甲醇發動機低溫起動措施試驗研究

袁寶良 洪建海 孫呈祥 楊實秋 夏少華 居鈺生

（中國一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

甲醇發動機低溫起動措施試驗研究

袁寶良 洪建海 孫呈祥 楊實秋 夏少華 居鈺生

（中國一汽無錫油泵油嘴研究所，無錫 214063）

針對甲醇發動機出現的低溫冷起動問題，通過詳細分析其冷起動困難的原因，提出多種甲醇發動機低溫冷起動技術措施，并對主要的技術措施進行了試驗研究。結果表明，采用進氣道加熱、噴射器加熱和進氣滾流措施都在一定程度上改善了甲醇發動機的冷起動性能；通過改變燃料組分可有效提高甲醇發動機的冷起動性能，M70和M85高比例甲醇燃料發動機在-25℃低溫下能夠順利冷起動。

1 前言

甲醇燃料應用在內燃機領域中有著獨特的優勢，不僅甲醇燃料具有很強的價格優勢，甲醇發動機也有較高的經濟性、動力性和低排放優勢。但是，也帶來了一些問題，如對橡膠材料的溶脹性、對金屬材料的腐蝕性、發動機的低溫冷起動性能等，尤其突出的問題是甲醇發動機的低溫冷起動性能，針對這個影響甲醇汽車發展的關鍵問題，本文分析其原因并針對提高冷起動性能的主要措施進行試驗研究。

2 甲醇發動機冷起動困難的主要原因分析

影響甲醇發動機冷起動困難的原因有多種，最主要和直接的原因是發動機在點火時刻的混合氣濃度和溫度。

2.1 甲醇混合氣的濃度

在點火時刻發動機火花塞附近甲醇混合氣的濃度是影響甲醇發動機冷起動的關鍵因素，而燃料的蒸氣壓是影響甲醇混合氣濃度的關鍵參數。甲醇的雷德蒸氣壓為32 kPa，而冬季用國Ⅴ汽油的蒸氣壓為45～85 kPa[1]，故甲醇發動機冷起動性能不如汽油。在低溫時甲醇的蒸氣壓更低，使得甲醇的低溫揮發性比汽油更差，在一定溫度下，如果形成的缸內甲醇混合氣濃度達不到最低著火極限，發動機就難以起動。如圖1所示，如果甲醇混合氣的濃度低于著火下限，混合氣就不在著火區域，難以著火。

圖1 甲醇燃料的著火特性

2.2 甲醇混合氣的溫度

甲醇的汽化潛熱是1 100 kJ/kg，汽油的汽化潛熱大約是310 kJ/kg，甲醇的汽化潛熱約是汽油的3.5倍，同時汽油的熱值是甲醇的2倍，如果發動機達到相同的功率，需要噴射的甲醇量是汽油的2倍，那么達到相同的功率甲醇蒸發吸收的熱量是汽油的7倍，缸內甲醇混合氣的溫降是汽油的7倍。在正常運行工況，高汽化潛熱可以降低缸內溫度，對發動機有利，而在冷起動工況卻成了不利因素，降低了甲醇發動機的冷起動性能。由圖1可知，如果發動機缸內甲醇混合氣溫度低于8℃，即使發動機缸內噴入再多的甲醇，甲醇蒸氣濃度也達不到著火標準，混合氣就難以進入著火區，發動機難以起動。

3 甲醇發動機低溫冷起動措施

3.1 發動機參數及試驗

試驗用甲醇發動機是4缸2 L發動機，其參數如表1所列。發動機冷起動試驗都是在冷起動試驗室進行，整車冷起動試驗是在內蒙古牙克石市冬季高寒環境下進行。

表1 試驗用發動機參數

3.2 甲醇發動機冷起動措施

甲醇混合氣的溫度和濃度是甲醇發動機冷起動的關鍵參數，因此提高甲醇發動機冷起動性能的關鍵措施就圍繞這兩個關鍵參數來實現。提高發動機混合氣溫度的措施主要有：進氣加熱、燃料加熱、提高發動機壓縮比等[2]。提高發動機混合氣濃度的措施主要有：改變燃料特性、提高噴射壓力、提高進氣滾流比等。另外，優化進氣、噴油、點火的控制策略也是提高冷起動性能的重要措施。綜合利用這些措施可以提高甲醇發動機的冷起動性能。

進氣加熱的措施較多，有進氣管加熱、進氣道加熱、在進氣系統內噴射熱空氣等措施。進氣管加熱的空氣距離氣缸相對較遠，不能直接作用于冷起動的最初循環，并且沿途有大量熱損失，加熱效果不佳。進氣道加熱的加熱器直接加熱發動機進氣道內的空氣，加熱后的空氣促進噴入氣道的燃料霧化和蒸發，混合氣可直接作用于起動循環，響應相對較快，但是加熱器加熱溫度和時間需要控制，以免加熱器點燃進氣道內的混合氣。這種加熱措施加熱效果相對較好。也有將部分空氣加熱后再吸入進氣系統的措施，但是這種措施相對復雜，成本高，不宜作為市場應用的產品。

燃料加熱的措施有油軌加熱和噴射器加熱。油軌加熱分軌內加熱和軌外加熱兩種措施，軌外加熱對軌內的燃料加熱速度慢，熱損耗較多，效果不佳。軌內加熱效果相對較好，但是加熱的燃料不在噴射器內，不能直接噴射到發動機的最初起動循環，同時加熱器與燃料直接接觸又帶來較大的安全風險，不宜作為產品應用于市場。噴射器加熱效果相對較好，噴射器加熱的加熱速度快，并且可以連續加熱，加熱的燃料直接噴射在氣道內，直接作用于起動循環，響應快，目前市場上已有加熱噴射器相關產品。

進氣加熱和燃料加熱分別用于提高空氣和燃料的溫度，而提高發動機的壓縮比可有效提高甲醇空氣混合氣的溫度，效果較好。甲醇燃料的辛烷值較高，可適當提高甲醇發動機的壓縮比，不僅有利于提高發動機的熱效率，而且可以提高發動機的冷起動性能。如果發動機的壓縮比從10提高到12，假定多變指數為1.32，缸內的初始溫度為25℃，缸內的理論壓縮溫度可從350℃提高到387℃，可有效提高發動機冷起動性能。

改變燃料特性的措施有很多，一是在甲醇中添加汽油調配成甲醇汽油燃料，二是在甲醇燃料中添加高揮發性組分。目前我國已經制定了M85甲醇燃料的標準，M85甲醇燃料的蒸氣壓高于純甲醇燃料并且與汽油較接近，有利于發動機的冷起動[3]。美國材料協會頒布了ASTM D5797-2007標準，標準中規定了M70、M80、M85 3種燃料，在不同地區和不同季節采用不同比例的燃料解決冷起動問題[4]。一般情況下，在甲醇燃料中摻入的汽油比例越高，燃料的蒸氣壓越高，越利于發動機冷起動。在甲醇燃料中摻入異戊烷、石油醚等高揮發性的組分可提高發動機的蒸氣壓使其達到汽油的蒸氣壓水平，但目前我國沒有制定相關標準。

提高發動機的噴射壓力的措施主要有降低燃料的噴霧粒徑，增加液體燃料的表面積，提高燃料的蒸發速度，提高缸內混合氣的濃度使其達到著火需求，提高發動機的冷起動性能。

在進氣管安裝進氣滾流閥可以有效提高進氣滾流比，如圖2所示。在發動機起動工況，進氣滾流措施開啟，進氣流動速度增加，進氣滾流比提高，在發動機壓縮沖程，隨著活塞的上升，滾流逐漸轉化為湍流，湍流通過物質輸運促進燃料的蒸發以及蒸氣和空氣的混合，燃料蒸發速率提高，可縮短混合氣濃度達到著火條件的時間，進而提高發動機的冷起動性能。

圖2 進氣滾流

針對上述冷起動措施進行分析后，選擇部分效果相對較好的冷起動措施進行試驗，以驗證多種冷起動措施的效果。采取冷起動措施一是要解決發動機在低溫下能否起動的問題，二是要縮短發動機的冷起動時間，冷起動時間短，不僅能夠降低發動機油耗，而且可以降低發動機排放，這是因為冷起動時間縮短說明發動機未著火的循環數減少，發動機排出的未燃HC減少，發動機的冷起動排放降低。

4 發動機的低溫起動試驗結果分析

發動機的起動可分為4個階段：預動作階段、起動階段、穩定階段、暖機階段。預動作階段是指從起動操作開始到開始轉動曲軸瞬間的階段。起動階段是指發動機靠外力拖動曲軸開始轉動直至自行運轉、轉速開始持續上升的階段。因為起動階段決定了發動機能否起動的能力，因此重點分析起動階段，一般穩定階段和暖機階段通過標定可以滿足要求，在此不做分析。

4.1 噴射策略對甲醇發動機冷起動的影響

優化噴射策略，可使缸內甲醇混合氣達到能夠著火最優濃度，實現一定溫度下冷起動。冷起動循環噴射脈寬如圖3所示。可知，噴射脈寬隨發動機冷卻液溫度的變化而變化。發動機溫度越低，燃料的蒸氣壓越低，燃料蒸發量越少，為了獲得足夠的燃料蒸氣，燃料噴射脈寬需要增大。起動階段初始循環噴射量大，然后逐漸減小，直至怠速循環，圖3中第1循環的燃料量大于第5循環，發動機冷卻液溫度越高差別越小。

圖3 冷起動循環噴射脈寬

圖4～圖6為M85甲醇發動機低溫冷起動階段的隨循環數變化的噴射脈寬，起動階段的過量空氣系數和發動機轉速，其中3種噴射脈寬方案中方案1的噴射脈寬最大，方案2的噴射脈寬最小。由圖5和圖6可以看出，方案3的過量空氣系數在1 s內降到0.7以下，混合氣達到著火濃度，該方案的起動時間最短，方案1和方案2的起動時間較接近。由此可見，冷起動時并非噴射的燃料越多越利于冷起動。如果發動機起動時噴射的燃料少，甲醇的揮發量達不到混合氣能夠著火的濃度，導致發動機不能起動或發動機起動時間長；如果噴射量太大，甲醇蒸發吸熱較大，導致混合氣溫度降低，反而不利于甲醇蒸發，不利于發動機起動，并且導致發動機排放高。因此，冷起動階段燃料噴射量需要進行詳細優化，使發動機的冷起動性能達到最佳。

圖4 起動循環的噴射脈寬

圖5 起動階段的過量空氣系數

圖6 起動階段的發動機轉速

4.2 燃料組分對甲醇發動機冷起動的影響

4.2.1 M85甲醇燃料

目前國家已經制定了M85甲醇燃料的標準，M85燃料是甲醇燃料中加入易揮發的15%的汽油以及一些添加劑調配而成，其蒸氣壓比純甲醇燃料高得多，著火性能也較好。M85標準規定冬季（11月1日～4月30日）用甲醇燃料的蒸氣壓小于78 kPa，而冬季用國Ⅴ汽油的蒸氣壓為45～85 kPa。北方冬季用甲醇燃料蒸氣壓能夠達到78 kPa，其與汽油的蒸氣壓較接近。如果汽油能夠低溫下正常起動，一般情況下，甲醇燃料也能夠起動。甲醇是單一燃料，其蒸氣壓不變，而汽油是多組分燃料，不同地域不同季節汽油的蒸氣壓也不同，北方用的汽油蒸氣壓相對較高，而南方高溫地區為了防止氣阻一般蒸氣壓相對較低。在北方使用當地燃料調配的M85燃料-25℃下發動機能夠起動，而在南方則可能難以起動。在江蘇地區，采用當地燃料調配的M85燃料一般在-10～-20℃下發動機能夠起動。

圖7為在江蘇地區采用冬季用汽油和當地購買的甲醇燃料調配的M85燃料在冷起動試驗室-20℃冷起動情況。可知，發動機在2.3 s內，過量空氣系數降低到0.8以下，缸內混合氣濃度達到著火條件，3.2 s之后發動機轉速穩定迅速上升，發動機起動成功。

圖7 M85在-20℃冷起動情況

圖8是M85甲醇車在內蒙古牙克石市進行的冬季冷起動試驗數據，采用當地的汽油和甲醇燃料調配的M85燃料在-25℃下3 s內可以順利冷起動。圖8中的起動轉速比較平順，主要是因為在車上受到條件限制，數據采集的頻率較低。

圖8 M85甲醇車在-25℃冷起動數據

4.2.2 M70甲醇燃料

M70以上的高比例甲醇燃料的互溶性較好，抗吸水能力也較好。M70蒸氣壓較高，是冬季用甲醇燃料的合理選擇。

圖9是在江蘇地區配制的M70燃料在冷起動試驗室-25℃下發動機的冷起動情況。可知，發動機在起動后兩個循環轉速開始上升，說明某一缸已經著火，但是其它缸沒有著火或者其它缸燃燒發出的功率較小，轉速上升后又開始下降，到第5個循環開始第2缸缸內壓力突然升高，第2缸開始著火，到2.5 s后轉速不再下降，說明4個缸全部著火，發動機轉速上升到1 500 r/min，發動機起動成功。因此，M70燃料的發動機低溫冷起動性能較好。

圖9 M70在-25℃冷起動情況

我國車用汽油國Ⅴ標準規定冬季汽油的蒸氣壓為45～85 kPa。美國規定M70甲醇燃料的蒸氣壓為83～103 kPa。可見，美國M70燃料的蒸氣壓比中國國Ⅴ汽油的蒸氣壓整體要高。按照此M70標準，M70發動機的冷起動性能不低于國Ⅴ汽油發動機冷起動性能。

4.2.3 含8.5%異戊烷甲醇燃料

甲醇燃料中添加易揮發的組分可調整餾程曲線達到冬季用汽油同等的蒸氣壓力，提高冷起動性能，表2為添加不同比例組分的甲醇燃料的理化特性。可知，添加8.5%異戊烷的甲醇燃料蒸氣壓可達0.09 MPa，添加10%石油醚的甲醇燃料蒸氣壓可達0.065 MPa。甲醇發動機可在低溫冷起動時使用添加易揮發組分的甲醇燃料，正常工作工況下使用不帶添加劑的甲醇。

表2 幾種燃料組分的理化特性

含8.5%異戊烷甲醇燃料在-20℃冷起動時轉速和過量空氣系數如圖10所示。可知，1.6 s過量空氣系數降低到0.8以下，混合氣達到著火條件，約1.8 s轉速上升到1 700 r/min以上，發動機冷起動成功。相對于M85甲醇燃料添加異戊烷的甲醇燃料在低溫下的揮發性較好，相應的起動時間縮短。

圖10 含8.5%異戊烷甲醇燃料在-20℃冷起動數據

4.2.4 含10%石油醚甲醇燃料

圖11所示是發動機采用含10%石油醚甲醇燃料在-20℃時的冷起動情況。可知，起動后2.2 s過量空氣系數降低到0.8以下，在2.4 s轉速達到1 500 r/min并且開始穩定上升，冷起動成功。添加石油醚的甲醇燃料蒸氣壓比添加異戊烷甲醇燃料略低，起動性能也稍低于添加異戊烷甲醇燃料。

圖11 含10%石油醚甲醇燃料在-20℃冷起動數據

在甲醇燃料中添加高揮發性的組分有利于提高甲醇燃料的蒸氣壓，提高發動機的冷起動性能，但是，可添加的組分的種類繁多，添加這些組分之后是否會帶來排放問題，高負荷是否會引起爆震等問題目前還沒有定論，并且目前還沒有制定國家標準，能否使用燃料組分提高發動機的冷起動性能需待商榷。

4.3 進氣加熱對甲醇發動機冷起動的影響

進氣加熱又分為進氣管加熱和進氣道加熱，圖12是在節氣門處進氣管上安裝加熱器在常溫時的加熱效果，加熱器用12 V電壓驅動，驅動電流為11.7 A。電熱器加熱3 min，溫度從28℃上升到225℃，周圍空氣溫度從28℃上升到66℃，空氣溫度上升38℃。加熱器安裝在進氣管上距離氣缸較遠，對冷起動初始幾個循環影響不大，而初始幾個循環是冷起動的關鍵，并且沿途管路又有較大的熱損失，故這種加熱方式對冷起動影響不大。如果進氣管加熱器持續加熱，對后續發動機的暖機工況有效。

圖12 電加熱器加熱對空氣溫度的影響

進氣道加熱效果相對較好，在進氣道安裝電熱塞或其它加熱器，可快速加熱進氣道內的空氣，燃料噴入氣道內可直接促進燃料的蒸發，散熱損失也少。圖13是采用江蘇地區夏季用汽油調配的M85甲醇燃料在-18℃的發動機冷起動情況。可知，不加熱時在-18℃發動機難以起動，而進氣道加熱后，進氣道溫度上升到約30℃，在第5個循環時即2.4 s時發動機著火，在3 s冷起動成功。一般情況下，采用進氣道加熱發動機的最低冷起動溫度可以降低3～5℃。

圖13 進氣道加熱對發動機冷起動的影響

4.4 燃料加熱對甲醇發動機冷起動的影響

燃料加熱措施有多種，比較有效的是燃料噴射器直接加熱，在冷起動階段和暖機階段在氣道內直接噴射高溫燃料，增加燃料的蒸發量。

圖14是未噴射燃料時加熱噴射器的紅外攝影圖像。可知，加熱噴射器表面溫度可以達到88.7℃。

圖14 進氣道加熱對發動機冷起動的影響

圖15是環境溫度為-10℃時，燃料噴射器加熱對發動機冷起動性能的影響。可知，如果噴射器不加熱，發動機在起動后3.1 s轉速上升到1 200 r/min以上并且穩定上升，發動機冷起動成功；噴射器加熱3 s后發動機開始起動，發動機在起動后2 s，轉速上升到1 200 r/min并且穩定上升，發動機冷起動成功，加熱后發動機的冷起動時間縮短1 s左右。雖然噴射器加熱對燃料的加熱效果較好，但是相對于發動機缸內進氣量來說較少，甲醇在常壓下在65℃沸騰，燃料從加熱的噴射器噴出即可蒸發，燃料蒸發后由于受到空氣的冷卻而產生冷凝，這種加熱方法對提高發動機冷起動性能的效果有限。一般采用噴射器加熱措施，可以降低5℃的最低冷起動溫度。

圖15 噴射器加熱對發動機冷起動的影響

4.5 進氣滾流對甲醇發動機冷起動的影響

圖16是環境溫度為-10℃時，開啟和關閉滾流閥時進氣滾流對發動機冷起動的影響。進氣滾流閥開啟時發動機在起動后1 s，轉速上升到1 200 r/min以上，并且穩定上升，發動機冷起動成功，這是因為進氣滾流增強，促進燃料蒸發，短時間內缸內混合氣的濃度增加到著火下限，使得冷起動時間縮短。進氣滾流閥關閉時，缸內的滾流減弱，燃料蒸發量減少，冷起動時間變長，在起動后3.1 s，轉速上升到1 200 r/min以上，發動機冷起動成功。在-10℃冷起動，滾流閥開啟可使冷起動時間縮短2 s左右。一般采用進氣滾流閥，可以降低5～10℃的最低冷起動溫度。

圖16 進氣滾流對發動機冷起動的影響

5 結論和建議

a.采用北方地區冬季用高蒸氣壓汽油調配的M85燃料可使發動機在-25℃成功冷起動，采用江蘇地區汽油調配的M85甲醇燃料的發動機可在-10～-20℃冷起動；

b.在江蘇地區調配的M70甲醇燃料可以在-25℃成功冷起動；

c.我國的甲醇燃料標準只有M85，沒有M70和M80，鑒于冬季用M70和M80甲醇燃料有利于提高發動機的冷起動性能，建議增加M70和M80標準；

d.在甲醇燃料中添加高揮發性的組分（如石油醚和異戊烷），可有效提高冷起動性能，但是目前沒有相關國家標準；

e.采用進氣管加熱對發動機的冷起動性能影響不大，進氣道加熱措施可以縮短冷起動時間，使發動機最低冷起動溫度降低3～5℃；

f.采用冷起動階段進氣滾流措施可促進甲醇燃料的蒸發以及與空氣的混合，縮短冷起動時間，降低最低冷起動溫度5～10℃。

1 GB 17930-2013車用汽油.

2 宮長明，鄧寶清，王舒，等.預熱對電控噴射甲醇發動機冷起動著火特性的影響.吉林大學學報（工學版），2008,38（5）：1029～1033.

3 GB/T 23799-2009車用甲醇汽油（M85）.

4 ASTMD 5797-2007 Fuel Methanol(M70-M85)for Automo?bile Spark-Ignition Engines.

5 崔心存.醇燃料與靈活燃料汽車.北京:化學工業出版社，2010.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年4月1日。

Experimental Research on Low Temperature Start Measures of Methanol Engine

Yuan Baoliang,Hong Jianhai,Sun Chengxiang,Yang Shiqiu,Xia Shaohua,Ju Yusheng
（FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi,214063;）

To improve the cold start performance of methanol engine,this paper analyzes in details the cause of difficulty in cold start and proposes several technical measures to overcome this problem,and these measures had been implemented and tested.The experimental results show that,using inlet heating,injector heating and inlet tumble can improve cold start performance of methane engine to some extent;changing components of methanol fuel can improve cold start performance effectively.M70 or M85 high proportion methane engine can be started smoothly at-25°C.

Methanol engine,Cold start,M85,Inlet heating,Fuel heating

甲醇發動機 冷起動 進氣加熱 燃料加熱

TK423 文獻標識碼：A 文章編號：1000-3703（2017）10-0012-06