甲醇发动机低温起动措施试验研究

袁宝良 洪建海 孙呈祥 杨实秋 夏少华 居钰生

（中国一汽无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063）

甲醇发动机低温起动措施试验研究

袁宝良 洪建海 孙呈祥 杨实秋 夏少华 居钰生

（中国一汽无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063）

针对甲醇发动机出现的低温冷起动问题，通过详细分析其冷起动困难的原因，提出多种甲醇发动机低温冷起动技术措施，并对主要的技术措施进行了试验研究。结果表明，采用进气道加热、喷射器加热和进气滚流措施都在一定程度上改善了甲醇发动机的冷起动性能；通过改变燃料组分可有效提高甲醇发动机的冷起动性能，M70和M85高比例甲醇燃料发动机在-25℃低温下能够顺利冷起动。

1 前言

甲醇燃料应用在内燃机领域中有着独特的优势，不仅甲醇燃料具有很强的价格优势，甲醇发动机也有较高的经济性、动力性和低排放优势。但是，也带来了一些问题，如对橡胶材料的溶胀性、对金属材料的腐蚀性、发动机的低温冷起动性能等，尤其突出的问题是甲醇发动机的低温冷起动性能，针对这个影响甲醇汽车发展的关键问题，本文分析其原因并针对提高冷起动性能的主要措施进行试验研究。

2 甲醇发动机冷起动困难的主要原因分析

影响甲醇发动机冷起动困难的原因有多种，最主要和直接的原因是发动机在点火时刻的混合气浓度和温度。

2.1 甲醇混合气的浓度

在点火时刻发动机火花塞附近甲醇混合气的浓度是影响甲醇发动机冷起动的关键因素，而燃料的蒸气压是影响甲醇混合气浓度的关键参数。甲醇的雷德蒸气压为32 kPa，而冬季用国Ⅴ汽油的蒸气压为45～85 kPa[1]，故甲醇发动机冷起动性能不如汽油。在低温时甲醇的蒸气压更低，使得甲醇的低温挥发性比汽油更差，在一定温度下，如果形成的缸内甲醇混合气浓度达不到最低着火极限，发动机就难以起动。如图1所示，如果甲醇混合气的浓度低于着火下限，混合气就不在着火区域，难以着火。

图1 甲醇燃料的着火特性

2.2 甲醇混合气的温度

甲醇的汽化潜热是1 100 kJ/kg，汽油的汽化潜热大约是310 kJ/kg，甲醇的汽化潜热约是汽油的3.5倍，同时汽油的热值是甲醇的2倍，如果发动机达到相同的功率，需要喷射的甲醇量是汽油的2倍，那么达到相同的功率甲醇蒸发吸收的热量是汽油的7倍，缸内甲醇混合气的温降是汽油的7倍。在正常运行工况，高汽化潜热可以降低缸内温度，对发动机有利，而在冷起动工况却成了不利因素，降低了甲醇发动机的冷起动性能。由图1可知，如果发动机缸内甲醇混合气温度低于8℃，即使发动机缸内喷入再多的甲醇，甲醇蒸气浓度也达不到着火标准，混合气就难以进入着火区，发动机难以起动。

3 甲醇发动机低温冷起动措施

3.1 发动机参数及试验

试验用甲醇发动机是4缸2 L发动机，其参数如表1所列。发动机冷起动试验都是在冷起动试验室进行，整车冷起动试验是在内蒙古牙克石市冬季高寒环境下进行。

表1 试验用发动机参数

3.2 甲醇发动机冷起动措施

甲醇混合气的温度和浓度是甲醇发动机冷起动的关键参数，因此提高甲醇发动机冷起动性能的关键措施就围绕这两个关键参数来实现。提高发动机混合气温度的措施主要有：进气加热、燃料加热、提高发动机压缩比等[2]。提高发动机混合气浓度的措施主要有：改变燃料特性、提高喷射压力、提高进气滚流比等。另外，优化进气、喷油、点火的控制策略也是提高冷起动性能的重要措施。综合利用这些措施可以提高甲醇发动机的冷起动性能。

进气加热的措施较多，有进气管加热、进气道加热、在进气系统内喷射热空气等措施。进气管加热的空气距离气缸相对较远，不能直接作用于冷起动的最初循环，并且沿途有大量热损失，加热效果不佳。进气道加热的加热器直接加热发动机进气道内的空气，加热后的空气促进喷入气道的燃料雾化和蒸发，混合气可直接作用于起动循环，响应相对较快，但是加热器加热温度和时间需要控制，以免加热器点燃进气道内的混合气。这种加热措施加热效果相对较好。也有将部分空气加热后再吸入进气系统的措施，但是这种措施相对复杂，成本高，不宜作为市场应用的产品。

燃料加热的措施有油轨加热和喷射器加热。油轨加热分轨内加热和轨外加热两种措施，轨外加热对轨内的燃料加热速度慢，热损耗较多，效果不佳。轨内加热效果相对较好，但是加热的燃料不在喷射器内，不能直接喷射到发动机的最初起动循环，同时加热器与燃料直接接触又带来较大的安全风险，不宜作为产品应用于市场。喷射器加热效果相对较好，喷射器加热的加热速度快，并且可以连续加热，加热的燃料直接喷射在气道内，直接作用于起动循环，响应快，目前市场上已有加热喷射器相关产品。

进气加热和燃料加热分别用于提高空气和燃料的温度，而提高发动机的压缩比可有效提高甲醇空气混合气的温度，效果较好。甲醇燃料的辛烷值较高，可适当提高甲醇发动机的压缩比，不仅有利于提高发动机的热效率，而且可以提高发动机的冷起动性能。如果发动机的压缩比从10提高到12，假定多变指数为1.32，缸内的初始温度为25℃，缸内的理论压缩温度可从350℃提高到387℃，可有效提高发动机冷起动性能。

改变燃料特性的措施有很多，一是在甲醇中添加汽油调配成甲醇汽油燃料，二是在甲醇燃料中添加高挥发性组分。目前我国已经制定了M85甲醇燃料的标准，M85甲醇燃料的蒸气压高于纯甲醇燃料并且与汽油较接近，有利于发动机的冷起动[3]。美国材料协会颁布了ASTM D5797-2007标准，标准中规定了M70、M80、M85 3种燃料，在不同地区和不同季节采用不同比例的燃料解决冷起动问题[4]。一般情况下，在甲醇燃料中掺入的汽油比例越高，燃料的蒸气压越高，越利于发动机冷起动。在甲醇燃料中掺入异戊烷、石油醚等高挥发性的组分可提高发动机的蒸气压使其达到汽油的蒸气压水平，但目前我国没有制定相关标准。

提高发动机的喷射压力的措施主要有降低燃料的喷雾粒径，增加液体燃料的表面积，提高燃料的蒸发速度，提高缸内混合气的浓度使其达到着火需求，提高发动机的冷起动性能。

在进气管安装进气滚流阀可以有效提高进气滚流比，如图2所示。在发动机起动工况，进气滚流措施开启，进气流动速度增加，进气滚流比提高，在发动机压缩冲程，随着活塞的上升，滚流逐渐转化为湍流，湍流通过物质输运促进燃料的蒸发以及蒸气和空气的混合，燃料蒸发速率提高，可缩短混合气浓度达到着火条件的时间，进而提高发动机的冷起动性能。

图2 进气滚流

针对上述冷起动措施进行分析后，选择部分效果相对较好的冷起动措施进行试验，以验证多种冷起动措施的效果。采取冷起动措施一是要解决发动机在低温下能否起动的问题，二是要缩短发动机的冷起动时间，冷起动时间短，不仅能够降低发动机油耗，而且可以降低发动机排放，这是因为冷起动时间缩短说明发动机未着火的循环数减少，发动机排出的未燃HC减少，发动机的冷起动排放降低。

4 发动机的低温起动试验结果分析

发动机的起动可分为4个阶段：预动作阶段、起动阶段、稳定阶段、暖机阶段。预动作阶段是指从起动操作开始到开始转动曲轴瞬间的阶段。起动阶段是指发动机靠外力拖动曲轴开始转动直至自行运转、转速开始持续上升的阶段。因为起动阶段决定了发动机能否起动的能力，因此重点分析起动阶段，一般稳定阶段和暖机阶段通过标定可以满足要求，在此不做分析。

4.1 喷射策略对甲醇发动机冷起动的影响

优化喷射策略，可使缸内甲醇混合气达到能够着火最优浓度，实现一定温度下冷起动。冷起动循环喷射脉宽如图3所示。可知，喷射脉宽随发动机冷却液温度的变化而变化。发动机温度越低，燃料的蒸气压越低，燃料蒸发量越少，为了获得足够的燃料蒸气，燃料喷射脉宽需要增大。起动阶段初始循环喷射量大，然后逐渐减小，直至怠速循环，图3中第1循环的燃料量大于第5循环，发动机冷却液温度越高差别越小。

图3 冷起动循环喷射脉宽

图4～图6为M85甲醇发动机低温冷起动阶段的随循环数变化的喷射脉宽，起动阶段的过量空气系数和发动机转速，其中3种喷射脉宽方案中方案1的喷射脉宽最大，方案2的喷射脉宽最小。由图5和图6可以看出，方案3的过量空气系数在1 s内降到0.7以下，混合气达到着火浓度，该方案的起动时间最短，方案1和方案2的起动时间较接近。由此可见，冷起动时并非喷射的燃料越多越利于冷起动。如果发动机起动时喷射的燃料少，甲醇的挥发量达不到混合气能够着火的浓度，导致发动机不能起动或发动机起动时间长；如果喷射量太大，甲醇蒸发吸热较大，导致混合气温度降低，反而不利于甲醇蒸发，不利于发动机起动，并且导致发动机排放高。因此，冷起动阶段燃料喷射量需要进行详细优化，使发动机的冷起动性能达到最佳。

图4 起动循环的喷射脉宽

图5 起动阶段的过量空气系数

图6 起动阶段的发动机转速

4.2 燃料组分对甲醇发动机冷起动的影响

4.2.1 M85甲醇燃料

目前国家已经制定了M85甲醇燃料的标准，M85燃料是甲醇燃料中加入易挥发的15%的汽油以及一些添加剂调配而成，其蒸气压比纯甲醇燃料高得多，着火性能也较好。M85标准规定冬季（11月1日～4月30日）用甲醇燃料的蒸气压小于78 kPa，而冬季用国Ⅴ汽油的蒸气压为45～85 kPa。北方冬季用甲醇燃料蒸气压能够达到78 kPa，其与汽油的蒸气压较接近。如果汽油能够低温下正常起动，一般情况下，甲醇燃料也能够起动。甲醇是单一燃料，其蒸气压不变，而汽油是多组分燃料，不同地域不同季节汽油的蒸气压也不同，北方用的汽油蒸气压相对较高，而南方高温地区为了防止气阻一般蒸气压相对较低。在北方使用当地燃料调配的M85燃料-25℃下发动机能够起动，而在南方则可能难以起动。在江苏地区，采用当地燃料调配的M85燃料一般在-10～-20℃下发动机能够起动。

图7为在江苏地区采用冬季用汽油和当地购买的甲醇燃料调配的M85燃料在冷起动试验室-20℃冷起动情况。可知，发动机在2.3 s内，过量空气系数降低到0.8以下，缸内混合气浓度达到着火条件，3.2 s之后发动机转速稳定迅速上升，发动机起动成功。

图7 M85在-20℃冷起动情况

图8是M85甲醇车在内蒙古牙克石市进行的冬季冷起动试验数据，采用当地的汽油和甲醇燃料调配的M85燃料在-25℃下3 s内可以顺利冷起动。图8中的起动转速比较平顺，主要是因为在车上受到条件限制，数据采集的频率较低。

图8 M85甲醇车在-25℃冷起动数据

4.2.2 M70甲醇燃料

M70以上的高比例甲醇燃料的互溶性较好，抗吸水能力也较好。M70蒸气压较高，是冬季用甲醇燃料的合理选择。

图9是在江苏地区配制的M70燃料在冷起动试验室-25℃下发动机的冷起动情况。可知，发动机在起动后两个循环转速开始上升，说明某一缸已经着火，但是其它缸没有着火或者其它缸燃烧发出的功率较小，转速上升后又开始下降，到第5个循环开始第2缸缸内压力突然升高，第2缸开始着火，到2.5 s后转速不再下降，说明4个缸全部着火，发动机转速上升到1 500 r/min，发动机起动成功。因此，M70燃料的发动机低温冷起动性能较好。

图9 M70在-25℃冷起动情况

我国车用汽油国Ⅴ标准规定冬季汽油的蒸气压为45～85 kPa。美国规定M70甲醇燃料的蒸气压为83～103 kPa。可见，美国M70燃料的蒸气压比中国国Ⅴ汽油的蒸气压整体要高。按照此M70标准，M70发动机的冷起动性能不低于国Ⅴ汽油发动机冷起动性能。

4.2.3 含8.5%异戊烷甲醇燃料

甲醇燃料中添加易挥发的组分可调整馏程曲线达到冬季用汽油同等的蒸气压力，提高冷起动性能，表2为添加不同比例组分的甲醇燃料的理化特性。可知，添加8.5%异戊烷的甲醇燃料蒸气压可达0.09 MPa，添加10%石油醚的甲醇燃料蒸气压可达0.065 MPa。甲醇发动机可在低温冷起动时使用添加易挥发组分的甲醇燃料，正常工作工况下使用不带添加剂的甲醇。

表2 几种燃料组分的理化特性

含8.5%异戊烷甲醇燃料在-20℃冷起动时转速和过量空气系数如图10所示。可知，1.6 s过量空气系数降低到0.8以下，混合气达到着火条件，约1.8 s转速上升到1 700 r/min以上，发动机冷起动成功。相对于M85甲醇燃料添加异戊烷的甲醇燃料在低温下的挥发性较好，相应的起动时间缩短。

图10 含8.5%异戊烷甲醇燃料在-20℃冷起动数据

4.2.4 含10%石油醚甲醇燃料

图11所示是发动机采用含10%石油醚甲醇燃料在-20℃时的冷起动情况。可知，起动后2.2 s过量空气系数降低到0.8以下，在2.4 s转速达到1 500 r/min并且开始稳定上升，冷起动成功。添加石油醚的甲醇燃料蒸气压比添加异戊烷甲醇燃料略低，起动性能也稍低于添加异戊烷甲醇燃料。

图11 含10%石油醚甲醇燃料在-20℃冷起动数据

在甲醇燃料中添加高挥发性的组分有利于提高甲醇燃料的蒸气压，提高发动机的冷起动性能，但是，可添加的组分的种类繁多，添加这些组分之后是否会带来排放问题，高负荷是否会引起爆震等问题目前还没有定论，并且目前还没有制定国家标准，能否使用燃料组分提高发动机的冷起动性能需待商榷。

4.3 进气加热对甲醇发动机冷起动的影响

进气加热又分为进气管加热和进气道加热，图12是在节气门处进气管上安装加热器在常温时的加热效果，加热器用12 V电压驱动，驱动电流为11.7 A。电热器加热3 min，温度从28℃上升到225℃，周围空气温度从28℃上升到66℃，空气温度上升38℃。加热器安装在进气管上距离气缸较远，对冷起动初始几个循环影响不大，而初始几个循环是冷起动的关键，并且沿途管路又有较大的热损失，故这种加热方式对冷起动影响不大。如果进气管加热器持续加热，对后续发动机的暖机工况有效。

图12 电加热器加热对空气温度的影响

进气道加热效果相对较好，在进气道安装电热塞或其它加热器，可快速加热进气道内的空气，燃料喷入气道内可直接促进燃料的蒸发，散热损失也少。图13是采用江苏地区夏季用汽油调配的M85甲醇燃料在-18℃的发动机冷起动情况。可知，不加热时在-18℃发动机难以起动，而进气道加热后，进气道温度上升到约30℃，在第5个循环时即2.4 s时发动机着火，在3 s冷起动成功。一般情况下，采用进气道加热发动机的最低冷起动温度可以降低3～5℃。

图13 进气道加热对发动机冷起动的影响

4.4 燃料加热对甲醇发动机冷起动的影响

燃料加热措施有多种，比较有效的是燃料喷射器直接加热，在冷起动阶段和暖机阶段在气道内直接喷射高温燃料，增加燃料的蒸发量。

图14是未喷射燃料时加热喷射器的红外摄影图像。可知，加热喷射器表面温度可以达到88.7℃。

图14 进气道加热对发动机冷起动的影响

图15是环境温度为-10℃时，燃料喷射器加热对发动机冷起动性能的影响。可知，如果喷射器不加热，发动机在起动后3.1 s转速上升到1 200 r/min以上并且稳定上升，发动机冷起动成功；喷射器加热3 s后发动机开始起动，发动机在起动后2 s，转速上升到1 200 r/min并且稳定上升，发动机冷起动成功，加热后发动机的冷起动时间缩短1 s左右。虽然喷射器加热对燃料的加热效果较好，但是相对于发动机缸内进气量来说较少，甲醇在常压下在65℃沸腾，燃料从加热的喷射器喷出即可蒸发，燃料蒸发后由于受到空气的冷却而产生冷凝，这种加热方法对提高发动机冷起动性能的效果有限。一般采用喷射器加热措施，可以降低5℃的最低冷起动温度。

图15 喷射器加热对发动机冷起动的影响

4.5 进气滚流对甲醇发动机冷起动的影响

图16是环境温度为-10℃时，开启和关闭滚流阀时进气滚流对发动机冷起动的影响。进气滚流阀开启时发动机在起动后1 s，转速上升到1 200 r/min以上，并且稳定上升，发动机冷起动成功，这是因为进气滚流增强，促进燃料蒸发，短时间内缸内混合气的浓度增加到着火下限，使得冷起动时间缩短。进气滚流阀关闭时，缸内的滚流减弱，燃料蒸发量减少，冷起动时间变长，在起动后3.1 s，转速上升到1 200 r/min以上，发动机冷起动成功。在-10℃冷起动，滚流阀开启可使冷起动时间缩短2 s左右。一般采用进气滚流阀，可以降低5～10℃的最低冷起动温度。

图16 进气滚流对发动机冷起动的影响

5 结论和建议

a.采用北方地区冬季用高蒸气压汽油调配的M85燃料可使发动机在-25℃成功冷起动，采用江苏地区汽油调配的M85甲醇燃料的发动机可在-10～-20℃冷起动；

b.在江苏地区调配的M70甲醇燃料可以在-25℃成功冷起动；

c.我国的甲醇燃料标准只有M85，没有M70和M80，鉴于冬季用M70和M80甲醇燃料有利于提高发动机的冷起动性能，建议增加M70和M80标准；

d.在甲醇燃料中添加高挥发性的组分（如石油醚和异戊烷），可有效提高冷起动性能，但是目前没有相关国家标准；

e.采用进气管加热对发动机的冷起动性能影响不大，进气道加热措施可以缩短冷起动时间，使发动机最低冷起动温度降低3～5℃；

f.采用冷起动阶段进气滚流措施可促进甲醇燃料的蒸发以及与空气的混合，缩短冷起动时间，降低最低冷起动温度5～10℃。

1 GB 17930-2013车用汽油.

2 宫长明，邓宝清，王舒，等.预热对电控喷射甲醇发动机冷起动着火特性的影响.吉林大学学报（工学版），2008,38（5）：1029～1033.

3 GB/T 23799-2009车用甲醇汽油（M85）.

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

5 崔心存.醇燃料与灵活燃料汽车.北京:化学工业出版社，2010.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为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

甲醇发动机 冷起动 进气加热 燃料加热

TK423 文献标识码：A 文章编号：1000-3703（2017）10-0012-06