燃用甲醇汽油混合燃料對發動機性能的影響

閆海，劉婷，朱兵強

（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動機性能的影響

閆海，劉婷，朱兵強

（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展現狀與應用前景，以及存在的問題。通過對發動機的冷啟動、進氣預熱、燃油供給系的改造、點火特性和壓縮比進行了研究，得出了燃用甲醇汽油混合燃料對發動機性能提升的方法。

甲醇；發動機；點火特性；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的無色透明液體，具有與現實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，其生產原料非常廣泛，產品的運輸、儲存、分裝加注和使用，與目前市場上所供應的內燃機用汽油和柴油燃料特點極為相似。同時，甲醇還可作為燃料電池的重要原料[1]。在目前的開發應用中，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轉化方法和電化學轉化方法達到能量轉化的目的。化學轉化主要是將甲醇轉化為甲基叔丁基醚和二甲醚等。電化學轉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，氫通過質子膜到陰極與氧氣反應并同時產生電流。間接燃料電池是先將甲醇進行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質子膜電解槽反應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動機的部分改進

1.1 進氣預熱的措施及進氣歧管的改造

1.1.1 加強進氣預熱的措施

當液體蒸發時，不僅分子的內能增加，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，在發動機輸出同樣功率時，根據等熱值要求，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于燃用汽油時的9倍。因此在甲醇形成混合氣時必須進行足夠的預熱，否則將會嚴重影響汽霧的形成，從而影響燃燒。預熱措施：

①廢氣預熱，利用排氣的余熱對進氣進行預加熱。減小進排氣管的厚度。

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

③利用冷卻循環水加熱，冷卻熱水管經進氣歧管，利用排水中的熱量來加熱進氣。

1.1.2 進氣歧管的改造及溫度控制

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

圖1 進氣總管溫度對比(n=2000rmin)

1.2 冷起動

在冷起動及怠速暖機時期，因為催化劑溫度不夠高，三效催化轉換器不能起燃，仍然會向大氣中排出大量的有害排放物。研究表明，一個FTP測試循環中，整個測試循環HC排放總量的70%～80%是在冷起動后的40～140S(0～40S不測量)產生的。歐洲已經執行的歐Ⅳ汽油轎車排放標準，不但進一步提高了標準，而且也改進了測量方法，新的NEDC (New European Driving Cycle)測試循環取消了0-40S非測量時期，即起動的同時開始排氣采樣，而且冷機起動的環境溫度也由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性好壞的重要指標。甲醇發動機低的飽和蒸氣壓和高的汽化潛熱將會導致燃料汽化不良，使發動機起動困難。為了解決甲醇燃料發動機冷車起動困難的問題，往往采取以下幾種辦法：

①進氣預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動機配置一個輔助燃料系統，在冷車起動時，由輔助燃料系統供給一種專用的輕質起動燃料，待發動機預熱后，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成分，以提高甲醇汽油的飽和蒸氣壓。

1.3 燃油供給系統的改進

1.3.1 甲醇汽油對供給系統的影響

因為甲醇的熱值比汽油低的多，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，因此對甲醇發動機的供油系統采取了以下改進措施：加大噴油孔直徑。

增加化油器中主量孔的直徑。根據簡單化油器原理[4]。

Gb——量孔的燃料流量（kg/s），ub——燃料流經量孔時的流量系數

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 燃料供給量的計算

為了保證495M85混合燃料發動機的功率、轉矩與原汽油機相同，要求供油系統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混合燃料的計算如下：

①M85混合燃料的低熱值計算：

②保持發動機動力時，M85燃料供給量與燃用純汽油供給量的關系：

即發動機動力性相同時，要求燃料的供給量是原汽油供給量的1.868倍。

③M85混合燃料密度的計算

考慮到甲醇粘度比汽油大以及燃料在流動過程中產生流動阻力的影響，經過實驗將其標定為：d1M85=1.75mm.

⑤副腔主量孔的選擇

同理，將其標定為：d2M85=2.7mm

1.4 點火特性及點火提前角

點火特性試驗及調整點火提前角：圖2、圖3是不同轉速時汽油機和甲醇(M85)機的點火特性比較。由圖可見，轉速小于2300r/min時，甲醇機點火提角最佳值較汽油機小2～4°CA。

圖2 點火特性比較(節氣門全開)

當轉速大于2500r/min時，甲醇機較汽油機最佳點火角略大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，故甲醇機最佳點火角較小；高速時(滿負荷)吸入氣缸的甲醇量相對增多，在進氣和壓縮過程中吸取缸內大量的熱量，從而使壓縮終了時缸內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，因此最佳點火角增大。

圖3 最佳點火正時隨轉速的變化(節氣門全開)

由圖3可知甲醇機最佳點火角隨轉速變化規律與汽油機不一致。因此可適當調整分電器離心點火調節裝置中的彈簧剛度，使其調整特性與M85甲醇機要求的最佳點火提前角隨轉速變化的特性達到非線性一致。

圖4 點火特性比較(n=2000rmin)

圖2與圖4是不同節氣門開度時汽油機與甲醇機的點火特性比較。由圖可見，在不同節氣門開度時甲醇機的最佳點火角都較汽油機小2～4°CA，這與圖5反映一致。由圖5可見甲醇機最佳點火提前角隨負荷(節氣門開度)的變化規律與汽油機基本相同。

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

圖5 最佳點火正時隨節氣門開度的變化(n=2000rmin)

2.5 壓縮比的選擇

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

由于醇燃料是含氧燃料，熱值低，對混合氣產生稀釋效應。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，應當對燃料供給系統重新進行優化匹配。摻燒醇類后，由于醇類的辛烷值大大高于汽油，而且與汽油調合后的辛烷值更高。為了充分發揮醇類辛烷值高的優點，可適當地提高發動機壓縮比。計算經驗公式為：

式中：ε為壓縮比；D為缸徑，mm；Ω為燃料的辛烷值

圖6 495Q汽油發動機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，其火焰傳播速度和燃燒速度都加快，所以其最佳點火提前角比燃用汽油時的相應值要小。如果利用這一特點采用高能點火，更能提高熱效率，改善發動機性能，尤其是在部分負荷或冷態下工作的情況。

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

試驗結果表明：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，排放指標明顯改善。最后優選出495Q汽油機在燃用M85甲醇汽油燃料時，最佳壓縮比為9.9，再高則有爆震現象。

圖7為495Q汽油機燃用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

試驗結果表明：495Q發動機燃用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發動機的進氣預熱。

（2）加強進氣預熱，增加輔助燃料啟動系統以及在燃料中加入一定的輕質成分，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動機冷啟動問題。

（3）因為甲醇的熱值比汽油低的多，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，因此對發動機的供油系統采取了加大噴油孔直徑的方法來解決此問題。

（4）為保證甲醇汽油發動機在高轉速和大負荷下，燃料能夠充分燃燒，取得理想的性能。對分電器進行如下調整：(1)真空調節裝置不調整；(2)適當增大離心調節彈簧；(3)調節辛烷值調節盤使初始點火角較汽油機提前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等有害物質的排放。

[1] 竇林琪,張龍海.日本、德國甲醇及代用燃料發動機汽車情況. 山西能源與節能,2002,2∶8-9.

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

[3] 曹明讓,孫利魏. 495Q甲醇(M85)發動機開發與研究. 兵工學報, 2000, 21（4）：368-342.

[4] 張峻霞,岳東鵬.495Q汽油機燃用M85時化油器的改進.太原理工大學學報. 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。