我國甲醇汽車?yán)鋯?dòng)技術(shù)研究發(fā)展綜述

楊雪，鄭騰師，黃棟杰

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

前言

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展，國民生產(chǎn)總值也大幅提高，居民的汽車保有量也不斷增加，但同時(shí)也伴隨著的是傳統(tǒng)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(chǎn)技術(shù)成熟，燃燒性能好，污染物排放低，生產(chǎn)成本低，運(yùn)輸儲(chǔ)存方便，被人們看作最具發(fā)展?jié)摿Φ能囉锰娲剂现籟1]。跟汽油相比，甲醇的辛烷值遠(yuǎn)遠(yuǎn)比汽油高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以選擇更高的壓縮比來達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的目的，因此甲醇作為汽車燃料比其他傳統(tǒng)燃料更具有高效性；其次，甲醇分子中含氧量高達(dá)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(fā)潛熱比汽油大三倍多，而且甲醇燃燒時(shí)的理論空燃比是6.4，比汽油要低得多，甲醇燃料使用時(shí)會(huì)形成稀薄的燃燒混合氣，因此會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)困難。本文通過查閱了解大量甲醇及含甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的相關(guān)資料，對(duì)我國相關(guān)研究做了系統(tǒng)得總結(jié)與分析。

1 甲醇汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)的主要問題

根據(jù)表1甲醇與汽油的物化特性對(duì)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(fā)量僅為汽油的 1/4，同時(shí)甲醇的蒸發(fā)量受溫度的影響很大，7℃時(shí)的蒸發(fā)量僅為20℃時(shí)的1/6[2]。因此，如果外界環(huán)境溫度比較低，就會(huì)使甲醇在燃燒時(shí)的蒸發(fā)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(dá)不到著火的極限，從而造成甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難。對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在外界環(huán)境溫度低于16℃的條件下，如果不采取輔助措施，首循環(huán)無論噴射多少甲醇燃料，都無法使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。

表1 甲醇與汽油物化特性

2 我國甲醇汽車?yán)鋯?dòng)技術(shù)的主要研究

根據(jù)目前對(duì)于甲醇汽車的研究，可以得到現(xiàn)有的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)方案包括汽油起動(dòng)方案、引燃方案、燃油鍋爐加熱方案、改進(jìn)燃料配方技術(shù)方案、預(yù)熱塞方案等。其中，汽油啟動(dòng)方案已經(jīng)大量運(yùn)用于新產(chǎn)車型。對(duì)于甲醇汽車?yán)鋯?dòng)困難問題，國內(nèi)一些學(xué)者也做了許多技術(shù)創(chuàng)新與試驗(yàn)，并得到了較好的結(jié)果。

張紅光等人以車用492QA汽油機(jī)為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)開發(fā)出一種車用492M甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，使用M90甲醇燃料，并采用PTC加熱裝置來改善甲醇蒸發(fā)霧化效果，同時(shí)通過改變相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)來保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性等，結(jié)果表明，使用PTC加熱裝置能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能[3]。

吳亞蘭等人開發(fā)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(fā)器提供熱量，使蒸發(fā)器溫度升高。為防止初始加熱電流過大，加熱用的16個(gè)熱敏電阻被分成4組，依次間隔30s通電加熱。冷起動(dòng)時(shí)控制PTC對(duì)甲醇蒸發(fā)器加熱，當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)溫度達(dá)到一定值后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度1℃時(shí)，加熱器加熱到80℃以上即可實(shí)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的順利起動(dòng)[4]。

圖1 甲醇蒸發(fā)器示意圖

袁寶良等人提出多種甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷啟動(dòng)技術(shù)措施，并對(duì)主要的技術(shù)措施進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用進(jìn)氣道加熱、噴射器加熱和進(jìn)氣滾流措施都在一定程度上改善了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能；通過改變?nèi)剂辖M分可有效提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，M70和 M85高比例甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在-25℃低溫下能夠順利冷起動(dòng)[5]。

王鑫等人針對(duì)甲醇汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家廣泛采用的副油箱式輔助冷起動(dòng)系統(tǒng)的缺陷，根據(jù)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)特性，研制了一種安裝在進(jìn)氣總管的新型純甲醇汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)裝置，如圖 2。通過甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱冷啟動(dòng)技術(shù)，使得甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)時(shí)，甲醇燃料的蒸汽濃度能夠達(dá)到著火點(diǎn)。

圖2 甲醇進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明采用該冷啟動(dòng)技術(shù)后，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境溫度為-10℃時(shí)可以實(shí)現(xiàn)冷起動(dòng)[6]。

王鑫等人還通過研究不同類型預(yù)熱器對(duì)甲醇燃料的預(yù)熱性能，采用性能較為可靠的電網(wǎng)式預(yù)熱器和電熱塞式預(yù)熱器對(duì) JL4G15型甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷起動(dòng)預(yù)熱試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在-10、-5、0、5 ℃測(cè)量環(huán)境溫度下，電網(wǎng)式預(yù)熱器冷起動(dòng)預(yù)熱效果要優(yōu)于同功率的電熱塞[7]。

張?zhí)烀鲗?duì)現(xiàn)有的預(yù)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(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出通過增加一套供油系統(tǒng)含副油箱（10L）、油泵及獨(dú)立的油壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)氣總管上安裝單噴油器及噴油器安裝板，由附加ECU自動(dòng)識(shí)別與控制使用汽油的啟動(dòng)過程與成功啟動(dòng)后的甲醇切換過程[8]。

宮長明、王舒等人基于循環(huán)控制試驗(yàn)研究了環(huán)境溫度對(duì)對(duì)電控噴射點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)首循環(huán)起動(dòng)著火特性的影響，結(jié)果表明，采用電熱塞預(yù)熱進(jìn)氣管和進(jìn)氣道噴射適量LPG均可使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫下可靠起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)理想的“即噴即著”的首循環(huán)著火[2]。

朱建軍、寇子明等人從改善甲醇燃料的蒸發(fā)和霧化入手，在進(jìn)氣歧管前節(jié)氣門后加裝自行研發(fā)的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)系統(tǒng)，采用PTC陶瓷熱敏電阻將起動(dòng)時(shí)噴入氣缸的甲醇加熱，促其蒸發(fā)，使甲醇蒸汽濃度達(dá)到著火界限。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝有該冷起動(dòng)系統(tǒng)的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)可在環(huán)境溫度為 0℃的低溫條件下冷起動(dòng)一次成功，較好地解決了純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)問題[9]。

3 結(jié)論

甲醇的熱值和十六烷值較低，其用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)會(huì)帶來功率下降、冷起動(dòng)困難、低負(fù)荷特性變差等問題，相比傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)功率一般要下降 5%-10%。根據(jù)我國相關(guān)研究者所做試驗(yàn)與研究可知，對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)采取一定的輔助加熱措施可以有效得解決其冷啟動(dòng)困難問題，汽油啟動(dòng)方案容易實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)大量運(yùn)用在實(shí)際中，在國家標(biāo)準(zhǔn)及政策的推動(dòng)下，未來純甲醇汽車的研究將作為主流，因此對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)采用輔助加熱裝置也將是研究的重點(diǎn)。