燃用甲醇汽油混合燃料对发动机性能的影响

闫海;刘婷;朱兵强

【摘 要】文章简要介绍了甲醇代用燃料的发展现状与应用前景,以及存在的问题.通过对发动机的冷启动、进气预热、燃油供给系的改造、点火特性和压缩比进行了研究,得出了燃用甲醇汽油混合燃料对发动机性能提升的方法. 【期刊名称】《汽车实用技术》 【年(卷),期】2017(000)013 【总页数】4页(P140-143)

【关键词】甲醇;发动机;点火特性;压缩比 【作 者】闫海;刘婷;朱兵强

【作者单位】陕西重型汽车有限公司,陕西西安 710043;陕西重型汽车有限公司,陕西西安 710043;陕西重型汽车有限公司,陕西西安 710043 【正文语种】中 文 【中图分类】U467.2

CLC NO.:U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-140-04 甲醇是一种易燃易挥发的无色透明液体，具有与现实使用的液体燃料极为相近的燃烧性能，辛烷值高，抗爆性能好，其生产原料非常广泛，产品的运输、储存、分装加注和使用，与目前市场上所供应的内燃机用汽油和柴油燃料特点极为相似。同时，甲醇还可作为燃料电池的重要原料[1]。在目前的开发应用中，甲醇燃料分为直接使用和间接使用两大类。直接使用又分为全额甲醇和部分掺混两种形式；间接使用

可通过化学转化方法和电化学转化方法达到能量转化的目的。化学转化主要是将甲醇转化为甲基叔丁基醚和二甲醚等。电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。

1.1 进气预热的措施及进气歧管的改造 1.1.1 加强进气预热的措施

当液体蒸发时，不仅分子的内能增加，而且由于体积的膨胀需对外界作功，因此，必须消耗热能。如果液体不从外界取得热量，本身的温度便要降低。甲醇的汽化潜热大约为汽油汽化潜热的3.6倍，在发动机输出同样功率时，根据等热值要求，燃烧的甲醇量是汽油的1.2倍，因此燃用甲醇时混合气中燃料全部汽化所需的热量相当于燃用汽油时的9倍。因此在甲醇形成混合气时必须进行足够的预热，否则将会严重影响汽雾的形成，从而影响燃烧。预热措施：

①废气预热，利用排气的余热对进气进行预加热。减小进排气管的厚度。 ②电加热，在进气管上加装PTC陶瓷片，加热。（在温度大于某一值时电阻急剧增大上千倍，本试验即采用此方法）[2]。

③利用冷却循环水加热，冷却热水管经进气歧管，利用排水中的热量来加热进气。 1.1.2 进气歧管的改造及温度控制

甲醇的气化潜热远大于汽油。而M85甲醇燃料的气化潜热为汽油的6.18倍。要使发动机燃用M85甲醇燃料时进气温度与燃用汽油时一致，需使甲醇机的进气预热量达到汽油机的6倍多。但考虑到进气预热过强将使发动机充气效率下降；表明纯甲醇机最佳进气温度为5～17℃。为了使发动机燃用M85甲醇时得到良好的预热效果，首先对原汽油机进气管温度进行测量，其结果如图2.1曲线1所示。该

曲线说明进气管温度在整个发动机功率范围内都在38～45℃之间。若把进气预热量增加为原机的6.18倍，使发动机燃用M85甲醇时进气管温度也达到38～45℃，显然不符合甲醇发动机的最佳进气要求。本研究把原汽油机排气总管与进气总管联结部分的预热孔扩大，预热面积为原来的三倍。改造后预热效果如图2.1曲线2所示，增加进气预热后燃用M85甲醇燃料时，进气总管温度在一般负荷工况下(0～50kW)均在5～17℃之间，只有小负荷超过17℃，而在大负荷下小于5℃，这说明大负荷时预热量不够，但考虑到汽车大部分情况下是在中等负荷下工作，改造后的进气预热基本满足最佳进气要求[3]。 1.2 冷起动

在冷起动及怠速暖机时期，因为催化剂温度不够高，三效催化转换器不能起燃，仍然会向大气中排出大量的有害排放物。研究表明，一个FTP测试循环中，整个测试循环HC排放总量的70%～80%是在冷起动后的40～140S(0～40S不测量)产生的。欧洲已经执行的欧Ⅳ汽油轿车排放标准，不但进一步提高了标准，而且也改进了测量方法，新的NEDC (New European Driving Cycle)测试循环取消了0-40S非测量时期，即起动的同时开始排气采样，而且冷机起动的环境温度也由2O～3O℃降到一7℃，这为冷起动阶段排放控制提出了更高的要求。

饱和蒸气压是液体燃料蒸发性好坏的重要指标。甲醇发动机低的饱和蒸气压和高的汽化潜热将会导致燃料汽化不良，使发动机起动困难。为了解决甲醇燃料发动机冷车起动困难的问题，往往采取以下几种办法： ①进气预热是解决甲醇汽油冷起动问题的主要办法。

②辅助燃料起动就是给发动机配置一个辅助燃料系统，在冷车起动时，由辅助燃料系统供给一种专用的轻质起动燃料，待发动机预热后，再供给正常的甲醇汽油。 ③采用起动添加剂也是一种常用的办法，一般是在燃料中加人一定的轻质成分，以提高甲醇汽油的饱和蒸气压。

1.3 燃油供给系统的改进 1.3.1 甲醇汽油对供给系统的影响

因为甲醇的热值比汽油低的多，所以从理论上说燃烧甲醇时燃油消耗要比燃烧纯汽油时多，因此对甲醇发动机的供油系统采取了以下改进措施：加大喷油孔直径。 增加化油器中主量孔的直径。根据简单化油器原理[4]。

Gb——量孔的燃料流量（kg/s），ub——燃料流经量孔时的流量系数 fb——燃料流量的截面积(m2)，H2——燃料喷孔高出浮子室液面的距离(m) △Pn——喉管最小截面积的真空度(N/m2)，γb——燃料密度(kg/ m3) 1.3.2 燃料供给量的计算

为了保证495M85混合燃料发动机的功率、转矩与原汽油机相同，要求供油系统所供给的混合燃料的总热值与原汽油燃料的总热值相同。甲醇低热值 M85混合燃料的计算如下： ①M85混合燃料的低热值计算：

②保持发动机动力时，M85燃料供给量与燃用纯汽油供给量的关系： 即发动机动力性相同时，要求燃料的供给量是原汽油供给量的1.868倍。 ③M85混合燃料密度的计算

考虑到甲醇粘度比汽油大以及燃料在流动过程中产生流动阻力的影响，经过实验将其标定为：d1M85=1.75mm. ⑤副腔主量孔的选择

同理，将其标定为：d2M85=2.7mm 1.4 点火特性及点火提前角

点火特性试验及调整点火提前角：图2、图3是不同转速时汽油机和甲醇(M85)机的点火特性比较。由图可见，转速小于2300r/min时，甲醇机点火提角最佳值较汽油机小2～4°CA。

当转速大于2500r/min时，甲醇机较汽油机最佳点火角略大3～4°CA。这主要由于低速时吸入气缸的可燃混合气相对少，易气化，且甲醇燃料燃烧速度快等因素影响，故甲醇机最佳点火角较小；高速时(满负荷)吸入气缸的甲醇量相对增多，在进气和压缩过程中吸取缸内大量的热量，从而使压缩终了时缸内温度和压力比燃用汽油时低，又甲醇着火温度比汽油高200℃以上，因此最佳点火角增大。 由图3可知甲醇机最佳点火角随转速变化规律与汽油机不一致。因此可适当调整分电器离心点火调节装置中的弹簧刚度，使其调整特性与M85甲醇机要求的最佳点火提前角随转速变化的特性达到非线性一致。

图2与图4是不同节气门开度时汽油机与甲醇机的点火特性比较。由图可见，在不同节气门开度时甲醇机的最佳点火角都较汽油机小2～4°CA，这与图5反映一致。由图5可见甲醇机最佳点火提前角随负荷(节气门开度)的变化规律与汽油机基本相同。

因此分电器真空调节装置可不调整。由图2、图4还可看出甲醇机功率对点火角度的变化不敏感(曲线较平)，这也给调整带来了方便。综合以上分析，为保证甲醇发动机在高转速和大负荷下，燃料能够充分燃烧，取得理想的性能。对分电器进行如下调整：(1)真空调节装置不调整；(2)适当增大离心调节弹簧；(3)调节辛烷值调节盘使初始点火角较汽油机提前2～4°CA。 2.5 压缩比的选择

提高压缩比可增加汽油机的热效率，但压缩比的提高受到发动机爆震的限制。由于甲醇燃料的辛烷值较汽油高，抗爆性好，因此汽油机燃用甲醇燃料时，可适当增加压缩比，以提高动力性、降低油耗、减少HC和CO等有害物质的排放。 由于醇燃料是含氧燃料，热值低，对混合气产生稀释效应。若不加大燃料供给量，不仅动力性下降，其他性能也会受影响。因此，应当对燃料供给系统重新进行优化匹配。掺烧醇类后，由于醇类的辛烷值大大高于汽油，而且与汽油调合后的辛烷值

更高。为了充分发挥醇类辛烷值高的优点，可适当地提高发动机压缩比。计算经验公式为：

式中：ε为压缩比；D为缸径，mm；Ω为燃料的辛烷值

提高压缩比之后，在压缩过程后期气缸内的压力和温度都比原燃用汽油时要高，同时汽油掺烧醇类后，其火焰传播速度和燃烧速度都加快，所以其最佳点火提前角比燃用汽油时的相应值要小。如果利用这一特点采用高能点火，更能提高热效率，改善发动机性能，尤其是在部分负荷或冷态下工作的情况。

图6为495Q汽油发动机燃用M85甲醇汽油燃料时，在不同压缩比下的总功率线。 试验结果表明：随着压缩比的提高，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，排放指标明显改善。最后优选出495Q汽油机在燃用M85甲醇汽油燃料时，最佳压缩比为9.9，再高则有爆震现象。

图7为495Q汽油机燃用M85甲醇汽油燃料时，在ε=7.4和ε=9.9两种情况下的总功率对比曲线。

试验结果表明：495Q发动机燃用M85甲醇汽油燃料时，压缩比由ε=7.4提高到ε=9.9(提高33 %)；最大功率和最大扭矩分别提高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%。

（1）由于甲醇的汽化潜热比汽油大，因此在燃烧甲醇汽油混合燃料时要加强发动机的进气预热。

（2）加强进气预热，增加辅助燃料启动系统以及在燃料中加入一定的轻质成分，以提高甲醇汽油的饱和蒸气压等方法都可以解决甲醇汽油发动机冷启动问题。 （3）因为甲醇的热值比汽油低的多，所以从理论上说燃烧甲醇时燃油消耗要比燃烧纯汽油时多，因此对发动机的供油系统采取了加大喷油孔直径的方法来解决此问题。

（4）为保证甲醇汽油发动机在高转速和大负荷下，燃料能够充分燃烧，取得理想

的性能。对分电器进行如下调整：(1)真空调节装置不调整；(2)适当增大离心调节弹簧；(3)调节辛烷值调节盘使初始点火角较汽油机提前2～4°CA。

（5）由于甲醇燃料的辛烷值较汽油高，抗爆性好，因此燃用甲醇汽油混合燃料时，可适当增加压缩比，以提高动力性、降低油耗、减少HC和CO等有害物质的排放。

【相关文献】

[1] 窦林琪,张龙海.日本、德国甲醇及代用燃料发动机汽车情况. 山西能源与节能,2002,2∶8-9. [2] 王贺武.M5甲醇汽油在EQ6100-1型汽油机上的应用研究.汽车运输研究. 1996,15（1）. [3] 曹明让,孙利魏. 495Q甲醇(M85)发动机开发与研究. 兵工学报, 2000, 21（4）：368-342. [4] 张峻霞,岳东鹏.495Q汽油机燃用M85时化油器的改进.太原理工大学学报. 2000,31（2）;207-209.