电喷汽油机甲醇燃料性能试验研究

王本亮，全学鳌，肖 飚，钟新宝

（1.邵阳学院机械与能源工程系，湖南 邵阳 422004；2.湖南省湘西土家族苗族自治州汽车运输总公司161车队，湖南 吉首 416000）

自20世纪世界石油危机以来，随着各国汽车保有量的激增，机动车排放的尾气已经成为大气的主要污染源之一，燃油需求量也急剧上升。这一方面促使汽车发动机在新型燃烧技术、尾气处理技术等方面进行了相关的研究工作，并取得了一定的成果，以满足愈加严格的汽车排放法规；另一方面为了缓解对石油资源的过分依赖，寻找资源丰富、价格合理、低排放的代用燃料也在不停探索中。甲醇不但是重要的化工原料，而且是性能优良的能源和车用清洁燃料。因甲醇来源广泛、生产技术工艺成熟、生产成本低，目前许多国家积极开展了在汽油中掺合甲醇作为汽车燃料的研究工作。研究结果表明，在汽油中掺合甲醇比率低于15%时，汽油机不做大的改造可直接使用，但是性价比不高，在汽油中掺合甲醇比率达85%时，汽油机需要做很大的改动，发动机改造成本高。

本文利用发动机尾气中的余热对甲醇进行汽化，研究甲醇对车用电喷汽油机性能的影响，此方法对原发动机燃料供给系统改动较少，更方便实用。

1 甲醇燃料对燃烧过程的影响

甲醇的含氧量为50%（质量比），这有利于改善发动机的燃烧过程、降低发动机尾气排放。甲醇的热值只有汽油的47%，理论空燃比仅为汽油的44.3%，汽化潜热为汽油的3.5倍，汽油机使用甲醇燃料时因汽化潜热增加，发动机进气温度降低，影响燃料的充分汽化。汽油机使用甲醇燃料存在低温环境下难以起动，大负载工况下爬坡能力不强，超车时加速性能不高，如果能解决上述问题，汽油机使用甲醇燃料比汽油经济，比燃用乙醇燃料经济性更高。

表1 某型号电喷汽油机参数

图1 电喷汽油机甲醇燃料性能试验装置简图

2 实验设备及方法

本文采用的试验样机为一四缸水冷电喷汽油机，试验样机参数见表1，实验装置如图1所示。为解决汽油机使用甲醇作燃料低温起动困难问题，汽油机试验时安装了两套燃料供给装置，一套供给汽油燃料，另一套供给甲醇燃料，发动机起动时供给汽油燃料，发动机起动成功后通过电磁阀切换供给甲醇燃料。

甲醇的汽化潜热值为1101 kJ/kg，约为汽油汽化潜热值的4倍，当甲醇燃料在发动机进气管中与空气蒸发混合时，甲醇汽化吸热会导致混合气温度降低，发动机进气管因低温会出现结冰情况，严重影响发动机混合气质量和发动机燃烧过程，从而导致发动机低温起动困难、发动机性能下降。为解决甲醇汽化吸热影响发动机混合气质量和性能，实验过程中采用发动机的高温排气预热甲醇燃料，预热后的甲醇接入汽油机的燃油供给系统。

汽油的热值是甲醇的2.17倍。根据理论计算要保持发动机的指示功率不变，每循环甲醇的供给量为汽油的2.17倍，发动机工作时甲醇燃料流量是汽油燃料流量的两倍时，才能保证发动机的正常运行，试验时采用加大电喷汽油机喷油咀的喷孔直径的方式提高甲醇循环供应量。

3 试验结果分析

3.1 经济性对比

试验样机在发动机工作转速范围内的外特性油耗对比曲线如图2所示。因甲醇的热值只有汽油的47%，由试验曲线可知，甲醇的燃油消耗率明显的要高于汽油。理论上要使汽油机保持原功率正常运转燃烧甲醇燃料至少是汽油的2.2倍，由试验曲线可知在发动机工作转速范围内汽油机燃用甲醇燃料是汽油燃料的1.85～1.5倍，在同工况下，甲醇消耗量按热值折算成汽油量后均低于使用汽油时的耗油量，甲醇燃料经济性高。

图2 试验机样外特性下油耗对比曲线

3.2 排气温度的对比

电喷汽油机在中低转速（如n=2500 r/min）时，因甲醇燃料汽化潜热较大，发动机的排气温度较燃用汽油燃料时略有降低，但是相差不大。在高转速（如n=5300 r/min）时，因发动机压缩比随转速增加而升高，发动机燃烧过程中气缸内的压力、温度增加，可燃混合气预热良好，激冷层变薄，为甲醇的燃烧创造了良好的条件，发动机的热效率有所提高，发动机排气温度略高于汽油燃料，两种燃料温度对比如图3所示。

图3 试验机样外特性下排气温度曲线

3.3 排气成分的对比分析

图4、图5分别是汽油机在2500 r/min、5300 r/min负荷特性时两种燃料的HC、CO排放曲线。由图4对比可知，发动机在部分负荷、高负荷工况下，燃用甲醇燃料的HC、CO排放均低于燃用汽油燃料的HC、CO排放，随着发动机排气温度的升高，进气管内的混合气预热强度增加，甲醇燃料自携氧要比空气中的氧更有助于充分燃烧，或者说原子氧要比分子氧更容易参加氧化反应，燃烧时更加充分，因而减少了HC、CO的排放。

图4 甲醇、汽油燃料HC排放对比曲

图5 甲醇、汽油燃料CO排放对比曲线

由图5（b）可以发现随着发动机负荷的增加，燃用汽油燃料发动机排放的CO反而减少，这是由于发动机在高负荷工况下，随着发动机排气温度升高，发动机燃烧过程更加完善，因此减少了CO的生成。

图6和图7分别是汽油机在2500 r/min、5300 r/min负荷特性时两种燃料的CO2、NO排放曲线。随着发动机负荷增加，要维持相同的发动机转速，必须增大燃料的供应量，发动机排气温度升高，有利于NO的生成，NO随着发动机负荷的增大而增加，由于甲醇燃料自身含氧量高，燃烧过程相对汽油燃料更完善一些，发动机排气中的NO相对要少很多，而CO2要略多一些。

图6 甲醇、汽油燃料CO2排放对比

图7 甲醇、汽油燃料NO排放对比曲线

4 结 语

（1）电喷汽油机在起动时通过供给电磁阀阀切换供给汽油燃料，可解决发动机使用甲醇燃料时存在的低温起动困难，通过加装甲醇预热装置，解决了因甲醇汽化潜热大而导致混合气温度低、混合气雾化质量不高的的问题。

（2）通过电喷汽油机使用甲醇燃料、汽油燃料性能对比，因甲醇热值低于汽油，同样工况下，发动机在使用甲醇燃料时燃油消耗率高于汽油燃料，按热值折算成汽油量甲醇消耗量要低于汽油量，由于甲醇来源广泛，生产成本低，发动机燃用甲醇燃料时经济性要优于汽油燃料。

（3）同一工况下，电喷汽油机使用甲醇燃料的排放明显低于汽油，这对降低汽车尾气排放污染有很重要的现实意义。