烴類添加劑改善M100甲醇發動機冷起動的試驗研究

王燕鵬， 王忠， 張登攀， 居鈺生， 張永銘， 洪建海

(1. 江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063)

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烴類添加劑改善M100甲醇發動機冷起動的試驗研究

王燕鵬1， 王忠1， 張登攀1， 居鈺生2， 張永銘2， 洪建海2

(1. 江蘇大學汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063)

針對M100甲醇發動機在低溫環境下起動困難的問題，在M100甲醇中添加烴類添加劑，改善甲醇發動機的低溫起動性能。按體積比在M100甲醇中分別添加15%汽油、8.5%異戊烷、10%石油醚作為添加劑，采用試驗的方法測量了-20 ℃，-10 ℃，0 ℃三種環境溫度下，甲醇發動機的起動性能。結果表明：甲醇中添加15%的汽油、8.5%的異戊烷、10%的石油醚， -20 ℃時M100甲醇發動機可以正常起動，起動時間小于3.5 s，在-10 ℃時起動時間小于2.5 s，在0 ℃時起動時間小于1.5 s；環境溫度為-10 ℃時，增大首循環噴射脈寬有利于縮短起動時間，首循環噴射脈寬從110 ms增大到130 ms，添加上述比例添加劑后，M100甲醇發動機的起動時間分別縮短0.2 s，0.2 s，0.05 s。

甲醇； 冷起動； 燃料添加劑

甲醇是一種可再生、可持續發展的發動機替代燃料，具有原料來源豐富、生產工藝成熟、儲運安全等優點，有良好的應用前景。甲醇分子含氧量高達50%，可以實現無煙燃燒，且H/C比高，有利于降低碳排放[1-3]。2014年，工信部將甲醇汽車的試點由 “兩省一市”擴大為“四省一市”，推廣甲醇汽車的應用。

甲醇是單一沸點成分物質，飽和蒸氣壓低，在北方冬季，較低的環境溫度下，甲醇的蒸發量不足，壓縮終了時甲醇-空氣混合氣無法達到著火的最低限值，發動機不能起動。宮長明等人研究了環境溫度對電噴甲醇發動機首循環起動著火性能的影響，當環境溫度低于16 ℃時，很難實現“即噴即著”的起動[4]。對于M100甲醇發動機，常采用輔助措施改善燃料的蒸發和霧化，改善發動機的低溫起動性能。這些措施主要有：向甲醇中加入易揮發的組分，如異戊烷、石油醚、汽油等以提高燃料的蒸氣壓；使甲醇在催化劑的作用下高溫裂解成CO和H2[5]；設計加熱系統，增加甲醇的蒸發量。宮長明等在一臺單缸四行程汽油機上利用兩套獨立的電噴系統分別噴射甲醇和LPG，研究了不同噴射量、噴射正時對甲醇發動機冷起動性能的影響，結果表明，摻燒LPG可以使甲醇發動機在-13 ℃以上環境溫度下可靠燃燒[6]。朱建軍等人設計了包括甲醇蒸發器和控制系統的甲醇蒸發冷起動系統，使純甲醇發動機在0 ℃時成功起動[7]。

本研究采用在甲醇中加入易揮發烴類的措施，選擇汽油、異戊烷、石油醚作為添加劑，按體積比分別在甲醇中添加15%汽油、8.5%異戊烷、10%石油醚，在低溫起動試驗室進行了甲醇發動機的冷起動試驗，考察了不同添加劑對甲醇發動機冷起動性能的影響。

1 影響甲醇發動機冷起動的因素

1.1 汽化潛熱

甲醇是一種強極性物質，分子間通過氫鍵結合，在汽化時需要吸收較多的熱量才能打破這種締合作用，因此，甲醇具有較高的汽化潛熱，約為汽油汽化潛熱的3倍。若從發動機應用的角度出發，應考慮燃料-空氣形成單位質量混合氣所需的熱量，甲醇和汽油在各自化學計量空燃比下與空氣形成混合氣所吸收的熱量如下：

(1)

式中：Q汽為汽油-空氣混合氣吸收的熱量；q汽為汽油的汽化潛熱；l汽為汽油的化學計量空燃比。

(2)

式中：Q甲為甲醇-空氣混合氣吸收的熱量；q甲為甲醇的汽化潛熱；l甲為甲醇的化學計量空燃比。

可以看出，甲醇、汽油分別與空氣形成單位質量的化學計量空燃比混合氣時，甲醇-空氣吸收的熱量為汽油-空氣的7倍多，因此，甲醇在蒸發過程中需吸收更多的熱量。

燃料的蒸發會降低混合氣的溫度，假定蒸發過程絕熱，燃料在液態和氣態時有相同的比定壓熱容，燃料與空氣溫度相同，利用燃料平衡方程可求得燃料蒸發引起的降溫Δt：

(3)

式中：x為已蒸發燃料量的百分數；γ為燃料的汽化潛熱；cpa，cpt分別為空氣及燃料的比定壓熱容，cpa=1 kJ/(kg·K)；λ為過量空氣系數；L0為燃料的理論空燃比。15 ℃時，汽油、甲醇的比熱容分別為2.1 kJ/(kg·K)，2.51 kJ/(kg·K)。

汽油、甲醇分別與空氣混合形成理論空燃比混合氣，汽油-空氣混合氣的溫度下降約20 ℃，甲醇-空氣混合氣的溫度下降約122 ℃，甲醇在蒸發過程中對混合氣的降溫作用更為顯著，較低溫度的混合氣難以被點燃。

1.2 飽和蒸氣壓

燃油蒸氣的濃度在著火界限范圍內才能著火，著火界限通常用空氣中可燃氣的體積分數或摩爾分數表示，甲醇的最低著火界限為0.06，最高著火界限為0.36。20 ℃時甲醇的飽和蒸氣壓為12.8 kPa，0 ℃時甲醇的飽和蒸氣壓僅為3.9 kPa，飽和蒸氣壓的下降抑制了甲醇的蒸發，使得進入缸內的混合氣中甲醇蒸氣量減少；缸內較低的溫度、壓力也不利于進入氣缸的甲醇液滴的蒸發，因此，環境溫度越低，冷起動時缸內混合氣中甲醇蒸氣的濃度越低，若點火時燃燒室中甲醇蒸氣的體積分數低于著火極限，燃燒也無法正常進行。

1.3 引燃溫度

甲醇的閃點和引燃溫度分別為11 ℃和385 ℃，點火時刻缸內混合氣的溫度高于燃料的閃點才有著火的可能。在不同的環境溫度下，僅依靠活塞壓縮工質產生的熱量能使氣缸內的工質溫度上升15～20 ℃，甲醇蒸發對混合氣的降溫作用遠大于壓縮對混合氣的加熱作用，又由于甲醇的閃點較高，在較低的環境溫度下，如果壓縮終點混合氣的溫度低于甲醇的閃點，燃燒就不能正常進行，發動機很難成功起動。

2 試驗設備與方案

試驗在一臺由直列4缸、4氣門電噴汽油機改裝成的甲醇發動機上進行，發動機的主要技術參數見表1。試驗主要儀器有EATS ES630空燃比儀、TeKtronix DPO4034示波器和A622電流探頭。為了排除蓄電池對試驗結果的影響，選用12 V穩壓電源為起動電機供能。全部試驗在低溫起動試驗室完成，制冷機組的型號為DJ14.3/85，環境溫度的控制誤差為±1 ℃。

表1 甲醇發動機參數

試驗選擇了3種添加劑：汽油、異戊烷、石油醚。異戊烷又稱2-甲基丁烷，是一種無色透明易揮發液體，極度易燃。石油醚是一種無色透明液體，為輕質石油產品，主要為戊烷和己烷的混合物，據沸程的不同可以分為不同的規格。各種物質的主要理化性質見表2。按體積比分別在甲醇中加入15%的汽油、8.5%的異戊烷、10%的石油醚，分別記為A1，A2，A3。試驗時，通過制冷機組降低環境溫度，選擇的試驗溫度分別為-20 ℃，-10 ℃，0 ℃，當冷卻液溫度、進氣溫度與環境溫度一致時，進行冷起動試驗。各溫度下甲醇發動機燃用每種燃料均進行3次冷起動試驗，用示波器分別記錄瞬時轉速、點火及爆震信號，用空燃比儀測量排氣氧濃度；在-10 ℃時調整首循環噴射脈寬分別為110 ms，120 ms，130 ms，記錄發動機的瞬時轉速。

表2 燃料的理化性質

3 試驗結果分析

3.1 添加劑對起動時間的影響

各環境溫度下，甲醇發動機燃用A1，A2，A3分別進行3次冷起動試驗，發動機均能成功起動，成功率很高。本研究均選擇第一次試驗的試驗結果作為分析依據。不同環境溫度下，甲醇發動機分別燃用A1，A2，A3成功起動所需的時間見圖1。可以看出，加入添加劑后，甲醇發動機在低溫環境下的起動得到了改善，在-20 ℃時均可以成功起動。隨環境溫度降低，發動機成功起動所需的時間增加，且溫度越低，起動時間增幅越大，環境溫度為0 ℃，甲醇發動機燃用A1，A2，A3所需的起動時間分別為1.3 s，1.2 s，0.9 s，當溫度降低到-20 ℃，相應的起動時間分別增加到3.4 s，2.8 s，2.2 s。甲醇發動機燃用A3在各環境溫度下的起動時間均最短，即添加石油醚對M100甲醇發動機在低溫環境下的起動性能改善效果最好。

燃料蒸發性能的評價指標是餾程和蒸氣壓，餾程中的10%餾出溫度代表了燃料輕質成分的多少，對發動機的冷起動性能有重要影響。汽油、異戊烷、石油醚中含有輕質烴類，與甲醇混合后燃料的10%餾出溫度比M100低得多，改善了燃料的蒸發性能；烴類為非極性物質，分子間靠色散力相互作用，甲醇是極性物質，分子間的氫鍵決定其理化性質，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[8]，也利于提高燃料的蒸發性能；更多的燃料蒸發并與空氣混合進入氣缸，達到了著火界限，更易于著火。因此，在甲醇中添加汽油、異戊烷、石油醚有助于改善甲醇發動機低溫環境下的起動性能。

3.2 添加劑對起動瞬時轉速的影響

環境溫度分別為0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，甲醇發動機分別燃用A1，A2，A3在冷起動階段的瞬時轉速變化見圖2。

從圖2可以看出，環境溫度越低，甲醇發動機成功起動前所經歷的拖動時間越長。環境溫度為0 ℃和-10 ℃時，發動機拖動轉速在200～400 r/min范圍內波動；環境溫度為-20 ℃時，發動機的轉速波動呈增大趨勢。在成功起動前，瞬時轉速曲線中都存在瞬時轉速突然升高然后又立刻下降的峰狀曲線，且溫度越低，峰狀曲線出現的次數越多。這是由于缸內部分區域發生了著火，電機拖動發動機運轉時，被壓縮的混合氣溫度升高，部分熱量傳遞給缸壁及活塞，缸內溫度逐漸上升，燃料的蒸發量也逐漸增加，缸內混合氣的濃度達到著火界限，具備了著火的條件，火花塞跳火后，混合氣被點燃，發動機轉速升高；由于此時缸壁溫度較低，甲醇的汽化潛熱大，初期缸內的著火現象只能在燃燒室局部區域間斷發生，這種間斷性的著火使得缸內溫度和混合氣中燃料的體積分數不斷增加，增加到某一程度后，火花塞跳火產生的火焰能迅速傳遍整個燃燒室，缸內的燃燒能可靠地進行，發動機順利起動[9]。

3.3 首循環噴射量的影響

發動機起動時轉速低，波動較大，測得的進氣壓力誤差較大，因此，當ECU判斷發動機處于起動工況時，會根據冷卻液溫度查出相應的噴射脈寬，然后根據蓄電池電壓和進氣溫度進行修正，得到起動時的噴射脈寬。電噴發動機在起動的最初1～2個循環會噴射數倍于實際所需燃油量的燃油，以使發動機能夠盡快點火。圖3示出了原始脈譜中首循環噴射量隨冷卻液溫度的變化趨勢。當冷卻液溫度低于15 ℃時，首循環噴射脈寬快速上升；-20 ℃時的噴射脈寬約為20 ℃時噴射脈寬的15倍。由此可見，首循環噴射量影響油膜平衡的建立及起動階段空燃比的控制。

環境溫度為-10 ℃，改變首循環噴射脈寬，甲醇發動機分別燃用A1，A2，A3的起動時間見圖4。

可以看出，隨首循環噴射脈寬的增加，起動時間呈下降趨勢。首循環噴射脈寬從110 ms增大到130 ms，燃用A1，A2，A3的起動時間分別從1.9，1.7，1.3 s降為1.7，1.5，1.25 s，分別縮

短0.2，0.2，0.05 s。增大首循環噴射脈寬，進入氣道的燃料增加，燃料中的汽油、異戊烷、石油醚的蒸發性能較好，先于甲醇蒸發，使得更多的烴類與空氣混合，形成的混合氣當量比增加，缸內點火成功的可能性增大，因此，增大噴射脈寬有利于降低起動時間。

4 結論

a) 在甲醇中加入汽油、異戊烷、石油醚可以改善甲醇發動機的冷起動性能，使用添加劑后甲醇發動機在-20 ℃起動時間小于3.5 s，在-10 ℃時的起動溫度小于2.5 s，在0 ℃時的起動時間小于1.5 s;

b) 增大首循環噴射脈寬可以縮短甲醇發動機在低溫環境下的起動時間，環境溫度為-10 ℃，甲醇發動機燃用分別添加汽油、異戊烷、石油醚的甲醇燃料，當首循環噴射脈寬從110 ms增大到130 ms時，起動時間分別縮短了0.2，0.2，0.05 s。

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[6] 宮長明，李朝暉，屈翔，等.點燃式甲醇發動機冷起動臨界著火邊界[J/OL].吉林大學學報，http://www.cnki.net/kcms/detail/22.1341.T.20150901.1114.002.html.

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[9] 崔心存.醇燃料與靈活燃料汽車[M].北京：化學工業出版社，2010.Experimental Investigation on Improving Cold Start of M100 Methanol Engine with Hydrocarbon Addition

[編輯： 姜曉博]

WANG Yanpeng1， WANG Zhong1, ZHANG Dengpan1， JU Yusheng2，ZHANG Yongming2， HONG Jianhai2

(1. School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute， Wuxi 214063， China)

For the difficult start problems of M100 methanol engine at low temperature, methanol was mixed with hydrocarbon additive. With the prepared methanol blended fuel mixed with 15% gasoline, 8.5% isopentane and 10% petroleum ether, the cold start performance of methanol engine at -20 ℃，-10 ℃，0 ℃ was studied respectively. The results show that methanol engine fueled with blended fuel can start within 3.5 s, 2.5 s and 1.5 s in turn at three different temperatures. At -10 ℃, increased initial injection width is helpful to accelerate the start process and the start time can shorten by 0.2 s, 0.2 s and 0.05 s respectively when the initial injection width increases from 110 ms to 130 ms.

methanol; cold start; fuel additive

2015-10-26；

2015-11-15

江蘇省高校自然科學基金(08KJA470001)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(CXZZ13-0672，KYLX-1035)；2011年江蘇高校優勢學科建設工程(蘇政發辦[2011]6號)

王燕鵬(1990—)，男，碩士，主要研究方向為代用燃料的應用與研究；wypujs@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.015

U473.5

B

1001-2222(2016)03-0079-04