烴類添加劑對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能影響研究

王 鑫，程浩楠，朱啟興

(1. 西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2. 西安航空學(xué)院 汽車檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710077)

甲醇是一種煤炭加工過(guò)程的產(chǎn)物，由于其具有含氧比例高，辛烷值高，汽化潛熱高，燃燒高效，排放污染低等特點(diǎn)，可作為一種有效的車用清潔燃料[1]. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2019年汽車保有量將達(dá)到2.6億輛，伴隨我國(guó)汽車保有量的不斷增加，隨之而來(lái)的是大氣污染、資源短缺等問題. 甲醇作為車用替代燃料，具有安全穩(wěn)定、燃燒效率高、排放污染少等特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛認(rèn)可，特別是相比傳統(tǒng)汽油具有較高的燃燒效率，使得CO，HC排放大幅度降低，產(chǎn)生的PM2.5排放也比同排量傳統(tǒng)汽油車要低80%. 同時(shí)，甲醇作為車用替代燃料，可以緩解我國(guó)石油資源緊張狀況. 甲醇作為車用替代燃料對(duì)實(shí)施石油替代戰(zhàn)略、保障我國(guó)能源安全具有戰(zhàn)略意義. 2019年3月，中國(guó)8部委聯(lián)合發(fā)布 《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》(工信部聯(lián)節(jié) 〔2019〕61 號(hào))，這對(duì)中國(guó)甲醇燃料與甲醇汽車來(lái)說(shuō)，是發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑，具有十分重要的意義[2].

然而對(duì)于使用M100的甲醇汽車，由于純甲醇燃料的汽化潛熱大，蒸發(fā)時(shí)吸收的熱量多，導(dǎo)致在起動(dòng)時(shí)，M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及氣缸的溫度急劇下降，特別是在低溫時(shí)，噴射的大量甲醇燃料無(wú)法霧化而吸附在進(jìn)氣管上，導(dǎo)致混合氣過(guò)稀，無(wú)法起動(dòng)[3]. 因此，在面對(duì)冷起動(dòng)問題時(shí)，M100甲醇汽車發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用汽油或輔助添加劑輔助起動(dòng)方式，本文根據(jù)目前常用的幾種甲醇烴類添加劑作為研究對(duì)象，通過(guò)在不同環(huán)境溫度下，分析烴類添加劑的成分及加注量對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響.

1 M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能影響因素

1.1 甲醇的汽化潛熱影響

甲醇的沸點(diǎn)為64.7 ℃，具有較高的汽化潛熱，約為汽油汽化潛熱的3倍. 由于甲醇的汽化潛熱大，在形成甲醇蒸汽過(guò)程中吸收的熱量多，導(dǎo)致甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道及氣缸的溫度急劇下降，新鮮充量中甲醇的蒸發(fā)條件惡化[4]. 假設(shè)燃料蒸發(fā)吸收的熱量來(lái)自與之混合的空氣，甲醇混合氣的溫度下降可由式(1)表示

Δt=q/(α×cp)，

(1)

式中：q為燃料蒸發(fā)潛熱；α為燃料理論空燃比；cp為常溫常壓下空氣的定壓比熱容，一般cp=1.004 kJ(kg/K). 而根據(jù)甲醇的燃料蒸發(fā)潛熱值和理論空燃比可知，在理論情況下要使混合氣燃料完全蒸發(fā)，M100甲醇燃料混合氣溫度將下降171.3 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油的20.1 K[5]. 因此，當(dāng)甲醇與空氣混合后，混合氣溫度的下降，使甲醇的蒸發(fā)更加困難[5]. 若給M100甲醇燃料添加一定比例的烴類添加劑，可有效降低M100甲醇燃料在冷起動(dòng)時(shí)汽化潛熱所吸收的能量，改善起動(dòng)性能.

1.2 甲醇的飽和蒸汽壓影響

飽和蒸汽壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能有重要的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料飽和蒸汽壓越大，其燃料揮發(fā)性越高. 而M100甲醇燃料隨溫度不斷降低其飽和蒸汽壓遠(yuǎn)低于汽油燃料，在20 ℃時(shí)M100甲醇燃料的飽和蒸氣壓為12.8 kPa，0 ℃時(shí)M100甲醇燃料的飽和蒸氣壓僅為3.9 kPa，飽和蒸氣壓的下降抑制了甲醇的蒸發(fā)，使得進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣中甲醇燃料蒸汽量減少[6]. 具實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，M100甲醇燃料在0 ℃時(shí)的蒸發(fā)量不足20 ℃時(shí)的1/6. 因此，在環(huán)境溫度較低的情況下，造成起動(dòng)困難的主要因素是甲醇燃料的蒸發(fā)量不夠，從而導(dǎo)致混合氣濃度達(dá)不到著火的下限[7].

1.3 冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴醇脈寬的影響

在低溫環(huán)境下，可以通過(guò)增加甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)循環(huán)噴醇量提升發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能，但環(huán)境溫度16 ℃是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)自身起動(dòng)著火的最低溫度. 當(dāng)環(huán)境溫度低于16 ℃時(shí)，即使改變甲醇循環(huán)噴射量和優(yōu)化甲醇噴油正時(shí)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)著火. 根據(jù)王放[8]的試驗(yàn)研究表明，在環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在借助外界助燃條件下，隨發(fā)動(dòng)機(jī)噴醇脈寬的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)達(dá)到成功起動(dòng)條件的循環(huán)數(shù)逐漸減少. 因此，對(duì)于M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)，在有一定的預(yù)熱裝置或起動(dòng)添加劑的輔助下，通過(guò)適當(dāng)增加噴醇脈寬，可以有效提升氣缸混合氣濃度，實(shí)現(xiàn)低溫起動(dòng).

1.4 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)引燃溫度的影響

甲醇的閃點(diǎn)和引燃溫度分別為11 ℃ 和385 ℃，在低溫環(huán)境溫度下，甲醇因蒸發(fā)吸熱帶來(lái)的降溫作用遠(yuǎn)大于活塞壓縮工質(zhì)產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻氣缸環(huán)境溫度低于甲醇的閃點(diǎn)溫度，難以實(shí)現(xiàn)正常點(diǎn)火，致使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難[6]. 因此，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的情況下，通過(guò)使用烴類添加劑，降低M100甲醇燃料閃點(diǎn)和引燃溫度，并同時(shí)增加發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火能量，可有效提升低溫下M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能.

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

2.1 M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備

選用吉利JLC-4M18型1.8L甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷起動(dòng)試驗(yàn)，其主要參數(shù)如表 1 所示. 為研究在使用烴類添加劑后M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，試驗(yàn)使用的主要儀器包括湘儀CAC160型電力測(cè)功機(jī)； EATS公司ES630型空燃比測(cè)試儀，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)中起動(dòng)時(shí)間，起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，冷起動(dòng)噴油脈寬及空燃比(A/F)參數(shù). 為保障M100甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能試驗(yàn)溫度恒定，全部試驗(yàn)在低溫實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行，試驗(yàn)艙可實(shí)現(xiàn)本次試驗(yàn)所需的-20 ℃～0 ℃環(huán)境溫度，溫度的控制誤差為±1 ℃，滿足甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)對(duì)外界環(huán)境溫度的模擬需求.

表 1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Engine performance parameters

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用3種添加劑分別計(jì)為A，B，C，其3種添加劑主要成分及體積百分比如表 2 所示.

表 2 添加劑類型及成分Tab.2 Type and composition of additives

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)制冷機(jī)組降低環(huán)境溫度，選擇的試驗(yàn)溫度分別為0 ℃，-10 ℃和-20 ℃，根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境溫度不同，為試驗(yàn)M100甲醇燃料在添加不同比例添加劑的冷起動(dòng)效果，可設(shè)加注添加劑的加注比例(體積百分比)分別為10%，12%和15%. 為保證每次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，減少前一次試驗(yàn)的影響，要求每次試驗(yàn)冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度與環(huán)境溫度一致時(shí)，才能進(jìn)行冷起動(dòng)試驗(yàn).

在試驗(yàn)過(guò)程中，要求在每個(gè)測(cè)試環(huán)境溫度下對(duì)添加不同類型添加劑的M100甲醇燃料均進(jìn)行3次冷起動(dòng). 若冷起動(dòng)失敗，可根據(jù)要求增加添加劑加注比例，直到冷起動(dòng)成功或到達(dá)試驗(yàn)規(guī)定最大加注比例時(shí)停止. 在試驗(yàn)測(cè)試中，通過(guò)測(cè)功臺(tái)上位機(jī)記錄不同試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、噴醇量(噴油脈寬)、起動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)次數(shù)等參數(shù).

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不加注添加劑時(shí)，使用M100甲醇燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，起動(dòng)3次均不能正常起動(dòng)； 在分別添加A，B，C型甲醇冷起動(dòng)添加劑后，當(dāng)添加劑的加注比例為10% (體積百分比)時(shí)，均可在0 ℃的環(huán)境溫度下順利實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)； 在環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，A型添加劑需將加注比例增加到15%(體積百分比)，可順利一次性起動(dòng)，而B，C類添加劑只需將加注比例增加到12%(體積百分比)時(shí)，便可成功起動(dòng). 當(dāng)環(huán)境溫度下降至-20 ℃時(shí)，使用A，B兩型添加劑將加注比例調(diào)整為15%(體積百分比)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)均不能正常起動(dòng)，而C型添加劑在加注比例調(diào)整為15%(體積百分比)后，需配合增加噴油脈寬，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)，其結(jié)果參數(shù)如表 3 所示.

表 3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架冷起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Engine bench cold start test results

3.2 添加劑對(duì)起動(dòng)的影響分析

3.2.1 添加劑對(duì)起動(dòng)時(shí)間的影響

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，對(duì)同類添加劑在不同環(huán)境溫度時(shí)冷起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，受環(huán)境溫度降低的影響，雖然可通過(guò)增加添加劑加注比例改善M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能，但冷起動(dòng)成功所需的時(shí)間也會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而增加，如表 3 所示，對(duì)于添加C型添加劑的M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境溫度為0 ℃，-10 ℃ 和-20 ℃時(shí)所需的起動(dòng)時(shí)間分別為0.9 s，2.1 s和3.4 s. 對(duì)不同類型添加劑在相同溫度時(shí)冷起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，添加劑中含C4～C8烴類成分比例較高的C型添加劑冷起動(dòng)時(shí)間比使用A型和B型添加劑所需的冷起動(dòng)時(shí)間要少. 特別是在環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，在使用A型和B型添加劑將加注比例提升至5%(體積百分比)，并且噴油脈寬調(diào)整至130 ms時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)依舊無(wú)法正常起動(dòng)，而使用C型添加劑在相同條件下可以正常起動(dòng)，且起動(dòng)時(shí)間小于5 s.

通過(guò)上述對(duì)比分析，在各環(huán)境溫度下，C型添加劑對(duì)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的起動(dòng)性能改善效果最好. 其主要原因是C型添加劑中含有輕質(zhì)烴類成分相對(duì)較多，而該類成分比M100甲醇燃料的10%餾出溫度要低得多，因此，改善了混合燃料的冷起動(dòng)蒸發(fā)性. 同時(shí)，烴類燃料為非極性物質(zhì)，分子間靠色散力相互作用，甲醇是極性物質(zhì)，分子間的氫鍵決定其理化性質(zhì)，甲醇與烴類混合后，分子間的作用力被打破，甲醇還能與烴類形成共沸混合物，也利于提高燃料的蒸發(fā)性能，改善低溫時(shí)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能[9].

3.2.2 添加劑對(duì)起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的影響

起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功的重要參數(shù)指標(biāo)，圖 1～圖 3 是在環(huán)境溫度為0 ℃，-10 ℃和-20 ℃時(shí)，使用A，B，C型甲醇冷起動(dòng)添加劑后，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化情況. 從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度降低，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)拖動(dòng)時(shí)間逐漸延長(zhǎng). 在環(huán)境溫度為0 ℃和-10 ℃時(shí)，使用上述3型添加劑后，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)基本都能夠在2 s內(nèi)完成冷起動(dòng)，在冷起動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定，基本在200 r/min～400 r/min范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)燃料被點(diǎn)燃后，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速能夠迅速上升至800 r/min以上，表明冷起動(dòng)成功. 當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，由于受環(huán)境溫度影響，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變差，峰狀曲線出現(xiàn)的次數(shù)增多. 這是由于受甲醇的汽化潛熱理化性能的影響，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)過(guò)程中燃燒室部分區(qū)域發(fā)生了著火，缸內(nèi)溫度與壓力逐步上升，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有爆發(fā)性的增加，但由于在起動(dòng)時(shí)氣缸壁溫度較低，受甲醇燃料汽化潛熱的影響，燃燒室局部出現(xiàn)低溫環(huán)境，從而出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ラg斷的現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)難以起動(dòng)[10]. 由于C型添加劑的烴類燃料比例較A型和B型高，受烴類燃料揮發(fā)性高的特點(diǎn)，通過(guò)增加首循環(huán)噴射脈寬，加大燃燒室中烴類燃料的數(shù)量，使烴類燃料先于甲醇蒸發(fā)與空氣混合，增加火花塞跳火后混合氣被點(diǎn)燃的概率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng).

圖 1 使用A型冷起動(dòng)添加劑測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速Fig.1 Engine instantaneous speed measured with type A cold start additive

圖 2 使用B型冷起動(dòng)添加劑測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速Fig. 2 Engine instantaneous speed measured with type B cold start additive

圖 3 使用C型冷起動(dòng)添加劑測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速Fig.3 Engine instantaneous speed measured with type C cold start additive

4 結(jié) 論

1) M100甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)若未采用任何輔助起動(dòng)措施，則難以在環(huán)境溫度低于16 ℃下實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)，通過(guò)添加烴類添加劑后可有效改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，使用烴類添加劑后甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為-20 ℃下冷起動(dòng).

2) 烴類添加劑C4～C8烴成分比例對(duì)M100甲醇燃料冷起動(dòng)有重要影響，當(dāng)烴類添加劑采用C4～C8烴的比例達(dá)到90%時(shí)，通過(guò)配合增加噴醇脈寬的方法，可有效提升M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在-20 ℃低溫環(huán)境下的冷起動(dòng)成功效率.