GW491QE汽油機燃用甲醇汽油的試驗研究

吳則旭，王銀山，侯國強

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

根據統計顯示，目前我國車用燃料占石油消費市場的35%以上，截至2012年底，我國不包括農用車在內的汽車保有量已達1.1億輛，且汽車產能突破2 000萬輛，對我國原油供應造成極大壓力。作為一種新型汽車燃料，甲醇與汽油有著一些可以做比較的理化性質。在熱值方面，甲醇比汽油低很多；在理論空燃比方面，甲醇燃燒所需的空氣比汽油燃燒所需的少得多；甲醇（CH3OH）是含氧燃料，其著火界限寬，在燃燒時有自供氧效應，可以使燃燒更完善，有利于組織稀薄燃燒，減少碳煙和CO排放。綜上所述，作為煤基燃料的甲醇來源廣泛，價格低廉，具有燃燒性能良好、熱效率高、比能耗低、排放的顆粒物和氮氧化物含量低等特點，是非常有前景的代用燃料之一[1]。但是，甲醇燃料在實際單獨應用中存在著一些問題，表現在甲醇燃料燃燒后產生甲醛、乙醛等非常規有害排放物，尤其是甲醛排放對人體危害較大，此外甲醇燃料在低溫冷起動時性能較差，還有甲醇燃燒產物中含有未燃甲醇和甲酸，對尾氣三元催化系統會產生一定的影響。以上都是甲醇燃料亟待解決的重要問題。而甲醇汽油摻燒可在一定程度上改善上述狀況。甲醇汽油燃料一般將甲醇的含量作為混合燃料標記，即標記為M20的混合燃料是含有20%的甲醇以及80%的汽油。本文主要研究3種比例甲醇汽油燃料對GW491QE電噴汽油機性能的影響。

1 試驗燃料、設備及方法

本次試驗依次研究了93#汽油、M10、M15以及M50的性能指標。試驗用基礎燃料93#汽油和甲醇的理化特性如表1所示。

本實驗發動機為長城內燃機制造有限公司生產的GW491QE電噴汽油機，排量為2.237 L，四缸直列、立式、水冷、四沖程。該汽油機采用了電控燃油噴射系統，氣缸直徑為91 mm，壓縮比為8.8∶1，最大輸出功率為78 kW，額定功率轉速為4 800 r/min，最大扭矩為190 Nm，全負荷最低燃油消耗率270 g/（kW·h）。

表1 甲醇和汽油的幾種理化性質對比

本次試驗使用的主要測試儀器設備：

（1）FST2E型發動機數控系統；

（2）電渦流測功機CW160；

（3）汽車發動機排放分析儀AVL 4000；

（4）油耗儀FCMM－2；

（5）發動機機冷卻液恒溫裝置。

試驗所用量具：

（1）量筒。最大量程1 000 mL，最小量程10 mL。

（2）燒杯。最大量程500 mL，最小量程25 mL。

本次發動機臺架試驗系統框圖如圖1所示。

圖1 發動機臺架試驗裝置圖

試驗時選取在60 Nm負荷下的速度特性進行臺架試驗研究。每次試驗需確保發動機達到正常工作溫度（一般出水溫度（65±5）℃，機油溫度（80±5）℃），保持節氣門開度不變，其他發動機參數均不做調整，工況穩定后進行試驗。在發動機臺架試驗平臺上，GW491QE汽油機依次更換93#汽油和各種比例的混合燃料后，試驗點轉速依次選5個測量點，記錄試驗數據。每種燃料做3次試驗，取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 動力性與經濟性對比

整理GW491QE型發動機燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的經濟性試驗數據，根據上述實驗數據做出發動機經濟性曲線分析圖，如圖2所示。

圖2 60 Nm時93#汽油與M10、M15、M50燃油消耗率對比

從圖2中可以看出，在4個實驗中，測試的燃油消耗率隨著甲醇比例的增大而增大，M10和M15均略高于93#汽油，但是差別不是很大，M50相比汽油大約高出了25%。這是由于甲醇的低熱值不到汽油的50%所致，混合燃料M10、M15和M50的低熱值就隨著甲醇比例的提高而相應減小，因此燃油消耗率必然隨甲醇比例的增大而增大，燃油經濟性有所降低。

整理GW491QE型發動機燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的經濟性試驗數據，根據上述實驗數據制作發動機動力性曲線分析圖，如圖3所示。

圖360 Nm時93#汽油與M10、M15、M50功率對比

從圖3可以看出，在負荷為60 Nm情況下，發動機轉速從1 000 r/min到3 000 r/min時，93#汽油、M10、M15和M50之間的功率的差距總體上基本保持一致，汽油的功率總體比甲醇稍高，但相差不大，即動力性與93#汽油保持一致。分析原因[2]：一方面，在試驗過程中發動機一直保持在最佳狀態，即出水溫度（65±5）℃，機油溫度（80±5）℃，使甲醇汽油霧化、混合較為快速和充分，縮短了甲醇汽油因汽化潛熱大而導致混合氣形成較慢，滯燃期長的不良影響，同時甲醇汽油較大的汽化潛能可以降低混合氣溫度間接的增大充氣效率；另一方面，由于甲醇含氧量高，與汽油混合提高了混合燃料的氧含量，燃燒更加充分。在這兩方面的作用下，使得甲醇汽油輸出功率與汽油在發動機變換轉速的整個區域相差不多。

2.2 常規排放性能對比

2.2.1 HC排放對比

要研究這4種燃料的HC排放，首先需要對發動機內HC生成機理進行分析。發動機中HC形成原因很多，如混合氣過稀、噴油器過臟、點火不良、排氣門泄漏等，這都會導致燃燒不完全而產生HC。概括來說，在汽油機內HC的生成機理有如下幾點：

（1）不完全燃燒。在發動機運轉時，如果混合氣過濃或過稀，或者尾氣被嚴重稀釋，都可能造成跳火以后混合氣不能著火，這會使得混合氣中部分燃料以未燃HC形式排出，最終造成HC排放明顯增加。

（2）壁面淬熄效應。這是指溫度較低的發動機燃燒室壁面對火焰的快速冷卻，這會在壁面形成大約0.2 mm的不完全燃燒的火焰淬熄層，同樣大量未燃的HC會產生。

（3）積碳吸附。在發動機進氣及壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油膜和沉積的多孔性積碳，使得未燃混合氣被吸附，這些吸附的各種燃料蒸氣伴隨進入呈氣態狀的燃燒產物中。這樣少部分的HC被氧化，而大部分的HC隨已燃氣體排出氣缸。

本試驗對臺架試驗時排出的尾氣，用AVL 4000排放分析儀進行分析檢測[3]。整理GW491QE型發動機燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗數據，根據上述實驗數據作發動機HC排放量曲線分析圖，如圖4所示。

圖460 Nm時93#汽油與M10、M15、M50的HC排放量對比

從圖4中可以看出，GW491QE型電噴發動機在燃用93#汽油和摻混不同比例甲醇汽油時，測得的HC排放量有著明顯的區別。混合燃料的HC排放量都比93#汽油少，且前者的降幅比較明顯。在扭矩一定時，隨著轉速的提高，燃燒不同比例混合燃料排放的HC變化趨勢與燃燒93#汽油相同，并且隨著混合燃料中甲醇比例的增加，HC排放量逐步降低。從圖4中還可知，燃用M15時HC排放量曲線下降最快，改善最為明顯。

經分析，造成這種結果有以下幾方面原因：①由于甲醇是含氧燃料，分子式CH3OH中碳原子只有一個，氧原子質量占甲醇相對分子質量的50%，故甲醇是低碳、高含氧燃料，燃燒速度快且燃燒完全，完全燃燒所需的空氣比汽油少。汽油中加入一定比例的甲醇燃燒后，火焰傳播速度快，減小了壁面淬熄作用，從而降低了HC的排放[4]。②甲醇可以溶解積碳，使得積碳等沉積物對HC排放的影響降低。③甲醇不易溶于潤滑油，從而使得由于潤滑油的吸附和解吸作用而引起的HC排放降低。

2.2.2 CO排放對比

要研究發動機內CO排放，也需要對發動機CO產生機理作一定的分析。在發動機燃燒過程中，當供氧不足時，會造成部分燃料未完全燃燒，形成CO。在混合氣中，由于燃油過多，供氧不足，因此會產生很多的CO[5]。產生CO的主要原因有以下幾個方面：

（1）CO是烴燃燒的中間產物，在CO燃燒生成CO2的進一步反應中，它的反應速度很慢，又因為極短的燃燒時間，CO未能完全氧化，故而尾氣中產生CO。

（2）混合氣不能均勻混合，造成燃燒室內混合氣過濃或過稀，使得局部缺氧，從而產生CO。

（3）當燃燒溫度T＞2 000 K時，即便能夠完全燃燒，已經產生的CO2也會在高溫下部分分解為CO和O2。

整理GW491QE型發動機燃用M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗數據，根據上述實驗數據作出發動機CO排放量曲線分析圖，如圖5所示。

圖560 Nm時93#汽油與M10、M15、M50的CO排放量對比

由圖5能夠看出，甲醇汽油混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油明顯減少，變化趨勢隨著甲醇含量的增加，CO的排放逐漸降低，且M15的CO排放比較穩定，并沒有隨著轉速的增大而增加。這是因為甲醇是含氧燃料，其著火界限寬[6]，在燃燒過程中有自供氧效應。這使發動機的燃燒較為均勻和完善，因此會減少CO的排放。而且甲醇的含碳量只有汽油的44%左右，這也從理論上減少了CO的生成條件。另外，可以看出，甲醇汽油M10、M15和M50的CO排放是隨著轉速的增大而有所增加。這是因為在轉速較高時，混合燃料噴射時循環變動增大，混合氣形成速度降低，甲醇與空氣混合質量變差，使燃燒室出現某處混合氣過濃或過稀，造成局部缺氧，使混合氣燃燒不完全而產生CO。但相比于93#汽油而言，M10、M15和M50的CO的排放明顯降低。相對于M10和M50，M15的CO排放比較穩定，沒有隨轉速的升高而大幅增加。

2.2.3 NOx排放對比

發動機在燃燒過程中生成的NOx，包括NO和NO2，但主要還是NO。影響NOx的生成主要有3個因素：

（1）高溫，一般認為當燃燒溫度高于2 600 K時就會開始生成大量的NOx。

（2）富氧，NOx的生成離不開高濃度的氧環境。

（3）缸內的滯留時間，即已燃氣體在缸內的停留時間越長，NOx的生成越多，反之則越少。

本試驗用排放分析儀對臺架試驗時排出的尾氣進行分析檢測，整理M10、M15、M50甲醇汽油與93#汽油的HC試驗數據，根據上述實驗數據作出發動機NOx排放量曲線分析圖，如圖6所示。

圖660 Nm時93#汽油與M10、M15、M50的NOx排放量對比

由圖6可見，隨著發動機轉速的增加，4種燃料的NOx的排放也在不斷增加，總體而言甲醇汽油的NOx的排放要比93#汽油的低。NOx的來源主要是由于混合氣在高溫、富氧下長時間燃燒時含在混合氣中的N2和O2發生化學反應產生的[7]。所以，NOx排放的增加和減少取決于缸內溫度和氧的濃度，因此NOx的排放隨轉速的變化并不表現出單純的升高，但是，M50、M15的NOx排放相對于93#汽油還是有所降低的。這是由于：一方面甲醇是含氧燃料，完全燃燒所需的空氣比汽油少的多，而NOx的生成條件就是高溫、富氧、長時間在缸內燃燒時形成的，這就增加了NOx的生成條件；另一方面，甲醇的甲醇熱值低[8]，汽化潛熱是汽油的3.7倍，在其他條件相同時，它可以降低壓縮溫度和最高燃燒溫度。因此，在與汽油摻燒時燃料氣化會使氣缸溫度和排氣溫度降低，從而降低了NOx的排放。

3 結論

通過臺架對比試驗，在GW491QE汽油機上燃油燃用93#汽油與M10、M15和M50性能比較，得出以下結論：

（1）混合燃料的燃油消耗率比93#汽油稍高一些，并隨著甲醇比例的增大而增大，燃油經濟性有所降低。

（2）在中低轉速，混合燃料的功率與93#汽油相同，即動力性與93#汽油保持一致。

（3）混合燃料的HC排放量都比93#汽油少，且M15改善最為明顯；混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油是明顯減少的，并隨著甲醇含量的增加CO的排放逐漸降低，M15的CO排放比較穩定。4種燃料的NOx的排放也在不斷地增加，總體上甲醇汽油的NOx的排放比93#汽油低。

（4）綜合考慮GW491E汽油機的動力、經濟性以及排放性能，提出M15為較好的實用甲醇比例燃料。

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