GW491QE汽油机燃用甲醇汽油的试验研究

吴则旭，王银山，侯国强

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

根据统计显示，目前我国车用燃料占石油消费市场的35%以上，截至2012年底，我国不包括农用车在内的汽车保有量已达1.1亿辆，且汽车产能突破2 000万辆，对我国原油供应造成极大压力。作为一种新型汽车燃料，甲醇与汽油有着一些可以做比较的理化性质。在热值方面，甲醇比汽油低很多；在理论空燃比方面，甲醇燃烧所需的空气比汽油燃烧所需的少得多；甲醇（CH3OH）是含氧燃料，其着火界限宽，在燃烧时有自供氧效应，可以使燃烧更完善，有利于组织稀薄燃烧，减少碳烟和CO排放。综上所述，作为煤基燃料的甲醇来源广泛，价格低廉，具有燃烧性能良好、热效率高、比能耗低、排放的颗粒物和氮氧化物含量低等特点，是非常有前景的代用燃料之一[1]。但是，甲醇燃料在实际单独应用中存在着一些问题，表现在甲醇燃料燃烧后产生甲醛、乙醛等非常规有害排放物，尤其是甲醛排放对人体危害较大，此外甲醇燃料在低温冷起动时性能较差，还有甲醇燃烧产物中含有未燃甲醇和甲酸，对尾气三元催化系统会产生一定的影响。以上都是甲醇燃料亟待解决的重要问题。而甲醇汽油掺烧可在一定程度上改善上述状况。甲醇汽油燃料一般将甲醇的含量作为混合燃料标记，即标记为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种比例甲醇汽油燃料对GW491QE电喷汽油机性能的影响。

1 试验燃料、设备及方法

本次试验依次研究了93#汽油、M10、M15以及M50的性能指标。试验用基础燃料93#汽油和甲醇的理化特性如表1所示。

本实验发动机为长城内燃机制造有限公司生产的GW491QE电喷汽油机，排量为2.237 L，四缸直列、立式、水冷、四冲程。该汽油机采用了电控燃油喷射系统，气缸直径为91 mm，压缩比为8.8∶1，最大输出功率为78 kW，额定功率转速为4 800 r/min，最大扭矩为190 Nm，全负荷最低燃油消耗率270 g/（kW·h）。

表1 甲醇和汽油的几种理化性质对比

本次试验使用的主要测试仪器设备：

（1）FST2E型发动机数控系统；

（2）电涡流测功机CW160；

（3）汽车发动机排放分析仪AVL 4000；

（4）油耗仪FCMM－2；

（5）发动机机冷却液恒温装置。

试验所用量具：

（1）量筒。最大量程1 000 mL，最小量程10 mL。

（2）烧杯。最大量程500 mL，最小量程25 mL。

本次发动机台架试验系统框图如图1所示。

图1 发动机台架试验装置图

试验时选取在60 Nm负荷下的速度特性进行台架试验研究。每次试验需确保发动机达到正常工作温度（一般出水温度（65±5）℃，机油温度（80±5）℃），保持节气门开度不变，其他发动机参数均不做调整，工况稳定后进行试验。在发动机台架试验平台上，GW491QE汽油机依次更换93#汽油和各种比例的混合燃料后，试验点转速依次选5个测量点，记录试验数据。每种燃料做3次试验，取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 动力性与经济性对比

整理GW491QE型发动机燃用M10、M15、M50甲醇汽油与93#汽油的经济性试验数据，根据上述实验数据做出发动机经济性曲线分析图，如图2所示。

图2 60 Nm时93#汽油与M10、M15、M50燃油消耗率对比

从图2中可以看出，在4个实验中，测试的燃油消耗率随着甲醇比例的增大而增大，M10和M15均略高于93#汽油，但是差别不是很大，M50相比汽油大约高出了25%。这是由于甲醇的低热值不到汽油的50%所致，混合燃料M10、M15和M50的低热值就随着甲醇比例的提高而相应减小，因此燃油消耗率必然随甲醇比例的增大而增大，燃油经济性有所降低。

整理GW491QE型发动机燃用M10、M15、M50甲醇汽油与93#汽油的经济性试验数据，根据上述实验数据制作发动机动力性曲线分析图，如图3所示。

图360 Nm时93#汽油与M10、M15、M50功率对比

从图3可以看出，在负荷为60 Nm情况下，发动机转速从1 000 r/min到3 000 r/min时，93#汽油、M10、M15和M50之间的功率的差距总体上基本保持一致，汽油的功率总体比甲醇稍高，但相差不大，即动力性与93#汽油保持一致。分析原因[2]：一方面，在试验过程中发动机一直保持在最佳状态，即出水温度（65±5）℃，机油温度（80±5）℃，使甲醇汽油雾化、混合较为快速和充分，缩短了甲醇汽油因汽化潜热大而导致混合气形成较慢，滞燃期长的不良影响，同时甲醇汽油较大的汽化潜能可以降低混合气温度间接的增大充气效率；另一方面，由于甲醇含氧量高，与汽油混合提高了混合燃料的氧含量，燃烧更加充分。在这两方面的作用下，使得甲醇汽油输出功率与汽油在发动机变换转速的整个区域相差不多。

2.2 常规排放性能对比

2.2.1 HC排放对比

要研究这4种燃料的HC排放，首先需要对发动机内HC生成机理进行分析。发动机中HC形成原因很多，如混合气过稀、喷油器过脏、点火不良、排气门泄漏等，这都会导致燃烧不完全而产生HC。概括来说，在汽油机内HC的生成机理有如下几点：

（1）不完全燃烧。在发动机运转时，如果混合气过浓或过稀，或者尾气被严重稀释，都可能造成跳火以后混合气不能着火，这会使得混合气中部分燃料以未燃HC形式排出，最终造成HC排放明显增加。

（2）壁面淬熄效应。这是指温度较低的发动机燃烧室壁面对火焰的快速冷却，这会在壁面形成大约0.2 mm的不完全燃烧的火焰淬熄层，同样大量未燃的HC会产生。

（3）积碳吸附。在发动机进气及压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜和沉积的多孔性积碳，使得未燃混合气被吸附，这些吸附的各种燃料蒸气伴随进入呈气态状的燃烧产物中。这样少部分的HC被氧化，而大部分的HC随已燃气体排出气缸。

本试验对台架试验时排出的尾气，用AVL 4000排放分析仪进行分析检测[3]。整理GW491QE型发动机燃用M10、M15、M50甲醇汽油与93#汽油的HC试验数据，根据上述实验数据作发动机HC排放量曲线分析图，如图4所示。

图460 Nm时93#汽油与M10、M15、M50的HC排放量对比

从图4中可以看出，GW491QE型电喷发动机在燃用93#汽油和掺混不同比例甲醇汽油时，测得的HC排放量有着明显的区别。混合燃料的HC排放量都比93#汽油少，且前者的降幅比较明显。在扭矩一定时，随着转速的提高，燃烧不同比例混合燃料排放的HC变化趋势与燃烧93#汽油相同，并且随着混合燃料中甲醇比例的增加，HC排放量逐步降低。从图4中还可知，燃用M15时HC排放量曲线下降最快，改善最为明显。

经分析，造成这种结果有以下几方面原因：①由于甲醇是含氧燃料，分子式CH3OH中碳原子只有一个，氧原子质量占甲醇相对分子质量的50%，故甲醇是低碳、高含氧燃料，燃烧速度快且燃烧完全，完全燃烧所需的空气比汽油少。汽油中加入一定比例的甲醇燃烧后，火焰传播速度快，减小了壁面淬熄作用，从而降低了HC的排放[4]。②甲醇可以溶解积碳，使得积碳等沉积物对HC排放的影响降低。③甲醇不易溶于润滑油，从而使得由于润滑油的吸附和解吸作用而引起的HC排放降低。

2.2.2 CO排放对比

要研究发动机内CO排放，也需要对发动机CO产生机理作一定的分析。在发动机燃烧过程中，当供氧不足时，会造成部分燃料未完全燃烧，形成CO。在混合气中，由于燃油过多，供氧不足，因此会产生很多的CO[5]。产生CO的主要原因有以下几个方面：

（1）CO是烃燃烧的中间产物，在CO燃烧生成CO2的进一步反应中，它的反应速度很慢，又因为极短的燃烧时间，CO未能完全氧化，故而尾气中产生CO。

（2）混合气不能均匀混合，造成燃烧室内混合气过浓或过稀，使得局部缺氧，从而产生CO。

（3）当燃烧温度T＞2 000 K时，即便能够完全燃烧，已经产生的CO2也会在高温下部分分解为CO和O2。

整理GW491QE型发动机燃用M10、M15、M50甲醇汽油与93#汽油的HC试验数据，根据上述实验数据作出发动机CO排放量曲线分析图，如图5所示。

图560 Nm时93#汽油与M10、M15、M50的CO排放量对比

由图5能够看出，甲醇汽油混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油明显减少，变化趋势随着甲醇含量的增加，CO的排放逐渐降低，且M15的CO排放比较稳定，并没有随着转速的增大而增加。这是因为甲醇是含氧燃料，其着火界限宽[6]，在燃烧过程中有自供氧效应。这使发动机的燃烧较为均匀和完善，因此会减少CO的排放。而且甲醇的含碳量只有汽油的44%左右，这也从理论上减少了CO的生成条件。另外，可以看出，甲醇汽油M10、M15和M50的CO排放是随着转速的增大而有所增加。这是因为在转速较高时，混合燃料喷射时循环变动增大，混合气形成速度降低，甲醇与空气混合质量变差，使燃烧室出现某处混合气过浓或过稀，造成局部缺氧，使混合气燃烧不完全而产生CO。但相比于93#汽油而言，M10、M15和M50的CO的排放明显降低。相对于M10和M50，M15的CO排放比较稳定，没有随转速的升高而大幅增加。

2.2.3 NOx排放对比

发动机在燃烧过程中生成的NOx，包括NO和NO2，但主要还是NO。影响NOx的生成主要有3个因素：

（1）高温，一般认为当燃烧温度高于2 600 K时就会开始生成大量的NOx。

（2）富氧，NOx的生成离不开高浓度的氧环境。

（3）缸内的滞留时间，即已燃气体在缸内的停留时间越长，NOx的生成越多，反之则越少。

本试验用排放分析仪对台架试验时排出的尾气进行分析检测，整理M10、M15、M50甲醇汽油与93#汽油的HC试验数据，根据上述实验数据作出发动机NOx排放量曲线分析图，如图6所示。

图660 Nm时93#汽油与M10、M15、M50的NOx排放量对比

由图6可见，随着发动机转速的增加，4种燃料的NOx的排放也在不断增加，总体而言甲醇汽油的NOx的排放要比93#汽油的低。NOx的来源主要是由于混合气在高温、富氧下长时间燃烧时含在混合气中的N2和O2发生化学反应产生的[7]。所以，NOx排放的增加和减少取决于缸内温度和氧的浓度，因此NOx的排放随转速的变化并不表现出单纯的升高，但是，M50、M15的NOx排放相对于93#汽油还是有所降低的。这是由于：一方面甲醇是含氧燃料，完全燃烧所需的空气比汽油少的多，而NOx的生成条件就是高温、富氧、长时间在缸内燃烧时形成的，这就增加了NOx的生成条件；另一方面，甲醇的甲醇热值低[8]，汽化潜热是汽油的3.7倍，在其他条件相同时，它可以降低压缩温度和最高燃烧温度。因此，在与汽油掺烧时燃料气化会使气缸温度和排气温度降低，从而降低了NOx的排放。

3 结论

通过台架对比试验，在GW491QE汽油机上燃油燃用93#汽油与M10、M15和M50性能比较，得出以下结论：

（1）混合燃料的燃油消耗率比93#汽油稍高一些，并随着甲醇比例的增大而增大，燃油经济性有所降低。

（2）在中低转速，混合燃料的功率与93#汽油相同，即动力性与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改善最为明显；混合燃料M10、M15和M50的CO排放相比于93#汽油是明显减少的，并随着甲醇含量的增加CO的排放逐渐降低，M15的CO排放比较稳定。4种燃料的NOx的排放也在不断地增加，总体上甲醇汽油的NOx的排放比93#汽油低。

（4）综合考虑GW491E汽油机的动力、经济性以及排放性能，提出M15为较好的实用甲醇比例燃料。

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