基于发动机台架的醇醚燃料发动机性能测试研究

张鹏，陈学劲，姚萌萌，姜向京

(广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)



基于发动机台架的醇醚燃料发动机性能测试研究

张鹏，陈学劲，姚萌萌，姜向京

(广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700)

在发动机试验台架上，以模拟整车实际行驶动态工况的动态测试方法，对93号汽油以及15%、50%混合比例的醇醚类燃料进行动力性及经济性对比测试。结果表明：醇醚类燃料在高温高压的条件下能更好地燃烧，混合浓度比例50%以下的醇醚类燃料并不影响原发动机的动力性。

醇醚类燃料；发动机试验台架；动态测试方法

0　前言

醇醚燃料具有原料消耗少、成本低、投资少、规模灵活等特点，具有很强的经济实用性。特别是汽油低比例掺烧甲醇，基本上可以与目前的汽油一样使用，不存在建站问题。但高比例掺烧或纯烧甲醇燃料以及二甲醚燃料时，需新建加油系统和改造汽车发动机。山西省长达数年的甲醇燃料车队示范运营已证明：甲醇燃料是经济可行的清洁燃料[1]。

在我国，由于汽车是能源的消耗大户，生物燃料的研发和生产企业自然看重这块市场。目前，市场上已经出现越来越多主供汽车的醇类汽油和生物柴油，这些产品的生产者都在宣称自身的产品不影响动力、节能、减排[2]。但实际情况是怎样，由于国内目前缺少权威的检测机构对其产品进行评估，无法给出客观的评价。针对其动力性及节能情况，需要对醇醚类燃料在发动机台架上进行燃料消耗测试，并通过计算、分析与传统化石燃料的油耗对比，进而评估其效率；针对其减排情况，虽然与化石燃料相比更清洁，但由于独特的化学性质，醇醚类燃料在使用过程中排放出的未燃烧完的醇易转化为醛，对人体健康具有潜在危险，这需进行排放的检测。由于质量参差不齐，为了确保市场上流通的生物燃料的质量、保障消费者的权益，针对发动机的生物燃料的评估研究显得迫在眉睫。

1　试验设备

图1为测试用汽油发动机台架试验系统示意图，表1为构成系统的主要设备，表2为发动机的主要参数。

表2　发动机主要参数

2　试验方法

对于汽车运行试验结果的分析表明：当汽车在畅通的公路上行驶时，每千米平均操纵汽车作业次数(如变速、离合器的结合和分离、制动等)为1～2次；在交通繁忙的市区行驶时的作业次数可达到16次。沿着畅通而平坦的道路以不变时速行驶时，由于道路覆盖层的不均匀性造成路面的波浪起伏，使得供油控制机构仍处于不断的运动状态，并在相当大的范围内移动[3]。

在运营条件下，汽车发动机大多处于动态工况下工作，其在动态工况下的行驶时间、燃油消耗量和有害排放等均占主导地位。发动机的动态工况相对于稳态工况而言，就是发动机的转矩、转速或节气门开度中的任意一个量或多个量处于变化过程时所处的工况。当车辆在道路上行驶时，即使是在高速公路上巡航行驶时，发动机的负荷和转速等参数也处于变动状态，因此动态工况占整个运行工况的66%～88%[4]。

汽车发动机的实际运行工况大都随路面阻力的情况而不断地变化着，发动机出现动态工况的标志是发动机各项参数中的一个、几个或所有随时间而变化。在动态工况下，发动机的能量平衡条件被破坏，其结果是发动机出现能量的过剩或者不足。

在正常热力状态下工作的汽油机，通常是通过曲轴转速n、节气门开度αkd和空燃比βAF来实现工况的调节与控制，亦即当曲轴转速n、节气门开度αkd和空燃比βAF这3个量确定时，便确定了汽油机的工况。以时间t作为自变量来考察，则有：

稳态工况dn/dt≈0、dαkd/dt≈0和dβAF/dt≈0

动态工况dn/dt≠0、dαkd/dt≠0和dβAF/dt≠0

因此，在非稳态工况下，永不确定的是n、αkd、βAF、dn/dt、dαkd/dt和dβAF/dt等6个量。对于电控汽油喷射式发动机在不考虑温度补偿时，空燃比βAF是节气门开度αkd及其变化率dαkd/dt的函数。故在大多数情况下，是n、αkd、dn/dt、dαkd/dt等4个量决定了汽油机的工况[5]。

汽车发动机的使用工况变化范围很大，加速、减速，急剧增减转矩，制动，从冷机突然启动进入行驶状态等多为动态工况。在这样剧烈变化的工况条件下，其油耗比稳态工况高出很多，虽然用动态的试验方法更能反映燃料的经济性，但考虑到进行动力性及燃料消耗量的测定，特制定如下实验方案：

实验模式选择为稳态，油门变化为大循环，转速变化为小循环。大循环中，油门开度从10%开始，每次递增10%每秒，一直到100%；小循环内，转速从1 000 r/min开始，每次增250 r/min，一直到发动机的最高转速。dn/dt高于500 r/(min·s)的实际工况很少，不予考虑。

3　试验结果及分析

此次试验选用2种混合比例不同的醇醚类燃料与93号汽油针对其经济性及动力性进行对比。

3.1动力性测试结果

(1)G15样品是醇醚燃料与93号汽油按15∶85混合得到的，将它与93号汽油进行动力性对比，扭矩、功率测试结果分别见表3和表4，扭矩测试结果对比曲线见图2，功率测试结果对比曲线见图3。

表3　G15样品和93号汽油扭矩测试结果

表4　G15样品和93号汽油功率测试结果

图2G15样品和93号汽油扭矩测试结果对比曲线

图3G15样品和93号汽油功率测试结果对比曲线

(2)G50样品是醇醚燃料与93号汽油按50∶50混合得到的，将它与93号汽油进行动力性对比，扭矩、功率测试结果分别见表5和表6，扭矩测试结果对比曲线见图4，功率测试结果对比曲线见图5。

表5　G50样品与93号汽油扭矩测试结果

表6　G50样品和93号汽油功率测试结果

3.2经济性测试结果

G15样品与93号汽油燃油消耗测试结果见表7，燃料消耗量测试结果对比曲线见图6；G50样品与93号汽油燃油消耗测试结果见表8，燃料消耗量测试结果对比曲线见图7。

表7　G15样品与93号汽油燃油消耗测试结果

实验结果表明：当醇醚类燃料混合比增大到50%时，油耗率并无显著增大，醇醚类燃料在高速高负荷下比低速低负荷下有着更好的表现。醇醚类燃料在高温高压的条件下能更好地燃烧，而动力性指标基本无太大变化，低于50%比例与汽油混合的醇醚类燃料并不影响汽车原有的动力。

4　结论

在发动机台架上，对93号汽油及15%浓度以及50%浓度醇醚类燃料进行经济性与动力性对比，得出以下实验结论：

(1)醇醚类燃料混合比例低于50%时，燃料消耗率并无显著增大，醇醚类燃料在高速高负荷下比低速低负荷下有着更好的表现。

(2)醇醚类燃料混合比例低于50%时，发动机的扭矩和功率无明显降低，并不影响汽车原有的动力。

【1】郭新宇,刘志远.我国醇醚燃料产业发展的思路及对策[J].煤化工,2008(3):1-4.

【2】刘瑾,邬建国.生物燃料的发展现状与前景[J].生态学报,2008(4):1339-1353.

【3】黎苏,黎晓鹰,黎志勤.汽车发动机动态过程及控制[M].北京：人民交通出版社，2001.

【4】何忠波,白鸿柏,张培林，等.发动机动态特性及其对车辆换挡特性的影响[J]．军械工程学院学报,2005,17(5)：18-20．

【5】严运兵,颜伏伍,杜常清，等.基于PUMAOPEN1.2的发动机动态特性研究[J]．武汉科技大学学报：自然科学版,2008,31(1):95-98.

Detection of Ethanol Ether Fuel Engine Performance Based on Engine Test-bed

ZHANG Peng, CHEN Xuejin,YAO Mengmeng,JIANG Xiangjing

(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

On engine test-bed, dynamic test method which was used to simulate the vehicle real driving dynamic condition, was used to make power performance test and fuel economy test for 93# petrol and 15%, 50% mixed ratio ethanol ether fuel. The results show that under the condition of high temperature and high pressure, ethanol ether fuel can better combusted; ethanol ether fuel does not affect the original engine power performance when its mixed ratio is less then 50%.

Ethanol ether fuel; Engine test-bed; Dynamic testing method

2015-06-15

张鹏(1983—)，男，工程硕士，工程师，从事汽车及零部件测试工作。E-mail:18665663171@163.com。