甲醇燃料汽車整車性能試驗研究

陳 龍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

2012年，工業和信息化部下發了工信部節〔2012〕42號“關于開展甲醇汽車試點工作的通知”，確定山西等3個省市為甲醇汽車的試點省份，積極穩妥開展甲醇汽車試點工作。2013年2月國務院下發國辦發〔2013〕12號《國務院辦公廳關于加強內燃機工業節能減排的意見》文件中明確提出：替代燃料內燃機產品研發。鼓勵替代燃料發動機與現有發動機制造體系兼容。開展汽油/甲醇雙燃料點燃式內燃機、柴油/甲醇雙燃料壓燃式內燃機的應用試點工作。到2015年，通過推廣應用甲醇燃料內燃機，實現替代商品燃油500萬t。

1 甲醇燃料及甲醇汽車概況

甲醇分子式為CH3OH，是一種無色、透明、易揮發的易燃液體，相對密度為0.792 g/ml。甲醇的辛烷值比汽油的高，馬達法辛烷值（MON）106，研究法辛烷值（RON）112，因此使用甲醇作為汽車燃料，無需提高辛烷值便符合使用要求；但甲醇的熱值為19.6 MJ/kg，汽油熱值為43.5 MJ/kg，故甲醇作燃料時，燃料消耗量較大。

車用甲醇燃料按甲醇在混合燃料中的比例區分，如 M15、M30、M85、M100 等。現階段使用的甲醇燃料主要是車用燃料甲醇、添加劑。例如M15是指15%的變性燃料甲醇（車用燃料甲醇和添加劑按一定比例調配而成）與85%的93號國標汽油按體積比調配而成。使用M15及以下的低比例甲醇燃料，車輛無需做任何改動。使用高比例的甲醇燃料，如M30、M85、M100，需要在車輛上加裝甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）。

對于裝有點燃式發動機的車輛要改裝成甲醇汽車，需要在噴油嘴和原車電腦之間安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”，把甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）串聯在整個系統中，起到改變噴油脈寬、調節噴油量的作用，這樣就能改變原車電腦控制單元（ECU）的控制參數，使汽油發動機能夠燃燒甲醇燃料。

2 試驗情況

在安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”的桑塔納轎車上分別使用93號國標汽油及M100甲醇燃料進行汽車整車動力性、燃料經濟性、環保性及道路可靠性試驗。

試驗車輛上安裝有“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”，該裝置設置有醇、汽轉換開關，當開關轉至汽油擋時，該裝置不工作，車輛屬于原車工作狀態，而轉入甲醇擋時，該裝置開始工作。試驗過程中，使用汽油燃料時，將開關轉至汽油擋；使用M100甲醇燃料時，將開關轉至M100甲醇擋。

2.1 臺架試驗

2.1.1 底盤輸出功率及扭力對比試驗結果

使用HPA-117型底盤測功機，按照GB/T18276—2000《動力性臺架試驗方法和評價指標》分別設定50～100 km/h 6個車速，測取試驗樣車在這6個車速下的底盤輸出功率及扭力。試驗表明：用M100甲醇燃料與93號汽油比較，扭力及底盤輸出功率均下降2.7%，見圖1、見圖2。

圖1 底盤輸出扭力曲線

圖2 底盤輸出功率曲線

2.1.2 最高擋40～80 km/h加速性能對比試驗結果（見表1）

表1 加速距離及時間試驗結果

2.1.3 等速燃料消耗量對比試驗（見圖3）

試驗樣車分別以 40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h 7 個車速在HPA-117型底盤測功機上行駛，使用DF313型油耗計分別測取車輛行駛500 m左右，使用的燃料量，再計算出百公里燃料消耗量。用M100甲醇燃料與93號汽油比較，在臺架等速燃料消耗量試驗中M100甲醇燃料百公里消耗量平均上升65.4%。

圖3 等速燃料消耗量曲線

2.1.4 汽車穩態工況法排氣污染物對比測試結果（見表2）

表2 排氣污染物試驗結果

2.2 道路試驗

2.2.1 最低穩定車速對比試驗結果（見表3）

表3 最低穩定車速試驗結果

2.2.2最高擋40～100 km/h加速性能對比試驗結果（見表4）

表4 加速距離及時間試驗結果

2.2.3 起步連續換擋0～100 km/h加速性能對比試驗結果（見表5）

表5 加速距離及時間試驗結果

2.2.4 最高車速對比試驗結果（見表6）

表6 最高車速試驗結果

2.2.5 爬陡坡對比試驗結果（見表7）

表7 爬坡度試驗結果

2.2.6 限定條件下的平均使用燃料消耗量對比試驗結果（見表8）

表8 燃料消耗量試驗結果

經對以上試驗項目數據的分析知：用M100甲醇燃料與93號汽油比較，其動力性略有下降。因為，甲醇的熱值不到汽油的一半，若汽車結構不做任何改變，甲醇燃料汽車的動力性就會下降。

用M100甲醇燃料與93號汽油比較，在臺架等速燃料消耗量試驗中M100甲醇燃料百公里消耗量平均上升65.4%；在限定條件道路試驗中M100甲醇燃料百公里消耗量上升68.5%。以上數據說明該甲醇汽車使用M100甲醇燃料與汽油的替代比為1.68∶1。目前，93號汽油的現價每升在7.1元左右，而甲醇燃料每升3.4元左右，M100甲醇燃料與汽油的替代比為1.68∶1，桑塔納轎車使用93號汽油的油耗約為8.0 L/100 km左右，行駛100 km的費用為56.8元，使用甲醇燃料時燃料消耗量為13.4 L/100 km，其行駛100 km的費用為45.6元。每百公里節省11.2元。

采用簡易穩態工況排氣污染物測試，用M100甲醇燃料與93號汽油比較，排氣污染物CO相當，HC平均下降23.3%，NO平均上升28.2%。

甲醇燃料在發動機內是否完全燃燒，是影響排放的關鍵，如果發動機空燃比不正確，發動機尾氣中不僅有甲醇、甲醛，而且CO、HC、NO也會超標，也伴隨著發動機燃耗高。針對該桑塔納轎車使用M100甲醇燃料時NO比使用汽油高的情況，我們對該車輛的“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”進行了調整，改變了其噴油脈寬，從而調整了該車輛的空燃比，再次試驗該車輛使用甲醇燃料時CO、HC、NO的排放量都有明顯下降。由此說明，“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”對燃料供應量的合理調整，是甲醇汽車各項性能好壞的關鍵。

2.2.7 道路可靠性試驗

除了對甲醇燃料汽車整車的動力性、燃料經濟性及環保性進行了各項試驗外，筆者對該試驗樣車行駛過程中各種故障進行了跟蹤調研，做了仔細記錄，發現其使用過程中最大的問題就是油泵容易損壞。對損壞的油泵進行了解體，發現油泵電極插片腐蝕嚴重，負極碳刷表面有大量金屬沉積物，油泵內部橡膠件有溶脹現象等，分析故障原因主要有兩點。

2.2.7.1 金屬零件的電化學腐蝕

甲醇是極性溶劑，通電后會對金屬零件產生嚴重的電化學腐蝕，在油泵運轉時，通電的電極插片，容易與甲醇發生電化學反應，從而腐蝕電極插片。油泵工作時，其碳刷負極極易吸附游離的金屬離子并使其沉積于碳刷表面，隨著沉積物的積累，碳刷和換向器之間接觸不良，導致電樞轉速急劇下降，甚至斷路，使油泵無法工作[1]。

為了避免上述電化學腐蝕的發生，減少燃料中金屬離子的含量，必須加強系統中金屬零件的防腐處理。負極碳刷沉積物中主要金屬離子成份是銅和鋅，所以防腐的重點在于減少整個油路系統中材料為銅和鋅的零件，或者避免出現裸露的銅和鋅。筆者認為應通過優化結構設計，使銅基體也完全密封在了換向器塑料基體中，從而使得插片和燃油完全隔離開來達到防腐的目的。

2.2.7.2 非金屬材料的溶脹

甲醇是一種有機溶劑，分子質量小，分子結構簡單，比汽油更易滲透到塑料、橡膠等非金屬零件中[1]，對油泵電樞疊片間用于絕緣的樹脂類材料，插片和支撐罩之間密封的膠水等，有溶漲和龜裂作用。所以需要改變油泵使用的非金屬材料或者優化設計以避免溶漲。

3 結語

由于甲醇燃料熱值低，使用大比例甲醇燃料時必須在噴油嘴和原車電腦之間安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”，來改變噴油脈寬，增加燃料供應量。如果甲醇ECU調節的燃料供應量過大，甲醇的動力性會較好，但燃料的替代比較高，影響甲醇燃料的經濟性；同時甲醇燃料在發動機內是否完全燃燒，也影響發動機的排放。所以影響甲醇燃料汽車性能的關鍵是“甲醇/汽油燃料靈活轉換裝置（甲醇ECU）”，如果甲醇燃料的供應量調到最佳狀態，甲醇燃料汽車的動力性、經濟性及環保性會有較佳表現，能滿足車輛使用要求。

另外，甲醇燃料汽車使用過程中最大的問題是汽油泵容易損壞，針對甲醇燃料對金屬零件的電化學腐蝕和非金屬材料的溶脹這兩大缺陷，油泵生產廠家應優化結構設計，避免電化學腐蝕的發生，同時盡量采取抗溶脹性較好的材料，來降低汽油泵的故障率。