GW491QE汽油機(jī)燃用甲醇汽油的試驗(yàn)研究

吳則旭，王銀山，侯國(guó)強(qiáng)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，天津 300222）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前我國(guó)車(chē)用燃料占石油消費(fèi)市場(chǎng)的35%以上，截至2012年底，我國(guó)不包括農(nóng)用車(chē)在內(nèi)的汽車(chē)保有量已達(dá)1.1億輛，且汽車(chē)產(chǎn)能突破2 000萬(wàn)輛，對(duì)我國(guó)原油供應(yīng)造成極大壓力。作為一種新型汽車(chē)燃料，甲醇與汽油有著一些可以做比較的理化性質(zhì)。在熱值方面，甲醇比汽油低很多；在理論空燃比方面，甲醇燃燒所需的空氣比汽油燃燒所需的少得多；甲醇（CH3OH）是含氧燃料，其著火界限寬，在燃燒時(shí)有自供氧效應(yīng)，可以使燃燒更完善，有利于組織稀薄燃燒，減少碳煙和CO排放。綜上所述，作為煤基燃料的甲醇來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，具有燃燒性能良好、熱效率高、比能耗低、排放的顆粒物和氮氧化物含量低等特點(diǎn)，是非常有前景的代用燃料之一[1]。但是，甲醇燃料在實(shí)際單獨(dú)應(yīng)用中存在著一些問(wèn)題，表現(xiàn)在甲醇燃料燃燒后產(chǎn)生甲醛、乙醛等非常規(guī)有害排放物，尤其是甲醛排放對(duì)人體危害較大，此外甲醇燃料在低溫冷起動(dòng)時(shí)性能較差，還有甲醇燃燒產(chǎn)物中含有未燃甲醇和甲酸，對(duì)尾氣三元催化系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。以上都是甲醇燃料亟待解決的重要問(wèn)題。而甲醇汽油摻燒可在一定程度上改善上述狀況。甲醇汽油燃料一般將甲醇的含量作為混合燃料標(biāo)記，即標(biāo)記為M20的混合燃料是含有20%的甲醇以及80%的汽油。本文主要研究3種比例甲醇汽油燃料對(duì)GW491QE電噴汽油機(jī)性能的影響。

1 試驗(yàn)燃料、設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)依次研究了93#汽油、M10、M15以及M50的性能指標(biāo)。試驗(yàn)用基礎(chǔ)燃料93#汽油和甲醇的理化特性如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為長(zhǎng)城內(nèi)燃機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的GW491QE電噴汽油機(jī)，排量為2.237 L，四缸直列、立式、水冷、四沖程。該汽油機(jī)采用了電控燃油噴射系統(tǒng)，氣缸直徑為91 mm，壓縮比為8.8∶1，最大輸出功率為78 kW，額定功率轉(zhuǎn)速為4 800 r/min，最大扭矩為190 Nm，全負(fù)荷最低燃油消耗率270 g/（kW·h）。

表1 甲醇和汽油的幾種理化性質(zhì)對(duì)比

本次試驗(yàn)使用的主要測(cè)試儀器設(shè)備：

（1）FST2E型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；

（2）電渦流測(cè)功機(jī)CW160；

（3）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀AVL 4000；

（4）油耗儀FCMM－2；

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)冷卻液恒溫裝置。

試驗(yàn)所用量具：

（1）量筒。最大量程1 000 mL，最小量程10 mL。

（2）燒杯。最大量程500 mL，最小量程25 mL。

本次發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)時(shí)選取在60 Nm負(fù)荷下的速度特性進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)研究。每次試驗(yàn)需確保發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常工作溫度（一般出水溫度（65±5）℃，機(jī)油溫度（80±5）℃），保持節(jié)氣門(mén)開(kāi)度不變，其他發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)均不做調(diào)整，工況穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)上，GW491QE汽油機(jī)依次更換93#汽油和各種比例的混合燃料后，試驗(yàn)點(diǎn)轉(zhuǎn)速依次選5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每種燃料做3次試驗(yàn)，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

整理GW491QE型發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性曲線分析圖，如圖2所示。

圖2 60 Nm時(shí)93#汽油與M10、M15、M50燃油消耗率對(duì)比

從圖2中可以看出，在4個(gè)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試的燃油消耗率隨著甲醇比例的增大而增大，M10和M15均略高于93#汽油，但是差別不是很大，M50相比汽油大約高出了25%。這是由于甲醇的低熱值不到汽油的50%所致，混合燃料M10、M15和M50的低熱值就隨著甲醇比例的提高而相應(yīng)減小，因此燃油消耗率必然隨甲醇比例的增大而增大，燃油經(jīng)濟(jì)性有所降低。

整理GW491QE型發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性曲線分析圖，如圖3所示。

圖360 Nm時(shí)93#汽油與M10、M15、M50功率對(duì)比

從圖3可以看出，在負(fù)荷為60 Nm情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min到3 000 r/min時(shí)，93#汽油、M10、M15和M50之間的功率的差距總體上基本保持一致，汽油的功率總體比甲醇稍高，但相差不大，即動(dòng)力性與93#汽油保持一致。分析原因[2]：一方面，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)一直保持在最佳狀態(tài)，即出水溫度（65±5）℃，機(jī)油溫度（80±5）℃，使甲醇汽油霧化、混合較為快速和充分，縮短了甲醇汽油因汽化潛熱大而導(dǎo)致混合氣形成較慢，滯燃期長(zhǎng)的不良影響，同時(shí)甲醇汽油較大的汽化潛能可以降低混合氣溫度間接的增大充氣效率；另一方面，由于甲醇含氧量高，與汽油混合提高了混合燃料的氧含量，燃燒更加充分。在這兩方面的作用下，使得甲醇汽油輸出功率與汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)變換轉(zhuǎn)速的整個(gè)區(qū)域相差不多。

2.2 常規(guī)排放性能對(duì)比

2.2.1 HC排放對(duì)比

要研究這4種燃料的HC排放，首先需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)HC生成機(jī)理進(jìn)行分析。發(fā)動(dòng)機(jī)中HC形成原因很多，如混合氣過(guò)稀、噴油器過(guò)臟、點(diǎn)火不良、排氣門(mén)泄漏等，這都會(huì)導(dǎo)致燃燒不完全而產(chǎn)生HC。概括來(lái)說(shuō)，在汽油機(jī)內(nèi)HC的生成機(jī)理有如下幾點(diǎn)：

（1）不完全燃燒。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果混合氣過(guò)濃或過(guò)稀，或者尾氣被嚴(yán)重稀釋，都可能造成跳火以后混合氣不能著火，這會(huì)使得混合氣中部分燃料以未燃HC形式排出，最終造成HC排放明顯增加。

（2）壁面淬熄效應(yīng)。這是指溫度較低的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面對(duì)火焰的快速冷卻，這會(huì)在壁面形成大約0.2 mm的不完全燃燒的火焰淬熄層，同樣大量未燃的HC會(huì)產(chǎn)生。

（3）積碳吸附。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及壓縮過(guò)程中，氣缸壁面上的潤(rùn)滑油膜和沉積的多孔性積碳，使得未燃混合氣被吸附，這些吸附的各種燃料蒸氣伴隨進(jìn)入呈氣態(tài)狀的燃燒產(chǎn)物中。這樣少部分的HC被氧化，而大部分的HC隨已燃?xì)怏w排出氣缸。

本試驗(yàn)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)排出的尾氣，用AVL 4000排放分析儀進(jìn)行分析檢測(cè)[3]。整理GW491QE型發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放量曲線分析圖，如圖4所示。

圖460 Nm時(shí)93#汽油與M10、M15、M50的HC排放量對(duì)比

從圖4中可以看出，GW491QE型電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用93#汽油和摻混不同比例甲醇汽油時(shí)，測(cè)得的HC排放量有著明顯的區(qū)別。混合燃料的HC排放量都比93#汽油少，且前者的降幅比較明顯。在扭矩一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，燃燒不同比例混合燃料排放的HC變化趨勢(shì)與燃燒93#汽油相同，并且隨著混合燃料中甲醇比例的增加，HC排放量逐步降低。從圖4中還可知，燃用M15時(shí)HC排放量曲線下降最快，改善最為明顯。

經(jīng)分析，造成這種結(jié)果有以下幾方面原因：①由于甲醇是含氧燃料，分子式CH3OH中碳原子只有一個(gè)，氧原子質(zhì)量占甲醇相對(duì)分子質(zhì)量的50%，故甲醇是低碳、高含氧燃料，燃燒速度快且燃燒完全，完全燃燒所需的空氣比汽油少。汽油中加入一定比例的甲醇燃燒后，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，減小了壁面淬熄作用，從而降低了HC的排放[4]。②甲醇可以溶解積碳，使得積碳等沉積物對(duì)HC排放的影響降低。③甲醇不易溶于潤(rùn)滑油，從而使得由于潤(rùn)滑油的吸附和解吸作用而引起的HC排放降低。

2.2.2 CO排放對(duì)比

要研究發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)CO排放，也需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)CO產(chǎn)生機(jī)理作一定的分析。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，當(dāng)供氧不足時(shí)，會(huì)造成部分燃料未完全燃燒，形成CO。在混合氣中，由于燃油過(guò)多，供氧不足，因此會(huì)產(chǎn)生很多的CO[5]。產(chǎn)生CO的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）CO是烴燃燒的中間產(chǎn)物，在CO燃燒生成CO2的進(jìn)一步反應(yīng)中，它的反應(yīng)速度很慢，又因?yàn)闃O短的燃燒時(shí)間，CO未能完全氧化，故而尾氣中產(chǎn)生CO。

（2）混合氣不能均勻混合，造成燃燒室內(nèi)混合氣過(guò)濃或過(guò)稀，使得局部缺氧，從而產(chǎn)生CO。

（3）當(dāng)燃燒溫度T＞2 000 K時(shí)，即便能夠完全燃燒，已經(jīng)產(chǎn)生的CO2也會(huì)在高溫下部分分解為CO和O2。

整理GW491QE型發(fā)動(dòng)機(jī)燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放量曲線分析圖，如圖5所示。

圖560 Nm時(shí)93#汽油與M10、M15、M50的CO排放量對(duì)比

由圖5能夠看出，甲醇汽油混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油明顯減少，變化趨勢(shì)隨著甲醇含量的增加，CO的排放逐漸降低，且M15的CO排放比較穩(wěn)定，并沒(méi)有隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加。這是因?yàn)榧状际呛跞剂?，其著火界限寬[6]，在燃燒過(guò)程中有自供氧效應(yīng)。這使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒較為均勻和完善，因此會(huì)減少CO的排放。而且甲醇的含碳量只有汽油的44%左右，這也從理論上減少了CO的生成條件。另外，可以看出，甲醇汽油M10、M15和M50的CO排放是隨著轉(zhuǎn)速的增大而有所增加。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速較高時(shí)，混合燃料噴射時(shí)循環(huán)變動(dòng)增大，混合氣形成速度降低，甲醇與空氣混合質(zhì)量變差，使燃燒室出現(xiàn)某處混合氣過(guò)濃或過(guò)稀，造成局部缺氧，使混合氣燃燒不完全而產(chǎn)生CO。但相比于93#汽油而言，M10、M15和M50的CO的排放明顯降低。相對(duì)于M10和M50，M15的CO排放比較穩(wěn)定，沒(méi)有隨轉(zhuǎn)速的升高而大幅增加。

2.2.3 NOx排放對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中生成的NOx，包括NO和NO2，但主要還是NO。影響NOx的生成主要有3個(gè)因素：

（1）高溫，一般認(rèn)為當(dāng)燃燒溫度高于2 600 K時(shí)就會(huì)開(kāi)始生成大量的NOx。

（2）富氧，NOx的生成離不開(kāi)高濃度的氧環(huán)境。

（3）缸內(nèi)的滯留時(shí)間，即已燃?xì)怏w在缸內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOx的生成越多，反之則越少。

本試驗(yàn)用排放分析儀對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)排出的尾氣進(jìn)行分析檢測(cè)，整理M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量曲線分析圖，如圖6所示。

圖660 Nm時(shí)93#汽油與M10、M15、M50的NOx排放量對(duì)比

由圖6可見(jiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，4種燃料的NOx的排放也在不斷增加，總體而言甲醇汽油的NOx的排放要比93#汽油的低。NOx的來(lái)源主要是由于混合氣在高溫、富氧下長(zhǎng)時(shí)間燃燒時(shí)含在混合氣中的N2和O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的[7]。所以，NOx排放的增加和減少取決于缸內(nèi)溫度和氧的濃度，因此NOx的排放隨轉(zhuǎn)速的變化并不表現(xiàn)出單純的升高，但是，M50、M15的NOx排放相對(duì)于93#汽油還是有所降低的。這是由于：一方面甲醇是含氧燃料，完全燃燒所需的空氣比汽油少的多，而NOx的生成條件就是高溫、富氧、長(zhǎng)時(shí)間在缸內(nèi)燃燒時(shí)形成的，這就增加了NOx的生成條件；另一方面，甲醇的甲醇熱值低[8]，汽化潛熱是汽油的3.7倍，在其他條件相同時(shí)，它可以降低壓縮溫度和最高燃燒溫度。因此，在與汽油摻燒時(shí)燃料氣化會(huì)使氣缸溫度和排氣溫度降低，從而降低了NOx的排放。

3 結(jié)論

通過(guò)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，在GW491QE汽油機(jī)上燃油燃用93#汽油與M10、M15和M50性能比較，得出以下結(jié)論：

（1）混合燃料的燃油消耗率比93#汽油稍高一些，并隨著甲醇比例的增大而增大，燃油經(jīng)濟(jì)性有所降低。

（2）在中低轉(zhuǎn)速，混合燃料的功率與93#汽油相同，即動(dòng)力性與93#汽油保持一致。

（3）混合燃料的HC排放量都比93#汽油少，且M15改善最為明顯；混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油是明顯減少的，并隨著甲醇含量的增加CO的排放逐漸降低，M15的CO排放比較穩(wěn)定。4種燃料的NOx的排放也在不斷地增加，總體上甲醇汽油的NOx的排放比93#汽油低。

（4）綜合考慮GW491E汽油機(jī)的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能，提出M15為較好的實(shí)用甲醇比例燃料。

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