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- 火花点火发动机试验
在此，我们讨论如何将甲醇的特性转化为 火花点火发动机的输出、效率和排放。 注意低水平混合，不讨论汽油规格范围内的混合物。同样，值得指出的是，在使用喷溅混合物(即作者将汽油和甲醇混合在一起)的工作成果时，需要谨慎。这通常使用的泵汽油不适合在混合燃料中引入甲醇，导致挥发性增加(见第2.8.2节)，并可能产生蒸发排放问题。
第4.2节讨论了使用三元(或GEM)共混物的结果，4.3节讨论了甲醇-水共混物。4.4节处理甲醇或甲醇-水混合燃料作为第二种燃料来抑制高负荷爆震。
4.1中到高级混合物和纯甲醇
提高发动机性能和效率的潜力已经通过了广泛的实验验证[23，145]。已发表的成果表明，与汽油操作相比，甲醇的改进水平主要取决于甲醇是用于专用发动机还是柔性燃料发动机。为了说明这一点，下文对纯甲醇和高含量甲醇混合物的相关实验工作进行了讨论。
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- 专用甲醇发动机
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显然，在专用甲醇发动机上取得的效果最好。即使是第一代M85发动机在功率和效率方面也有相当大的进步，这主要归功于甲醇的抗爆震性能的提高。这种抗性使他们在广泛的操作点能够达到MBT火花正时(最佳扭矩的最小火花提前)，并允许压缩比提高到12：1及以上。例如，1981年的M85福特护卫多产生了20%的功率，而比其汽油当量高出15%的效率[20]。克莱门特等人报告了最近为巴西市场设计的专用乙醇发动机的类似数据[166]。
最近关于现代酒精发动机的研究证实了进一步提高其效率和性能的潜力。Nakata等人使用E100在高压缩比(13：1)自然吸气港口燃料注入SI发动机[86]。他们能够运行MBT正时，并发现与使用92汽油相比，发动机扭矩增加了20%。E100在2800 rpm的全负荷制动热效率为39.6%，汽油为31.7%。即使在不受爆震限制的操作点，使用乙醇可使效率提高3%以上，由于其具有火焰速度快、热损失小等优点。这得到Marriott等人的工作的支持[160]。
除了耐爆震性引起的益处外，轻质醇的更高的燃烧速度和更宽的可燃性极限还为负载控制开辟了一些替代的选择，尤其是对甲醇而言 [148,167]。Pannone等人[168]发表了一种涡轮增压稀燃甲醇发动机的实验结果。报告的BTEs比采用节流负荷控制的计量器燃料发动机提高了14%。贫氮氧化物燃烧策略的排气管NOx排放高达150%，这使得没有经过进一步的后处理，如贫氮氧化物捕集器的这种策略的实际应用受到质疑。类似地，尽管Li等人[169]报告表明在重型直接喷射的SI发动机上使用压缩比为16∶1和分层的效率超过50％，但是它们没有讨论对排放和后处理的影响，也没有提及总体当量比。
更有趣的是，在使用化学计量比燃料和EGR控制负荷的策略中，利用更宽的酒精稀释极限，从而减少节流损失，并允许使用三效催化剂后处理。Brustar等人用CR为19.5：1的1.9l涡轮增压柴油发动机转化为甲醇的SI操作证明了这一点[156]。高压缩比使峰值制动热效率高于基线柴油机(40%)在甲醇上运行(42%)。Koenig等人更早在压缩比为12：1的专用甲醇发动机上发现了类似的BTEs峰[170]。较高的冷却EGR水平(高达50%)被用来减少爆震和预点火问题，并将高效率区域扩展到部分负荷操作点。无油门操作可以使BMEP降至6bar。Brusstar和Gray在改装的4.5L V6柴油机上做了类似的工作，在纯甲醇上建立了低至4bar BMEP的无油门操作[171]。
Brusstar等人的工作曾由根特大学的研究人员在一台压缩比为19.5：1的同类型大众TDI柴油机上重复进行[172]。这台发动机通过增加火花塞、喷油口和冷却EGR回路，转换为甲醇运转。比较了甲醇化学计量燃烧在发动机上的两种运行策略：正常进气节流运行和带EGR的涡轮增压WOT运行。在3.31至11.60 bar的BMEP载荷下进行测量。在许多高负荷点，由于爆震，火花定时必须推迟使用节流的操作策略。对于WOT EGR策略来说，由于EGR的冷却效果，情况并非如此，由于甲醇的高燃速，EGR的无节流操作可以降到3.3 bar BMEP，而没有不可接受的循环变化(作者将其定义为CoVlt;10%，这是一个相当高的极限)。这对应的EGR质量公差接近50%。
图23比较了使用节流化学计量比策略(左)获得的BTE和使用涡轮增压WOT EGR策略获得的BTE(右)。当使用WOT EGR策略时，峰值制动热效率和部分负载效率都会显著提高。在类似的发动机上使用WOT EGR策略时，BTE峰值(42%)与以上Brustar等人报告中所述的BTE峰值相同。这些结果表明，甲醇可以在具有柴油效率的专用发动机上使用，同时仍能进行化学计量。因此，在使用廉价的后处理(TWC)的同时，达到柴油一样的效率是可能的。
改装后的大众TDI发动机的结果也被用来确定这些操作条件在多大程度上支持整个驱动周期[173]。分析采用了LotusVehicle仿真[174]，并基于上述稳态实验结果。与化学计量比节流控制相比，WOT EGR策略在NEDC上减少了23g/km的CO2排放量(相当于18%)，在FTP 75循环中减少了43g/mi(相当于20%)。二氧化碳的减少完全是由于WOT/EGR战略所实现的效率提高(见图2.29)，即使在低负荷情况下也可以应用，因此，在整个驾驶周期中，它的优势是显而易见的。
4.1.2. 柔性燃料车辆
在第一代FFV(1990年代)中，由于压缩比必须足够低，以确保汽油的可靠运行，因此无法开发醇类的抗爆震性能。然而，由于体积效率的提高、流量损耗的降低和等体积燃烧的增加，这些车辆在酒精模式下的功率和效率提高了约5%[145]。20世纪70年代对纯甲醇的试验表明，压缩比为8.2：1的发动机的制动热效率和功率分别提高了8%和12%左右[170]。
在最近的柔性燃料发动机中，增压和主动爆震控制(通过积极的火花缓燃)结合起来，使轻醇的抗爆震性能得以开发而不牺牲使用汽油的能力。然而，在甲醇上运行的柔性燃料发动机的实验数据还很少。Vancoillie等人[175]将两台汽油机改装为使用酒精燃料：一台燃料喷入式4缸1.8升的量产发动机，一台燃料喷入式的单缸试验研究发动机。比较甲醇与汽油在这两种柔性燃料发动机上的潜力，相对动力和效率效益高达10%。发动机外CO2和NOX水平分别下降了10%和5-10g/kWh，而其它有害排放没有明显变化。
Sileghem等人[176]给出了一台直接喷射的4缸现代2.4L发动机的测量结果，该发动机以纯甲醇、乙醇、汽油和丁醇为燃料。对于无爆震限制操作点，甲醇比其他燃料有更好的效率，但最大的差别是在爆震限制操作点。甲醇比汽油平均提高2.7个百分点，达到2.66个百分点和4bar BMEP，后者是不受爆震限制的操作点。在150 Nm和1500 rpm(8 Bar Bmep)的爆震限制情况下，这一差值增加到5.6个百分点，甲醇的制动热效率达到近40%，导致二氧化碳排放量比汽油减少20.7%。
最近，Nguyen等人[177]发表了对在沃尔沃T3发动机中使用汽油和纯甲醇的比较。这是一台四缸涡轮增压的DISI发动机。在对汽油和甲醇的效率和排放进行比较的基础上，采用两个控制参数的实验设计，探讨了发动机在汽油和甲醇上的最大输出量。两个控制参数为：阀门正时和进气升压。使用这种方法，汽油可以达到最大的BMEP是16.3 bar。由于爆震的发生，采用汽油运行模式时这一输出的点火时刻必须推迟。然而，对于甲醇操作，可以在每个操作点使用最优的点火时间。因此，对于这个输出，汽油和甲醇的制动器热效率分别为30.1%和37.9%。
在甲醇上，使用较高的升压，可以将输出提高到20 bar BMEP以上，而不存在爆震限制问题。然而，在这些操作点，缸内最大压力超过了允许的100bar(由于机械强度的限制)。Nguyen等人[177]预计，如果最大缸内压力限制在100bar，则使用甲醇的最大输出将为18.2 bar BMEP，与汽油相比，甲醇的附加减缩潜力为10.7% 。
尽管甲醇的使用在功率密度和效率方面的优势是显而易见的，但有关排放的结果却令人困惑。Wei等人[87]在一台小型汽油机上使用了汽油，以及各种甲醇混合燃料(飞溅混合)。他们指出，未燃烧的甲醇的发动机外排放主要是排气温度的函数，而在排气温度较高时没有这种排放。当三效催化剂在270℃的最低温度下运行时，未燃烧甲醇的尾气排放可以忽略不计。他们的研究还显示，汽油在某些操作点上的甲醛排放量实际上更高，而且在高速情况下，三向催化剂似乎会产生甲醛。后者是Johnson Matthey在1990年代报告的可能发生的现象，原因是未燃烧的甲醇在催化剂中部分氧化[178]。
关于粒子数(PN)浓度，现有的数据非常有限，这似乎表明低水平共混物的PN排放量首次下降，然后增加了中等水平的共混物，达到比汽油高的水平[57，179]。人们提出了不同的假设来解释这一点(增加燃料对PFI发动机的油稀释度[179]；对DI发动机进行闪蒸沸腾，结果导致混合气预混不良[57])，但显然这需要更多的研究。由较长的喷射时间导致的活塞润湿也可能是一个引发更高水平的共混物因素[180]。据报告，NOx排放量减少[172]或增加[181]。在后一种情况下，这是用于汽油车的中等水平的混合燃料，无需重新校准。考虑到甲醇的燃烧速度较高(见第2节)，点火时刻(为汽油优化)可能会太过提前，导致温度升高，从而增加氮氧化物排放。此外，考虑到中等水平混合燃料的能量含量降低，发动机控制单元不太可能将当量比保持在化学计量单位，从而影响发动机的排放和后处理效率。其他工作也报告了NOX的增加，即使是低水平的混合物[143]，但是，在汽油机中使用了飞溅混合物，而没有进行任何重新校准。
4.2. GEM 混合物
在发动机试验中，还研究了相同化学计量比的甲醇、乙醇和汽油的等辛醇混合燃料可作为火花点燃柔性燃料发动机的抛撒燃料的假设。Sileghem等人[97,176]评估了不同的GEM共混物在一台自然吸气的具有进气道喷油的1.8L发动机和一台直接喷油的2.4L发动机上的性能。在1.8L发动机上，对四种不同的GEM共混物进行了研究:两种三元共混物和两种二元共混物，E85和相同化学计量比的甲醇-汽油混合物。所有的相同化学计量比的共混物都有相似的制动热效率这个假设已被证实了，因为所有的值都在实验的不确定范围内。
在直喷式发动机上，Sileghem只研究了两种同化学计量比二元共混物，分别为E85和M56。正如人们所预期的那样，三元同化学计量比共混物的结果将介于这两种二元共混物的结果之间。在对E85进行测试后，所有有关喷油(喷油起始点和注入压力)和点火的参数都保持不变，用于对M56的测试。利用这些ECU数据研究了燃料性能非常相似的两种共混物之间是否存在显著差异。在低负荷工况下 2.66 和 4 bar BMEP ，仅在一个操作点(发动机转速变化)下， E85 和 M56的喷油持续时间的差异大于1%。对于中等负荷情况下，8 bar BMEP，差异较大，但仍只有2.7%的最大值，这不会对ECU造成问题。
4.3. 甲醇-水共混物
正如第1.3节所述，如果允许甲醇燃料含有水，则具有经济吸引力。因此，报告了使用甲醇-水混合燃料进行发动机试验的情况。
显然，在燃烧系统中，这种混合物的一个重要考虑因素是对点火的稳健性和火焰的熄灭的影响，尽管Most和Longwell [124]都成功地在30%的水的混合物上运行他们的发动机，报告说，对于任何给定的当量比，水分含量的增加在恒定CR和火花提前分别为12：1和14°btdc时降低了排放。他们还表明，在相同的条件下，加水一般会增加比能量消耗(即降低制动热效率BTE)，但仍然优于甲醇中的异辛烷含量达到20%的水；但在纯甲醇的试验中，CR值在BTE有很大的提高。因此，对于CR较高的甲醇-水混合物，在BTE方面似乎还有进一步的发展潜力。
Sileghem等人[182]测量了甲醇中水分含量对一台PFI发动机性能的影响。他们用含水量10%(体积比)的混合燃料进行了测试，并将其与纯甲醇和汽油在低到中等的发动机速度和负荷的运行工况进行了比较。含水共混物与纯甲醇操作的制动热效率基本相同，与汽油操作相比提高了1~2个百分点。这一改进的主要原因是甲醇燃烧速度较快，甲醇和水的蒸发温度和热容较高，冷却损失较低。
它们还发现与纯甲醇操作相比，甲醇-水混合物的NOx排放降低，与预期的缸内温度和绝热火焰温度降低同时进行(并且抵消了预期的燃烧持续时间增加,延长了用于NOX形成的时间)。
4.4. 辛烷值按需提供
燃烧系统中轻质醇的一个重要新途径是“按需辛烷值”（OOD），其概念是在大部分操作图中使用相对低辛烷值的燃料，并引入第二种燃料作为高负荷下的辛烷值助推器，只有在需要时才能提供必要的爆震抑制。在它最近的化身中，这个概念最初是由乙醇促进系统公司（EBS）设想的，他最初建议直接注入乙醇的低辛烷值汽油PFI，不仅要利用高乙醇，还要利用其高潜热，以便延长爆震极限[183,184]。实际上，这与活塞式飞机发动机中所谓的“抗爆炸喷射”（ADI）之间存在一些协同作用，其中通常引入50:50的水：甲醇混合物，同时在低海拔的高增压压力下运行以提供在产生最大功率的同时进行爆震抑制，例如在起飞时[185]。
将水与醇混合作为辛烷值增强剂/爆震抑制剂可能有益处。这明显地结合了OOD和注水的各个方面，并将该概念带回到活塞式飞机发动机上ADI的原始用途。 Berni等人利用两种流体的无限混溶性，在涡轮增压V8发动机的PFI输送系统中使用25％，50％和7
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资料编号：[2009]
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