重型M100甲醇发动机排放及燃烧热效率分布研究

引言

甲醇作为重要的车用发动机替代燃料之一。早在20世纪70年代美国、德国、日本等发达国家都曾投入大量精力，致力于甲醇燃料和甲醇汽车相关技术的研发，并在20世纪90年代的巅峰时期，全球的甲醇汽车数量达到数万辆规模[1]。在我国，近几年吉利汽车公司研发的甲醇出租汽车已在国内五省一市以及欧洲冰岛开展试点运营；与此同时，吉利商用车公司也正在开展重型M100甲醇发动机的研发工作。目前国家工信部针对试点车辆的检测结果表明，甲醇出租汽车在动力性方面与汽油车辆相当，并且在经济性及排放性方面具有明显优势。甲醇燃料是解决当前严重能源危机和环境污染问题的重要途径。

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甲醇是一种轻质、无色、略有臭味的可燃液体。甲醇燃料的汽化潜热高，汽化过程需要吸收大量的热，可以降低燃烧室及缸套的循环平均温度；同时甲醇的辛烷值高，抗爆性好，可以采用高压缩比以提高燃烧热效率。此外甲醇还具有较宽的可燃极限，燃烧速度快，在混合气比较稀的情况下仍能保持相对较高的火焰传播速度[2-4]。

以门诊自制的患者满意度调查问卷对100例患者的满意度进行评估,问卷调查表总分越高,说明患者对门诊导诊护理服务越满意。问卷调查表总分为0~59分,表明患者对门诊导诊服务不满意;问卷调查表总分为70~89分,表明患者对门诊导诊服务一般满意;问卷调查表总分为90~100分,表明患者对门诊导诊服务非常满意[3]。总满意度=[(非常满意患者例数+一般满意患者例数)/总例数]×100%。

 

表1　甲醇和汽油的理化特性对比[5]

  

参数甲醇汽油碳(质量比)/%37．585～88氢(质量比)/%12．512～15氧(质量比)/%50约0相对密度/(kg·m-3)0．7960．7～0．78理论空燃比6．411．2～15．1蒸汽压/(kPa)32冬季60～90夏季45～70沸点/(℃)64．830～200低热值/(MJ·kg-1)19．6643．5参数甲醇汽油高热值/(MJ·kg-1)22．3446．6汽化潜热/(MJ·kg-1)1109310研究法辛烷值(RON)11489～98十六烷值30～10着火极限/(%)6．7～361．4～7．6自然温度/(℃)470220～260闪点/(℃)15．6约45比热容(20℃)/(kJ·/(kg·℃)-1)2．552．3理论空燃比混合气热值/(MJ·kg-1)3．072．99

甲醇发动机的排放性能和燃烧热效率一直是行业内关注的热点。目前国内还没有制定专门针对甲醇的排放法规。通过在一台自主研发的重型M100甲醇发动机上进行了试验，基于当前实施的法规，研究了该甲醇发动机的排放性能及燃烧热效率的分布。

  

图1　台架设备布置

1　试验设备及方法

1.1　实验设备

发动机的转速和扭矩由AVL电力测功机进行控制，采用TOCEIL油耗仪测量系统测量稳态油耗和AVL全流稀释采样系统对发动机转速、扭矩、功率、油耗及排放数据进行采集。台架设备布置如图1所示[6]。

“我当时真的只是一个无心的举动。”刘雪华是知名的琼女郎，从她后来的言论看，在《还珠格格》筹拍时，她的确将范冰冰介绍给了琼瑶。这才有了后来的金锁、现在的范冰冰。刘雪华后来回忆说：“如果我没有发掘她，同样会有其他人发掘她的。”范冰冰表示，当时没有预感这部戏会改变自己，只是单纯兴奋“我有戏拍了”，也不知道为什么剧组会找到自己。

1)该重型M100甲醇发动机在重型汽油机瞬态循环和ETC循环工况下，排放污染物均低于法规限值，且有余量；并且重型汽油机瞬态循环工况下的排放性能优于ETC循环工况。

 

表2　M100甲醇发动机参数表

  

参数值气缸数6缸径/行程/(mm)105/120排量/(L)6．234压缩比11额定功率/kW550额定功率转速/(r·min-1)2300最大扭矩/(N·m)710最大扭矩转速/(r·min-1)1300～1500最低燃油消耗率/(g·(kW·h)-1)≤475点火顺序1-5-3-6-2-4

1.2　试验法规及方法

根据工信部[2012]42号文件《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》对甲醇发动机的要求，甲醇发动机采用GB 14762—2008《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV阶段)》(以下简称重型汽油机瞬态循环)，同时结合常规燃料发动机采用的GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)》(ETC循环部分)瞬态循环工况，开展M100甲醇发动机在两种排放测试循环下的排放性能和燃烧热效率分析研究。[8-9]

  

图2　重型汽油机瞬态循环工况

  

图3　ETC循环工况

2　燃烧热效率计算及万有特性图绘制

推导出公式(3)：

每个实验都有相应的实验步骤，有时学生往往记住了步骤，但并没有真正理解要按照这个顺序进行实验的原因。教师可以尝试让学生思考能否颠倒顺序，通过实践检验步骤的原理。例如，在“检测生物组织中的蛋白质”实验中，需要用到双缩脲试剂。双缩脲试剂分为双缩脲试剂A和双缩脲试剂B，在使用时应该先加A后加B。有学生提出：若顺序加反是否可以。这时，教师可以让学生进行尝试，观察、分析实验结果。经过错误的实验尝试后，学生会发现由于不能先提供一个碱性环境，就不能出现紫色反应，从而更加理解双缩脲试剂检验蛋白质的机理。

  

图4　万有特性图

令人欣喜的是，我们在市直单位连续五年时间“每年打造10家示范典型”的建家活动初见成效，涌现出市煤管局、市供销社、市建设局、市职技院、市一中、市住房公积金管理中心等富有鲜明特色的示范单位。

教材是授课教师组织课堂教学的主要依据，也是翻译理论的主要载体。笔者对连云港三所高校使用的英语翻译教材进行分析和对比后发现，有的教材知识体系陈旧，翻译理论老化，翻译训练缺乏现实语境支撑，绝大多数教材翻译案例对当下翻译实践没有什么指导意义，翻译技巧讲解大多针对文学素材，缺乏应用型、旅游类、经贸类、时事类等语言素材，尤其是两所专科院校只选用了英译汉教材，而没有选用汉译英教材。总体来看，翻译教材建设滞后。

为研究该甲醇发动机的燃烧热效率，利用图4的数据，通过推导公式计算燃烧热效率和平均有效压力，绘制燃烧热效率图。根据公式(1)、公式(2)[10]：

 

(1)

 

(2)

利用AVL电力测功机和TOCEIL油耗仪，测得该甲醇发动机各转速下的10%、20%、40%、60%、80%、100%的扭矩、功率及燃油消耗率数据，绘制万有特性图。

 

(3)

计算出燃烧热效率。以上公式中Pe为有效功率，单位是kW；B为整机燃油消耗率，单位是kg/h；β为有效燃烧热效率，单位是%；Hu为甲醇燃料的低热值，单位是kJ/kg；be代表有效燃油消耗率，单位是g/(kW·h)。

根据公式(4)、(5)、(6)[10]：

万有特性图中最低油耗率为发动机的额定扭矩点，低于465 g/(kW·h)。

  

图5　燃烧热效率图

程慧(2013)等采取实证研究的方法，通过对证券市场近年数据建模研究显示，研发支出相关会计规定的修订，提升了企业在年报对于研发支出的发布要求然而对于细节实施方面，如研发项目信息公开的表现形式，明细增减变动，研发资金的现金流等仍欠缺行业认可和统一的披露发方法。

(4)

 

(5)

 

(6)

推导出公式(7)：

 

(7)

计算出平均有效压力。公式中BMEP为平均有效压力，kPa；We为有效功，kJ；Pe为有效功率，kW；τ为冲程数；Me为有效扭矩,Nm；V为发动机排量，L。并绘制出燃烧热效率图。从图中看出，该甲醇发动机的最高有效热效率超过39%，且其范围较大。

3　法规工况下的排放性能研究

为研究甲醇发动机的排放性能，在该M100甲醇发动机上进行了重型汽油机瞬态循环以及ETC循环测试，并利用AVL全流稀释采样系统检测主要污染物排放值。

2.1 患者基本信息 我们于2017年2月-2018年2月期间，按照预先设定的标准，共入组50例维持性血液透析患者，该50例患者先后维持了为期6个月的随访，并于3个月和6个月时对患者进行一次血红蛋白检测。患者基本信息见表1。50例患者在随访过程中死亡案例为2例，脱落案例5例，进行肾脏移植手术3例。故最后有效病例数为40例。

3.1　常规排放研究

实际结果显示，甲醇发动机在两种法规工况下实测污染物排放值均远低于法规限值。同时通过对比发现，甲醇燃料发动机在重型汽油机瞬态循环工况下排放均好于ETC循环工况。主要原因是甲醇燃料本身的燃烧排放特性好，同时匹配合理的三元催化器进行排放污染物的后处理。

  

图6　重型汽油机循环工况下常规排放污染物的浓度变化

  

图7　ETC循环工况下常规排放污染物的浓度变化

 

表3　重型汽油机瞬态循环排放结果 g/(kW·h)

  

排放物国Ⅳ限值[8]实测值CO9．70．181HC0．290．004NOx0．700．078

表4　ETC循环排放结果　　g/(kW·h)

  

排放物国Ⅴ限值[9]实测值CO4．00．417NMHC0．550．001CH41．10．02NOx2．00．141

甲醇是一种含氧燃料，燃烧更充分、更完全，甲醇发动机的常规排放物包括CO、HC、NOx都有不同程度地减少，一般情况下，CO排放下降30%～35%，HC排放量下降25%～30%，NOx排放量下降20%～25%[11]。采用非分散红外分析仪NDIR测量CO含量，氢火离子化分析仪FID测量总HC含量，光化学分析仪CLD测量NOx含量[12-13]。根据排放检测设备测量结果，重型汽油机瞬态循环工况和ETC循环工况下常规污染排放物的浓度如图6、7所示，常规污染物排放结果如表3、4所示。

抛光液中添加AEO后，铜晶圆表面的缺陷减少。在3 ～ 12 mL/L的范围内，随着AEO体积分数的增大，铜晶圆的表面缺陷数量变化不大，但相对而言，AEO体积分数为6 mL/L时晶圆表面的缺陷最少，只有668个。增大AEO的体积分数至18 mL/L时，晶圆表面的缺陷反而急剧增大。可见阳离子型表面活性剂FAOA与非离子型表面活性剂AEO以合适的比例进行复配时才能有效减少晶圆的表面缺陷。从分子结构可以看出，FAOA是一种小分子的表面活性剂，AEO则是一种长链大分子的表面活性剂，它包裹在硅溶胶的表面(见图6)能进一步提高抛光液的分散性，降低硅溶胶粒子之间团聚的概率[7]。

3.2　非常规排放研究

 

表5　甲醛排放结果　g/(kW·h)

  

法规限值实测值国Ⅳ限值[8]5014．56国Ⅴ限值[9]2511．28

甲醇发动机的大部分醛类排放物是排气管中未燃烧的醇，在适当的含氧浓度及温度下继续反应而生成的[4]。使用袋采装置，对甲醇发动机的非常规排放物的主要部分甲醛进行采集，利用高效液相色谱分析仪[13-14]，测试结果如表5所示。实测甲醛排放值低于法规限值。主要原因是发动机的燃烧控制的比较好，未燃烧的甲醇非常少，同时通过三元催化器对甲醛的排放进行一定的处理。

4　法规工况下的燃烧热效率分布研究

通过观察重型汽油机瞬态循环工况点和ETC循环工况点在燃烧热效率图上的分布，来研究该甲醇发动机在法规工况下的燃烧热效率，如图8、9所示。

正交试验优化枸橼酸莫沙比利胃漂浮缓释微丸的辅料处方…………………………………………………… 江尚飞等（24）：3369

重型汽油机瞬态循环工况测试点主要集中分布在1 200～2 000 r/min的中低负荷范围内，也有部分工况点分布在600～1 200 r/min的低负荷范围内，发动机主要工作在热效率36%的区域。因此在发动机台架标定开发时，应尽可能优化该区域的标定数据，提升该区域的燃烧热效率，以获取该工况下更好的排放性能和经济性能。

  

图8　重型汽油机瞬态循环工况燃烧热效率分布

  

图9　ETC循环工况燃烧热效率分布

ETC循环工况测试点主要集中分布在1 400～1 800 r/min的所有负荷范围内，该区域属于发动机燃烧热效率较高的区域，因此优化中低负荷的标定数据，才能有效提升发动机在该工况下的性能。

根据公式(8)：

 

(8)

分别计算出重型汽油机瞬态循环工况和ETC循环工况下的平均燃烧热效率。公式中代表燃烧热效率，βi代表第i个工况点的燃烧热效率，n代表工况点总数。

计算结果显示：该发动机在重型汽油机瞬态循环工况下的平均燃烧热效率为17.487%，而在ETC循环工况下的平均燃烧热效率为24.678%。

5　结论

研究采用的M100甲醇发动机是以CNG发动机为平台，重新设计燃料供给系统、点火控制系统，优化燃烧系统、配气系统、进排气系统[7]。M100甲醇发动机采用的技术路线：多点顺序喷射、理论空燃比燃烧、EGR冷却系统、三元催化后处理系统。表2为M100甲醇发动机的相关技术参数。

2) 重型汽油机瞬态循环工况测试点主要集中分布在中低负荷，建议优化该负荷区域标定数据，降低中低负荷的燃油消耗，提高该区域的燃烧热效率，以提升发动机在该法规工况下的整体经济性能以及排放性能。

加强情感投入，提升育人价值。全面把握核心素养，提高学科的育人价值，通过学科教学，育新人，育真人，育社会主义接班人，“培育全面发展的人”。所以我们要坚持以人为本，坚持用目标激励人，坚持用榜样鼓舞人，坚持用正气感召人，坚持用感情凝聚人，培育责任感和使命感。

3) ETC循环工况测试点主要集中分布于1 400～1 800 r/min区域，建议优化该转速区域中低负荷的标定数据，以进一步提升发动机在该法规工况下的整体经济性能以及排放性能。

4)该重型M100甲醇发动机的燃烧热效率与同等排量的其它燃料发动机相当，燃烧热效率可达到39%，甚至更高；重型汽油机瞬态循环工况下的平均燃烧热效率低于ETC循环工况。

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1）大数据时代中具有海量的数据，且相应技术应用过程中具有多源的特征，对不同学科数据的采集、分析及处理等提出了更高的要求；

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