燃用甲醇汽油混合燃料對發(fā)動機(jī)性能的影響

閆海，劉婷，朱兵強(qiáng)

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

燃用甲醇汽油混合燃料對發(fā)動機(jī)性能的影響

閆海，劉婷，朱兵強(qiáng)

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

文章簡要介紹了甲醇代用燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景，以及存在的問題。通過對發(fā)動機(jī)的冷啟動、進(jìn)氣預(yù)熱、燃油供給系的改造、點(diǎn)火特性和壓縮比進(jìn)行了研究，得出了燃用甲醇汽油混合燃料對發(fā)動機(jī)性能提升的方法。

甲醇；發(fā)動機(jī)；點(diǎn)火特性；壓縮比

CLC NO.:U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-140-04

引言

甲醇是一種易燃易揮發(fā)的無色透明液體，具有與現(xiàn)實(shí)使用的液體燃料極為相近的燃燒性能，辛烷值高，抗爆性能好，其生產(chǎn)原料非常廣泛，產(chǎn)品的運(yùn)輸、儲存、分裝加注和使用，與目前市場上所供應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)用汽油和柴油燃料特點(diǎn)極為相似。同時，甲醇還可作為燃料電池的重要原料[1]。在目前的開發(fā)應(yīng)用中，甲醇燃料分為直接使用和間接使用兩大類。直接使用又分為全額甲醇和部分摻混兩種形式；間接使用可通過化學(xué)轉(zhuǎn)化方法和電化學(xué)轉(zhuǎn)化方法達(dá)到能量轉(zhuǎn)化的目的?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化主要是將甲醇轉(zhuǎn)化為甲基叔丁基醚和二甲醚等。電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車動力的電能。

1 對燃用甲醇汽油混合燃料發(fā)動機(jī)的部分改進(jìn)

1.1 進(jìn)氣預(yù)熱的措施及進(jìn)氣歧管的改造

1.1.1 加強(qiáng)進(jìn)氣預(yù)熱的措施

當(dāng)液體蒸發(fā)時，不僅分子的內(nèi)能增加，而且由于體積的膨脹需對外界作功，因此，必須消耗熱能。如果液體不從外界取得熱量，本身的溫度便要降低。甲醇的汽化潛熱大約為汽油汽化潛熱的3.6倍，在發(fā)動機(jī)輸出同樣功率時，根據(jù)等熱值要求，燃燒的甲醇量是汽油的1.2倍，因此燃用甲醇時混合氣中燃料全部汽化所需的熱量相當(dāng)于燃用汽油時的9倍。因此在甲醇形成混合氣時必須進(jìn)行足夠的預(yù)熱，否則將會嚴(yán)重影響汽霧的形成，從而影響燃燒。預(yù)熱措施：

①廢氣預(yù)熱，利用排氣的余熱對進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)加熱。減小進(jìn)排氣管的厚度。

②電加熱，在進(jìn)氣管上加裝PTC陶瓷片，加熱。（在溫度大于某一值時電阻急劇增大上千倍，本試驗(yàn)即采用此方法）[2]。

③利用冷卻循環(huán)水加熱，冷卻熱水管經(jīng)進(jìn)氣歧管，利用排水中的熱量來加熱進(jìn)氣。

1.1.2 進(jìn)氣歧管的改造及溫度控制

甲醇的氣化潛熱遠(yuǎn)大于汽油。而M85甲醇燃料的氣化潛熱為汽油的6.18倍。要使發(fā)動機(jī)燃用M85甲醇燃料時進(jìn)氣溫度與燃用汽油時一致，需使甲醇機(jī)的進(jìn)氣預(yù)熱量達(dá)到汽油機(jī)的6倍多。但考慮到進(jìn)氣預(yù)熱過強(qiáng)將使發(fā)動機(jī)充氣效率下降；表明純甲醇機(jī)最佳進(jìn)氣溫度為5～17℃。為了使發(fā)動機(jī)燃用M85甲醇時得到良好的預(yù)熱效果，首先對原汽油機(jī)進(jìn)氣管溫度進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖2.1曲線1所示。該曲線說明進(jìn)氣管溫度在整個發(fā)動機(jī)功率范圍內(nèi)都在38～45℃之間。若把進(jìn)氣預(yù)熱量增加為原機(jī)的6.18倍，使發(fā)動機(jī)燃用M85甲醇時進(jìn)氣管溫度也達(dá)到38～45℃，顯然不符合甲醇發(fā)動機(jī)的最佳進(jìn)氣要求。本研究把原汽油機(jī)排氣總管與進(jìn)氣總管聯(lián)結(jié)部分的預(yù)熱孔擴(kuò)大，預(yù)熱面積為原來的三倍。改造后預(yù)熱效果如圖2.1曲線2所示，增加進(jìn)氣預(yù)熱后燃用M85甲醇燃料時，進(jìn)氣總管溫度在一般負(fù)荷工況下(0～50kW)均在5～17℃之間，只有小負(fù)荷超過17℃，而在大負(fù)荷下小于5℃，這說明大負(fù)荷時預(yù)熱量不夠，但考慮到汽車大部分情況下是在中等負(fù)荷下工作，改造后的進(jìn)氣預(yù)熱基本滿足最佳進(jìn)氣要求[3]。

圖1 進(jìn)氣總管溫度對比(n=2000rmin)

1.2 冷起動

在冷起動及怠速暖機(jī)時期，因?yàn)榇呋瘎囟炔粔蚋?，三效催化轉(zhuǎn)換器不能起燃，仍然會向大氣中排出大量的有害排放物。研究表明，一個FTP測試循環(huán)中，整個測試循環(huán)HC排放總量的70%～80%是在冷起動后的40～140S(0～40S不測量)產(chǎn)生的。歐洲已經(jīng)執(zhí)行的歐Ⅳ汽油轎車排放標(biāo)準(zhǔn)，不但進(jìn)一步提高了標(biāo)準(zhǔn)，而且也改進(jìn)了測量方法，新的NEDC (New European Driving Cycle)測試循環(huán)取消了0-40S非測量時期，即起動的同時開始排氣采樣，而且冷機(jī)起動的環(huán)境溫度也由2O～3O℃降到一7℃，這為冷起動階段排放控制提出了更高的要求。

飽和蒸氣壓是液體燃料蒸發(fā)性好壞的重要指標(biāo)。甲醇發(fā)動機(jī)低的飽和蒸氣壓和高的汽化潛熱將會導(dǎo)致燃料汽化不良，使發(fā)動機(jī)起動困難。為了解決甲醇燃料發(fā)動機(jī)冷車起動困難的問題，往往采取以下幾種辦法：

①進(jìn)氣預(yù)熱是解決甲醇汽油冷起動問題的主要辦法。

②輔助燃料起動就是給發(fā)動機(jī)配置一個輔助燃料系統(tǒng)，在冷車起動時，由輔助燃料系統(tǒng)供給一種專用的輕質(zhì)起動燃料，待發(fā)動機(jī)預(yù)熱后，再供給正常的甲醇汽油。

③采用起動添加劑也是一種常用的辦法，一般是在燃料中加人一定的輕質(zhì)成分，以提高甲醇汽油的飽和蒸氣壓。

1.3 燃油供給系統(tǒng)的改進(jìn)

1.3.1 甲醇汽油對供給系統(tǒng)的影響

因?yàn)榧状嫉臒嶂当绕偷偷亩啵詮睦碚撋险f燃燒甲醇時燃油消耗要比燃燒純汽油時多，因此對甲醇發(fā)動機(jī)的供油系統(tǒng)采取了以下改進(jìn)措施：加大噴油孔直徑。

增加化油器中主量孔的直徑。根據(jù)簡單化油器原理[4]。

Gb——量孔的燃料流量（kg/s），ub——燃料流經(jīng)量孔時的流量系數(shù)

fb——燃料流量的截面積(m2)，H2——燃料噴孔高出浮子室液面的距離(m)

△Pn——喉管最小截面積的真空度(N/m2)，γb——燃料密度(kg/ m3)

1.3.2 燃料供給量的計(jì)算

為了保證495M85混合燃料發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩與原汽油機(jī)相同，要求供油系統(tǒng)所供給的混合燃料的總熱值與原汽油燃料的總熱值相同。甲醇低熱值

M85混合燃料的計(jì)算如下：

①M(fèi)85混合燃料的低熱值計(jì)算：

②保持發(fā)動機(jī)動力時，M85燃料供給量與燃用純汽油供給量的關(guān)系：

即發(fā)動機(jī)動力性相同時，要求燃料的供給量是原汽油供給量的1.868倍。

③M85混合燃料密度的計(jì)算

考慮到甲醇粘度比汽油大以及燃料在流動過程中產(chǎn)生流動阻力的影響，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)將其標(biāo)定為：d1M85=1.75mm.

⑤副腔主量孔的選擇

同理，將其標(biāo)定為：d2M85=2.7mm

1.4 點(diǎn)火特性及點(diǎn)火提前角

點(diǎn)火特性試驗(yàn)及調(diào)整點(diǎn)火提前角：圖2、圖3是不同轉(zhuǎn)速時汽油機(jī)和甲醇(M85)機(jī)的點(diǎn)火特性比較。由圖可見，轉(zhuǎn)速小于2300r/min時，甲醇機(jī)點(diǎn)火提角最佳值較汽油機(jī)小2～4°CA。

圖2 點(diǎn)火特性比較(節(jié)氣門全開)

當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2500r/min時，甲醇機(jī)較汽油機(jī)最佳點(diǎn)火角略大3～4°CA。這主要由于低速時吸入氣缸的可燃混合氣相對少，易氣化，且甲醇燃料燃燒速度快等因素影響，故甲醇機(jī)最佳點(diǎn)火角較小；高速時(滿負(fù)荷)吸入氣缸的甲醇量相對增多，在進(jìn)氣和壓縮過程中吸取缸內(nèi)大量的熱量，從而使壓縮終了時缸內(nèi)溫度和壓力比燃用汽油時低，又甲醇著火溫度比汽油高200℃以上，因此最佳點(diǎn)火角增大。

圖3 最佳點(diǎn)火正時隨轉(zhuǎn)速的變化(節(jié)氣門全開)

由圖3可知甲醇機(jī)最佳點(diǎn)火角隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律與汽油機(jī)不一致。因此可適當(dāng)調(diào)整分電器離心點(diǎn)火調(diào)節(jié)裝置中的彈簧剛度，使其調(diào)整特性與M85甲醇機(jī)要求的最佳點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速變化的特性達(dá)到非線性一致。

圖4 點(diǎn)火特性比較(n=2000rmin)

圖2與圖4是不同節(jié)氣門開度時汽油機(jī)與甲醇機(jī)的點(diǎn)火特性比較。由圖可見，在不同節(jié)氣門開度時甲醇機(jī)的最佳點(diǎn)火角都較汽油機(jī)小2～4°CA，這與圖5反映一致。由圖5可見甲醇機(jī)最佳點(diǎn)火提前角隨負(fù)荷(節(jié)氣門開度)的變化規(guī)律與汽油機(jī)基本相同。

因此分電器真空調(diào)節(jié)裝置可不調(diào)整。由圖2、圖4還可看出甲醇機(jī)功率對點(diǎn)火角度的變化不敏感(曲線較平)，這也給調(diào)整帶來了方便。綜合以上分析，為保證甲醇發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速和大負(fù)荷下，燃料能夠充分燃燒，取得理想的性能。對分電器進(jìn)行如下調(diào)整：(1)真空調(diào)節(jié)裝置不調(diào)整；(2)適當(dāng)增大離心調(diào)節(jié)彈簧；(3)調(diào)節(jié)辛烷值調(diào)節(jié)盤使初始點(diǎn)火角較汽油機(jī)提前2～4°CA。

圖5 最佳點(diǎn)火正時隨節(jié)氣門開度的變化(n=2000rmin)

2.5 壓縮比的選擇

提高壓縮比可增加汽油機(jī)的熱效率，但壓縮比的提高受到發(fā)動機(jī)爆震的限制。由于甲醇燃料的辛烷值較汽油高，抗爆性好，因此汽油機(jī)燃用甲醇燃料時，可適當(dāng)增加壓縮比，以提高動力性、降低油耗、減少HC和CO等有害物質(zhì)的排放。

由于醇燃料是含氧燃料，熱值低，對混合氣產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。若不加大燃料供給量，不僅動力性下降，其他性能也會受影響。因此，應(yīng)當(dāng)對燃料供給系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化匹配。摻燒醇類后，由于醇類的辛烷值大大高于汽油，而且與汽油調(diào)合后的辛烷值更高。為了充分發(fā)揮醇類辛烷值高的優(yōu)點(diǎn)，可適當(dāng)?shù)靥岣甙l(fā)動機(jī)壓縮比。計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：ε為壓縮比；D為缸徑，mm；Ω為燃料的辛烷值

圖6 495Q汽油發(fā)動機(jī)在不同壓縮比下的總功率曲線

提高壓縮比之后，在壓縮過程后期氣缸內(nèi)的壓力和溫度都比原燃用汽油時要高，同時汽油摻燒醇類后，其火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俣榷技涌?，所以其最佳點(diǎn)火提前角比燃用汽油時的相應(yīng)值要小。如果利用這一特點(diǎn)采用高能點(diǎn)火，更能提高熱效率，改善發(fā)動機(jī)性能，尤其是在部分負(fù)荷或冷態(tài)下工作的情況。

圖6為495Q汽油發(fā)動機(jī)燃用M85甲醇汽油燃料時，在不同壓縮比下的總功率線。

試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著壓縮比的提高，功率和扭矩都有大幅度提高。最低燃油消耗率有更大幅度的降低，排放指標(biāo)明顯改善。最后優(yōu)選出495Q汽油機(jī)在燃用M85甲醇汽油燃料時，最佳壓縮比為9.9，再高則有爆震現(xiàn)象。

圖7為495Q汽油機(jī)燃用M85甲醇汽油燃料時，在ε=7.4和ε=9.9兩種情況下的總功率對比曲線。

圖7 495Q汽油機(jī)燃用M85甲醇汽油燃料ε=7.4和ε=9.9時的總功率曲線—ε=9.9 ---ε=7.4

試驗(yàn)結(jié)果表明：495Q發(fā)動機(jī)燃用M85甲醇汽油燃料時，壓縮比由ε=7.4提高到ε=9.9(提高33 %)；最大功率和最大扭矩分別提高17.32%和19.9%；燃油消耗率降低l8.25%；怠速污染物CO和HC排放都降低75%。

2 結(jié)論

（1）由于甲醇的汽化潛熱比汽油大，因此在燃燒甲醇汽油混合燃料時要加強(qiáng)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣預(yù)熱。

（2）加強(qiáng)進(jìn)氣預(yù)熱，增加輔助燃料啟動系統(tǒng)以及在燃料中加入一定的輕質(zhì)成分，以提高甲醇汽油的飽和蒸氣壓等方法都可以解決甲醇汽油發(fā)動機(jī)冷啟動問題。

（3）因?yàn)榧状嫉臒嶂当绕偷偷亩?，所以從理論上說燃燒甲醇時燃油消耗要比燃燒純汽油時多，因此對發(fā)動機(jī)的供油系統(tǒng)采取了加大噴油孔直徑的方法來解決此問題。

（4）為保證甲醇汽油發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速和大負(fù)荷下，燃料能夠充分燃燒，取得理想的性能。對分電器進(jìn)行如下調(diào)整：(1)真空調(diào)節(jié)裝置不調(diào)整；(2)適當(dāng)增大離心調(diào)節(jié)彈簧；(3)調(diào)節(jié)辛烷值調(diào)節(jié)盤使初始點(diǎn)火角較汽油機(jī)提前2～4°CA。

（5）由于甲醇燃料的辛烷值較汽油高，抗爆性好，因此燃用甲醇汽油混合燃料時，可適當(dāng)增加壓縮比，以提高動力性、降低油耗、減少HC和CO等有害物質(zhì)的排放。

[1] 竇林琪,張龍海.日本、德國甲醇及代用燃料發(fā)動機(jī)汽車情況. 山西能源與節(jié)能,2002,2∶8-9.

[2] 王賀武.M5甲醇汽油在EQ6100-1型汽油機(jī)上的應(yīng)用研究.汽車運(yùn)輸研究. 1996,15（1）.

[3] 曹明讓,孫利魏. 495Q甲醇(M85)發(fā)動機(jī)開發(fā)與研究. 兵工學(xué)報, 2000, 21（4）：368-342.

[4] 張峻霞,岳東鵬.495Q汽油機(jī)燃用M85時化油器的改進(jìn).太原理工大學(xué)學(xué)報. 2000,31（2）;207-209.

Effects of Methanol—Gasoline mixed fuel Blend on Engine Performance

Yan Hai, Liu Ting, Zhu Bingqiang

( Shaanxi Heavy Automobile co., LTD., Shaanxi Xi'an 710043 )

This paper describes the methanol alternative fuel development and application prospects for the status and the existence of the problem. Through the engine cold start, preheat gas, fuel supply system modification, ignition characteristics and compression ratio of research,the method to improve the performance of Engine Fueled with methanol gasoline mixed fuel is obtained.

Methanol; Engine; Engine ignition characteristics; Compression ratio

U467.2

A

1671-7988 (2017)13-140-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.049

閆海，就職于陜西重型汽車有限公司。