甲醇汽油发动机燃烧及其醇醛排放特性的研究*

姚春德，曾丽丽，耿 鹏，李旭聪，王姝荔

(天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

前言

汽车保有量的增加和石油基燃料短缺使能源市场供需失衡。石油基燃料的日益消耗和环境法规的日趋严格使节能成为研究者们研究的热点，探索一种可再生的、可持续发展的清洁代用燃料逐渐成为内燃机行业的研究重点［1］。目前，醇类燃料(主要为甲醇和乙醇)、压缩天然气、液化石油气、二甲醚和生物柴油等替代燃料已成为研究热点。甲醇含氧达50%，燃烧时无碳烟生成，且CO、HC常规排放物和PAH非常规排放物少，是一种原料来源广泛的燃料。甲醇的生产技术成熟，产量大，是理想的石油替代燃料之一。甲醇在发动机上的应用已有较长的历史，由于甲醇与汽油相溶，且密度相近，所以掺醇汽油在国内外都得到一定程度的应用。我国一些资源条件较好的地区，如山西等地，甲醇汽油的应用较为普遍。

甲醇具有和汽油相似的物理与化学性质，辛烷值比汽油高，有增加发动机压缩比来提高热效率的潜力。甲醇的汽化潜热大，可以增加充量。国内外对于电控汽油机燃用低比例的甲醇汽油混合燃料的燃烧特性已有较多的研究［2－6］。但研究工作多集中于低比例掺醇，对中、高比例掺醇的研究不多。因此，本文中将针对掺醇比延伸至中等比例甚至以上的甲醇汽油，当其用做发动机燃料时，其缸内燃烧特点进行全面的分析，并且探究掺醇后燃料的醇醛排放和经济性变化规律。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

试验用发动机为一台SQR477F 1.5L单顶置凸轮轴自然吸气式歧管喷射汽油机，表1为其主要技术参数。图1为汽油机试验台架布置示意图，主要试验设备包括:奕科WE32H型水涡流测功机，奕科FCM-03瞬态油耗测量仪，傅立叶变换红外光谱分析仪(AVL SESAM FTIR)用于实时在线检测未燃甲醇和甲醛排放。Kistler 6118BFD16Q01A41型火花塞缸压传感器用于测量缸压信号。

表1 发动机参数

1.2 试验方法

试验所用汽油为93号汽油，甲醇纯度为99.9%，表2列出常温下其主要性能参数。本文中所用的3种不同比例甲醇汽油的性能如表3所示，为了能够客观了解甲醇与汽油混合后燃料的燃烧性能，研究过程中甲醇汽油不加任何添加剂，发动机不做任何改动。为避免甲醇汽油遇水分离的现象发生，甲醇汽油均为现场配置。试验工况点采用国外推荐的轿车发动机城市道路工况和高速公路工况下的典型转速2 000和3 600r/min，选取中小负荷和中高负荷(40和80N·m)作为分析负荷点。

表2 汽油和甲醇性质

表3 混合燃料的组成和性质

2 燃烧特性分析

2.1 燃烧压力分析

图2为两种转速下，两种负荷时燃用3种燃料的缸压随曲轴转角变化的对比图。由图可见，甲醇的比例越大，压力曲线上升阶段越提前，最大缸压的值越大，其对应的曲轴转角位置越靠前。即M50的峰值压力最大，出现的时间最早。这是因为甲醇热值低，发出相同转矩所需要的燃料量增加，循环供油量增大。甲醇在进气过程中，随着空气进入气缸，甲醇汽化潜热吸收热量，使混合气温度降低，虽然低温对着火滞燃期起负面影响，但是甲醇含碳原子数较少，分子量小(相对于汽油)，它的燃烧历程比汽油燃烧简单。甲醇的最小点火能量低于汽油［1］，着火界限宽于汽油，化学反应速度(燃烧速度)比含碳原子多的汽油快，几乎是汽油的1.5倍，这时温度对滞燃期的负面影响降到次要地位，因此掺烧甲醇后缸压最大值比汽油的高。由于火焰传播速度快，燃烧定容性较好，所以最大压力对应的曲轴转角位置比纯汽油的提前。

2.2 放热率和放热量分析

以下选择低速低负荷和高速高负荷工况进行放热分析。图3为瞬时放热率和累计放热量的对比图。由图可见，掺混甲醇后混合燃料的最大放热率比纯汽油的高，掺醇量越大，则放热率曲线越提前，最大放热率越大。因为甲醇燃烧速度和火焰传播速度比汽油快，燃烧定容性较好，燃烧持续期短，过后燃烧程度小，加之醇类燃料在燃烧过程中的自供氧效应，使燃烧较为均匀，局部富氧和局部缺氧的几率减小，燃烧趋于完善。虽甲醇的汽化潜热大，但在进入气缸之前沿途吸收歧管和汽缸壁周围热量蒸发汽化，且进气和压缩冲程的时间足够长足以将汽化潜热的影响降低。从以上分析也可得出，甲醇汽油混合燃料燃烧比较完善，可降低CO和HC的生成量，使其大部分都以CO2和H2O的形式排出。

2.3 示功图和燃烧持续期分析

图4为 2 000r/min、40N·m 和 3 600r/min、80N·m工况下的示功图。由图可见，混合燃料模式下由于最大爆发压力比纯汽油模式高且出现位置提前，接近上止点，定容放热的比例加大，放热集中。定量计算可得，2 000r/min时，M15和M50示功图面积与M0相比分别增加了4.2%和4.8%，3 600r/min时分别增加了5.1%和1.9%，说明燃用甲醇汽油指示功大于纯汽油模式。此外，甲醇的汽化热约比汽油高3倍，它在进入进气管、进气道或气缸后，能吸收沿途管道壁面和燃烧室周围高温零件壁面的热量使自己蒸发。这就等于利用了部分废热、余热使自己的能位上升，同时降低了气缸、燃烧室和气缸盖的温度，从而减少了对外传热量和散热量，提高了效率。图5为2 000和3 600r/min 3种燃料的燃烧持续期对比图(90%燃烧放热率对应的角度－10%燃烧放热率对应的角度)。由图可以看出，燃用混合燃料的燃烧持续期随着掺醇比例的增加而降低，这说明燃用甲醇汽油后，由于混合燃料中含氧，且火焰传播速度较快，燃烧速度快，故主燃期缩短。

2.4 循环变动分析

图6为最大燃烧压力循环变动率的对比。高转速的循环变动率整体高于低转速下的循环变动率，这是因为随着转速的增加，缸内涡流和湍流增强，导致火花塞间隙附近混合气浓度扰动大，燃烧循环变动增加。循环变动随着掺醇比例的增加而降低，是因为掺醇后燃油火焰传播速度比汽油快，燃烧速度快，加之燃料的自供氧作用，主燃期短，放热集中，因此掺醇燃料循环变动率降低。

3 甲醇和甲醛排放分析

在内燃机中燃用甲醇时，非常规排放主要为未燃甲醇和甲醛。图7为甲醇排放的对比。由图可见，催化前M0的甲醇排放较低，甲醇排放随着掺醇比例的增加显著增加，随着转速的增加而降低，表明甲醇排放几乎全部来源于燃料中的甲醇。未燃甲醇通过缸内壁面淬熄、狭隙效应等生成，由于生成源中吸附的燃油量随着转速的升高而降低［10］，且由于负荷升高或转速升高后缸内温度和排温随之升高，缸内和排气管中甲醇氧化加快，因此，高负荷和高转速下甲醛排放降低，催化后未燃甲醇实现零排放。

甲醛排放如图8所示。催化前，甲醛主要来源于两个方面:一是来自碳氢的不完全氧化，二是来自未燃甲醇的不完全氧化。汽油掺烧甲醇后甲醛排放增加，且掺醇比例越大，甲醛排放越高。图9为汽油和甲醇脱氢生成甲醛示意图。甲醛是大部分含碳氢的燃料氧化路径上最后几个中间物质之一，图中虚线表示多步反应，实线表示单步反应。汽油的反应路径较甲醇复杂得多，反应流也较甲醇氧化分散。事实上，在反应路径中，越靠近燃料和完全燃烧产物的中间物质其浓度越高［11］，甲醛为甲醇燃料的直接脱氢产物，相比于汽油，甲醛与燃料的关系更紧密，故甲醇比例越大甲醛排放越高，甲醇的加入对甲醛排放的升高有促进作用。当转速一定时，随着负荷的增加，甲醛排放先增加后降低。可能是甲醇氧化生成和甲醛氧化消耗两种因素共同作用的结果。当负荷较低时，缸内温度较低，甲醇不完全氧化生成甲醛的速率大于甲醛氧化消耗的速率，故甲醛排放逐渐升高;当负荷继续升高，燃烧温度逐渐增加，甲醇逐渐完全氧化，且甲醛氧化速度逐渐增加，所以甲醛排放呈下降趋势。催化后，3种燃料的甲醛排放几乎降为零，催化转换率高。

4 经济性分析

图10为转换成汽油热值下的等效比油耗对比图。由图可以看出，油耗均随着负荷的增加而降低，在中高负荷工况下，甲醇汽油的当量油耗比纯汽油的低，其中3 600r/min工况下M50降幅最大，比纯汽油降低了9%。而在低负荷条件下，残余废气温度和缸内温度偏低，甲醇汽化潜热比汽油大，使压缩终点温度更低，不足以完全燃烧，燃烧过程品质差，热效率低，故甲醇汽油油耗比纯汽油的高。

5 结论

(1)掺醇量越多，缸内最大燃烧压力的值越大，其出现位置对应的曲轴转角位置越靠前。

(2)甲醇汽油混合燃料的最大放热率比纯汽油的高，出现时间比汽油的早，放热接近上止点，燃烧等容度大，燃烧效率高。掺醇汽油主燃期较纯汽油缩短。燃用甲醇汽油之后发动机循环变动减小，发动机运转更加平稳。

(3)掺醇比例越大，未燃甲醇和甲醛排放越高，催化后均可实现零排放。中高负荷下，甲醇汽油的等效油耗比纯汽油的低，M50与纯汽油相比最大降幅可达9%。

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