第39卷第1期 2018年2月
内燃机工程
Chine Internal Combustion Engine Engineering
Vol. 39 No.1
February.2018
文章编号！1000 — 0925(2018) 01 — 0015 — 08 390003
甲醇和甲醇重整气对直喷汽油机性能影响的对比研究
卫海桥，李楠，潘家营，华剑雄
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)
Effect of Methanol or Methanol Reformate Addition on
GDISI Engine Performance
WEI Haiqiao,LI Nan,PAN Jiaying,HUA Jianxiong
(State K ey Lab oratory of E ngines，T ia n jin U n iv e rs ity，T ia n jin 300072，China)
Abstract ；The influence o f m ethanol and m ethanol reform ate on D IS I engine performance was analyzed
bad on G T-P ow er the softw are c oupled to the em pirical form ula of lam inar flam e speed w ith dual fuel
operation.F irs t using the em pirical fo rm u la，and com bustion duration were calculated successively when the
engine was operating w ith gasoline-m ethanol and gasoline-methanol reform ate respectively and then the
calculated results were in p u t in to the com bustion model to explore the influence of differen t m ixin g ratios on
engine perform ance.R esults show th a t compared w ith the direct blending of m eth an o l，the u of m ethanol
reform ate can sig n ifica n tly im prove therm al efficiency and torque o u tp u t，reduce fuel consum ption and
m aintain the same CO em issions，b u t w ill increa the N O：,emissions especially under the lean burn conditions.T h is indicates th a t the fuel reform ing has more potential to im G D IS I engine than the direct blending of m ethanol.
摘要：基于G T-P o w e r并耦合层流火焰速度经验公式开展了甲醇和甲醇重整气对直喷汽 油机性能影响的对比分析。首先分别基于双燃料层流火焰速度经验公式，求取了异辛烷-甲醇
和汽油-甲醇重整气层流火焰速度，根据层流火焰速度计算出燃烧持续期，作为燃烧模型的输
入变量，进而探讨了汽油摻混不同比例的甲醇及甲醇重整气对发动机性能的影响规律。研究
结果表明：摻混甲醇重整气与直接摻混甲醇相比，发动机有效热效率和输出转矩明显增加，当
量比油耗降低，C O排放水平相当，但N O。排放增加。尤其在稀燃条件下，摻混甲醇重整气使
热效率增加明显，这说明燃料重整方式在提高直喷汽油机热效率方面更有应用潜力。
关键词：燃料重整；发动机；甲醇；甲醇重整气；层流火焰速度
Key word s；fuel reforming；engine； methanol；methanol reformate；laminar flame s
D O I； 10. 13949/j ki.n rjg c.2018. 01. 003
中图分类号；T K411 文献标识码；A
1T^年递增，每年石油消耗量中有约60%由汽车消耗。
然而石油资源是不可再生资源，而醇类燃料可以人随着汽车工业的快速发展，我国汽车保有量逐工合成且合成原料来源广泛，并具有辛烷值高、抗爆
收稿日期；2017-06-30 修回日期；2017-07-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目（1641203,51476114)；中国博士后基金项目（2016触590201)
卖场布局Fund P ro je c t：N atio n a l N a tu ra l Science Foundation o f C hina (91641203,51476114) ?China P ostdoctoral Science Foundation (2016M590201)
作者筒介：卫海桥（1974—），男，博士，教授，主要研究方向为汽油机小型强化，E-m a il: w h q@tju.e d u.c n;
潘家营（通信作者），博士，E-m a il:jy p a n@tju. edu. c n。
•16 •内燃机工程2018年第1期
性好等优点，逐渐成为人们关注的焦点[1]。
目前较多的研究是将甲醇等醇类与汽油或柴油 进行掺混燃烧，利用醇类燃料的优点改善内燃机的燃烧和排放性能。文献[2]研究了汽油添加甲醇对汽油机的燃烧特性的影响，结果表明掺混甲醇可以促进火焰传播，改善汽油的燃烧性能，降低C O和 H C排放。文献[3]研究了低比例掺混甲醇对汽油机性能的影响，结果表明掺混甲醇比例越高转矩下降越严重，但同时热效率增加越明显。文献[4]研究 了在不同转速和节气门开度下乙醇掺混比例对汽油 机性能的影响，结果表明乙醇掺混比例为4 0U! 50%时可以提供最大的有效热效率，而乙醇掺混比例为20%!40%时可以提供最大输出转矩。文献 [5-6]研究了掺混不同比例乙醇对汽油机燃烧的排放的影响，表明乙醇掺混比为30%和80%时可分别 改善汽油机的燃油经济性和排放性。由此可知，掺 混醇类燃料不仅可以改善汽油机缸内燃烧和提高内 燃机热效率，还可以降低C O和H C排放[(]。
与此同时，对于替代燃料的应用，也有学者提出 通过燃料重整的方式部分回收内燃机的余热能，且重 整产物还可以用来改善内燃机缸内燃烧。文献[8-9] 通过发动机排气余热催化裂解甲醇，把甲醇重整为H%和C O，增加燃料的可用能并加快燃料的燃烧速度 来提高发动机的热效率，同时在稀燃条件下还
可以大 幅降低M i和C O的排放。文献[10]通过G T-P〇wer 模拟研究发现，甲醇裂解结合涡轮增压技术可以在维 持发动机转矩的条件下，提高发动机的热效率。文献 [11]通过水蒸气重整的方式重整乙醇，把重整产物与 汽油混合燃烧，提高汽油机的热效率，降低H C排放，而C O和M X排放增加。文献[12]研究了汽油掺混 乙醇低温重整产物(C H+、H%、CO)对汽油机的影响，结 果表明乙醇低温重整产物可以拓展废气再循环(EGR)率和稀燃极限，提高发动机的热效率。
以上两种替代燃料的利用方式均有大量科研工 作在进行，然而鲜有对比分析掺混替代燃料及其重整产物对直喷汽油机影响的研究。为此，本文结合 一台增压直喷汽油机试验建立了 G T-P〇w e r计算模 型，基于G T-P〇w e r并耦合层流火焰速度经验公式，对比研究了汽油掺混甲醇及甲醇重整气对直喷汽油 机燃烧和排放性能的影响，进而说明代用燃料两种应用形式的利弊。
1发动机模型及研究方法
1.1发动机模型
本文模拟采用的物理模型为一款2.0T涡轮增压直喷汽油机，发动机具体参数如表1所示。根据 该发动机的结构尺寸及进排气门流量系数等参数，利用内燃机性能仿真软件G T-P〇w e r建立了计算模 型，该模型主要包括进气系统、排气系统、涡轮增压 器、喷油器、气缸和曲轴箱等部分。
表1发动机的主要参数
项目参数
气缸数4
缸径/m m X冲程/m m83. 5X 90. 0
连杆长/m m144
压缩比10
工作容积/L2
每缸气门数4
进气方式增压中冷重庆高考成绩查询
标定功率/k W144
本文G T-P o w e r计算模型采用W o s c h n iG T传 热修正模型，该传热修正模型通过增加进、排气门开 启时的传热系数来计算没有涡流数据的发动机传热 损失。采用拓展的Z e ld o v ic h模型预测N O^的生 成。采用H e y w o o d的C O生成模型预测C O的生 成，该预测模型适用于预测均质燃烧中C O
的生成。燃烧模型采用W ie b e模型，W ie b e燃烧模型被广泛地用于描述在热力学计算过程中燃料燃烧的百数。
试验工况为转速2 800、2 400 r/m in，节气门全开，平均指示压力（IM E P)分别为1. 714 M P a和 1. 520 M P a。基于G D I汽油机缸内压力和放热率曲 线标定G T-P o w e r计算模型仿真结果。通过输人试 验所得燃烧相位和燃烧持续期，调整W ie b e指数£使缸压曲线与放热率曲线的计算结果与试验结果相 吻合，以后均保持W ie b e指数不变。标定结果如图 1所示，缸压曲线和放热率曲线与试验值误差均在3%以内。后文模拟研究均在2 800 r/m in、节气门全 开的条件下进行。
1.2混合燃料层流火焰速度计算方法
W ie b e燃烧模型的放热由式（1)!式（3)决定。
Cc o m b…S t,o n") $ (CE)[ %e-(W C)"-?OC>E+1]
&C
(E+1)
S oc
()(B mc)卿）
)E C"(E'1) %)S c"(E+1)
(1 )
(2)
(3 )式中"为曲轴转角；A A为燃烧相位角；（为燃烧持 续期E为W ie b e指数；C e为燃烧效率（默认为1)$ )m为燃烧相位对应的燃料燃烧比例（一般为50%)$ )s为燃烧持续期始点对应的燃料燃烧分数（
一般为
2018年第1期内燃机工程
• 17 *
0 --800 80 曲轴转角/(°)
(a ) 2 800 r/m in
160
-80
80
160
曲轴转角/(°)
(b ) 2 400 r/m in
图1
缸内压力和放热率对比
10%)为燃烧持续期结束对应的燃料燃烧分数 (一般为 90%) ;B m c i —ln (1 —B M )，B sci —ln (1 —
B s )，B E
C = #ln (1 —B E )。由此可知V ie b e 模型主要
有3个输入参数：燃烧相位A a (C A 50位置）、燃烧持 续期D (C A 10-90)和V ie b e 指数£。根据文献 [13-1+]采用的方法可知，虽然V ie b e 模型是非预测 模型，但是可以把燃烧相位A a 和燃烧
期D 作为
V ie b e 模型的输入
，控制燃料燃烧的放热
。
燃烧 期的计算基于以下假设：（1)每种燃料的
燃烧速度 流火焰速度成正比；（2)每种燃料的
燃烧
期和燃烧速度sars
比。因此每种燃料的燃
烧期与 流火焰速度成反比，在计算混合燃料的燃烧
期时，以试验测得的汽油燃烧 期
为基准，根据式（+ )进行计算：
式中，W 第〖种燃料的层流火焰速度；为汽油的
流火焰速度成为汽油的燃烧 期；f t 为第Z 种
燃料的燃烧
期。本研究所涉及的各种燃料的层
流火焰速度由经验公式计算得到。
于燃料不同、重整方式不同会导致燃料的重
整产物及其比例各不相同，本研究将甲醇完全重整 的产物（即X %和C O )作为甲醇重整气，如式（5)
燃料%m B m/(c m * s -”
B 2 /
(c m • s-1)
甲醇1.1136. 92-140. 51异辛烷
1. 13
26. 32
初中英语听力mp3下载-84. 72
为了获取汽油-甲醇混合燃料的层流火焰速度， 本研究借鉴文献[16]提出的异辛烷-甲烷双燃料层 流火焰速度经验公式，带入甲醇的参数，从而获得了 异辛烷-甲醇不同比例下的层流火焰速度，如式（10) 所:
S u ，biend (%，/u 0) $
exp(Y CH 3〇H ln (S u ，c h 3oh %，T u 0))'
(
—
Y CH 3〇H ) /(
S u ，C8H18 %，T u ，0))) (10)
所
。
C H 3〇H (l )—#2H %(g )+C O (g )
(5)
由表2中各燃料的低热值计算可得该反应是吸 热反应，#H = + 124. 8kJ /m o l 。本研究中甲醇与汽 油直混合由缸内直喷方式进入气缸，由于重整气 气态，由进气道喷射 充量系数下降，为了保持相同的进气量，在研究甲醇重整气和汽油掺烧时
甲醇重整气和汽油 内直喷的方式进入
气
(
表2不同燃料的燃烧与物化特性
燃料
低热值/ (M J • k g -1)
理论空燃比流焰速度/ (c m • s-1)燃极 限（max)自燃 温度/[汽油43. 9014. 7043. 00 1. 4447甲醇（）19. 93 6. 5048. 77 1. 5470甲醇(g )21. 11 6. 5048. 77 1. 5470CO
10. 10 2. 46%%609氢气
119. 94
34. 50
275.00
10. 0
500
层流火焰速度是可燃混合物的一个重要参数， 学
动力学模型预测燃料的层流火焰速度
极
杂
，
试验数据进行标定。文献[14]
试验总结出甲醇、异辛烷 燃料与当量比、
温度和压力相关的层流火焰速度经验公式。由于本
研究未涉及残余废气的
，因此舍
流火焰速
度经验公式废气影响项，如式（6)〜式（9)所示：
Su $ SU 0(Tu /T 0)#000)$
(6)# $ 2. 18 — 0.8% — 1)
(7)$ $ —0.16'0.22% —1)
(8)S U 0 $ )m ' B % (% %
%m ) %
(9)
式中，T 0 =298 K 00=0. 101 M P a ;Su 为层流火焰速 度；Tu 为温度，@0为压力，M P a %为当量比。相关 燃料的参数Bm 和B %如表3[15]中所示。
3
参数和艮
u
v f
)
/#镲转
50
00
50
u v f
)
/#辏转
80
20
6
-20 0
20 40
60 80
曲轴转角/(°)
(a)缸内压力及放热率
2 500
图2汽油/甲醇层流火焰速度对比
为了获得汽油掺混甲醇重整产物的层流火焰速 度，本研究
文献[18]的氢气-汽油层流火焰速度
模型。关于C O 添 异辛烷层流火焰速度的影
响，研究结果表明C O 对异辛烷层流火焰速度影响
小[19]$
C O 相对汽油
小，不足10%，在
计算汽油掺混甲醇重整气的层流火焰速度时，可以 认为C O 影响相对较小，忽略C O 对汽油层流火焰速 度的影响。在计算混合燃料的层流火焰速度时，热 力学参数与发动机试验工况相同。
2
结果分析
2.1
汽油掺混甲醇对发动机性能的影响
表4给出了不同燃料的代号，如M 30表示汽油
掺混30%甲醇（体积分数），R M 30表示汽油掺混 30%
数甲醇所
的重整气，以
。
采
用G T -P o w e r 模型计算时 相同的进气
相同
的燃烧起点。可燃混合气的 空气系数A 由式
(11)确定：
-40 -20 0
20 40 60
80 100
曲轴转角/(°)(b )缸内温度
图3
甲醇掺混比例对缸内压力 热率的影响
4
c h 3o h
•
6. 5 +4
gas 〇ine •
14 7
式中，4
.
为空气的质量流量；4c H3OH 为甲醇/甲醇重
整气的质量流量;4gasdme 为汽油的
流量。为了保
证相应的
空气系数，根据进气量确定燃料量。
图3(a )是不同甲醇掺混比例下发动机缸内压力 和放热率曲线。由图可知，汽油掺混甲醇比例越高， 发动机缸内最高燃烧压力越大，放热率峰值
高。
于
甲醇比例提高，燃烧速度
，同时甲
为了方便评价和比较掺混甲醇和甲醇重整气对
直喷汽油机经济性的 ，定义当量比油耗如式
(12)所示:
5 $ .L m * M m + .Lg •
Mg
#
HLg *p
：
(12)
式中，.Lm 为甲醇低热值，M J /k g ;.Lg 为汽油低热 值，M J /k g ;M m 为甲醇消耗率，g /h ;M g 为汽油消耗 率，g /h ;P 6为发动机有效功率，k W 。
图4是甲醇掺比对发动机排放、动力性和燃油
式中，Y c h 3o h 为甲醇所占摩尔比例。即当Y c h 3o h 为1 时，式（10)表示的是纯甲醇的层流火焰速度经验公 式（S u ，CH3〇H )；当Y ,h 3o h 为〇时，式（10)表异辛烷的 层流火焰速度经验公式（S u ，c 8h 18)。由图2可以看 出，经过经验公式"0)计算出的汽油掺混甲醇的层 流火焰速度与试验结果[17]
相
小，可以用来
计算汽油掺混不同比例甲醇的层流火焰速度。
4
不同燃料的代号
燃料代汽油Gasoline
甲醇
c h 3o h
汽油掺混30%甲醇M 30汽油掺混50%甲醇M 50汽油掺混10 %甲醇重整气RM 10汽油掺混20 %甲醇重整气RM 20汽油掺混30 %甲醇重气
RM 30
醇的分子变更系数比汽油大，燃烧膨胀能力大于汽 油。图3(b )是不同甲醇掺混比例下燃烧温度随曲轴 转角的
。由图可知，甲醇掺混比例越高，缸
内最高燃烧温度越低。这主
甲醇的汽
热
(1 100 k J /k g )比汽油（308 k J /k g )更高造成的。
18
内燃机工程2018年第1期
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2018年第1期内燃机工程
* 19 *
汽油
M 50
M 30
燃料
〇)转矩和当量比油耗
图+
甲醇掺混比例对排放、转矩和当量比油耗的影响
2.2
汽油掺混甲醇重整气对发动机性能的影响在
发动机进气 的条件下，调节C A 50位置
时
，研究甲醇重整气掺混对发动机性能的 。图5是不同甲醇掺混比例下发动
机缸内压力、放热率
内温度随曲轴转角的
：情况。如图5(a )所示，随着甲醇重整气掺混比例的 高，缸内最高燃烧压力 热率峰值逐渐
，这
主 为汽油掺混甲醇重整气之后，燃烧速度加快，燃烧 期缩短。如图5(b )所示，发动机缸内最高温度
甲醇重整气掺混比例的
高，主
为甲醇重整气不存在汽 热且燃烧速度加
， 热率
。
图6是甲醇重整气掺混对发动机排放、动力性 和燃油经济性的影响。如图6(a )所示，即使掺混 10U 的甲醇 气也可以降低80%以上的C O 排
放&
lawyers
为甲醇重整气自身
，使得燃烧过程更
汽油 M 30 M 50
燃料 (a )排放
经济性的影响。如图4(a )所示：掺混甲醇之后发 动机燃烧的 CO
大幅下降& 为甲
醇燃料自身
，燃烧更充分；而甲醇掺混比例对N O .
的
并不明显。由图4(b )可知：掺混甲醇可以稍 发动机的输出转矩；同时由于掺混
甲醇优化了燃烧，当量比油
reggae
甲醇掺比的
]
而减少。
-40 -20
20 40 60
80
100
曲轴转角/(°)(b )缸内温度
图5
甲醇重整气掺混比例对缸内压力、放热率和 温度的影响
加充分；随着甲醇重整气掺混比例的增加，发动机缸 内最高燃烧温度提高，导致NOz
相 高。从
图6(b )可以看出，随着甲醇重整气掺混比例的增 ，燃烧过程得以明显改善，使得发动机输出转矩有 所提高，当量比油耗降低。
2H
汽油掺混甲醇和汽油掺混甲醇重整气对比分析为了对比分析甲醇和甲醇重整气对发动机性能 的
，本文选取的甲醇和甲醇重
的掺混比
例均为30%。图7是汽油、M 30和R M 30的缸内压 力、放热速率和燃烧温度的曲线。由图（（a )可以看 出，R M 30的最大缸内压力、放热率峰值明显高于
M 30。这主要是因为R M 30的低热值和燃烧速度均
高于M 30。同时由图7(b )可以看出R M 30缸内最 高温度高于M 30，这主要是由于R M 30整体汽化潜 热低于M 30。
图8是甲醇和甲醇重整气掺混对发动机排放、 动力性和燃油经济性的比。如图8 (a )所示:
R M 30的NOz
比M 30高，这是R M 30燃烧温度
高于M 30所致；与此同时，R M 30和M 30都可大幅 降低C O 排放，主要是因为R M 30和M 30都含氧且 缩短燃烧
期，改善发动机缸内燃烧过程。如
图8(b )所示，R M 30对应的输出转矩高于M 30，当量 比油耗低于M 30。这主
于
进气量不变，
2 500
-20
20 40
chevroler60
曲轴转角/(°)(a )缸内压力及放热率
80
o o o o o
5 4 3 2 1
00
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木头鱼韩语在线翻译
)
/齋辏转
o o
8 2
6
