甲醇汽油發動機燃燒及其醇醛排放特性的研究*

姚春德，曾麗麗，耿 鵬，李旭聰，王姝荔

(天津大學，內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

前言

汽車保有量的增加和石油基燃料短缺使能源市場供需失衡。石油基燃料的日益消耗和環境法規的日趨嚴格使節能成為研究者們研究的熱點，探索一種可再生的、可持續發展的清潔代用燃料逐漸成為內燃機行業的研究重點［1］。目前，醇類燃料(主要為甲醇和乙醇)、壓縮天然氣、液化石油氣、二甲醚和生物柴油等替代燃料已成為研究熱點。甲醇含氧達50%，燃燒時無碳煙生成，且CO、HC常規排放物和PAH非常規排放物少，是一種原料來源廣泛的燃料。甲醇的生產技術成熟，產量大，是理想的石油替代燃料之一。甲醇在發動機上的應用已有較長的歷史，由于甲醇與汽油相溶，且密度相近，所以摻醇汽油在國內外都得到一定程度的應用。我國一些資源條件較好的地區，如山西等地，甲醇汽油的應用較為普遍。

甲醇具有和汽油相似的物理與化學性質，辛烷值比汽油高，有增加發動機壓縮比來提高熱效率的潛力。甲醇的汽化潛熱大，可以增加充量。國內外對于電控汽油機燃用低比例的甲醇汽油混合燃料的燃燒特性已有較多的研究［2－6］。但研究工作多集中于低比例摻醇，對中、高比例摻醇的研究不多。因此，本文中將針對摻醇比延伸至中等比例甚至以上的甲醇汽油，當其用做發動機燃料時，其缸內燃燒特點進行全面的分析，并且探究摻醇后燃料的醇醛排放和經濟性變化規律。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

試驗用發動機為一臺SQR477F 1.5L單頂置凸輪軸自然吸氣式歧管噴射汽油機，表1為其主要技術參數。圖1為汽油機試驗臺架布置示意圖，主要試驗設備包括:奕科WE32H型水渦流測功機，奕科FCM-03瞬態油耗測量儀，傅立葉變換紅外光譜分析儀(AVL SESAM FTIR)用于實時在線檢測未燃甲醇和甲醛排放。Kistler 6118BFD16Q01A41型火花塞缸壓傳感器用于測量缸壓信號。

表1 發動機參數

1.2 試驗方法

試驗所用汽油為93號汽油，甲醇純度為99.9%，表2列出常溫下其主要性能參數。本文中所用的3種不同比例甲醇汽油的性能如表3所示，為了能夠客觀了解甲醇與汽油混合后燃料的燃燒性能，研究過程中甲醇汽油不加任何添加劑，發動機不做任何改動。為避免甲醇汽油遇水分離的現象發生，甲醇汽油均為現場配置。試驗工況點采用國外推薦的轎車發動機城市道路工況和高速公路工況下的典型轉速2 000和3 600r/min，選取中小負荷和中高負荷(40和80N·m)作為分析負荷點。

表2 汽油和甲醇性質

表3 混合燃料的組成和性質

2 燃燒特性分析

2.1 燃燒壓力分析

圖2為兩種轉速下，兩種負荷時燃用3種燃料的缸壓隨曲軸轉角變化的對比圖。由圖可見，甲醇的比例越大，壓力曲線上升階段越提前，最大缸壓的值越大，其對應的曲軸轉角位置越靠前。即M50的峰值壓力最大，出現的時間最早。這是因為甲醇熱值低，發出相同轉矩所需要的燃料量增加，循環供油量增大。甲醇在進氣過程中，隨著空氣進入氣缸，甲醇汽化潛熱吸收熱量，使混合氣溫度降低，雖然低溫對著火滯燃期起負面影響，但是甲醇含碳原子數較少，分子量小(相對于汽油)，它的燃燒歷程比汽油燃燒簡單。甲醇的最小點火能量低于汽油［1］，著火界限寬于汽油，化學反應速度(燃燒速度)比含碳原子多的汽油快，幾乎是汽油的1.5倍，這時溫度對滯燃期的負面影響降到次要地位，因此摻燒甲醇后缸壓最大值比汽油的高。由于火焰傳播速度快，燃燒定容性較好，所以最大壓力對應的曲軸轉角位置比純汽油的提前。

2.2 放熱率和放熱量分析

以下選擇低速低負荷和高速高負荷工況進行放熱分析。圖3為瞬時放熱率和累計放熱量的對比圖。由圖可見，摻混甲醇后混合燃料的最大放熱率比純汽油的高，摻醇量越大，則放熱率曲線越提前，最大放熱率越大。因為甲醇燃燒速度和火焰傳播速度比汽油快，燃燒定容性較好，燃燒持續期短，過后燃燒程度小，加之醇類燃料在燃燒過程中的自供氧效應，使燃燒較為均勻，局部富氧和局部缺氧的幾率減小，燃燒趨于完善。雖甲醇的汽化潛熱大，但在進入氣缸之前沿途吸收歧管和汽缸壁周圍熱量蒸發汽化，且進氣和壓縮沖程的時間足夠長足以將汽化潛熱的影響降低。從以上分析也可得出，甲醇汽油混合燃料燃燒比較完善，可降低CO和HC的生成量，使其大部分都以CO2和H2O的形式排出。

2.3 示功圖和燃燒持續期分析

圖4為 2 000r/min、40N·m 和 3 600r/min、80N·m工況下的示功圖。由圖可見，混合燃料模式下由于最大爆發壓力比純汽油模式高且出現位置提前，接近上止點，定容放熱的比例加大，放熱集中。定量計算可得，2 000r/min時，M15和M50示功圖面積與M0相比分別增加了4.2%和4.8%，3 600r/min時分別增加了5.1%和1.9%，說明燃用甲醇汽油指示功大于純汽油模式。此外，甲醇的汽化熱約比汽油高3倍，它在進入進氣管、進氣道或氣缸后，能吸收沿途管道壁面和燃燒室周圍高溫零件壁面的熱量使自己蒸發。這就等于利用了部分廢熱、余熱使自己的能位上升，同時降低了氣缸、燃燒室和氣缸蓋的溫度，從而減少了對外傳熱量和散熱量，提高了效率。圖5為2 000和3 600r/min 3種燃料的燃燒持續期對比圖(90%燃燒放熱率對應的角度－10%燃燒放熱率對應的角度)。由圖可以看出，燃用混合燃料的燃燒持續期隨著摻醇比例的增加而降低，這說明燃用甲醇汽油后，由于混合燃料中含氧，且火焰傳播速度較快，燃燒速度快，故主燃期縮短。

2.4 循環變動分析

圖6為最大燃燒壓力循環變動率的對比。高轉速的循環變動率整體高于低轉速下的循環變動率，這是因為隨著轉速的增加，缸內渦流和湍流增強，導致火花塞間隙附近混合氣濃度擾動大，燃燒循環變動增加。循環變動隨著摻醇比例的增加而降低，是因為摻醇后燃油火焰傳播速度比汽油快，燃燒速度快，加之燃料的自供氧作用，主燃期短，放熱集中，因此摻醇燃料循環變動率降低。

3 甲醇和甲醛排放分析

在內燃機中燃用甲醇時，非常規排放主要為未燃甲醇和甲醛。圖7為甲醇排放的對比。由圖可見，催化前M0的甲醇排放較低，甲醇排放隨著摻醇比例的增加顯著增加，隨著轉速的增加而降低，表明甲醇排放幾乎全部來源于燃料中的甲醇。未燃甲醇通過缸內壁面淬熄、狹隙效應等生成，由于生成源中吸附的燃油量隨著轉速的升高而降低［10］，且由于負荷升高或轉速升高后缸內溫度和排溫隨之升高，缸內和排氣管中甲醇氧化加快，因此，高負荷和高轉速下甲醛排放降低，催化后未燃甲醇實現零排放。

甲醛排放如圖8所示。催化前，甲醛主要來源于兩個方面:一是來自碳氫的不完全氧化，二是來自未燃甲醇的不完全氧化。汽油摻燒甲醇后甲醛排放增加，且摻醇比例越大，甲醛排放越高。圖9為汽油和甲醇脫氫生成甲醛示意圖。甲醛是大部分含碳氫的燃料氧化路徑上最后幾個中間物質之一，圖中虛線表示多步反應，實線表示單步反應。汽油的反應路徑較甲醇復雜得多，反應流也較甲醇氧化分散。事實上，在反應路徑中，越靠近燃料和完全燃燒產物的中間物質其濃度越高［11］，甲醛為甲醇燃料的直接脫氫產物，相比于汽油，甲醛與燃料的關系更緊密，故甲醇比例越大甲醛排放越高，甲醇的加入對甲醛排放的升高有促進作用。當轉速一定時，隨著負荷的增加，甲醛排放先增加后降低?？赡苁羌状佳趸珊图兹┭趸膬煞N因素共同作用的結果。當負荷較低時，缸內溫度較低，甲醇不完全氧化生成甲醛的速率大于甲醛氧化消耗的速率，故甲醛排放逐漸升高;當負荷繼續升高，燃燒溫度逐漸增加，甲醇逐漸完全氧化，且甲醛氧化速度逐漸增加，所以甲醛排放呈下降趨勢。催化后，3種燃料的甲醛排放幾乎降為零，催化轉換率高。

4 經濟性分析

圖10為轉換成汽油熱值下的等效比油耗對比圖。由圖可以看出，油耗均隨著負荷的增加而降低，在中高負荷工況下，甲醇汽油的當量油耗比純汽油的低，其中3 600r/min工況下M50降幅最大，比純汽油降低了9%。而在低負荷條件下，殘余廢氣溫度和缸內溫度偏低，甲醇汽化潛熱比汽油大，使壓縮終點溫度更低，不足以完全燃燒，燃燒過程品質差，熱效率低，故甲醇汽油油耗比純汽油的高。

5 結論

(1)摻醇量越多，缸內最大燃燒壓力的值越大，其出現位置對應的曲軸轉角位置越靠前。

(2)甲醇汽油混合燃料的最大放熱率比純汽油的高，出現時間比汽油的早，放熱接近上止點，燃燒等容度大，燃燒效率高。摻醇汽油主燃期較純汽油縮短。燃用甲醇汽油之后發動機循環變動減小，發動機運轉更加平穩。

(3)摻醇比例越大，未燃甲醇和甲醛排放越高，催化后均可實現零排放。中高負荷下，甲醇汽油的等效油耗比純汽油的低，M50與純汽油相比最大降幅可達9%。

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