烃类添加剂改善M100甲醇发动机冷起动的试验研究

王燕鹏， 王忠， 张登攀， 居钰生， 张永铭， 洪建海

(1. 江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013； 2. 中国一汽无锡油泵油嘴研究所， 江苏 无锡 214063)



烃类添加剂改善M100甲醇发动机冷起动的试验研究

王燕鹏1， 王忠1， 张登攀1， 居钰生2， 张永铭2， 洪建海2

(1. 江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013； 2. 中国一汽无锡油泵油嘴研究所， 江苏 无锡 214063)

针对M100甲醇发动机在低温环境下起动困难的问题，在M100甲醇中添加烃类添加剂，改善甲醇发动机的低温起动性能。按体积比在M100甲醇中分别添加15%汽油、8.5%异戊烷、10%石油醚作为添加剂，采用试验的方法测量了-20 ℃，-10 ℃，0 ℃三种环境温度下，甲醇发动机的起动性能。结果表明：甲醇中添加15%的汽油、8.5%的异戊烷、10%的石油醚， -20 ℃时M100甲醇发动机可以正常起动，起动时间小于3.5 s，在-10 ℃时起动时间小于2.5 s，在0 ℃时起动时间小于1.5 s；环境温度为-10 ℃时，增大首循环喷射脉宽有利于缩短起动时间，首循环喷射脉宽从110 ms增大到130 ms，添加上述比例添加剂后，M100甲醇发动机的起动时间分别缩短0.2 s，0.2 s，0.05 s。

甲醇； 冷起动； 燃料添加剂

甲醇是一种可再生、可持续发展的发动机替代燃料，具有原料来源丰富、生产工艺成熟、储运安全等优点，有良好的应用前景。甲醇分子含氧量高达50%，可以实现无烟燃烧，且H/C比高，有利于降低碳排放[1-3]。2014年，工信部将甲醇汽车的试点由 “两省一市”扩大为“四省一市”，推广甲醇汽车的应用。

甲醇是单一沸点成分物质，饱和蒸气压低，在北方冬季，较低的环境温度下，甲醇的蒸发量不足，压缩终了时甲醇-空气混合气无法达到着火的最低限值，发动机不能起动。宫长明等人研究了环境温度对电喷甲醇发动机首循环起动着火性能的影响，当环境温度低于16 ℃时，很难实现“即喷即着”的起动[4]。对于M100甲醇发动机，常采用辅助措施改善燃料的蒸发和雾化，改善发动机的低温起动性能。这些措施主要有：向甲醇中加入易挥发的组分，如异戊烷、石油醚、汽油等以提高燃料的蒸气压；使甲醇在催化剂的作用下高温裂解成CO和H2[5]；设计加热系统，增加甲醇的蒸发量。宫长明等在一台单缸四行程汽油机上利用两套独立的电喷系统分别喷射甲醇和LPG，研究了不同喷射量、喷射正时对甲醇发动机冷起动性能的影响，结果表明，掺烧LPG可以使甲醇发动机在-13 ℃以上环境温度下可靠燃烧[6]。朱建军等人设计了包括甲醇蒸发器和控制系统的甲醇蒸发冷起动系统，使纯甲醇发动机在0 ℃时成功起动[7]。

本研究采用在甲醇中加入易挥发烃类的措施，选择汽油、异戊烷、石油醚作为添加剂，按体积比分别在甲醇中添加15%汽油、8.5%异戊烷、10%石油醚，在低温起动试验室进行了甲醇发动机的冷起动试验，考察了不同添加剂对甲醇发动机冷起动性能的影响。

1 影响甲醇发动机冷起动的因素

1.1 汽化潜热

甲醇是一种强极性物质，分子间通过氢键结合，在汽化时需要吸收较多的热量才能打破这种缔合作用，因此，甲醇具有较高的汽化潜热，约为汽油汽化潜热的3倍。若从发动机应用的角度出发，应考虑燃料-空气形成单位质量混合气所需的热量，甲醇和汽油在各自化学计量空燃比下与空气形成混合气所吸收的热量如下：

(1)

式中：Q汽为汽油-空气混合气吸收的热量；q汽为汽油的汽化潜热；l汽为汽油的化学计量空燃比。

(2)

式中：Q甲为甲醇-空气混合气吸收的热量；q甲为甲醇的汽化潜热；l甲为甲醇的化学计量空燃比。

可以看出，甲醇、汽油分别与空气形成单位质量的化学计量空燃比混合气时，甲醇-空气吸收的热量为汽油-空气的7倍多，因此，甲醇在蒸发过程中需吸收更多的热量。

燃料的蒸发会降低混合气的温度，假定蒸发过程绝热，燃料在液态和气态时有相同的比定压热容，燃料与空气温度相同，利用燃料平衡方程可求得燃料蒸发引起的降温Δt：

(3)

式中：x为已蒸发燃料量的百分数；γ为燃料的汽化潜热；cpa，cpt分别为空气及燃料的比定压热容，cpa=1 kJ/(kg·K)；λ为过量空气系数；L0为燃料的理论空燃比。15 ℃时，汽油、甲醇的比热容分别为2.1 kJ/(kg·K)，2.51 kJ/(kg·K)。

汽油、甲醇分别与空气混合形成理论空燃比混合气，汽油-空气混合气的温度下降约20 ℃，甲醇-空气混合气的温度下降约122 ℃，甲醇在蒸发过程中对混合气的降温作用更为显著，较低温度的混合气难以被点燃。

1.2 饱和蒸气压

燃油蒸气的浓度在着火界限范围内才能着火，着火界限通常用空气中可燃气的体积分数或摩尔分数表示，甲醇的最低着火界限为0.06，最高着火界限为0.36。20 ℃时甲醇的饱和蒸气压为12.8 kPa，0 ℃时甲醇的饱和蒸气压仅为3.9 kPa，饱和蒸气压的下降抑制了甲醇的蒸发，使得进入缸内的混合气中甲醇蒸气量减少；缸内较低的温度、压力也不利于进入气缸的甲醇液滴的蒸发，因此，环境温度越低，冷起动时缸内混合气中甲醇蒸气的浓度越低，若点火时燃烧室中甲醇蒸气的体积分数低于着火极限，燃烧也无法正常进行。

1.3 引燃温度

甲醇的闪点和引燃温度分别为11 ℃和385 ℃，点火时刻缸内混合气的温度高于燃料的闪点才有着火的可能。在不同的环境温度下，仅依靠活塞压缩工质产生的热量能使气缸内的工质温度上升15～20 ℃，甲醇蒸发对混合气的降温作用远大于压缩对混合气的加热作用，又由于甲醇的闪点较高，在较低的环境温度下，如果压缩终点混合气的温度低于甲醇的闪点，燃烧就不能正常进行，发动机很难成功起动。

2 试验设备与方案

试验在一台由直列4缸、4气门电喷汽油机改装成的甲醇发动机上进行，发动机的主要技术参数见表1。试验主要仪器有EATS ES630空燃比仪、TeKtronix DPO4034示波器和A622电流探头。为了排除蓄电池对试验结果的影响，选用12 V稳压电源为起动电机供能。全部试验在低温起动试验室完成，制冷机组的型号为DJ14.3/85，环境温度的控制误差为±1 ℃。

表1 甲醇发动机参数

试验选择了3种添加剂：汽油、异戊烷、石油醚。异戊烷又称2-甲基丁烷，是一种无色透明易挥发液体，极度易燃。石油醚是一种无色透明液体，为轻质石油产品，主要为戊烷和己烷的混合物，据沸程的不同可以分为不同的规格。各种物质的主要理化性质见表2。按体积比分别在甲醇中加入15%的汽油、8.5%的异戊烷、10%的石油醚，分别记为A1，A2，A3。试验时，通过制冷机组降低环境温度，选择的试验温度分别为-20 ℃，-10 ℃，0 ℃，当冷却液温度、进气温度与环境温度一致时，进行冷起动试验。各温度下甲醇发动机燃用每种燃料均进行3次冷起动试验，用示波器分别记录瞬时转速、点火及爆震信号，用空燃比仪测量排气氧浓度；在-10 ℃时调整首循环喷射脉宽分别为110 ms，120 ms，130 ms，记录发动机的瞬时转速。

表2 燃料的理化性质

3 试验结果分析

3.1 添加剂对起动时间的影响

各环境温度下，甲醇发动机燃用A1，A2，A3分别进行3次冷起动试验，发动机均能成功起动，成功率很高。本研究均选择第一次试验的试验结果作为分析依据。不同环境温度下，甲醇发动机分别燃用A1，A2，A3成功起动所需的时间见图1。可以看出，加入添加剂后，甲醇发动机在低温环境下的起动得到了改善，在-20 ℃时均可以成功起动。随环境温度降低，发动机成功起动所需的时间增加，且温度越低，起动时间增幅越大，环境温度为0 ℃，甲醇发动机燃用A1，A2，A3所需的起动时间分别为1.3 s，1.2 s，0.9 s，当温度降低到-20 ℃，相应的起动时间分别增加到3.4 s，2.8 s，2.2 s。甲醇发动机燃用A3在各环境温度下的起动时间均最短，即添加石油醚对M100甲醇发动机在低温环境下的起动性能改善效果最好。

燃料蒸发性能的评价指标是馏程和蒸气压，馏程中的10%馏出温度代表了燃料轻质成分的多少，对发动机的冷起动性能有重要影响。汽油、异戊烷、石油醚中含有轻质烃类，与甲醇混合后燃料的10%馏出温度比M100低得多，改善了燃料的蒸发性能；烃类为非极性物质，分子间靠色散力相互作用，甲醇是极性物质，分子间的氢键决定其理化性质，甲醇与烃类混合后，分子间的作用力被打破，甲醇还能与烃类形成共沸混合物[8]，也利于提高燃料的蒸发性能；更多的燃料蒸发并与空气混合进入气缸，达到了着火界限，更易于着火。因此，在甲醇中添加汽油、异戊烷、石油醚有助于改善甲醇发动机低温环境下的起动性能。

3.2 添加剂对起动瞬时转速的影响

环境温度分别为0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，甲醇发动机分别燃用A1，A2，A3在冷起动阶段的瞬时转速变化见图2。

从图2可以看出，环境温度越低，甲醇发动机成功起动前所经历的拖动时间越长。环境温度为0 ℃和-10 ℃时，发动机拖动转速在200～400 r/min范围内波动；环境温度为-20 ℃时，发动机的转速波动呈增大趋势。在成功起动前，瞬时转速曲线中都存在瞬时转速突然升高然后又立刻下降的峰状曲线，且温度越低，峰状曲线出现的次数越多。这是由于缸内部分区域发生了着火，电机拖动发动机运转时，被压缩的混合气温度升高，部分热量传递给缸壁及活塞，缸内温度逐渐上升，燃料的蒸发量也逐渐增加，缸内混合气的浓度达到着火界限，具备了着火的条件，火花塞跳火后，混合气被点燃，发动机转速升高；由于此时缸壁温度较低，甲醇的汽化潜热大，初期缸内的着火现象只能在燃烧室局部区域间断发生，这种间断性的着火使得缸内温度和混合气中燃料的体积分数不断增加，增加到某一程度后，火花塞跳火产生的火焰能迅速传遍整个燃烧室，缸内的燃烧能可靠地进行，发动机顺利起动[9]。

3.3 首循环喷射量的影响

发动机起动时转速低，波动较大，测得的进气压力误差较大，因此，当ECU判断发动机处于起动工况时，会根据冷却液温度查出相应的喷射脉宽，然后根据蓄电池电压和进气温度进行修正，得到起动时的喷射脉宽。电喷发动机在起动的最初1～2个循环会喷射数倍于实际所需燃油量的燃油，以使发动机能够尽快点火。图3示出了原始脉谱中首循环喷射量随冷却液温度的变化趋势。当冷却液温度低于15 ℃时，首循环喷射脉宽快速上升；-20 ℃时的喷射脉宽约为20 ℃时喷射脉宽的15倍。由此可见，首循环喷射量影响油膜平衡的建立及起动阶段空燃比的控制。

环境温度为-10 ℃，改变首循环喷射脉宽，甲醇发动机分别燃用A1，A2，A3的起动时间见图4。

可以看出，随首循环喷射脉宽的增加，起动时间呈下降趋势。首循环喷射脉宽从110 ms增大到130 ms，燃用A1，A2，A3的起动时间分别从1.9，1.7，1.3 s降为1.7，1.5，1.25 s，分别缩

短0.2，0.2，0.05 s。增大首循环喷射脉宽，进入气道的燃料增加，燃料中的汽油、异戊烷、石油醚的蒸发性能较好，先于甲醇蒸发，使得更多的烃类与空气混合，形成的混合气当量比增加，缸内点火成功的可能性增大，因此，增大喷射脉宽有利于降低起动时间。

4 结论

a) 在甲醇中加入汽油、异戊烷、石油醚可以改善甲醇发动机的冷起动性能，使用添加剂后甲醇发动机在-20 ℃起动时间小于3.5 s，在-10 ℃时的起动温度小于2.5 s，在0 ℃时的起动时间小于1.5 s;

b) 增大首循环喷射脉宽可以缩短甲醇发动机在低温环境下的起动时间，环境温度为-10 ℃，甲醇发动机燃用分别添加汽油、异戊烷、石油醚的甲醇燃料，当首循环喷射脉宽从110 ms增大到130 ms时，起动时间分别缩短了0.2，0.2，0.05 s。

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[编辑： 姜晓博]

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

江苏省高校自然科学基金(08KJA470001)；江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ13-0672，KYLX-1035)；2011年江苏高校优势学科建设工程(苏政发办[2011]6号)

王燕鹏(1990—)，男，硕士，主要研究方向为代用燃料的应用与研究；wypujs@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.015

U473.5

B

1001-2222(2016)03-0079-04