烴類添加劑改善M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的試驗(yàn)研究

王燕鵬， 王忠， 張登攀， 居鈺生， 張永銘， 洪建海

(1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063)

?

烴類添加劑改善M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的試驗(yàn)研究

王燕鵬1， 王忠1， 張登攀1， 居鈺生2， 張永銘2， 洪建海2

(1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 中國一汽無錫油泵油嘴研究所， 江蘇 無錫 214063)

針對M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下起動(dòng)困難的問題，在M100甲醇中添加烴類添加劑，改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性能。按體積比在M100甲醇中分別添加15%汽油、8.5%異戊烷、10%石油醚作為添加劑，采用試驗(yàn)的方法測量了-20 ℃，-10 ℃，0 ℃三種環(huán)境溫度下，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。結(jié)果表明：甲醇中添加15%的汽油、8.5%的異戊烷、10%的石油醚， -20 ℃時(shí)M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間小于3.5 s，在-10 ℃時(shí)起動(dòng)時(shí)間小于2.5 s，在0 ℃時(shí)起動(dòng)時(shí)間小于1.5 s；環(huán)境溫度為-10 ℃時(shí)，增大首循環(huán)噴射脈寬有利于縮短起動(dòng)時(shí)間，首循環(huán)噴射脈寬從110 ms增大到130 ms，添加上述比例添加劑后，M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間分別縮短0.2 s，0.2 s，0.05 s。

甲醇； 冷起動(dòng)； 燃料添加劑

甲醇是一種可再生、可持續(xù)發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，具有原料來源豐富、生產(chǎn)工藝成熟、儲(chǔ)運(yùn)安全等優(yōu)點(diǎn)，有良好的應(yīng)用前景。甲醇分子含氧量高達(dá)50%，可以實(shí)現(xiàn)無煙燃燒，且H/C比高，有利于降低碳排放[1-3]。2014年，工信部將甲醇汽車的試點(diǎn)由 “兩省一市”擴(kuò)大為“四省一市”，推廣甲醇汽車的應(yīng)用。

甲醇是單一沸點(diǎn)成分物質(zhì)，飽和蒸氣壓低，在北方冬季，較低的環(huán)境溫度下，甲醇的蒸發(fā)量不足，壓縮終了時(shí)甲醇-空氣混合氣無法達(dá)到著火的最低限值，發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。宮長明等人研究了環(huán)境溫度對電噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)首循環(huán)起動(dòng)著火性能的影響，當(dāng)環(huán)境溫度低于16 ℃時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)“即噴即著”的起動(dòng)[4]。對于M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，常采用輔助措施改善燃料的蒸發(fā)和霧化，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性能。這些措施主要有：向甲醇中加入易揮發(fā)的組分，如異戊烷、石油醚、汽油等以提高燃料的蒸氣壓；使甲醇在催化劑的作用下高溫裂解成CO和H2[5]；設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)，增加甲醇的蒸發(fā)量。宮長明等在一臺單缸四行程汽油機(jī)上利用兩套獨(dú)立的電噴系統(tǒng)分別噴射甲醇和LPG，研究了不同噴射量、噴射正時(shí)對甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明，摻燒LPG可以使甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在-13 ℃以上環(huán)境溫度下可靠燃燒[6]。朱建軍等人設(shè)計(jì)了包括甲醇蒸發(fā)器和控制系統(tǒng)的甲醇蒸發(fā)冷起動(dòng)系統(tǒng)，使純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在0 ℃時(shí)成功起動(dòng)[7]。

本研究采用在甲醇中加入易揮發(fā)烴類的措施，選擇汽油、異戊烷、石油醚作為添加劑，按體積比分別在甲醇中添加15%汽油、8.5%異戊烷、10%石油醚，在低溫起動(dòng)試驗(yàn)室進(jìn)行了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)試驗(yàn)，考察了不同添加劑對甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響。

1 影響甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的因素

1.1 汽化潛熱

甲醇是一種強(qiáng)極性物質(zhì)，分子間通過氫鍵結(jié)合，在汽化時(shí)需要吸收較多的熱量才能打破這種締合作用，因此，甲醇具有較高的汽化潛熱，約為汽油汽化潛熱的3倍。若從發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，應(yīng)考慮燃料-空氣形成單位質(zhì)量混合氣所需的熱量，甲醇和汽油在各自化學(xué)計(jì)量空燃比下與空氣形成混合氣所吸收的熱量如下：

(1)

式中：Q汽為汽油-空氣混合氣吸收的熱量；q汽為汽油的汽化潛熱；l汽為汽油的化學(xué)計(jì)量空燃比。

(2)

式中：Q甲為甲醇-空氣混合氣吸收的熱量；q甲為甲醇的汽化潛熱；l甲為甲醇的化學(xué)計(jì)量空燃比。

可以看出，甲醇、汽油分別與空氣形成單位質(zhì)量的化學(xué)計(jì)量空燃比混合氣時(shí)，甲醇-空氣吸收的熱量為汽油-空氣的7倍多，因此，甲醇在蒸發(fā)過程中需吸收更多的熱量。

燃料的蒸發(fā)會(huì)降低混合氣的溫度，假定蒸發(fā)過程絕熱，燃料在液態(tài)和氣態(tài)時(shí)有相同的比定壓熱容，燃料與空氣溫度相同，利用燃料平衡方程可求得燃料蒸發(fā)引起的降溫Δt：

(3)

式中：x為已蒸發(fā)燃料量的百分?jǐn)?shù)；γ為燃料的汽化潛熱；cpa，cpt分別為空氣及燃料的比定壓熱容，cpa=1 kJ/(kg·K)；λ為過量空氣系數(shù)；L0為燃料的理論空燃比。15 ℃時(shí)，汽油、甲醇的比熱容分別為2.1 kJ/(kg·K)，2.51 kJ/(kg·K)。

汽油、甲醇分別與空氣混合形成理論空燃比混合氣，汽油-空氣混合氣的溫度下降約20 ℃，甲醇-空氣混合氣的溫度下降約122 ℃，甲醇在蒸發(fā)過程中對混合氣的降溫作用更為顯著，較低溫度的混合氣難以被點(diǎn)燃。

1.2 飽和蒸氣壓

燃油蒸氣的濃度在著火界限范圍內(nèi)才能著火，著火界限通常用空氣中可燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示，甲醇的最低著火界限為0.06，最高著火界限為0.36。20 ℃時(shí)甲醇的飽和蒸氣壓為12.8 kPa，0 ℃時(shí)甲醇的飽和蒸氣壓僅為3.9 kPa，飽和蒸氣壓的下降抑制了甲醇的蒸發(fā)，使得進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣中甲醇蒸氣量減少；缸內(nèi)較低的溫度、壓力也不利于進(jìn)入氣缸的甲醇液滴的蒸發(fā)，因此，環(huán)境溫度越低，冷起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)混合氣中甲醇蒸氣的濃度越低，若點(diǎn)火時(shí)燃燒室中甲醇蒸氣的體積分?jǐn)?shù)低于著火極限，燃燒也無法正常進(jìn)行。

1.3 引燃溫度

甲醇的閃點(diǎn)和引燃溫度分別為11 ℃和385 ℃，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣的溫度高于燃料的閃點(diǎn)才有著火的可能。在不同的環(huán)境溫度下，僅依靠活塞壓縮工質(zhì)產(chǎn)生的熱量能使氣缸內(nèi)的工質(zhì)溫度上升15～20 ℃，甲醇蒸發(fā)對混合氣的降溫作用遠(yuǎn)大于壓縮對混合氣的加熱作用，又由于甲醇的閃點(diǎn)較高，在較低的環(huán)境溫度下，如果壓縮終點(diǎn)混合氣的溫度低于甲醇的閃點(diǎn)，燃燒就不能正常進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)很難成功起動(dòng)。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)在一臺由直列4缸、4氣門電噴汽油機(jī)改裝成的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)主要儀器有EATS ES630空燃比儀、TeKtronix DPO4034示波器和A622電流探頭。為了排除蓄電池對試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用12 V穩(wěn)壓電源為起動(dòng)電機(jī)供能。全部試驗(yàn)在低溫起動(dòng)試驗(yàn)室完成，制冷機(jī)組的型號為DJ14.3/85，環(huán)境溫度的控制誤差為±1 ℃。

表1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)選擇了3種添加劑：汽油、異戊烷、石油醚。異戊烷又稱2-甲基丁烷，是一種無色透明易揮發(fā)液體，極度易燃。石油醚是一種無色透明液體，為輕質(zhì)石油產(chǎn)品，主要為戊烷和己烷的混合物，據(jù)沸程的不同可以分為不同的規(guī)格。各種物質(zhì)的主要理化性質(zhì)見表2。按體積比分別在甲醇中加入15%的汽油、8.5%的異戊烷、10%的石油醚，分別記為A1，A2，A3。試驗(yàn)時(shí)，通過制冷機(jī)組降低環(huán)境溫度，選擇的試驗(yàn)溫度分別為-20 ℃，-10 ℃，0 ℃，當(dāng)冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度與環(huán)境溫度一致時(shí)，進(jìn)行冷起動(dòng)試驗(yàn)。各溫度下甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用每種燃料均進(jìn)行3次冷起動(dòng)試驗(yàn)，用示波器分別記錄瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火及爆震信號，用空燃比儀測量排氣氧濃度；在-10 ℃時(shí)調(diào)整首循環(huán)噴射脈寬分別為110 ms，120 ms，130 ms，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

表2 燃料的理化性質(zhì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 添加劑對起動(dòng)時(shí)間的影響

各環(huán)境溫度下，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用A1，A2，A3分別進(jìn)行3次冷起動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)均能成功起動(dòng)，成功率很高。本研究均選擇第一次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果作為分析依據(jù)。不同環(huán)境溫度下，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用A1，A2，A3成功起動(dòng)所需的時(shí)間見圖1?？梢钥闯?，加入添加劑后，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的起動(dòng)得到了改善，在-20 ℃時(shí)均可以成功起動(dòng)。隨環(huán)境溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)所需的時(shí)間增加，且溫度越低，起動(dòng)時(shí)間增幅越大，環(huán)境溫度為0 ℃，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用A1，A2，A3所需的起動(dòng)時(shí)間分別為1.3 s，1.2 s，0.9 s，當(dāng)溫度降低到-20 ℃，相應(yīng)的起動(dòng)時(shí)間分別增加到3.4 s，2.8 s，2.2 s。甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用A3在各環(huán)境溫度下的起動(dòng)時(shí)間均最短，即添加石油醚對M100甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的起動(dòng)性能改善效果最好。

燃料蒸發(fā)性能的評價(jià)指標(biāo)是餾程和蒸氣壓，餾程中的10%餾出溫度代表了燃料輕質(zhì)成分的多少，對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能有重要影響。汽油、異戊烷、石油醚中含有輕質(zhì)烴類，與甲醇混合后燃料的10%餾出溫度比M100低得多，改善了燃料的蒸發(fā)性能；烴類為非極性物質(zhì)，分子間靠色散力相互作用，甲醇是極性物質(zhì)，分子間的氫鍵決定其理化性質(zhì)，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[8]，也利于提高燃料的蒸發(fā)性能；更多的燃料蒸發(fā)并與空氣混合進(jìn)入氣缸，達(dá)到了著火界限，更易于著火。因此，在甲醇中添加汽油、異戊烷、石油醚有助于改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境下的起動(dòng)性能。

3.2 添加劑對起動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的影響

環(huán)境溫度分別為0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用A1，A2，A3在冷起動(dòng)階段的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化見圖2。

從圖2可以看出，環(huán)境溫度越低，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)前所經(jīng)歷的拖動(dòng)時(shí)間越長。環(huán)境溫度為0 ℃和-10 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速在200～400 r/min范圍內(nèi)波動(dòng)；環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)呈增大趨勢。在成功起動(dòng)前，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線中都存在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速突然升高然后又立刻下降的峰狀曲線，且溫度越低，峰狀曲線出現(xiàn)的次數(shù)越多。這是由于缸內(nèi)部分區(qū)域發(fā)生了著火，電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被壓縮的混合氣溫度升高，部分熱量傳遞給缸壁及活塞，缸內(nèi)溫度逐漸上升，燃料的蒸發(fā)量也逐漸增加，缸內(nèi)混合氣的濃度達(dá)到著火界限，具備了著火的條件，火花塞跳火后，混合氣被點(diǎn)燃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高；由于此時(shí)缸壁溫度較低，甲醇的汽化潛熱大，初期缸內(nèi)的著火現(xiàn)象只能在燃燒室局部區(qū)域間斷發(fā)生，這種間斷性的著火使得缸內(nèi)溫度和混合氣中燃料的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，增加到某一程度后，火花塞跳火產(chǎn)生的火焰能迅速傳遍整個(gè)燃燒室，缸內(nèi)的燃燒能可靠地進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)[9]。

3.3 首循環(huán)噴射量的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低，波動(dòng)較大，測得的進(jìn)氣壓力誤差較大，因此，當(dāng)ECU判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)工況時(shí)，會(huì)根據(jù)冷卻液溫度查出相應(yīng)的噴射脈寬，然后根據(jù)蓄電池電壓和進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正，得到起動(dòng)時(shí)的噴射脈寬。電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的最初1～2個(gè)循環(huán)會(huì)噴射數(shù)倍于實(shí)際所需燃油量的燃油，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠盡快點(diǎn)火。圖3示出了原始脈譜中首循環(huán)噴射量隨冷卻液溫度的變化趨勢。當(dāng)冷卻液溫度低于15 ℃時(shí)，首循環(huán)噴射脈寬快速上升；-20 ℃時(shí)的噴射脈寬約為20 ℃時(shí)噴射脈寬的15倍。由此可見，首循環(huán)噴射量影響油膜平衡的建立及起動(dòng)階段空燃比的控制。

環(huán)境溫度為-10 ℃，改變首循環(huán)噴射脈寬，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分別燃用A1，A2，A3的起動(dòng)時(shí)間見圖4。

可以看出，隨首循環(huán)噴射脈寬的增加，起動(dòng)時(shí)間呈下降趨勢。首循環(huán)噴射脈寬從110 ms增大到130 ms，燃用A1，A2，A3的起動(dòng)時(shí)間分別從1.9，1.7，1.3 s降為1.7，1.5，1.25 s，分別縮

短0.2，0.2，0.05 s。增大首循環(huán)噴射脈寬，進(jìn)入氣道的燃料增加，燃料中的汽油、異戊烷、石油醚的蒸發(fā)性能較好，先于甲醇蒸發(fā)，使得更多的烴類與空氣混合，形成的混合氣當(dāng)量比增加，缸內(nèi)點(diǎn)火成功的可能性增大，因此，增大噴射脈寬有利于降低起動(dòng)時(shí)間。

4 結(jié)論

a) 在甲醇中加入汽油、異戊烷、石油醚可以改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，使用添加劑后甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在-20 ℃起動(dòng)時(shí)間小于3.5 s，在-10 ℃時(shí)的起動(dòng)溫度小于2.5 s，在0 ℃時(shí)的起動(dòng)時(shí)間小于1.5 s;

b) 增大首循環(huán)噴射脈寬可以縮短甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的起動(dòng)時(shí)間，環(huán)境溫度為-10 ℃，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃用分別添加汽油、異戊烷、石油醚的甲醇燃料，當(dāng)首循環(huán)噴射脈寬從110 ms增大到130 ms時(shí)，起動(dòng)時(shí)間分別縮短了0.2，0.2，0.05 s。

[1] Celik M B.The use of pure methanol as fuel at high compression ratioin a single cylinder gasoline engine[J].Fuel,2011，90(4)：1591-1598.

[2] 王艷華,鄭國璋.甲醇燃料在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2005，26(2):22-25.

[3] 汪洋,王靜，史春濤，等.甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007，25(1):73-76.

[4] 宮長明，王舒，劉家郡，等.環(huán)境溫度對點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(1)：27-32.

[5] Bo Zhang，Changwei Ji.Investigation on the cold start characteristics of a hydrogen-enriched methanol engine[J].Int J Hydrogen Energy，2014,39：4466-4471.

[6] 宮長明，李朝暉，屈翔，等.點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)臨界著火邊界[J/OL].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，http://www.cnki.net/kcms/detail/22.1341.T.20150901.1114.002.html.

[7] 朱建軍，寇子明，王淑平，等.純甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)系統(tǒng)的研究[J].汽車工程,2011,33(4)：298-302.

[8] 張娟利，楊天華.甲醇汽油理化特性的檢測分析與系統(tǒng)研究[J].當(dāng)代化工，2014，43(2)：174-177.

[9] 崔心存.醇燃料與靈活燃料汽車[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.Experimental Investigation on Improving Cold Start of M100 Methanol Engine with Hydrocarbon Addition

[編輯： 姜曉博]

WANG Yanpeng1， WANG Zhong1, ZHANG Dengpan1， JU Yusheng2，ZHANG Yongming2， HONG Jianhai2

(1. School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute， Wuxi 214063， China)

For the difficult start problems of M100 methanol engine at low temperature, methanol was mixed with hydrocarbon additive. With the prepared methanol blended fuel mixed with 15% gasoline, 8.5% isopentane and 10% petroleum ether, the cold start performance of methanol engine at -20 ℃，-10 ℃，0 ℃ was studied respectively. The results show that methanol engine fueled with blended fuel can start within 3.5 s, 2.5 s and 1.5 s in turn at three different temperatures. At -10 ℃, increased initial injection width is helpful to accelerate the start process and the start time can shorten by 0.2 s, 0.2 s and 0.05 s respectively when the initial injection width increases from 110 ms to 130 ms.

methanol; cold start; fuel additive

2015-10-26；

2015-11-15

江蘇省高校自然科學(xué)基金(08KJA470001)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ13-0672，KYLX-1035)；2011年江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程(蘇政發(fā)辦[2011]6號)

王燕鵬(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榇萌剂系膽?yīng)用與研究；wypujs@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.015

U473.5

B

1001-2222(2016)03-0079-04