王本亮，全學(xué)鰲，肖 飚，鐘新寶

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

自20世紀(jì)世界石油危機以來，隨著各國汽車保有量的激增，機動車排放的尾氣已經(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)動機在新型燃燒技術(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石油資源的過分依賴，尋找資源豐富、價格合理、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。因甲醇來源廣泛、生產(chǎn)技術(shù)工藝成熟、生產(chǎn)成本低，目前許多國家積極開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，汽油機不做大的改造可直接使用，但是性價比不高，在汽油中摻合甲醇比率達(dá)85%時，汽油機需要做很大的改動，發(fā)動機改造成本高。

本文利用發(fā)動機尾氣中的余熱對甲醇進(jìn)行汽化，研究甲醇對車用電噴汽油機性能的影響，此方法對原發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)改動較少，更方便實用。

1 甲醇燃料對燃燒過程的影響

甲醇的含氧量為50%（質(zhì)量比），這有利于改善發(fā)動機的燃燒過程、降低發(fā)動機尾氣排放。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，汽油機使用甲醇燃料時因汽化潛熱增加，發(fā)動機進(jìn)氣溫度降低，影響燃料的充分汽化。汽油機使用甲醇燃料存在低溫環(huán)境下難以起動，大負(fù)載工況下爬坡能力不強，超車時加速性能不高，如果能解決上述問題，汽油機使用甲醇燃料比汽油經(jīng)濟，比燃用乙醇燃料經(jīng)濟性更高。

表1 某型號電噴汽油機參數(shù)

圖1 電噴汽油機甲醇燃料性能試驗裝置簡圖

2 實驗設(shè)備及方法

本文采用的試驗樣機為一四缸水冷電噴汽油機，試驗樣機參數(shù)見表1，實驗裝置如圖1所示。為解決汽油機使用甲醇作燃料低溫起動困難問題，汽油機試驗時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)動機起動時供給汽油燃料，發(fā)動機起動成功后通過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)動機進(jìn)氣管中與空氣蒸發(fā)混合時，甲醇汽化吸熱會導(dǎo)致混合氣溫度降低，發(fā)動機進(jìn)氣管因低溫會出現(xiàn)結(jié)冰情況，嚴(yán)重影響發(fā)動機混合氣質(zhì)量和發(fā)動機燃燒過程，從而導(dǎo)致發(fā)動機低溫起動困難、發(fā)動機性能下降。為解決甲醇汽化吸熱影響發(fā)動機混合氣質(zhì)量和性能，實驗過程中采用發(fā)動機的高溫排氣預(yù)熱甲醇燃料，預(yù)熱后的甲醇接入汽油機的燃油供給系統(tǒng)。

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

3 試驗結(jié)果分析

3.1 經(jīng)濟性對比

試驗樣機在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的外特性油耗對比曲線如圖2所示。因甲醇的熱值只有汽油的47%，由試驗曲線可知，甲醇的燃油消耗率明顯的要高于汽油。理論上要使汽油機保持原功率正常運轉(zhuǎn)燃燒甲醇燃料至少是汽油的2.2倍，由試驗曲線可知在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)汽油機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的耗油量，甲醇燃料經(jīng)濟性高。

圖2 試驗機樣外特性下油耗對比曲線

3.2 排氣溫度的對比

電噴汽油機在中低轉(zhuǎn)速（如n=2500 r/min）時，因甲醇燃料汽化潛熱較大，發(fā)動機的排氣溫度較燃用汽油燃料時略有降低，但是相差不大。在高轉(zhuǎn)速（如n=5300 r/min）時，因發(fā)動機壓縮比隨轉(zhuǎn)速增加而升高，發(fā)動機燃燒過程中氣缸內(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)動機的熱效率有所提高，發(fā)動機排氣溫度略高于汽油燃料，兩種燃料溫度對比如圖3所示。

圖3 試驗機樣外特性下排氣溫度曲線

3.3 排氣成分的對比分析

圖4、圖5分別是汽油機在2500 r/min、5300 r/min負(fù)荷特性時兩種燃料的HC、CO排放曲線。由圖4對比可知，發(fā)動機在部分負(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)動機排氣溫度的升高，進(jìn)氣管內(nèi)的混合氣預(yù)熱強度增加，甲醇燃料自攜氧要比空氣中的氧更有助于充分燃燒，或者說原子氧要比分子氧更容易參加氧化反應(yīng)，燃燒時更加充分，因而減少了HC、CO的排放。

圖4 甲醇、汽油燃料HC排放對比曲

圖5 甲醇、汽油燃料CO排放對比曲線

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

圖6和圖7分別是汽油機在2500 r/min、5300 r/min負(fù)荷特性時兩種燃料的CO2、NO排放曲線。隨著發(fā)動機負(fù)荷增加，要維持相同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，必須增大燃料的供應(yīng)量，發(fā)動機排氣溫度升高，有利于NO的生成，NO隨著發(fā)動機負(fù)荷的增大而增加，由于甲醇燃料自身含氧量高，燃燒過程相對汽油燃料更完善一些，發(fā)動機排氣中的NO相對要少很多，而CO2要略多一些。

圖6 甲醇、汽油燃料CO2排放對比

圖7 甲醇、汽油燃料NO排放對比曲線

4 結(jié) 語

（1）電噴汽油機在起動時通過供給電磁閥閥切換供給汽油燃料，可解決發(fā)動機使用甲醇燃料時存在的低溫起動困難，通過加裝甲醇預(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)量不高的的問題。

（2）通過電噴汽油機使用甲醇燃料、汽油燃料性能對比，因甲醇熱值低于汽油，同樣工況下，發(fā)動機在使用甲醇燃料時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，由于甲醇來源廣泛，生產(chǎn)成本低，發(fā)動機燃用甲醇燃料時經(jīng)濟性要優(yōu)于汽油燃料。

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