论依据。

1　甲醇汽油油膜动态特性参数标定试验

1.1油膜动态特性参数

为了准确地描述甲醇汽油的油膜动态特性，此次研究利用Aquino的油膜模型，其中燃油沉积比例系数X和油膜蒸发时间常数τ分别是描述油膜动态特性的关键参数。油膜动态效应见图1。

图1　油膜动态效应图

该油膜模型可由微分方程式表示为

(1)

(2)

(3)

1.2油膜动态特性参数标定试验

标定试验在EA113发动机台架上进行，表1示出了台架试验所用发动机的主要性能参数。

表1　EA113发动机主要技术参数

标定试验燃油为93号国标汽油和M5，M10，M15，M20甲醇汽油，甲醇汽油配制中加入微量复合添加剂。研究过程采用燃油阶跃补偿法[10-11]对油膜参数进行标定，重点考虑了发动机在多种工况下，不同比例的甲醇汽油油膜动态特性，标定试验原理与过程见图2。

图2　甲醇汽油油膜参数的标定原理

试验过程：1)首先选取M10甲醇汽油作为燃料进行发动机油膜参数标定试验，为了排除进气道壁温对油膜参数标定的干扰，在进行标定试验前让发动机充分暖机。2)让发动机保持在某个稳定工况下运行，然后对发动机甲醇汽油喷油脉宽施加一个相应的方波信号进行干扰，然后通过宽域氧传感器对空燃比进行监测。3)根据输出的空燃比波形图对燃油补偿器中的X与τ进行有规律的调整，直到监测到的空燃比波形图与施加的喷油脉宽波形大致相同时，停止X与τ调整，得到该比例甲醇汽油在此工况下的燃油沉积比例系数和蒸发时间常数。图3示出了不同参数值对应的空燃比变化趋势，该图是油膜参数调整的依据，其中下标1表示油膜参数设定值，下标2表示参数真实值。4)改变工况，重复2，3步骤，得到M10甲醇汽油不同工况下的油膜参数值。最后用不同比例的甲醇汽油燃料进行油膜参数标定试验，得出所有试验结果。

图3　不同油膜参数值对应的空燃比变化趋势

2　试验结果及分析

2.1发动机运行工况对甲醇汽油燃油油膜动态特性的影响

图4示出了发动机在冷水温度保持在50 ℃时，不同转速和节气门开度下燃油沉积比例系数X的试验结果。从结果可以看出，发动机转速对燃油的沉积比例系数的影响较小，燃油沉积比例系数会随着节气门开度的增大而减小。图5示出了发动机在节气门开度保持30%时，不同转速和冷却水温度下燃油沉积比例系数X的标定结果。从结果可以看出，冷却水温对甲醇汽油的燃油沉积比例系数的影响较大，燃油沉积比例系数随着冷却水温度的增加而减小。

图4　不同发动机转速与节气门开度下的燃油沉积比例系数X

图5　不同发动机转速与冷却水温度下的燃油沉积比例系数X

图6示出了发动机在冷却水温度保持在50 ℃时，不同转速和节气门开度下油膜蒸发时间常数τ的试验结果。由结果可以看出，节气门开度和发动机转速都对油膜蒸发时间常数影响较大，油膜蒸发时间常数随着节气门开度的增大而增大，随发动机转速增大而减小。图7示出了发动机在节气门开度保持30%时，不同转速和冷却水温度下油膜蒸发时间常数的试验结果。由图可以看出，甲醇汽油油膜蒸发时间常数τ对发动机的冷却水温变化非常敏感，油膜蒸发时间常数随着冷却水温的增加急剧减小。

图6　不同发动机转速和节气门开度下的油膜蒸发时间常数τ

图7　不同发动机转速和冷却水温度下的油膜蒸发时间常数τ

2.2甲醇比例对甲醇汽油燃油油膜动态特性的影响

图8和图9示出在节气门开度为30%、冷却水温度为50 ℃、发动机转速为1 500 r/min工况下，燃油沉积比例系数X和油膜蒸发时间常数τ与甲醇汽油甲醇比例的关系。

图8　甲醇比例对甲醇汽油燃油沉积比例系数X的影响

图9　甲醇比例对甲醇汽油油膜蒸发时间常数τ的影响

从图8和图9可以看出：甲醇比例在5%～15%之间时甲醇汽油的燃油沉积系数达到最小，甲醇比例在10%左右时甲醇汽油雾化性能最好；甲醇汽油比纯汽油更容易挥发，当甲醇比例低于10%时，随着甲醇比例的增加，甲醇汽油的油膜蒸发时间常数变小。但是当甲醇的比例超过10%时，油膜蒸发时间常数随着甲醇比例的增大而增大，这是由于甲醇的汽化潜热值是汽油的3倍多，随着甲醇比例的增加，甲醇蒸发带走大量的热量，造成甲醇汽油油膜壁温偏低，从而增大了油膜蒸发时间常数。

3　结束语

油膜的动态特性是引起发动机瞬态工况空燃比出现偏差的主要原因，燃油的油膜动态特性主要由发动机的运行工况和燃油的物化性能决定。试验考虑了发动机转速、节气门开度和冷却水温度等不同工况和甲醇比例对甲醇汽油油膜动态特性的影响，结果表明：冷却水的温度对燃油沉积比例系数和油膜蒸发时间常数影响最大；甲醇比例在5%～15%之间时甲醇汽油的燃油沉积系数X和油膜蒸发时间常数达到最小。本研究关于低比例甲醇汽油油膜动态特性的试验结果，为实现汽油机瞬态空燃比的最优控制提供理论依据。

[1]张凡.甲醇汽油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究[D].北京：清华大学，2010：7-36.

[2]Balki Mustafa Kemal,Cenk Sayin,Mustafa Canakci.The effect of different alcohol fuels on the perfor-mance，emission and combustion characteristics of a gasoline[J].Fuel，2014,115(1):901-906.

[3]Liu Shenghua，Eddy R Cuty Clemente,Hu Tiegang.Study of Spark ignition engine fueled with methanol/gasoline fuel blends[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(11/12):1904-1910.

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[7]吴斌，申辛未.甲醇汽油双燃料发动机的怠速性能试验[J].内燃机学报，2015,33(1)：23-28.

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[9]杨建军，黄海波，曾东建.低比例甲醇汽油蒸发特性研究[J].内燃机与动力装置，2007(4)：40-43.

[10]李顶根，李小中.电喷汽油机油膜动态效应参数辨识精度的研究[J].内燃机学报，2010,28(5)：453-458.

[11]朱航，王邵銧.电控汽油机油膜动态特性的标定[J].汽车工程，2004,26(2)：127-130.

[编辑：姜晓博]

Dynamic Characteristics of Fuel Film for Low Proportion Methanol-gasoline Blended Fuel

MAO Dezhi, LI Yuelin, DAI Xiangzhu, WAN Chongyang

(College of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science&Technology, Changsha410076, China)

The dynamic characteristics test of fuel film for low proportion methanol-gasoline was conducted on an engine test bench and the characteristics of M10 methanol-gasoline fuel film and the influences of methanol proportion on film characteristics were researched under different working conditions. The results show that the methanol-gasoline fuel deposit proportion coefficientXand the fuel film evaporation time constant are hardly influenced by engine speed and the latter was greatly influenced by cooling water temperature. Under the same condition, the methanol-gasoline fuel deposit proportion coefficientXreaches the minimum when mixing with 5%-15% methanol proportion. Generally, methanol-gasoline blended fuel is easier to vaporize than pure gasoline. The evaporation time constant will decrease greatly with the increase of methanol proportion when the methanol proportion is lower than 10%, but increase when the methanol proportion exceeds 15%.

methanol-gasoline; fuel film； dynamic characteristic; mathematical model； air fuel ratio

2016-06-21；

2016-08-09

湖南省自然科学基金项目资助(2016JJ2003)

毛德智(1992—)，男，硕士，主要研究方向为汽车节能减排；739084723@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.006

TK411.71

B

1001-2222(2016)05-0029-04