我國甲醇汽車冷啟動技術研究發展綜述

楊雪，鄭騰師，黃棟杰

（1.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064；2.中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州職工培訓基地，廣東 廣州 510800）

前言

近年來，我國的經濟水平飛速發展，國民生產總值也大幅提高，居民的汽車保有量也不斷增加，但同時也伴隨著的是傳統燃油汽車引起的大氣污染、能源短缺等問題愈加明顯。甲醇原料來源豐富，生產技術成熟，燃燒性能好，污染物排放低，生產成本低，運輸儲存方便，被人們看作最具發展潛力的車用替代燃料之一[1]。跟汽油相比，甲醇的辛烷值遠遠比汽油高，因此發動機可以選擇更高的壓縮比來達到提高發動機熱效率的目的，因此甲醇作為汽車燃料比其他傳統燃料更具有高效性；其次，甲醇分子中含氧量高達50%，因而甲醇還是一種清潔燃料。甲醇汽油作為汽車代用燃料已被世界上許多國家廣泛使用。但由于甲醇蒸發潛熱比汽油大三倍多，而且甲醇燃燒時的理論空燃比是6.4，比汽油要低得多，甲醇燃料使用時會形成稀薄的燃燒混合氣，因此會導致發動機低溫冷啟動困難。本文通過查閱了解大量甲醇及含甲醇燃料發動機冷啟動的相關資料，對我國相關研究做了系統得總結與分析。

1 甲醇汽車冷啟動時的主要問題

根據表1甲醇與汽油的物化特性對比，可以知道甲醇的汽化潛熱約是汽油的3.7倍，在相同的溫度下，甲醇燃料的蒸發量僅為汽油的 1/4，同時甲醇的蒸發量受溫度的影響很大，7℃時的蒸發量僅為20℃時的1/6[2]。因此，如果外界環境溫度比較低，就會使甲醇在燃燒時的蒸發量不足，再加上甲醇的著火稀限比汽油的高，可燃混合氣濃度達不到著火的極限，從而造成甲醇發動機冷起動困難。對甲醇發動機而言，在外界環境溫度低于16℃的條件下，如果不采取輔助措施，首循環無論噴射多少甲醇燃料，都無法使甲醇發動機順利起動。

表1 甲醇與汽油物化特性

2 我國甲醇汽車冷啟動技術的主要研究

根據目前對于甲醇汽車的研究，可以得到現有的甲醇發動機冷起動方案包括汽油起動方案、引燃方案、燃油鍋爐加熱方案、改進燃料配方技術方案、預熱塞方案等。其中，汽油啟動方案已經大量運用于新產車型。對于甲醇汽車冷啟動困難問題，國內一些學者也做了許多技術創新與試驗，并得到了較好的結果。

張紅光等人以車用492QA汽油機為基礎，重新設計開發出一種車用492M甲醇發動機，使用M90甲醇燃料，并采用PTC加熱裝置來改善甲醇蒸發霧化效果，同時通過改變相關發動機參數來保證發動機動力性、經濟性及排放性等，結果表明，使用PTC加熱裝置能有效改善發動機起動性能[3]。

吳亞蘭等人開發了如圖1的PTC加熱裝置來改善甲醇汽化問題，通過PTC熱敏電阻加熱片給蒸發器提供熱量，使蒸發器溫度升高。為防止初始加熱電流過大，加熱用的16個熱敏電阻被分成4組，依次間隔30s通電加熱。冷起動時控制PTC對甲醇蒸發器加熱，當蒸發器內溫度達到一定值后起動發動機。試驗結果表明，環境溫度1℃時，加熱器加熱到80℃以上即可實現甲醇發動機的順利起動[4]。

圖1 甲醇蒸發器示意圖

袁寶良等人提出多種甲醇發動機低溫冷啟動技術措施，并對主要的技術措施進行了試驗研究。結果表明，采用進氣道加熱、噴射器加熱和進氣滾流措施都在一定程度上改善了甲醇發動機的冷起動性能；通過改變燃料組分可有效提高甲醇發動機的冷起動性能，M70和 M85高比例甲醇燃料發動機在-25℃低溫下能夠順利冷起動[5]。

王鑫等人針對甲醇汽車發動機生產廠家廣泛采用的副油箱式輔助冷起動系統的缺陷，根據甲醇發動機的低溫起動特性，研制了一種安裝在進氣總管的新型純甲醇汽車發動機冷起動裝置，如圖 2。通過甲醇發動機進氣預熱冷啟動技術，使得甲醇發動機低溫起動時，甲醇燃料的蒸汽濃度能夠達到著火點。

圖2 甲醇進氣預熱系統示意圖

試驗結果表明采用該冷啟動技術后，甲醇發動機在環境溫度為-10℃時可以實現冷起動[6]。

王鑫等人還通過研究不同類型預熱器對甲醇燃料的預熱性能，采用性能較為可靠的電網式預熱器和電熱塞式預熱器對 JL4G15型甲醇發動機進行冷起動預熱試驗。試驗結果表明：在-10、-5、0、5 ℃測量環境溫度下，電網式預熱器冷起動預熱效果要優于同功率的電熱塞[7]。

張天明對現有的預熱塞方案、公交客車用燃油鍋爐加熱方案以及出租車引燃方案進行了分析，設計出通過增加一套供油系統含副油箱（10L）、油泵及獨立的油壓調節系統，進氣總管上安裝單噴油器及噴油器安裝板，由附加ECU自動識別與控制使用汽油的啟動過程與成功啟動后的甲醇切換過程[8]。

宮長明、王舒等人基于循環控制試驗研究了環境溫度對對電控噴射點燃式甲醇發動機首循環起動著火特性的影響，結果表明，采用電熱塞預熱進氣管和進氣道噴射適量LPG均可使甲醇發動機低溫下可靠起動，實現理想的“即噴即著”的首循環著火[2]。

朱建軍、寇子明等人從改善甲醇燃料的蒸發和霧化入手，在進氣歧管前節氣門后加裝自行研發的甲醇發動機冷起動系統，采用PTC陶瓷熱敏電阻將起動時噴入氣缸的甲醇加熱，促其蒸發，使甲醇蒸汽濃度達到著火界限。試驗結果表明，裝有該冷起動系統的甲醇發動機可在環境溫度為 0℃的低溫條件下冷起動一次成功，較好地解決了純甲醇發動機的冷起動問題[9]。

3 結論

甲醇的熱值和十六烷值較低，其用作發動機燃料時會帶來功率下降、冷起動困難、低負荷特性變差等問題，相比傳統燃料發動機，甲醇發動機功率一般要下降 5%-10%。根據我國相關研究者所做試驗與研究可知，對甲醇發動機采取一定的輔助加熱措施可以有效得解決其冷啟動困難問題，汽油啟動方案容易實現，已經大量運用在實際中，在國家標準及政策的推動下，未來純甲醇汽車的研究將作為主流，因此對甲醇發動機采用輔助加熱裝置也將是研究的重點。