烴類添加劑對M100甲醇發動機冷起動性能影響研究

王 鑫，程浩楠，朱啟興

(1. 西安航空學院 車輛工程學院，陜西 西安 710077；2. 西安航空學院 汽車檢測工程技術研究中心，陜西 西安 710077)

甲醇是一種煤炭加工過程的產物，由于其具有含氧比例高，辛烷值高，汽化潛熱高，燃燒高效，排放污染低等特點，可作為一種有效的車用清潔燃料[1]. 據統計，我國2019年汽車保有量將達到2.6億輛，伴隨我國汽車保有量的不斷增加，隨之而來的是大氣污染、資源短缺等問題. 甲醇作為車用替代燃料，具有安全穩定、燃燒效率高、排放污染少等特點，已在國內外得到廣泛認可，特別是相比傳統汽油具有較高的燃燒效率，使得CO，HC排放大幅度降低，產生的PM2.5排放也比同排量傳統汽油車要低80%. 同時，甲醇作為車用替代燃料，可以緩解我國石油資源緊張狀況. 甲醇作為車用替代燃料對實施石油替代戰略、保障我國能源安全具有戰略意義. 2019年3月，中國8部委聯合發布 《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》(工信部聯節 〔2019〕61 號)，這對中國甲醇燃料與甲醇汽車來說，是發展史上一個重要的里程碑，具有十分重要的意義[2].

然而對于使用M100的甲醇汽車，由于純甲醇燃料的汽化潛熱大，蒸發時吸收的熱量多，導致在起動時，M100甲醇發動機進氣道及氣缸的溫度急劇下降，特別是在低溫時，噴射的大量甲醇燃料無法霧化而吸附在進氣管上，導致混合氣過稀，無法起動[3]. 因此，在面對冷起動問題時，M100甲醇汽車發動機普遍采用汽油或輔助添加劑輔助起動方式，本文根據目前常用的幾種甲醇烴類添加劑作為研究對象，通過在不同環境溫度下，分析烴類添加劑的成分及加注量對M100甲醇發動機冷起動性能的影響.

1 M100甲醇發動機冷起動性能影響因素

1.1 甲醇的汽化潛熱影響

甲醇的沸點為64.7 ℃，具有較高的汽化潛熱，約為汽油汽化潛熱的3倍. 由于甲醇的汽化潛熱大，在形成甲醇蒸汽過程中吸收的熱量多，導致甲醇發動機進氣道及氣缸的溫度急劇下降，新鮮充量中甲醇的蒸發條件惡化[4]. 假設燃料蒸發吸收的熱量來自與之混合的空氣，甲醇混合氣的溫度下降可由式(1)表示

Δt=q/(α×cp)，

(1)

式中：q為燃料蒸發潛熱；α為燃料理論空燃比；cp為常溫常壓下空氣的定壓比熱容，一般cp=1.004 kJ(kg/K). 而根據甲醇的燃料蒸發潛熱值和理論空燃比可知，在理論情況下要使混合氣燃料完全蒸發，M100甲醇燃料混合氣溫度將下降171.3 K，遠遠高于汽油的20.1 K[5]. 因此，當甲醇與空氣混合后，混合氣溫度的下降，使甲醇的蒸發更加困難[5]. 若給M100甲醇燃料添加一定比例的烴類添加劑，可有效降低M100甲醇燃料在冷起動時汽化潛熱所吸收的能量，改善起動性能.

1.2 甲醇的飽和蒸汽壓影響

飽和蒸汽壓對發動機冷起動性能有重要的影響，發動機燃料飽和蒸汽壓越大，其燃料揮發性越高. 而M100甲醇燃料隨溫度不斷降低其飽和蒸汽壓遠低于汽油燃料，在20 ℃時M100甲醇燃料的飽和蒸氣壓為12.8 kPa，0 ℃時M100甲醇燃料的飽和蒸氣壓僅為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燃料蒸汽量減少[6]. 具實驗結果分析，M100甲醇燃料在0 ℃時的蒸發量不足20 ℃時的1/6. 因此，在環境溫度較低的情況下，造成起動困難的主要因素是甲醇燃料的蒸發量不夠，從而導致混合氣濃度達不到著火的下限[7].

1.3 冷起動發動機噴醇脈寬的影響

在低溫環境下，可以通過增加甲醇發動機冷起動循環噴醇量提升發動機冷起動性能，但環境溫度16 ℃是甲醇發動機自身起動著火的最低溫度. 當環境溫度低于16 ℃時，即使改變甲醇循環噴射量和優化甲醇噴油正時都無法實現甲醇發動機著火. 根據王放[8]的試驗研究表明，在環境溫度為10 ℃時，甲醇發動機在借助外界助燃條件下，隨發動機噴醇脈寬的增加，發動機冷起動達到成功起動條件的循環數逐漸減少. 因此，對于M100甲醇發動機低溫冷起動，在有一定的預熱裝置或起動添加劑的輔助下，通過適當增加噴醇脈寬，可以有效提升氣缸混合氣濃度，實現低溫起動.

1.4 甲醇發動機引燃溫度的影響

甲醇的閃點和引燃溫度分別為11 ℃ 和385 ℃，在低溫環境溫度下，甲醇因蒸發吸熱帶來的降溫作用遠大于活塞壓縮工質產生的熱量，導致發動機點火時刻氣缸環境溫度低于甲醇的閃點溫度，難以實現正常點火，致使發動機起動困難[6]. 因此，在不改變發動機點火提前角的情況下，通過使用烴類添加劑，降低M100甲醇燃料閃點和引燃溫度，并同時增加發動機點火能量，可有效提升低溫下M100甲醇發動機冷起動性能.

2 試驗設備與試驗方案

2.1 M100甲醇發動機冷起動試驗設備

選用吉利JLC-4M18型1.8L甲醇發動機進行冷起動試驗，其主要參數如表 1 所示. 為研究在使用烴類添加劑后M100甲醇發動機的冷起動性能，試驗使用的主要儀器包括湘儀CAC160型電力測功機； EATS公司ES630型空燃比測試儀，主要實現測量M100甲醇發動機在冷起動中起動時間，起動瞬時轉速，冷起動噴油脈寬及空燃比(A/F)參數. 為保障M100甲醇燃料發動機的冷起動性能試驗溫度恒定，全部試驗在低溫實驗艙中進行，試驗艙可實現本次試驗所需的-20 ℃～0 ℃環境溫度，溫度的控制誤差為±1 ℃，滿足甲醇發動機低溫冷起動對外界環境溫度的模擬需求.

表 1 發動機性能參數Tab.1 Engine performance parameters

2.2 試驗方案設計

試驗選用3種添加劑分別計為A，B，C，其3種添加劑主要成分及體積百分比如表 2 所示.

表 2 添加劑類型及成分Tab.2 Type and composition of additives

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0 ℃，-10 ℃和-20 ℃，根據試驗環境溫度不同，為試驗M100甲醇燃料在添加不同比例添加劑的冷起動效果，可設加注添加劑的加注比例(體積百分比)分別為10%，12%和15%. 為保證每次試驗的準確性，減少前一次試驗的影響，要求每次試驗冷卻液溫度、進氣溫度與環境溫度一致時，才能進行冷起動試驗.

在試驗過程中，要求在每個測試環境溫度下對添加不同類型添加劑的M100甲醇燃料均進行3次冷起動. 若冷起動失敗，可根據要求增加添加劑加注比例，直到冷起動成功或到達試驗規定最大加注比例時停止. 在試驗測試中，通過測功臺上位機記錄不同試驗過程中發動機起動瞬時轉速、噴醇量(噴油脈寬)、起動時間和起動次數等參數.

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

試驗結果表明，在不加注添加劑時，使用M100甲醇燃料的發動機在環境溫度為0 ℃時，起動3次均不能正常起動； 在分別添加A，B，C型甲醇冷起動添加劑后，當添加劑的加注比例為10% (體積百分比)時，均可在0 ℃的環境溫度下順利實現發動機冷起動； 在環境溫度為-10 ℃時，A型添加劑需將加注比例增加到15%(體積百分比)，可順利一次性起動，而B，C類添加劑只需將加注比例增加到12%(體積百分比)時，便可成功起動. 當環境溫度下降至-20 ℃時，使用A，B兩型添加劑將加注比例調整為15%(體積百分比)時，發動機均不能正常起動，而C型添加劑在加注比例調整為15%(體積百分比)后，需配合增加噴油脈寬，可實現發動機順利起動，其結果參數如表 3 所示.

表 3 發動機臺架冷起動試驗結果Tab.3 Engine bench cold start test results

3.2 添加劑對起動的影響分析

3.2.1 添加劑對起動時間的影響

通過試驗對比分析，對同類添加劑在不同環境溫度時冷起動時間進行縱向對比，受環境溫度降低的影響，雖然可通過增加添加劑加注比例改善M100甲醇發動機冷起動性能，但冷起動成功所需的時間也會隨著環境溫度的降低而增加，如表 3 所示，對于添加C型添加劑的M100甲醇發動機在環境溫度為0 ℃，-10 ℃ 和-20 ℃時所需的起動時間分別為0.9 s，2.1 s和3.4 s. 對不同類型添加劑在相同溫度時冷起動時間進行橫向對比可以看出，添加劑中含C4～C8烴類成分比例較高的C型添加劑冷起動時間比使用A型和B型添加劑所需的冷起動時間要少. 特別是在環境溫度為-20 ℃時，在使用A型和B型添加劑將加注比例提升至5%(體積百分比)，并且噴油脈寬調整至130 ms時，發動機依舊無法正常起動，而使用C型添加劑在相同條件下可以正常起動，且起動時間小于5 s.

通過上述對比分析，在各環境溫度下，C型添加劑對M100甲醇發動機在低溫環境下的起動性能改善效果最好. 其主要原因是C型添加劑中含有輕質烴類成分相對較多，而該類成分比M100甲醇燃料的10%餾出溫度要低得多，因此，改善了混合燃料的冷起動蒸發性. 同時，烴類燃料為非極性物質，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，也利于提高燃料的蒸發性能，改善低溫時M100甲醇發動機冷起動性能[9].

3.2.2 添加劑對起動瞬時轉速的影響

起動瞬時轉速是衡量發動機冷起動成功的重要參數指標，圖 1～圖 3 是在環境溫度為0 ℃，-10 ℃和-20 ℃時，使用A，B，C型甲醇冷起動添加劑后，發動機的起動瞬時轉速變化情況. 從圖中可以看出，隨著環境溫度降低，甲醇發動機起動拖動時間逐漸延長. 在環境溫度為0 ℃和-10 ℃時，使用上述3型添加劑后，甲醇發動機基本都能夠在2 s內完成冷起動，在冷起動過程中，拖動轉速較為穩定，基本在200 r/min～400 r/min范圍內波動，當燃料被點燃后，瞬時轉速能夠迅速上升至800 r/min以上，表明冷起動成功. 當環境溫度為-20 ℃時，由于受環境溫度影響，發動機拖動轉速穩定性變差，峰狀曲線出現的次數增多. 這是由于受甲醇的汽化潛熱理化性能的影響，雖然發動機在冷起動過程中燃燒室部分區域發生了著火，缸內溫度與壓力逐步上升，出現發動機轉速有爆發性的增加，但由于在起動時氣缸壁溫度較低，受甲醇燃料汽化潛熱的影響，燃燒室局部出現低溫環境，從而出現火焰傳播間斷的現象，甚至會導致發動機難以起動[10]. 由于C型添加劑的烴類燃料比例較A型和B型高，受烴類燃料揮發性高的特點，通過增加首循環噴射脈寬，加大燃燒室中烴類燃料的數量，使烴類燃料先于甲醇蒸發與空氣混合，增加火花塞跳火后混合氣被點燃的概率，實現發動機順利起動.

圖 1 使用A型冷起動添加劑測試的發動機瞬時轉速Fig.1 Engine instantaneous speed measured with type A cold start additive

圖 2 使用B型冷起動添加劑測試的發動機瞬時轉速Fig. 2 Engine instantaneous speed measured with type B cold start additive

圖 3 使用C型冷起動添加劑測試的發動機瞬時轉速Fig.3 Engine instantaneous speed measured with type C cold start additive

4 結 論

1) M100甲醇燃料發動機若未采用任何輔助起動措施，則難以在環境溫度低于16 ℃下實現冷起動，通過添加烴類添加劑后可有效改善甲醇發動機的冷起動性能，使用烴類添加劑后甲醇發動機可以實現在環境溫度為-20 ℃下冷起動.

2) 烴類添加劑C4～C8烴成分比例對M100甲醇燃料冷起動有重要影響，當烴類添加劑采用C4～C8烴的比例達到90%時，通過配合增加噴醇脈寬的方法，可有效提升M100甲醇發動機在-20 ℃低溫環境下的冷起動成功效率.