甲醇燃料汽車整車性能試驗(yàn)研究

陳 龍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

2012年，工業(yè)和信息化部下發(fā)了工信部節(jié)〔2012〕42號“關(guān)于開展甲醇汽車試點(diǎn)工作的通知”，確定山西等3個省市為甲醇汽車的試點(diǎn)省份，積極穩(wěn)妥開展甲醇汽車試點(diǎn)工作。2013年2月國務(wù)院下發(fā)國辦發(fā)〔2013〕12號《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)節(jié)能減排的意見》文件中明確提出：替代燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品研發(fā)。鼓勵替代燃料發(fā)動機(jī)與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)制造體系兼容。開展汽油/甲醇雙燃料點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)、柴油/甲醇雙燃料壓燃式內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用試點(diǎn)工作。到2015年，通過推廣應(yīng)用甲醇燃料內(nèi)燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)替代商品燃油500萬t。

1 甲醇燃料及甲醇汽車概況

甲醇分子式為CH3OH，是一種無色、透明、易揮發(fā)的易燃液體，相對密度為0.792 g/ml。甲醇的辛烷值比汽油的高，馬達(dá)法辛烷值（MON）106，研究法辛烷值（RON）112，因此使用甲醇作為汽車燃料，無需提高辛烷值便符合使用要求；但甲醇的熱值為19.6 MJ/kg，汽油熱值為43.5 MJ/kg，故甲醇作燃料時，燃料消耗量較大。

車用甲醇燃料按甲醇在混合燃料中的比例區(qū)分，如 M15、M30、M85、M100 等?，F(xiàn)階段使用的甲醇燃料主要是車用燃料甲醇、添加劑。例如M15是指15%的變性燃料甲醇（車用燃料甲醇和添加劑按一定比例調(diào)配而成）與85%的93號國標(biāo)汽油按體積比調(diào)配而成。使用M15及以下的低比例甲醇燃料，車輛無需做任何改動。使用高比例的甲醇燃料，如M30、M85、M100，需要在車輛上加裝甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）。

對于裝有點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的車輛要改裝成甲醇汽車，需要在噴油嘴和原車電腦之間安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”，把甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）串聯(lián)在整個系統(tǒng)中，起到改變噴油脈寬、調(diào)節(jié)噴油量的作用，這樣就能改變原車電腦控制單元（ECU）的控制參數(shù)，使汽油發(fā)動機(jī)能夠燃燒甲醇燃料。

2 試驗(yàn)情況

在安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”的桑塔納轎車上分別使用93號國標(biāo)汽油及M100甲醇燃料進(jìn)行汽車整車動力性、燃料經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及道路可靠性試驗(yàn)。

試驗(yàn)車輛上安裝有“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”，該裝置設(shè)置有醇、汽轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)至汽油擋時，該裝置不工作，車輛屬于原車工作狀態(tài)，而轉(zhuǎn)入甲醇擋時，該裝置開始工作。試驗(yàn)過程中，使用汽油燃料時，將開關(guān)轉(zhuǎn)至汽油擋；使用M100甲醇燃料時，將開關(guān)轉(zhuǎn)至M100甲醇擋。

2.1 臺架試驗(yàn)

2.1.1 底盤輸出功率及扭力對比試驗(yàn)結(jié)果

使用HPA-117型底盤測功機(jī)，按照GB/T18276—2000《動力性臺架試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)》分別設(shè)定50～100 km/h 6個車速，測取試驗(yàn)樣車在這6個車速下的底盤輸出功率及扭力。試驗(yàn)表明：用M100甲醇燃料與93號汽油比較，扭力及底盤輸出功率均下降2.7%，見圖1、見圖2。

圖1 底盤輸出扭力曲線

圖2 底盤輸出功率曲線

2.1.2 最高擋40～80 km/h加速性能對比試驗(yàn)結(jié)果（見表1）

表1 加速距離及時間試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 等速燃料消耗量對比試驗(yàn)（見圖3）

試驗(yàn)樣車分別以 40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h 7 個車速在HPA-117型底盤測功機(jī)上行駛，使用DF313型油耗計(jì)分別測取車輛行駛500 m左右，使用的燃料量，再計(jì)算出百公里燃料消耗量。用M100甲醇燃料與93號汽油比較，在臺架等速燃料消耗量試驗(yàn)中M100甲醇燃料百公里消耗量平均上升65.4%。

圖3 等速燃料消耗量曲線

2.1.4 汽車穩(wěn)態(tài)工況法排氣污染物對比測試結(jié)果（見表2）

表2 排氣污染物試驗(yàn)結(jié)果

2.2 道路試驗(yàn)

2.2.1 最低穩(wěn)定車速對比試驗(yàn)結(jié)果（見表3）

表3 最低穩(wěn)定車速試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2最高擋40～100 km/h加速性能對比試驗(yàn)結(jié)果（見表4）

表4 加速距離及時間試驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 起步連續(xù)換擋0～100 km/h加速性能對比試驗(yàn)結(jié)果（見表5）

表5 加速距離及時間試驗(yàn)結(jié)果

2.2.4 最高車速對比試驗(yàn)結(jié)果（見表6）

表6 最高車速試驗(yàn)結(jié)果

2.2.5 爬陡坡對比試驗(yàn)結(jié)果（見表7）

表7 爬坡度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.6 限定條件下的平均使用燃料消耗量對比試驗(yàn)結(jié)果（見表8）

表8 燃料消耗量試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)對以上試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的分析知：用M100甲醇燃料與93號汽油比較，其動力性略有下降。因?yàn)?，甲醇的熱值不到汽油的一半，若汽車結(jié)構(gòu)不做任何改變，甲醇燃料汽車的動力性就會下降。

用M100甲醇燃料與93號汽油比較，在臺架等速燃料消耗量試驗(yàn)中M100甲醇燃料百公里消耗量平均上升65.4%；在限定條件道路試驗(yàn)中M100甲醇燃料百公里消耗量上升68.5%。以上數(shù)據(jù)說明該甲醇汽車使用M100甲醇燃料與汽油的替代比為1.68∶1。目前，93號汽油的現(xiàn)價每升在7.1元左右，而甲醇燃料每升3.4元左右，M100甲醇燃料與汽油的替代比為1.68∶1，桑塔納轎車使用93號汽油的油耗約為8.0 L/100 km左右，行駛100 km的費(fèi)用為56.8元，使用甲醇燃料時燃料消耗量為13.4 L/100 km，其行駛100 km的費(fèi)用為45.6元。每百公里節(jié)省11.2元。

采用簡易穩(wěn)態(tài)工況排氣污染物測試，用M100甲醇燃料與93號汽油比較，排氣污染物CO相當(dāng)，HC平均下降23.3%，NO平均上升28.2%。

甲醇燃料在發(fā)動機(jī)內(nèi)是否完全燃燒，是影響排放的關(guān)鍵，如果發(fā)動機(jī)空燃比不正確，發(fā)動機(jī)尾氣中不僅有甲醇、甲醛，而且CO、HC、NO也會超標(biāo)，也伴隨著發(fā)動機(jī)燃耗高。針對該桑塔納轎車使用M100甲醇燃料時NO比使用汽油高的情況，我們對該車輛的“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”進(jìn)行了調(diào)整，改變了其噴油脈寬，從而調(diào)整了該車輛的空燃比，再次試驗(yàn)該車輛使用甲醇燃料時CO、HC、NO的排放量都有明顯下降。由此說明，“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”對燃料供應(yīng)量的合理調(diào)整，是甲醇汽車各項(xiàng)性能好壞的關(guān)鍵。

2.2.7 道路可靠性試驗(yàn)

除了對甲醇燃料汽車整車的動力性、燃料經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)外，筆者對該試驗(yàn)樣車行駛過程中各種故障進(jìn)行了跟蹤調(diào)研，做了仔細(xì)記錄，發(fā)現(xiàn)其使用過程中最大的問題就是油泵容易損壞。對損壞的油泵進(jìn)行了解體，發(fā)現(xiàn)油泵電極插片腐蝕嚴(yán)重，負(fù)極碳刷表面有大量金屬沉積物，油泵內(nèi)部橡膠件有溶脹現(xiàn)象等，分析故障原因主要有兩點(diǎn)。

2.2.7.1 金屬零件的電化學(xué)腐蝕

甲醇是極性溶劑，通電后會對金屬零件產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，在油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時，通電的電極插片，容易與甲醇發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕電極插片。油泵工作時，其碳刷負(fù)極極易吸附游離的金屬離子并使其沉積于碳刷表面，隨著沉積物的積累，碳刷和換向器之間接觸不良，導(dǎo)致電樞轉(zhuǎn)速急劇下降，甚至斷路，使油泵無法工作[1]。

為了避免上述電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，減少燃料中金屬離子的含量，必須加強(qiáng)系統(tǒng)中金屬零件的防腐處理。負(fù)極碳刷沉積物中主要金屬離子成份是銅和鋅，所以防腐的重點(diǎn)在于減少整個油路系統(tǒng)中材料為銅和鋅的零件，或者避免出現(xiàn)裸露的銅和鋅。筆者認(rèn)為應(yīng)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使銅基體也完全密封在了換向器塑料基體中，從而使得插片和燃油完全隔離開來達(dá)到防腐的目的。

2.2.7.2 非金屬材料的溶脹

甲醇是一種有機(jī)溶劑，分子質(zhì)量小，分子結(jié)構(gòu)簡單，比汽油更易滲透到塑料、橡膠等非金屬零件中[1]，對油泵電樞疊片間用于絕緣的樹脂類材料，插片和支撐罩之間密封的膠水等，有溶漲和龜裂作用。所以需要改變油泵使用的非金屬材料或者優(yōu)化設(shè)計(jì)以避免溶漲。

3 結(jié)語

由于甲醇燃料熱值低，使用大比例甲醇燃料時必須在噴油嘴和原車電腦之間安裝“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”，來改變噴油脈寬，增加燃料供應(yīng)量。如果甲醇ECU調(diào)節(jié)的燃料供應(yīng)量過大，甲醇的動力性會較好，但燃料的替代比較高，影響甲醇燃料的經(jīng)濟(jì)性；同時甲醇燃料在發(fā)動機(jī)內(nèi)是否完全燃燒，也影響發(fā)動機(jī)的排放。所以影響甲醇燃料汽車性能的關(guān)鍵是“甲醇/汽油燃料靈活轉(zhuǎn)換裝置（甲醇ECU）”，如果甲醇燃料的供應(yīng)量調(diào)到最佳狀態(tài)，甲醇燃料汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性會有較佳表現(xiàn)，能滿足車輛使用要求。

另外，甲醇燃料汽車使用過程中最大的問題是汽油泵容易損壞，針對甲醇燃料對金屬零件的電化學(xué)腐蝕和非金屬材料的溶脹這兩大缺陷，油泵生產(chǎn)廠家應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，同時盡量采取抗溶脹性較好的材料，來降低汽油泵的故障率。