将乙醇应用于直喷汽油机的可行性研究外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

将乙醇应用于直喷汽油机的可行性研究

Satoshi Taniguchi, Kaori Yoshida, Yukihiro Tsukasaki

丰田汽车公司

摘要

关于缸内直喷汽油机应用乙醇的可行性研究，是为求证乙醇对发动机性能、废气排放和喷油嘴沉积的影响。调查结果显示：相比应用了高品质汽油的基础压缩比引擎（ε=11.5:1），E100（100%纯乙醇燃料）应用在高压缩比引擎（ε=13:1）时，能在全引擎转速范围内提升满载发动机的性能，这是由容积效率（eta;v）的提升以及高压缩比发动机对爆震的抑制造成的。

另一方面，在满载、低引擎转速时，碳氢化合物（HC）排放明显增多。这种现象意味着在这些工况下，空气与E100燃料的不充分混合造成了不完全燃烧。在这些情况下，乙醇的喷入数量过多，缸内气体流动性较差。然而，在不完全负载时，相比高品质汽油，E100有稍稍更高的热效率和更低的HC、NO排放。

另外，可行性研究的结果显示：乙醇可以抑制喷油嘴沉积物的形成。这种现象在仅20%乙醇混合燃料时便被观察到。这被认为是由乙醇的高蒸发潜热的协同效应造成的，其导致了喷嘴温度的降低和芳香烃、硫化物的减少。

可行性研究的结果表明：在直喷汽油机应用乙醇燃料可以产生一些实用价值，如提升满载性能和减少喷嘴沉积等等。然而，仍有一些技术难题存在，而且对应用了乙醇燃料的直喷汽油机系统进行优化这项工作仍存必要。

引言

乙醇是源自生物质的较有前景的汽车替代燃料之一，其被认为在能源安全和减排温室气体上有显著优势。在汽车利用乙醇方面，混有乙醇浓度低于10%的汽油（E10）在世界范围内已经有广泛应用。然而，在一些国家如美国和巴西，高浓度的乙醇燃料（E85或E100）已被应用于柔性燃料汽车。通常来说，世界上现有的乙醇燃料发动机拥有多点喷射（MPI）或化油器系统。为了获得更高的性能和效率，直喷汽油机近年来已被引入市场。直喷汽油机和乙醇的高辛烷值特征相结合，有望提升发动机的性能表现。然而，至今，在直喷汽油机上应用乙醇汽油的实际使用和可行性调查还从未展开。考虑到今后乙醇应用的发展，对于乙醇在不同发动机系统下适应性的调查研究很有必要性，其也能为客户创造更多的价值。

本文基于直喷发动机的台架试验，论述了乙醇对直喷汽油机排放、燃烧、喷射过程和喷嘴沉积物形成的影响。

实验仪器

测试燃料

表1显示了本次研究中测试燃料的特性。乙醇燃料（E100）和优质汽油在满载引擎测试和部分负载的排放评估中被用作参考燃料。乙醇混合燃料（E20和E50）在本次调查中被用作喷嘴沉积物形成的测试。相比优质汽油，乙醇燃料拥有诸如更高辛烷值和更高蒸发潜热值等优势，这使其能较好的提高满载发动机的性能。然而，乙醇的单位体积热值较低，这使喷嘴必须扩大喷油速率。在本文中，优质汽油将被描述为E0，纯乙醇燃料为E100，20%乙醇混合燃料为E20，50%乙醇混合燃料为E50.

测试引擎

一台产品级的V-6、3升直喷汽油机（丰田：3GR-FSE）被用于此次可行性研究。图1为测试发动机的纵剖图。直喷汽油机允许通过提升压燃比和容积效率的方式来提高引擎的输出性能，这是因为相比传统多点喷射汽油机，直喷发动机拥有通过应用蒸发潜热和抗爆震特性的优势。相比优质汽油，乙醇拥有更高辛烷值及蒸发潜热值的优秀特性，因此认为其可能提升直喷汽油机的性能。所以，在本次研究中，使用乙醇的测试引擎的压燃比为13：1，这比使用优质汽油和乙醇混合汽油的基础压燃比11.5：1的引擎高。这是通过修改活塞形状实现的。表2显示了测试引擎的特性。燃油系统的喷嘴，活塞和橡胶材料经过修改后用于此次测试。引擎测试在发动机稳定工况下进行，窜气被排入大气中以消除其对测试结果的影响。另外，在本次测试中并未在后处理系统中使用催化剂。

测试燃油喷嘴

乙醇的单位体积热值低于汽油，因此有些缺点如燃烧恶化，可能由乙醇直接应用于无修正的汽油机喷嘴时，因燃油喷射时间的增长引起。在本次可行性研究中，为避免燃油喷射时间的改变，基于热值之比，乙醇的燃油喷射速度被增至介于纯乙醇燃料和参考汽油之间。本次调查也进行了关于更长燃油喷射时间对发动机燃烧的影响。表3显示了修正后的发动机喷嘴特性。所有喷嘴所形成的喷雾都是由狭缝喷头喷出的扇形喷雾。

结果和讨论

满载发动机的性能表现

E0和E100用于满载引擎评估的测试。两种燃料的过量空气系数（lambda;）都被定为0.85。然而，当废气温度高于其某一上限时，注入燃料的量将会增多，这将减小过量空气系数。为得到所有转速下的最大扭矩，每种测试燃油的引擎调校都已经过优化。E100的压缩比为13：1，E0的压缩比为11.5：1。

满载发动机的性能表现

图2展示了使用E100和E0的满载发动机性能表现的对比。在所有引擎转速下E100的引擎力矩都更大，最大力矩更是比E0的高了7.6%。这说明了E100燃料能够通过直喷汽油机来获得更好动力表现，并以此作为商业优势。混有乙醇的可燃气体量被认为是转矩增加的一个因素，其他影响转矩增加的因素仍然在调查研究阶段。对于满载下的点火正时，即便E100使用了13：1的高压缩比，也无爆震现象被观察到，而且在全部发动机转速范围内，最大转矩对应的最小提前正时（以下简称MBT）均能被成功设置。

另一方面，E0(优质燃油，研究法辛烷值96.4)在转速低于2400rpm时发生了爆震，其点火正时为抑制爆震也被延迟。因此，E100燃料高辛烷值对爆震的抑制被认为是其在2400rpm转速下提升引擎转矩的一个因素。E100在容积效率上高过E0 0.4到3.8个百分点。如图2所示，这高出的效率在转速超过2800rpm时效果格外明显。也有报告表明，应用E100的多点喷射发动机在容积效率上降低了。如上所述，E100因拥有更低热值，在相同过量空气系数下其相比E0需要更多燃料喷射。乙醇因其升华的性质，蒸发速度相比E0更快。因此，E100的大量蒸发被认为阻止了进气口引入更多空气。然而，因为能使空气和燃料独立进入气缸，直喷汽油机拥有使气体混合更充分的优势。所以这意味着相比多点喷射发动机，直喷汽油机和E100的结合能抑制容积效率的降低。除此之外，E100还有高蒸发潜热，这使得减少空气温度来提升容积效率的方法成为可能。因此，有理由相信是E100的高蒸发潜热造成了在超过2800rpm时的容积效率提升。当乙醇被应用时，直喷汽油机因满载时高水平的容积效率而受益。

排放

图3对比了E100和E0在满载运行时的发动机排放。在低于3600rpm时E100拥有更高的NOx排放。其原因被认为是更高引擎输出引起的更高的燃烧温度，因其高辛烷值特性，E100可以忽视高压缩比，而利用其高辛烷值特征，将点火正时设置在MBT。

满载时一氧化碳排放E100低于E0。这被认为是E100增多的氧含量所致的增多的氧化反应造成的。

E100所造成的碳氢化合物排放远远高于E0，在引擎转速低时该问题尤其明显。空气与低热值E100燃料的不完全混合被认为是造成这种现象的原因，E100相比E0需要喷射更多燃油。另外，低转速时缸内气体较差的流通性明显恶化了E100与空气的混合过程。直喷汽油机内给注入的燃料与吸入的空气的混合时间非常短。因此，在满载时E100的高HC排放现象是直喷汽油机和E100二者特质的综合作用结果。为了澄清E100具体增加了多少HC排放，HC排放与缸内气流密度的关系通过一个装在测试引擎上的一个涡流控制阀（SCV）测得（如图4）。其测试了低温下燃油与空气的混合表现，其涡流并不明显。涡流比低于1.5。

图5对比了SVC关闭和开启时的HC排放。结果显示增大涡流并关闭SCV可以减少碳氢化合物的排放HC排放恶化的主要因素是当大量E100喷入时与空气的不充分混合。然而，即便SCV关闭，HC的排放水平也不能减少至与E0相同。另外，满载发动机的性能提升程度随容积效率的减少而减少。因此，设计一个可以增强气流但是不减少容积效率的进气口非常有必要。

热效率和燃烧特征

图6显示了E0和E100满载时热效率和过量空气系数的对比。尽管满载发动机性能提升明显，E100在转速低于5200rpm时的热效率提升并不明显。当转速超过5200rpm时，E100的热效率提升了3个百分点。

在这些转速下，E0的热效率明显降低，这是因为为了抑制尾气温度升高而增大了E0的注入量。在低于5200rpm时，E100的热效率与E0几乎相同。造成E100该现象的原因仍在调查。

图7显示了0%至90%燃烧放热过程时缸内燃料的损失率。本次研究中燃料的损失量（A）被定义如下：

缸内燃料损失量（A）=直接测量手段测得的总燃料消耗（B）-由尾气测得的空燃比和吸入空气量计算得到的燃油消耗量（C）

燃油损失率被定义为A与B的比值。损失的燃油暂时与润滑油混合在一起，导致了润滑油的稀释。窜气在台架试验过程中被排入空气。因此，损失的燃油随窜气一起排入空气。燃油损失率意味着燃油没有被燃烧的份额。如图7所示，满载时E100燃油损失率高于E0。这表明E100浪费的燃油比E0多。这被认为是E100热效率低的一个原因。较多的燃油损失通常被认为是直喷汽油发动机的一个特征。结果表明E100发动机的稀释问题在直喷机上更为严重。在实际汽车上，窜气会被返回至进气口。如果燃料注入量可随被返回的窜气控制，那么相比下图所显示的这些测试，E100热效率将被提高。

当发动机转速低于3200rpm时，E100有更长的燃烧时间，图7已示。这意味着其不完全燃烧特性和可燃气的不充分混合。正是这些原因导致了HC的排放增多。因此，可以认为E100热效率低的另一个原因是不完全混合造成的燃烧恶化。综合上述因素，每项因素对热效率影响的估计占比如下图所示。

不完全负载时的热效率和排放

发动机台架试验同时也调查了部分载荷时的热效率和废气排放。通过在3200rpm下改变引擎负载，发动机测试了化学当量空燃比（lambda;=）下E0和E100燃料的表现。发动机条件被优化以达到燃料的最佳热效率。E100的压缩比为13：1，E0的为11.5：1。

热效率和燃烧特征

图9所示为热效率和燃烧的比较。E100热效率比E0高0.6-1.6个百分点，相比E0,E100的燃烧时间稍短。E100在部分载荷下的排放和燃烧优势因素将通过对其各自尾气的调查来比较。

排放

图10对比了E100和E0的废气排放和点火正时。E100的NOx排放较低。这可能是乙醇燃烧时更多水生成所致。通常来讲，燃烧温度随压缩比增大而增大。然而， 相比压缩比，E100燃烧温度降低更能显著影响水的生成。另外，部分载荷下E100的较少NOx被认为是满载NOx排放情况的显著相矛盾现象。产生该现象的原因是：部分负载下E100燃烧阶段相对较短，点火正时相比E0稍微之后，而发动机几乎控制在完全相同的转矩下。因此，E100并没有提高点火温度的因素。

在部分负载下E100的一氧化碳排放高于E0。这可能是由于在燃烧温度较低时E100部分氧化造成的。E100在部分载荷下CO排放更高的现象在满载时并未被发现。另一方面，在部分载荷下出现了化学计量燃烧，混合气中足量的氧气将削弱氧化反应中氧气的效果。

在部分负载下E100的HC排放低于E0。这可能是E100单组元燃料的良好气化特征所致。另外，相较满载，更低的缸内温度是造成两种燃料不同气化特征的主要因素，并且较少的E100燃料喷射将不会导致空气与燃料的不完全混合。

因此，可以认为E100在部分载荷下的热效率和燃烧情况更好，二氧化碳排放相比E0也低7-13%。

喷射过程的影响

这些可行性研究是在为E100优化的特殊发动机上进行的，如更高的压缩比和避免喷射时间过长而使用的更大的喷嘴。然而在实际生活中，使用高浓度乙醇燃料的柔性燃料汽车已被大范围的引入市场。这些柔性燃料汽车必须兼容低浓度乙醇燃料和高浓度乙醇燃料。因此实际应用中鉴于没有转为E100优化的喷嘴，其喷射时间必定延长。在假设E100应用于柔性燃料汽车的情况下，对更长喷射时间的影响进行调查。

在调查中，两种喷嘴被用于E100燃料的测试。一种是专为E100设计的，另一种是专为E0设计的。可以认为商业化柔性燃料车的喷射时间处于这二者之间。因此，可以认为测试是在燃料喷射极端恶劣的条件下进行的。

测试发动机的压缩比被设置到11.5：1，其与E0的原版发动机相同。实验是在3200rpm下对不同负载情况进行的。过量空气系数在部分载荷下被控制在1，在满载下被控制在0.85.引擎运行条件均被优化，以达到最高的热效率。

图11显示了E100喷嘴和E0喷嘴的喷射时间、热效率、燃烧时间和二氧化碳排放的对比。如图所示，喷射时间的差别很大，但是热效率和二氧化碳排放几乎没有区别。

燃烧时间由发动机负载情况决定。然而，越长的燃油喷射时间往往意味着越长的燃烧时间，这一现象在本次调查中并没有被体现出来。

图12显示了尾气排放的对比。NOx和CO的排放无明显区别。另外，即使E0更长的喷射时间意味着其在满载下更高的HC排放，在部分负载下二者的HC排放也无明显差别。有理由认为这是由于燃料空气混合时间不足导致可燃气混合程度恶化造成的。然而，因为燃烧时间和热效率无区别，可以认为

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[138912]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word