甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)措施試驗(yàn)研究

袁寶良 洪建海 孫呈祥 楊實(shí)秋 夏少華 居鈺生

（中國(guó)一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)措施試驗(yàn)研究

袁寶良 洪建海 孫呈祥 楊實(shí)秋 夏少華 居鈺生

（中國(guó)一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

針對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的低溫冷起動(dòng)問題，通過詳細(xì)分析其冷起動(dòng)困難的原因，提出多種甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)技術(shù)措施，并對(duì)主要的技術(shù)措施進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用進(jìn)氣道加熱、噴射器加熱和進(jìn)氣滾流措施都在一定程度上改善了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能；通過改變?nèi)剂辖M分可有效提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，M70和M85高比例甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在-25℃低溫下能夠順利冷起動(dòng)。

1 前言

甲醇燃料應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅甲醇燃料具有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)也有較高的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和低排放優(yōu)勢(shì)。但是，也帶來了一些問題，如對(duì)橡膠材料的溶脹性、對(duì)金屬材料的腐蝕性、發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷起動(dòng)性能等，尤其突出的問題是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷起動(dòng)性能，針對(duì)這個(gè)影響甲醇汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題，本文分析其原因并針對(duì)提高冷起動(dòng)性能的主要措施進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的主要原因分析

影響甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的原因有多種，最主要和直接的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)刻的混合氣濃度和溫度。

2.1 甲醇混合氣的濃度

在點(diǎn)火時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞附近甲醇混合氣的濃度是影響甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的關(guān)鍵因素，而燃料的蒸氣壓是影響甲醇混合氣濃度的關(guān)鍵參數(shù)。甲醇的雷德蒸氣壓為32 kPa，而冬季用國(guó)Ⅴ汽油的蒸氣壓為45～85 kPa[1]，故甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能不如汽油。在低溫時(shí)甲醇的蒸氣壓更低，使得甲醇的低溫?fù)]發(fā)性比汽油更差，在一定溫度下，如果形成的缸內(nèi)甲醇混合氣濃度達(dá)不到最低著火極限，發(fā)動(dòng)機(jī)就難以起動(dòng)。如圖1所示，如果甲醇混合氣的濃度低于著火下限，混合氣就不在著火區(qū)域，難以著火。

圖1 甲醇燃料的著火特性

2.2 甲醇混合氣的溫度

甲醇的汽化潛熱是1 100 kJ/kg，汽油的汽化潛熱大約是310 kJ/kg，甲醇的汽化潛熱約是汽油的3.5倍，同時(shí)汽油的熱值是甲醇的2倍，如果發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到相同的功率，需要噴射的甲醇量是汽油的2倍，那么達(dá)到相同的功率甲醇蒸發(fā)吸收的熱量是汽油的7倍，缸內(nèi)甲醇混合氣的溫降是汽油的7倍。在正常運(yùn)行工況，高汽化潛熱可以降低缸內(nèi)溫度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有利，而在冷起動(dòng)工況卻成了不利因素，降低了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。由圖1可知，如果發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)甲醇混合氣溫度低于8℃，即使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴入再多的甲醇，甲醇蒸氣濃度也達(dá)不到著火標(biāo)準(zhǔn)，混合氣就難以進(jìn)入著火區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)難以起動(dòng)。

3 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)措施

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及試驗(yàn)

試驗(yàn)用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是4缸2 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如表1所列。發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)試驗(yàn)都是在冷起動(dòng)試驗(yàn)室進(jìn)行，整車?yán)淦饎?dòng)試驗(yàn)是在內(nèi)蒙古牙克石市冬季高寒環(huán)境下進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)措施

甲醇混合氣的溫度和濃度是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)，因此提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的關(guān)鍵措施就圍繞這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。提高發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣溫度的措施主要有：進(jìn)氣加熱、燃料加熱、提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比等[2]。提高發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度的措施主要有：改變?nèi)剂咸匦?、提高噴射壓力、提高進(jìn)氣滾流比等。另外，優(yōu)化進(jìn)氣、噴油、點(diǎn)火的控制策略也是提高冷起動(dòng)性能的重要措施。綜合利用這些措施可以提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。

進(jìn)氣加熱的措施較多，有進(jìn)氣管加熱、進(jìn)氣道加熱、在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)噴射熱空氣等措施。進(jìn)氣管加熱的空氣距離氣缸相對(duì)較遠(yuǎn)，不能直接作用于冷起動(dòng)的最初循環(huán)，并且沿途有大量熱損失，加熱效果不佳。進(jìn)氣道加熱的加熱器直接加熱發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣，加熱后的空氣促進(jìn)噴入氣道的燃料霧化和蒸發(fā)，混合氣可直接作用于起動(dòng)循環(huán)，響應(yīng)相對(duì)較快，但是加熱器加熱溫度和時(shí)間需要控制，以免加熱器點(diǎn)燃進(jìn)氣道內(nèi)的混合氣。這種加熱措施加熱效果相對(duì)較好。也有將部分空氣加熱后再吸入進(jìn)氣系統(tǒng)的措施，但是這種措施相對(duì)復(fù)雜，成本高，不宜作為市場(chǎng)應(yīng)用的產(chǎn)品。

燃料加熱的措施有油軌加熱和噴射器加熱。油軌加熱分軌內(nèi)加熱和軌外加熱兩種措施，軌外加熱對(duì)軌內(nèi)的燃料加熱速度慢，熱損耗較多，效果不佳。軌內(nèi)加熱效果相對(duì)較好，但是加熱的燃料不在噴射器內(nèi)，不能直接噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)的最初起動(dòng)循環(huán)，同時(shí)加熱器與燃料直接接觸又帶來較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，不宜作為產(chǎn)品應(yīng)用于市場(chǎng)。噴射器加熱效果相對(duì)較好，噴射器加熱的加熱速度快，并且可以連續(xù)加熱，加熱的燃料直接噴射在氣道內(nèi)，直接作用于起動(dòng)循環(huán)，響應(yīng)快，目前市場(chǎng)上已有加熱噴射器相關(guān)產(chǎn)品。

進(jìn)氣加熱和燃料加熱分別用于提高空氣和燃料的溫度，而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比可有效提高甲醇空氣混合氣的溫度，效果較好。甲醇燃料的辛烷值較高，可適當(dāng)提高甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，不僅有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，而且可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比從10提高到12，假定多變指數(shù)為1.32，缸內(nèi)的初始溫度為25℃，缸內(nèi)的理論壓縮溫度可從350℃提高到387℃，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能。

改變?nèi)剂咸匦缘拇胧┯泻芏啵皇窃诩状贾刑砑悠驼{(diào)配成甲醇汽油燃料，二是在甲醇燃料中添加高揮發(fā)性組分。目前我國(guó)已經(jīng)制定了M85甲醇燃料的標(biāo)準(zhǔn)，M85甲醇燃料的蒸氣壓高于純甲醇燃料并且與汽油較接近，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)[3]。美國(guó)材料協(xié)會(huì)頒布了ASTM D5797-2007標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了M70、M80、M85 3種燃料，在不同地區(qū)和不同季節(jié)采用不同比例的燃料解決冷起動(dòng)問題[4]。一般情況下，在甲醇燃料中摻入的汽油比例越高，燃料的蒸氣壓越高，越利于發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)。在甲醇燃料中摻入異戊烷、石油醚等高揮發(fā)性的組分可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸氣壓使其達(dá)到汽油的蒸氣壓水平，但目前我國(guó)沒有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

提高發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射壓力的措施主要有降低燃料的噴霧粒徑，增加液體燃料的表面積，提高燃料的蒸發(fā)速度，提高缸內(nèi)混合氣的濃度使其達(dá)到著火需求，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。

在進(jìn)氣管安裝進(jìn)氣滾流閥可以有效提高進(jìn)氣滾流比，如圖2所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況，進(jìn)氣滾流措施開啟，進(jìn)氣流動(dòng)速度增加，進(jìn)氣滾流比提高，在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程，隨著活塞的上升，滾流逐漸轉(zhuǎn)化為湍流，湍流通過物質(zhì)輸運(yùn)促進(jìn)燃料的蒸發(fā)以及蒸氣和空氣的混合，燃料蒸發(fā)速率提高，可縮短混合氣濃度達(dá)到著火條件的時(shí)間，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能。

圖2 進(jìn)氣滾流

針對(duì)上述冷起動(dòng)措施進(jìn)行分析后，選擇部分效果相對(duì)較好的冷起動(dòng)措施進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證多種冷起動(dòng)措施的效果。采取冷起動(dòng)措施一是要解決發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下能否起動(dòng)的問題，二是要縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間，冷起動(dòng)時(shí)間短，不僅能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，而且可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放，這是因?yàn)槔淦饎?dòng)時(shí)間縮短說明發(fā)動(dòng)機(jī)未著火的循環(huán)數(shù)減少，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的未燃HC減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)排放降低。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)可分為4個(gè)階段：預(yù)動(dòng)作階段、起動(dòng)階段、穩(wěn)定階段、暖機(jī)階段。預(yù)動(dòng)作階段是指從起動(dòng)操作開始到開始轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸瞬間的階段。起動(dòng)階段是指發(fā)動(dòng)機(jī)靠外力拖動(dòng)曲軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)直至自行運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速開始持續(xù)上升的階段。因?yàn)槠饎?dòng)階段決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)的能力，因此重點(diǎn)分析起動(dòng)階段，一般穩(wěn)定階段和暖機(jī)階段通過標(biāo)定可以滿足要求，在此不做分析。

4.1 噴射策略對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

優(yōu)化噴射策略，可使缸內(nèi)甲醇混合氣達(dá)到能夠著火最優(yōu)濃度，實(shí)現(xiàn)一定溫度下冷起動(dòng)。冷起動(dòng)循環(huán)噴射脈寬如圖3所示。可知，噴射脈寬隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的變化而變化。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越低，燃料的蒸氣壓越低，燃料蒸發(fā)量越少，為了獲得足夠的燃料蒸氣，燃料噴射脈寬需要增大。起動(dòng)階段初始循環(huán)噴射量大，然后逐漸減小，直至怠速循環(huán)，圖3中第1循環(huán)的燃料量大于第5循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度越高差別越小。

圖3 冷起動(dòng)循環(huán)噴射脈寬

圖4～圖6為M85甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)階段的隨循環(huán)數(shù)變化的噴射脈寬，起動(dòng)階段的過量空氣系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其中3種噴射脈寬方案中方案1的噴射脈寬最大，方案2的噴射脈寬最小。由圖5和圖6可以看出，方案3的過量空氣系數(shù)在1 s內(nèi)降到0.7以下，混合氣達(dá)到著火濃度，該方案的起動(dòng)時(shí)間最短，方案1和方案2的起動(dòng)時(shí)間較接近。由此可見，冷起動(dòng)時(shí)并非噴射的燃料越多越利于冷起動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)噴射的燃料少，甲醇的揮發(fā)量達(dá)不到混合氣能夠著火的濃度，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；如果噴射量太大，甲醇蒸發(fā)吸熱較大，導(dǎo)致混合氣溫度降低，反而不利于甲醇蒸發(fā)，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并且導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放高。因此，冷起動(dòng)階段燃料噴射量需要進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能達(dá)到最佳。

圖4 起動(dòng)循環(huán)的噴射脈寬

圖5 起動(dòng)階段的過量空氣系數(shù)

圖6 起動(dòng)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

4.2 燃料組分對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

4.2.1 M85甲醇燃料

目前國(guó)家已經(jīng)制定了M85甲醇燃料的標(biāo)準(zhǔn)，M85燃料是甲醇燃料中加入易揮發(fā)的15%的汽油以及一些添加劑調(diào)配而成，其蒸氣壓比純甲醇燃料高得多，著火性能也較好。M85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冬季（11月1日～4月30日）用甲醇燃料的蒸氣壓小于78 kPa，而冬季用國(guó)Ⅴ汽油的蒸氣壓為45～85 kPa。北方冬季用甲醇燃料蒸氣壓能夠達(dá)到78 kPa，其與汽油的蒸氣壓較接近。如果汽油能夠低溫下正常起動(dòng)，一般情況下，甲醇燃料也能夠起動(dòng)。甲醇是單一燃料，其蒸氣壓不變，而汽油是多組分燃料，不同地域不同季節(jié)汽油的蒸氣壓也不同，北方用的汽油蒸氣壓相對(duì)較高，而南方高溫地區(qū)為了防止氣阻一般蒸氣壓相對(duì)較低。在北方使用當(dāng)?shù)厝剂险{(diào)配的M85燃料-25℃下發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)，而在南方則可能難以起動(dòng)。在江蘇地區(qū)，采用當(dāng)?shù)厝剂险{(diào)配的M85燃料一般在-10～-20℃下發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)。

圖7為在江蘇地區(qū)采用冬季用汽油和當(dāng)?shù)刭?gòu)買的甲醇燃料調(diào)配的M85燃料在冷起動(dòng)試驗(yàn)室-20℃冷起動(dòng)情況?？芍?，發(fā)動(dòng)機(jī)在2.3 s內(nèi)，過量空氣系數(shù)降低到0.8以下，缸內(nèi)混合氣濃度達(dá)到著火條件，3.2 s之后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定迅速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。

圖7 M85在-20℃冷起動(dòng)情況

圖8是M85甲醇車在內(nèi)蒙古牙克石市進(jìn)行的冬季冷起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用當(dāng)?shù)氐钠秃图状既剂险{(diào)配的M85燃料在-25℃下3 s內(nèi)可以順利冷起動(dòng)。圖8中的起動(dòng)轉(zhuǎn)速比較平順，主要是因?yàn)樵谲嚿鲜艿綏l件限制，數(shù)據(jù)采集的頻率較低。

圖8 M85甲醇車在-25℃冷起動(dòng)數(shù)據(jù)

4.2.2 M70甲醇燃料

M70以上的高比例甲醇燃料的互溶性較好，抗吸水能力也較好。M70蒸氣壓較高，是冬季用甲醇燃料的合理選擇。

圖9是在江蘇地區(qū)配制的M70燃料在冷起動(dòng)試驗(yàn)室-25℃下發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)情況?？芍?，發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后兩個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)速開始上升，說明某一缸已經(jīng)著火，但是其它缸沒有著火或者其它缸燃燒發(fā)出的功率較小，轉(zhuǎn)速上升后又開始下降，到第5個(gè)循環(huán)開始第2缸缸內(nèi)壓力突然升高，第2缸開始著火，到2.5 s后轉(zhuǎn)速不再下降，說明4個(gè)缸全部著火，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到1 500 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。因此，M70燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)性能較好。

圖9 M70在-25℃冷起動(dòng)情況

我國(guó)車用汽油國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冬季汽油的蒸氣壓為45～85 kPa。美國(guó)規(guī)定M70甲醇燃料的蒸氣壓為83～103 kPa?？梢?，美國(guó)M70燃料的蒸氣壓比中國(guó)國(guó)Ⅴ汽油的蒸氣壓整體要高。按照此M70標(biāo)準(zhǔn)，M70發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能不低于國(guó)Ⅴ汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能。

4.2.3 含8.5%異戊烷甲醇燃料

甲醇燃料中添加易揮發(fā)的組分可調(diào)整餾程曲線達(dá)到冬季用汽油同等的蒸氣壓力，提高冷起動(dòng)性能，表2為添加不同比例組分的甲醇燃料的理化特性?？芍?，添加8.5%異戊烷的甲醇燃料蒸氣壓可達(dá)0.09 MPa，添加10%石油醚的甲醇燃料蒸氣壓可達(dá)0.065 MPa。甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)可在低溫冷起動(dòng)時(shí)使用添加易揮發(fā)組分的甲醇燃料，正常工作工況下使用不帶添加劑的甲醇。

表2 幾種燃料組分的理化特性

含8.5%異戊烷甲醇燃料在-20℃冷起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和過量空氣系數(shù)如圖10所示?？芍?.6 s過量空氣系數(shù)降低到0.8以下，混合氣達(dá)到著火條件，約1.8 s轉(zhuǎn)速上升到1 700 r/min以上，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功。相對(duì)于M85甲醇燃料添加異戊烷的甲醇燃料在低溫下的揮發(fā)性較好，相應(yīng)的起動(dòng)時(shí)間縮短。

圖10 含8.5%異戊烷甲醇燃料在-20℃冷起動(dòng)數(shù)據(jù)

4.2.4 含10%石油醚甲醇燃料

圖11所示是發(fā)動(dòng)機(jī)采用含10%石油醚甲醇燃料在-20℃時(shí)的冷起動(dòng)情況?？芍?，起動(dòng)后2.2 s過量空氣系數(shù)降低到0.8以下，在2.4 s轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min并且開始穩(wěn)定上升，冷起動(dòng)成功。添加石油醚的甲醇燃料蒸氣壓比添加異戊烷甲醇燃料略低，起動(dòng)性能也稍低于添加異戊烷甲醇燃料。

圖11 含10%石油醚甲醇燃料在-20℃冷起動(dòng)數(shù)據(jù)

在甲醇燃料中添加高揮發(fā)性的組分有利于提高甲醇燃料的蒸氣壓，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，但是，可添加的組分的種類繁多，添加這些組分之后是否會(huì)帶來排放問題，高負(fù)荷是否會(huì)引起爆震等問題目前還沒有定論，并且目前還沒有制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能否使用燃料組分提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能需待商榷。

4.3 進(jìn)氣加熱對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

進(jìn)氣加熱又分為進(jìn)氣管加熱和進(jìn)氣道加熱，圖12是在節(jié)氣門處進(jìn)氣管上安裝加熱器在常溫時(shí)的加熱效果，加熱器用12 V電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流為11.7 A。電熱器加熱3 min，溫度從28℃上升到225℃，周圍空氣溫度從28℃上升到66℃，空氣溫度上升38℃。加熱器安裝在進(jìn)氣管上距離氣缸較遠(yuǎn)，對(duì)冷起動(dòng)初始幾個(gè)循環(huán)影響不大，而初始幾個(gè)循環(huán)是冷起動(dòng)的關(guān)鍵，并且沿途管路又有較大的熱損失，故這種加熱方式對(duì)冷起動(dòng)影響不大。如果進(jìn)氣管加熱器持續(xù)加熱，對(duì)后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)工況有效。

圖12 電加熱器加熱對(duì)空氣溫度的影響

進(jìn)氣道加熱效果相對(duì)較好，在進(jìn)氣道安裝電熱塞或其它加熱器，可快速加熱進(jìn)氣道內(nèi)的空氣，燃料噴入氣道內(nèi)可直接促進(jìn)燃料的蒸發(fā)，散熱損失也少。圖13是采用江蘇地區(qū)夏季用汽油調(diào)配的M85甲醇燃料在-18℃的發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)情況?？芍患訜釙r(shí)在-18℃發(fā)動(dòng)機(jī)難以起動(dòng)，而進(jìn)氣道加熱后，進(jìn)氣道溫度上升到約30℃，在第5個(gè)循環(huán)時(shí)即2.4 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)著火，在3 s冷起動(dòng)成功。一般情況下，采用進(jìn)氣道加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的最低冷起動(dòng)溫度可以降低3～5℃。

圖13 進(jìn)氣道加熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

4.4 燃料加熱對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

燃料加熱措施有多種，比較有效的是燃料噴射器直接加熱，在冷起動(dòng)階段和暖機(jī)階段在氣道內(nèi)直接噴射高溫燃料，增加燃料的蒸發(fā)量。

圖14是未噴射燃料時(shí)加熱噴射器的紅外攝影圖像?？芍訜釃娚淦鞅砻鏈囟瓤梢赃_(dá)到88.7℃。

圖14 進(jìn)氣道加熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

圖15是環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，燃料噴射器加熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的影響?？芍绻麌娚淦鞑患訜?，發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后3.1 s轉(zhuǎn)速上升到1 200 r/min以上并且穩(wěn)定上升，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功；噴射器加熱3 s后發(fā)動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后2 s，轉(zhuǎn)速上升到1 200 r/min并且穩(wěn)定上升，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功，加熱后發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)時(shí)間縮短1 s左右。雖然噴射器加熱對(duì)燃料的加熱效果較好，但是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量來說較少，甲醇在常壓下在65℃沸騰，燃料從加熱的噴射器噴出即可蒸發(fā)，燃料蒸發(fā)后由于受到空氣的冷卻而產(chǎn)生冷凝，這種加熱方法對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能的效果有限。一般采用噴射器加熱措施，可以降低5℃的最低冷起動(dòng)溫度。

圖15 噴射器加熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

4.5 進(jìn)氣滾流對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

圖16是環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，開啟和關(guān)閉滾流閥時(shí)進(jìn)氣滾流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響。進(jìn)氣滾流閥開啟時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后1 s，轉(zhuǎn)速上升到1 200 r/min以上，并且穩(wěn)定上升，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功，這是因?yàn)檫M(jìn)氣滾流增強(qiáng)，促進(jìn)燃料蒸發(fā)，短時(shí)間內(nèi)缸內(nèi)混合氣的濃度增加到著火下限，使得冷起動(dòng)時(shí)間縮短。進(jìn)氣滾流閥關(guān)閉時(shí)，缸內(nèi)的滾流減弱，燃料蒸發(fā)量減少，冷起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，在起動(dòng)后3.1 s，轉(zhuǎn)速上升到1 200 r/min以上，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)成功。在-10℃冷起動(dòng)，滾流閥開啟可使冷起動(dòng)時(shí)間縮短2 s左右。一般采用進(jìn)氣滾流閥，可以降低5～10℃的最低冷起動(dòng)溫度。

圖16 進(jìn)氣滾流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的影響

5 結(jié)論和建議

a.采用北方地區(qū)冬季用高蒸氣壓汽油調(diào)配的M85燃料可使發(fā)動(dòng)機(jī)在-25℃成功冷起動(dòng)，采用江蘇地區(qū)汽油調(diào)配的M85甲醇燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)可在-10～-20℃冷起動(dòng)；

b.在江蘇地區(qū)調(diào)配的M70甲醇燃料可以在-25℃成功冷起動(dòng)；

c.我國(guó)的甲醇燃料標(biāo)準(zhǔn)只有M85，沒有M70和M80，鑒于冬季用M70和M80甲醇燃料有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能，建議增加M70和M80標(biāo)準(zhǔn)；

d.在甲醇燃料中添加高揮發(fā)性的組分（如石油醚和異戊烷），可有效提高冷起動(dòng)性能，但是目前沒有相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；

e.采用進(jìn)氣管加熱對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性能影響不大，進(jìn)氣道加熱措施可以縮短冷起動(dòng)時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)最低冷起動(dòng)溫度降低3～5℃；

f.采用冷起動(dòng)階段進(jìn)氣滾流措施可促進(jìn)甲醇燃料的蒸發(fā)以及與空氣的混合，縮短冷起動(dòng)時(shí)間，降低最低冷起動(dòng)溫度5～10℃。

1 GB 17930-2013車用汽油.

2 宮長(zhǎng)明，鄧寶清，王舒，等.預(yù)熱對(duì)電控噴射甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)著火特性的影響.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008,38（5）：1029～1033.

3 GB/T 23799-2009車用甲醇汽油（M85）.

4 ASTMD 5797-2007 Fuel Methanol(M70-M85)for Automo?bile Spark-Ignition Engines.

5 崔心存.醇燃料與靈活燃料汽車.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年4月1日。

Experimental Research on Low Temperature Start Measures of Methanol Engine

Yuan Baoliang,Hong Jianhai,Sun Chengxiang,Yang Shiqiu,Xia Shaohua,Ju Yusheng
（FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi,214063;）

To improve the cold start performance of methanol engine,this paper analyzes in details the cause of difficulty in cold start and proposes several technical measures to overcome this problem,and these measures had been implemented and tested.The experimental results show that,using inlet heating,injector heating and inlet tumble can improve cold start performance of methane engine to some extent;changing components of methanol fuel can improve cold start performance effectively.M70 or M85 high proportion methane engine can be started smoothly at-25°C.

Methanol engine,Cold start,M85,Inlet heating,Fuel heating

甲醇發(fā)動(dòng)機(jī) 冷起動(dòng) 進(jìn)氣加熱 燃料加熱

TK423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）10-0012-06