不同比例甲醇汽油掺烧性能试验研究

吴则旭，王银山，侯国强

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津300222）

0 前言

目前稳健良好的经济发展有力推动着我国汽车行业不断进步。2013年上半年，我国汽车产销量分别为817.84万辆和865.72万辆，并连续2年超越美国居世界第一，汽车保有量的剧增对我国原油供应造成极大压力。另一方面，国家对汽车尾气排放的限制要求也逐渐提高。我国近年来倡导节能减排并积极开发新能源，因此发展汽车代用燃料显得紧迫而有意义。

甲醇（CH3OH）是一种与汽油有着相似理化性质的燃料，分子结构组成简单，含氧百分比和辛烷值均较高，来源丰富，合成工艺简单，价格较低，被看作未来最有前景的石油替代燃料之一[1]，是比较理想的汽车代用燃料。但是，甲醇燃料在发动机上实际应用中也有一些问题，甲醇燃烧后会产生甲醛、乙醛等对人体有害的排放物[2]，另外甲醇冷起动性能较差、热值低、着火能力较差。而甲醇汽油掺烧可在一定程度上改善上述状况。

甲醇汽油通常以甲醇的含量来标记混合燃料，比如M20的混合燃料是标记体积分数为20%的甲醇和80%的汽油。本文主要介绍并探讨分析3种比例甲醇汽油（M10、M15和M50）与93＃汽油在GW491QE发动机上燃烧对比试验，选出能在GW491QE发动机上实际应用的合适掺烧比例甲醇汽油。

1 试验燃料、设备及方法

试验用基础燃料93＃汽油和甲醇的理化特性见表1。

表1 甲醇和汽油的几种理化性质对比

本试验用的是长城内燃机制造有限公司生产的GW491QE电喷汽油机，结构形式为四缸直列、四冲程、立式、水冷。主要性能参数：排量2.237L，气缸直径91mm，压缩比8.8∶1，最大输出功率78kw，额定功率转速4 800r／min，最大扭矩190N·m／2 800r／min，全负荷最低燃油消耗率270g·／（kw·h）。

本试验所用测试仪器设备：（1）发动机数控系统FST2E；（2）电涡流测功机CW160；（3）发动机尾气排放分析仪AVL－4000；（4）油耗仪FCMM－2；（5）发动机冷却液恒温装置。

所用试验量具：量筒：最大量程1 000mL，最小量程10mL；烧杯：最大量程500mL，最小量程25mL。

本次发动机台架试验系统见框图1。

图1 发动机台架试验装置图

试验条件要求：发动机保持在60N·m扭矩下进行速度特性试验研究；每次试验确保发动机达到正常工作温度，即出水温度为（65±5）℃，机油温度为（80±5）℃；整个试验中其他发动机性能参数不再做调整，工况稳定后进行试验。在发动机台架试验平台（如图2所示）上，GW491QE发动机分别燃用93＃汽油及3种比例的甲醇汽油，试验点转速选取5个测量点，进行台架测试和排放测试[3]，本试验对台架试验时排出的尾气，用AVL－4000排放分析仪进行分析检测，准确记录试验数据。这4种燃料均试验3次，最终数据取3次数据平均值，整理数据绘制曲线图。

图2 发动机台架试验平台

2 试验结果及分析

2.1 动力性与经济性对比分析

在GW491QE发动机上燃用 M10、M15、M50甲醇汽油与93＃汽油的动力性曲线分析图，如图3所示。

图3 60N·m时93＃汽油与M10、M15、M50功率对比

根据图3所示，发动机扭矩一直保持在60N·m，转速从1 000r／min到3 000r／min时，93＃汽油、M10、M15和M50彼此的功率基本相同，即在动力性方面甲醇汽油与93＃汽油基本保持一致。分析原因：一方面，由表1可知，甲醇的低热值不到汽油的一半，所以甲醇汽油混合燃料的热值较低，空燃比偏稀，输出转矩下降，并随着掺入甲醇的增加，转矩的降低幅度增加[4]。但是另一方面，甲醇汽油汽化潜热较大，大约是汽油的3倍，可以降低进气温度，增大充气效率；甲醇的火焰传播速度快[5]，甲醇与汽油混合会加快发动机的燃烧速度，从而提高了热效率；又因为甲醇含氧量高，混合燃料的氧含量要高于汽油，燃烧更加完全。在这两方面的互相作用下，甲醇汽油输出功率与汽油相差不多。

在GW491QE发动机上燃用 M10、M15、M50甲醇汽油与93＃汽油的经济性曲线分析图，如图4所示。

图4 60N·m时93＃汽油与M10、M15、M50燃油消耗率对比

根据图4所示，燃油消耗率随着甲醇比例的增大而升高。M10和M15的燃油消耗率比93＃汽油的高一些，但差别不大，M50的燃油消耗率比汽油的高大约20%，整体看，甲醇汽油燃油经济性降低大约6%～10%。分析原因：由于甲醇的低热值不到汽油的一半，混合燃料M10、M15和M50的低热值就随着甲醇比例的提高而相应减小，因此燃油消耗率必然随甲醇比例的增大而增大[6]，考虑到甲醇的廉价，其燃油经济性有所降低，但并不明显。

2.2 常规排放性能对比

2.2.1 HC排放对比

在GW491QE发动机上燃用 M10、M15、M50甲醇汽油与93＃汽油的HC排放量曲线分析图，如图5所示。

图5 60N·m时93＃汽油与M10、M15、M50的HC排放量对比

根据图5所示，3种比例的甲醇汽油HC排放量均比93＃汽油少，且降幅比较明显。发动机扭矩一直保持在60N·m，随着转速的提高，4种燃料的HC排放量变化趋势基本相同；在3种甲醇汽油中，随着甲醇比例的增加，HC排放量逐步降低。另外，就曲线变化程度来说，燃用M15时HC排放量曲线下降最快，即M15的HC改善最为明显。

分析原因：（1）由于甲醇CH3OH中碳原子只有一个，氧原子质量占甲醇相对分子质量的50%，燃烧具有自供氧效应，能加快燃烧速度且促进燃烧完全。汽油中加入一定比例的甲醇燃烧后，火焰传播速度加快，减小了壁面淬熄作用，从而降低了HC的排放[7]。（2）甲醇能溶解妨碍HC排放的积碳等沉积物，也降低了HC排放。

2.2.2 CO排放对比

在GW491QE发动机上燃用 M10、M15、M50甲醇汽油与93＃汽油的CO排放量曲线分析图，如图6所示。

图6 60N·m时93＃汽油与M10、M15、M50的CO排放量对比

根据图6所示，甲醇汽油混合燃料 M10、M15和M50的CO排放相比于93＃汽油是明显减少的，并随着甲醇含量的增加CO的排放也逐渐降低。从曲线变化程度来说，M15的CO排放曲线比较平稳，并没有随着转速的增大而大幅增加。分析原因：（1）甲醇是含氧燃料，其着火界限宽[8]，在燃烧过程中有自供氧效应，使得燃烧较为充分均匀，能够抑制CO的形成；（2）甲醇的含碳量只有汽油的44%左右，在化学反应上也弱化了CO的生成条件；（3）甲醇的火焰传播速度以及燃烧速度都要快于汽油[9]，使得循环热效率得到提高，CO的排放从而降低。

2.2.3 NOx排放对比

在GW491QE发动机上燃用 M10、M15、M50甲醇汽油与93＃汽油的NOx排放量曲线分析图，如图7所示。

图7 60N·m时93＃汽油与M10、M15、M50的NOx排放量对比

根据图7所示，3种甲醇汽油的NOx的排放整体上都低于93＃汽油，但差别不是很大。分析原因：NOx排放的增加和减少，取决于缸内温度和氧的含量，一方面由于甲醇为含氧燃料且燃烧速度快，富氧条件促进了NOx的生成。但另一方面，甲醇的热值较低，汽化潜热是汽油的3倍[10]，降低了最高燃烧温度和排气温度，在一定程度上又抑制了NOx的生成，这使得甲醇汽油的NOx排放随甲醇含量的增加而升高。

3 结语

在GW491QE发动机上进行台架试验，得到以下结论：

（1）甲醇汽油的燃油消耗率都要高于93＃汽油，并随着甲醇比例的增大而增大，燃油经济性降低大约6%～10%。

（2）在中低转速下，甲醇汽油的功率与93＃汽油基本相同，即动力性与93＃汽油大致保持一致。

（3）混合燃料的HC排放量明显降低，且M15改善最为明显；M10、M15和M50的CO排放相比与93＃汽油是明显减少的，并随着甲醇含量的增加CO的排放逐渐降低；相比与M10、M50，M15的CO排放较平稳；甲醇汽油的NOx的排放整体上低于93＃汽油。

（4）综合考虑GW491QE发动机的动力性、经济性和排放性能，M15甲醇汽油为较好的实际应用比例。

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