王本亮，全學(xué)鰲，肖 飚，鐘新寶

（1.邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422004；2.湖南省湘西土家族苗族自治州汽車運(yùn)輸總公司161車隊(duì)，湖南 吉首 416000）

自20世紀(jì)世界石油危機(jī)以來(lái)，隨著各國(guó)汽車保有量的激增，機(jī)動(dòng)車排放的尾氣已經(jīng)成為大氣的主要污染源之一，燃油需求量也急劇上升。這一方面促使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在新型燃燒技術(shù)、尾氣處理技術(shù)等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，并取得了一定的成果，以滿足愈加嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)；另一方面為了緩解對(duì)石油資源的過(guò)分依賴，尋找資源豐富、價(jià)格合理、低排放的代用燃料也在不停探索中。甲醇不但是重要的化工原料，而且是性能優(yōu)良的能源和車用清潔燃料。因甲醇來(lái)源廣泛、生產(chǎn)技術(shù)工藝成熟、生產(chǎn)成本低，目前許多國(guó)家積極開(kāi)展了在汽油中摻合甲醇作為汽車燃料的研究工作。研究結(jié)果表明，在汽油中摻合甲醇比率低于15%時(shí)，汽油機(jī)不做大的改造可直接使用，但是性價(jià)比不高，在汽油中摻合甲醇比率達(dá)85%時(shí)，汽油機(jī)需要做很大的改動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)改造成本高。

本文利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的余熱對(duì)甲醇進(jìn)行汽化，研究甲醇對(duì)車用電噴汽油機(jī)性能的影響，此方法對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)改動(dòng)較少，更方便實(shí)用。

1 甲醇燃料對(duì)燃燒過(guò)程的影響

甲醇的含氧量為50%（質(zhì)量比），這有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程、降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放。甲醇的熱值只有汽油的47%，理論空燃比僅為汽油的44.3%，汽化潛熱為汽油的3.5倍，汽油機(jī)使用甲醇燃料時(shí)因汽化潛熱增加，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度降低，影響燃料的充分汽化。汽油機(jī)使用甲醇燃料存在低溫環(huán)境下難以起動(dòng)，大負(fù)載工況下爬坡能力不強(qiáng)，超車時(shí)加速性能不高，如果能解決上述問(wèn)題，汽油機(jī)使用甲醇燃料比汽油經(jīng)濟(jì)，比燃用乙醇燃料經(jīng)濟(jì)性更高。

表1 某型號(hào)電噴汽油機(jī)參數(shù)

圖1 電噴汽油機(jī)甲醇燃料性能試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

本文采用的試驗(yàn)樣機(jī)為一四缸水冷電噴汽油機(jī)，試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。為解決汽油機(jī)使用甲醇作燃料低溫起動(dòng)困難問(wèn)題，汽油機(jī)試驗(yàn)時(shí)安裝了兩套燃料供給裝置，一套供給汽油燃料，另一套供給甲醇燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供給汽油燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后通過(guò)電磁閥切換供給甲醇燃料。

甲醇的汽化潛熱值為1101 kJ/kg，約為汽油汽化潛熱值的4倍，當(dāng)甲醇燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中與空氣蒸發(fā)混合時(shí)，甲醇汽化吸熱會(huì)導(dǎo)致混合氣溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管因低溫會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰情況，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難、發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。為解決甲醇汽化吸熱影響發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣質(zhì)量和性能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫排氣預(yù)熱甲醇燃料，預(yù)熱后的甲醇接入汽油機(jī)的燃油供給系統(tǒng)。

汽油的熱值是甲醇的2.17倍。根據(jù)理論計(jì)算要保持發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率不變，每循環(huán)甲醇的供給量為汽油的2.17倍，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)甲醇燃料流量是汽油燃料流量的兩倍時(shí)，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，試驗(yàn)時(shí)采用加大電噴汽油機(jī)噴油咀的噴孔直徑的方式提高甲醇循環(huán)供應(yīng)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

試驗(yàn)樣機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的外特性油耗對(duì)比曲線如圖2所示。因甲醇的熱值只有汽油的47%，由試驗(yàn)曲線可知，甲醇的燃油消耗率明顯的要高于汽油。理論上要使汽油機(jī)保持原功率正常運(yùn)轉(zhuǎn)燃燒甲醇燃料至少是汽油的2.2倍，由試驗(yàn)曲線可知在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)汽油機(jī)燃用甲醇燃料是汽油燃料的1.85～1.5倍，在同工況下，甲醇消耗量按熱值折算成汽油量后均低于使用汽油時(shí)的耗油量，甲醇燃料經(jīng)濟(jì)性高。

圖2 試驗(yàn)機(jī)樣外特性下油耗對(duì)比曲線

3.2 排氣溫度的對(duì)比

電噴汽油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速（如n=2500 r/min）時(shí)，因甲醇燃料汽化潛熱較大，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度較燃用汽油燃料時(shí)略有降低，但是相差不大。在高轉(zhuǎn)速（如n=5300 r/min）時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比隨轉(zhuǎn)速增加而升高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)的壓力、溫度增加，可燃混合氣預(yù)熱良好，激冷層變薄，為甲醇的燃燒創(chuàng)造了良好的條件，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度略高于汽油燃料，兩種燃料溫度對(duì)比如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)機(jī)樣外特性下排氣溫度曲線

3.3 排氣成分的對(duì)比分析

圖4、圖5分別是汽油機(jī)在2500 r/min、5300 r/min負(fù)荷特性時(shí)兩種燃料的HC、CO排放曲線。由圖4對(duì)比可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷、高負(fù)荷工況下，燃用甲醇燃料的HC、CO排放均低于燃用汽油燃料的HC、CO排放，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的升高，進(jìn)氣管內(nèi)的混合氣預(yù)熱強(qiáng)度增加，甲醇燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助于充分燃燒，或者說(shuō)原子氧要比分子氧更容易參加氧化反應(yīng)，燃燒時(shí)更加充分，因而減少了HC、CO的排放。

圖4 甲醇、汽油燃料HC排放對(duì)比曲

圖5 甲醇、汽油燃料CO排放對(duì)比曲線

由圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，燃用汽油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放的CO反而減少，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程更加完善，因此減少了CO的生成。

圖6和圖7分別是汽油機(jī)在2500 r/min、5300 r/min負(fù)荷特性時(shí)兩種燃料的CO2、NO排放曲線。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，要維持相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，必須增大燃料的供應(yīng)量，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高，有利于NO的生成，NO隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增大而增加，由于甲醇燃料自身含氧量高，燃燒過(guò)程相對(duì)汽油燃料更完善一些，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NO相對(duì)要少很多，而CO2要略多一些。

圖6 甲醇、汽油燃料CO2排放對(duì)比

圖7 甲醇、汽油燃料NO排放對(duì)比曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）電噴汽油機(jī)在起動(dòng)時(shí)通過(guò)供給電磁閥閥切換供給汽油燃料，可解決發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲醇燃料時(shí)存在的低溫起動(dòng)困難，通過(guò)加裝甲醇預(yù)熱裝置，解決了因甲醇汽化潛熱大而導(dǎo)致混合氣溫度低、混合氣霧化質(zhì)量不高的的問(wèn)題。

（2）通過(guò)電噴汽油機(jī)使用甲醇燃料、汽油燃料性能對(duì)比，因甲醇熱值低于汽油，同樣工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在使用甲醇燃料時(shí)燃油消耗率高于汽油燃料，按熱值折算成汽油量甲醇消耗量要低于汽油量，由于甲醇來(lái)源廣泛，生產(chǎn)成本低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇燃料時(shí)經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于汽油燃料。

（3）同一工況下，電噴汽油機(jī)使用甲醇燃料的排放明顯低于汽油，這對(duì)降低汽車尾氣排放污染有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。