改善M100甲醇发动机低温起动性能的试验研究

陈月春 李志杰 曾笑笑 史祥东 吴心波 李素婷

摘要：  针对M100甲醇发动机低温环境下难以形成足够浓度可燃混合气而导致的起动困难问题，从改善M100甲醇燃料雾化及提升混合气温度两方面开展了研究。采用空气辅助喷射器降低甲醇燃料喷雾粒径，促进其形成可燃混合气；采用进气加热方式将起动阶段进入气缸的甲醇混合气加热，提高甲醇蒸发速度，加速低温下甲醇混合气浓度达到着火界限。试验结果表明：空气辅助喷射器对改善M100甲醇燃料发动机起动性能有利，比普通甲醇喷射器的极限起动温度降低10 ℃；进气加热可加速甲醇混合气形成；两种方案组合可实现环境温度5 ℃下缸内着火。

关键词：  甲醇发动机；冷起动；混合气形成；进气温度

DOI  ：   10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.003

中图分类号： TK464   文献标志码：  B   文章编号：   1001-2222（2024）01-0016-05

甲醇燃料具有生产成本低、燃烧排放性能优异等特点，是我国未来一段时间内比较有竞争力的替代燃料［1-3］。M100甲醇是无色、透明物质，缺少低沸点组分，分子中含有极性羟基，是一种含氧碳氢化合物，具有热值低、汽化潜热大、饱和蒸气压低等特点［4-5］。常温环境下M100甲醇燃料蒸发量仅为汽油蒸发量的1/4，而且甲醇蒸发性能会随着温度降低而变差，这使得M100甲醇发动机在低温环境中冷起动性较差，甚至难以起动；并且甲醇燃料汽化潜热是汽油的3.7倍，起动过程中喷向进气歧管的甲醇燃料会吸收大量热，进一步降低了进气歧管内温度，导致甲醇燃料蒸发更加困难，最终无法正常形成可燃混合气，影响甲醇发动机低温环境下的起动性能。有关研究资料表明［6］：当环境温度低于16 ℃，若不采取其他辅助措施，无法实现M100甲醇发动机顺利起动。为改善M100甲醇发动机低温起动性能，目前一般采用汽油辅助起动、柴油压燃引燃、燃油水锅炉加热辅助起动等技术方案。

通过对M100甲醇发动机起动影响因素分析得知，导致其低温起动困难的根本因素有两个：可燃混合气浓度和可燃混合气温度。基于此，本研究为提升M100甲醇发动机起动性能，从改善甲醇燃料粒径、加强蒸发雾化两方面出发，提出了采用空气辅助喷射器、进气加热的冷起动技术方案。采用空气辅助喷射器改善可燃混合气浓度，采用进气加热提升混合气温度，最后在冷仓试验室开展M100甲醇发动机低温起动试验，验证M100甲醇发动机使用该方案的起动效果。

1   试验装置及测试方法

1.1   试验设备及样机

甲醇具有较低的十六烷值，其汽化潜热及着火温度高，普通压燃式发动机在压缩到上止点时难以达到甲醇的着火点，实现不了压燃，一般采用点燃式燃烧方式。目前受限于甲醇燃油系统技术水平，甲醇发动机缸内直喷的核心零部件可靠性暂时无法满足产业化需求，多采用进气道喷射甲醇燃料方式［7］。本试验在潍柴WP13 M100甲醇发动机上展开，该发动机采用进气道喷射甲醇、缸内火花塞点燃方式。为了验证空气辅助喷射对冷起动的改善效果，试验时将原机普通进气道喷射方式改为进气道压缩空气辅助喷射。在M100甲醇发动机冷起动过程中，提高进气温度可以促进甲醇燃料的蒸发，改善混合气雾化效果，从而加速燃烧。本试验采用自主开发的ECU软件对空气辅助喷射器进行喷射控制，采用ES635设備测试起动过程中排气尾管 λ 变化，试验过程中采用连续测量模式，起动方式为蓄电池带动起动机拖动。试验样机技术参数见表1。

1.2   空气辅助喷射器

空气辅助喷射是一种低压喷射条件下改善燃料雾化效果的有效措施，可使甲醇燃料雾化更加细化，增大其与空气接触表面积，从而提升低温环境下的甲醇燃料浓度，在短时间内形成均质混合气。关于空气辅助喷射研究，白洪林等［8］研究表明，增加空气喷射量可改善燃料的雾化效果，利用空气辅助喷射器可改善甲醇燃料低温下雾化效果。胡春明等［9］研究表明，采用空气辅助喷射可提高甲醇混合气的形成速率。

本试验采用的空气辅助喷射器是一种组合喷嘴，由甲醇燃料计量喷嘴和气体喷嘴两部分构成，通过甲醇燃料计量喷嘴将一定压力的甲醇喷入其与气体喷嘴之间的预混合腔，与一定压力的空气在预混合腔进行初次混合，再通过气体喷嘴内部流道对混合气进行二次混合，最后将混合气喷出并进入进气道［10-12］。压缩空气离开喷嘴时会迅速膨胀，高速气流克服液体表面张力，从而促进燃料雾化。空气辅助喷射器结构示意见图1。

空气辅助喷射系统组成见图2。该系统主要包括甲醇箱、电动甲醇泵、甲醇滤清器、甲醇压力调节阀（限压阀）、空气辅助喷嘴、气压调节阀（减压阀）、压缩空气等。甲醇燃料通过电动甲醇泵和压力调节阀（0.7 MPa）供应到甲醇喷嘴，通过甲醇压力控制阀调节甲醇燃料喷射压力。本试验中，甲醇喷射压力通过限压阀稳定控制在0.7 MPa，使用台架提供的压缩空气，并由气压调节阀将压缩空气压力设置为 0.4 MPa。

在冷仓开展M100甲醇发动机起动试验前，对空气辅助喷射器开展了不同压力下流量特性试验。表2列出空气辅助喷射器流量特性测试数据，表3为空气辅助喷射器雾化特性，该喷射器可将甲醇喷雾粒径降低到30 μm（普通喷射器粒径为120～150 μm）。使用空气辅助喷射器，喷雾SMD较普通喷射器可降低4/5，为甲醇燃料雾化提供了更好条件，理论上对改善甲醇发动机冷起动有积极作用。

1.3   试验方案

为了研究空气辅助喷射器对M100甲醇发动机起动改善效果，本次冷起动试验设置了两种试验方案（见表4）。参考GB/T 12535—2007标准，针对两种试验方案分别开展了起动性能对比试验。将装配空气辅助喷射器、加热格栅的WP13 M100甲醇发动机放置在冷仓，先开展常温下起动试验，之后依次开展更低温度下起动试验，直到缸内无着火迹象。具体操作步骤：将M100甲醇发动机冷冻至对应温度并保温8 h，起动试验开始前开启ES635测量设备并处于测量模式，低温环境下开启进气加热功能［13-17］，待进气加热时间结束后用起动机拖动，当甲醇发动机起动成功后（以ECU控制逻辑切断状态跳变作为起动成功与否的判断标志），怠速运行相同时间后熄火，记录起动过程参数。

2   试验结果及分析

2.1   空气辅助喷射器对起动的影响

2.1.1  常温环境下起动效果对比

在环境温度20 ℃下，采用两种喷射方式（空气辅助喷射器与普通甲醇喷射器），开展M100甲醇发动机起动性能对比试验。图3示出M100甲醇发动机起动过程转速对比。从图3可以看出：采用空气辅助喷射器时，发动机起动机拖动1 s后缸内迅速着火，发动机瞬间转速上冲至1 000 r/min，说明起动阶段缸内能形成足够浓度可燃混合气，火花塞可将缸内甲醇燃料混合气点燃，表现为发动机转速的上冲；而采用普通喷射器则无法实现顺利起动，原因在于：普通甲醇喷射器喷雾粒径较大，大粒径甲醇蒸发缓慢且容易在进气道壁面形成甲醇液膜，不利于蒸发，多个喷射循环后蒸发累积的浓度并未达到着火浓度，且多次喷射后大粒径甲醇燃料容易导致火花塞淹缸，从而无法顺利着火。常温下M100甲醇发动机起动试验结果表明：采用空气辅助喷射方式更容易加速缸内可燃混合气的形成速率，雾化效果满足起动阶段混合气浓度要求，可实现缸内甲醇混合气即点即着。

为更进一步验证不同喷射方式对M100甲醇发动机混合气形成过程的影响，对不同喷雾粒径下进气道甲醇附壁量进行仿真模拟，仿真计算结果见图4。仿真结果表明：采用空气辅助喷射器（30 μm），进气道附壁量比常规喷射器（120 μm）降低46%。仿真结果也可进一步说明使用空气辅助喷射器可降低甲醇燃料进气道附壁量，对提高甲醇混合气浓度有利，更有助于形成可燃混合气，从而提高甲醇燃料发动机低温起动性能。

在发动机排气管上安装λ空燃比监测设备，以监测发动机缸内燃烧情况。 λ 可直接反映发动机燃烧室内空气和燃料的混合比例，本次试验采用ES635设备，该设备可高精度测量排放废气中氧含量，测量的 λ 范围为0.6～16。在排气尾管中测量的 λ 变化也一定程度上反映了缸内甲醇混合气形成过程，对采用空气辅助喷射器起动方式下起动阶段的 λ 进行测量，结果见图5。由图5可以看出：采用空气辅助喷射器，起动初期 λ 值迅速下降，由起动前的最高值4.7下降至0.9附近，说明当空气辅助喷射器开始工作时，缸内瞬间可形成足够浓度的可燃混合气。由于发动机起动阶段采用过浓喷射控制，未参与燃烧的可燃混合气随废气排出缸外，导致瞬间 λ 值降至1以下，待发动机成功起动后，转速逐步稳定， λ值也趋于稳定，λ 均值在1.0附近。

2.1.2  不同环境下起动效果对比

对采用空气辅助喷射器的M100甲醇发动机，依次开展了环境温度15 ℃，5 ℃，0 ℃下起动试验。 不同环境温度下采取的辅助起动措施见表5，不同起动措施下起动过程见图6。

环境温度为15 ℃时只采用空气辅助喷射器，起动过程采取加浓喷射策略，起动机拖动约0.5 s后发动机转速上冲至1 000 r/min，起動瞬间着火性能较好。

当环境温度为5 ℃时，同时开启进气加热功能，起动机拖动1.5 s后发动机转速出现第一次上冲（约400 r/min），但发动机的转速表明缸内无法实现连续着火。使用ES635设备对排气尾管中 λ 进行实时测量，发动机着火时 λ 最低为0.7（见图7），说明此时缸内有一定浓度可燃混合气，但随后循环中 λ 均值为3.3左右，缸内无足够浓度可燃混合气，导致无着火迹象。原因分析：起动初期采用进气加热+空气辅助喷射方案，加热方案为起动前加热，待加热时间结束后停止加热，因此在起动初期进气温度高、甲醇燃料温度高，一定程度上更容易形成可燃混合气［12］，实现起动初期缸内着火；但随着停止加热后进气温度降低，空气辅助喷射器出来的甲醇燃料吸收大量热，导致甲醇无法进一步雾化蒸发，形不成可燃混合气，起动后期缸内无着火现象。

当环境温度为0 ℃时，采用空气辅助喷射器+进气加热组合方案，发动机转速为纯拖动转速（150 r/min），缸内无着火迹象，说明该温度下组合方案无法提供足够浓度可燃混合气， λ 值最小为0.7，最大值为10.2（见图7）。多个循环后缸内温度提升，部分流入缸内的甲醇燃料雾化蒸发，导致排气尾管中 λ 出现较低值，但该浓度仍无法实现起动。

2.2   进气加热对起动的影响

研究表明：当环境温度为16 ℃时，甲醇燃料不蒸发［6］。基于该甲醇燃料理化特性，在环境温度10 ℃左右，采用进气加热技术方案，对WP13甲醇发动机开展有无进气加热功能的起动性能试验研究［11-13］。图8示出不同方案下发动机转速对比曲线。由图8知，当不开启进气加热格栅时，发动机起动初期为纯拖动状态，拖动转速为154 r/min，拖动9 s缸内无着火迹象，在9.7 s时缸内有轻微着火迹象，发动机转速上冲至272 r/min。可能原因是多个拖动循环后缸内温度较高，导致流入缸内的甲醇蒸发雾化，满足点火最小浓度需求瞬间产生着火。不开启进气加热起动时， λ 平均值约为12（见图9），表明缸内基本未形成可燃混合气。

进气加热试验前开启进气加热格栅加热功能，并根据格栅温升特性曲线控制格栅加热时间为40 s，加热结束后进气总管温度升至74 ℃， 停止加热后起动发动机。当起动机拖动0.9 s后，发动机转速升至190 r/min，1.2 s后缸内出现首次着火现象，此时发动机转速上冲至365 r/min，说明开启进气加热格栅后，进气管内温度提升，对改善甲醇燃料雾化蒸发有积极作用，可瞬间形成较大浓度可燃混合气，实现缸内成功点火。图9 排气管中 λ 变化曲线也证明，开启进气加热后 λ 变小。但随着拖动时间延长，流经加热格栅的气体温度逐步降低，无法实现对喷射附壁甲醇的进一步蒸发，导致不能形成连续着火，发动机无法实现自行运转。随着循环数增加，缸内温度提升，缸内再次具备着火条件，转速上冲至432 r/min。开启进气加热功能后，起动阶段排气管中 λ 平均值在2左右，说明低温环境下开启进气加热，在一定程度上可改善进气道喷射甲醇的蒸发，对起动有利。

3   结论

a） 与普通甲醇喷射器相比，空气辅助喷射器能显著改善甲醇燃料雾化效果，采用空气辅助喷射器能提升M100甲醇发动机低温起动性能，该喷射方式能明显缩短甲醇燃料雾化蒸发时间，加速缸内可形成足够浓度的可燃混合气的速度；

b） 进气加热在一定程度上可加速进气道中M100甲醇燃料的蒸发，对改善缸内着火条件有利，配合空气辅助喷射器能实现5 ℃下缸内着火。

参考文献：

［1］  张保良.车用替代燃料及发展研究［J］．中原工学院学报，2021，32（4）：16-21.

［2］ 夏磊，胡金波.跨越油气时代：甲醇经济［M］．2版.北京：化学工业出版社，2021.

［3］ 苏健，梁英波，丁麟，等.碳中和目标下我国能源发展战略探讨［J］．中国科学院院刊，2021，36（9）：1001-1009.

［4］ 白秀娟，刘春梅，兰维娟，等.甲醇能源的发展与应用现状［J］．能源与节能，2020（1）：54-55.

［5］ 吴继盛，吴家正，刘洪运.甲醇作柴油机替代燃料的研究现状与展望［J］．节能技术，2021，39（1）：9-14.

［6］ 宫长明，王舒，刘家郡，等.环境温度对点燃式甲醇发动机冷起动性能的影响［J］．吉林大学学报（工学版），2009，39（1）：27-32.

［7］ 张宁.甲醇内燃机冷启动以及瞬态响应性能的研究［D］．济南：山东大学，2022.

［8］ 白洪林，胡春明，李志军，等.空气喷射量对空气辅助喷射喷雾特性的影响［J］．天津大学学报（自然科学与工程技术版），2016，49（2）：206-212.

［9］ 胡春明，马建义，何永辉，等.低压空气辅助喷射甲醇发动机冷起动试验研究［J］．内燃机工程，2023，44（2）：64-72.

［10］  季昊成，吴昊，杨海青，等.基于气助雾化喷射的柴油喷雾特性数值模拟［J］. 航空动力学报，2022，37（6）：1284-1294.

［11］ 袁宝良，洪建海，孙呈祥，等.甲醇发动机低温起动措施试验研究［J］．汽车技术，2017（10）：12-17.

［12］ 武浩，章振宇，张付军，等.间歇式空气辅助喷雾的时变特性研究［J］．内燃机学报，2023，41（3）：220-229.

［13］ 王鑫，王龙，王清楠.甲醇燃料冷机起动进气预热系统性能研究分析［J］. 重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（6）：139-143.

［14］ 朱建军，寇子明，王淑平，等.纯甲醇发动机冷起动系统的研发［J］．汽车工程，2011，33（4）：298-302.

［15］ 吴亚兰，王进，刘萌，等.纯甲醇发动机冷起动系统开发［J］．车用发动机，2014（5）：26-29.

［16］ 宫长明，李朝晖，屈翔，等.点燃式甲醇发动机冷启动临界着火边界［J］．吉林大学学报（工学版），2016，46（4）：1118-1123.

［17］ 王鑫，米国际，刘生全.一种单燃料纯甲醇发动机冷起动技术研究［J］．可再生能源，2018，36（8）：1119-1124.

Experimental Study on Improving Cold Starting Performance of M  100    Methanol Engine

CHEN Yuechun1，LI Zhijie1，ZENG Xiaoxiao1，SHI Xiangdong1，WU Xinbo1，LI Suting2

（1.R&D Center Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China; 2.Weichai Power Emission Solutions Technology Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

Abstract：  Aiming at the starting difficulty of M100 methanol engine due to the difficulty of forming a sufficiently concentrated combustible mixture at low temperature， research was carried out to improve the atomization of M100 methanol fuel and to increase the temperature of mixture. The air-assisted injector was used to reduce the spray particle size of methanol fuel to promote the formation of the combustible mixture and the intake heating method was used to heat the methanol mixture entering the cylinder during the starting phase to increase the evaporation rate of methanol and accelerate the concentration of methanol mixture to reach the ignition limit at low temperature. The test results show that the air-assisted injector is beneficial to improve the starting performance of M100 methanol fuel engine， and the limit starting temperature is 10 ℃ lower than that of ordinary methanol injector. Intake heating can accelerate the formation of methanol mixture. The combination of the two schemes can realize the in-cylinder ignition at the ambient temperature of 5 ℃.

Key words：  methanol engine;cold start;mixture formation;intake temperature

［編辑： 袁晓燕］

收稿日期：   2023-01-21； [HT6H]修回日期：   2023-09-04

作者简介：   陈月春（1983—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为替代燃料发动机开发及优化；chenyc@weichai.com。