烃类添加剂对M100甲醇发动机冷起动性能影响研究

王 鑫，程浩楠，朱启兴

(1. 西安航空学院 车辆工程学院，陕西 西安 710077；2. 西安航空学院 汽车检测工程技术研究中心，陕西 西安 710077)

甲醇是一种煤炭加工过程的产物，由于其具有含氧比例高，辛烷值高，汽化潜热高，燃烧高效，排放污染低等特点，可作为一种有效的车用清洁燃料[1]. 据统计，我国2019年汽车保有量将达到2.6亿辆，伴随我国汽车保有量的不断增加，随之而来的是大气污染、资源短缺等问题. 甲醇作为车用替代燃料，具有安全稳定、燃烧效率高、排放污染少等特点，已在国内外得到广泛认可，特别是相比传统汽油具有较高的燃烧效率，使得CO，HC排放大幅度降低，产生的PM2.5排放也比同排量传统汽油车要低80%. 同时，甲醇作为车用替代燃料，可以缓解我国石油资源紧张状况. 甲醇作为车用替代燃料对实施石油替代战略、保障我国能源安全具有战略意义. 2019年3月，中国8部委联合发布 《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》(工信部联节 〔2019〕61 号)，这对中国甲醇燃料与甲醇汽车来说，是发展史上一个重要的里程碑，具有十分重要的意义[2].

然而对于使用M100的甲醇汽车，由于纯甲醇燃料的汽化潜热大，蒸发时吸收的热量多，导致在起动时，M100甲醇发动机进气道及气缸的温度急剧下降，特别是在低温时，喷射的大量甲醇燃料无法雾化而吸附在进气管上，导致混合气过稀，无法起动[3]. 因此，在面对冷起动问题时，M100甲醇汽车发动机普遍采用汽油或辅助添加剂辅助起动方式，本文根据目前常用的几种甲醇烃类添加剂作为研究对象，通过在不同环境温度下，分析烃类添加剂的成分及加注量对M100甲醇发动机冷起动性能的影响.

1 M100甲醇发动机冷起动性能影响因素

1.1 甲醇的汽化潜热影响

甲醇的沸点为64.7 ℃，具有较高的汽化潜热，约为汽油汽化潜热的3倍. 由于甲醇的汽化潜热大，在形成甲醇蒸汽过程中吸收的热量多，导致甲醇发动机进气道及气缸的温度急剧下降，新鲜充量中甲醇的蒸发条件恶化[4]. 假设燃料蒸发吸收的热量来自与之混合的空气，甲醇混合气的温度下降可由式(1)表示

Δt=q/(α×cp)，

(1)

式中：q为燃料蒸发潜热；α为燃料理论空燃比；cp为常温常压下空气的定压比热容，一般cp=1.004 kJ(kg/K). 而根据甲醇的燃料蒸发潜热值和理论空燃比可知，在理论情况下要使混合气燃料完全蒸发，M100甲醇燃料混合气温度将下降171.3 K，远远高于汽油的20.1 K[5]. 因此，当甲醇与空气混合后，混合气温度的下降，使甲醇的蒸发更加困难[5]. 若给M100甲醇燃料添加一定比例的烃类添加剂，可有效降低M100甲醇燃料在冷起动时汽化潜热所吸收的能量，改善起动性能.

1.2 甲醇的饱和蒸汽压影响

饱和蒸汽压对发动机冷起动性能有重要的影响，发动机燃料饱和蒸汽压越大，其燃料挥发性越高. 而M100甲醇燃料随温度不断降低其饱和蒸汽压远低于汽油燃料，在20 ℃时M100甲醇燃料的饱和蒸气压为12.8 kPa，0 ℃时M100甲醇燃料的饱和蒸气压仅为3.9 kPa，饱和蒸气压的下降抑制了甲醇的蒸发，使得进入缸内的混合气中甲醇燃料蒸汽量减少[6]. 具实验结果分析，M100甲醇燃料在0 ℃时的蒸发量不足20 ℃时的1/6. 因此，在环境温度较低的情况下，造成起动困难的主要因素是甲醇燃料的蒸发量不够，从而导致混合气浓度达不到着火的下限[7].

1.3 冷起动发动机喷醇脉宽的影响

在低温环境下，可以通过增加甲醇发动机冷起动循环喷醇量提升发动机冷起动性能，但环境温度16 ℃是甲醇发动机自身起动着火的最低温度. 当环境温度低于16 ℃时，即使改变甲醇循环喷射量和优化甲醇喷油正时都无法实现甲醇发动机着火. 根据王放[8]的试验研究表明，在环境温度为10 ℃时，甲醇发动机在借助外界助燃条件下，随发动机喷醇脉宽的增加，发动机冷起动达到成功起动条件的循环数逐渐减少. 因此，对于M100甲醇发动机低温冷起动，在有一定的预热装置或起动添加剂的辅助下，通过适当增加喷醇脉宽，可以有效提升气缸混合气浓度，实现低温起动.

1.4 甲醇发动机引燃温度的影响

甲醇的闪点和引燃温度分别为11 ℃ 和385 ℃，在低温环境温度下，甲醇因蒸发吸热带来的降温作用远大于活塞压缩工质产生的热量，导致发动机点火时刻气缸环境温度低于甲醇的闪点温度，难以实现正常点火，致使发动机起动困难[6]. 因此，在不改变发动机点火提前角的情况下，通过使用烃类添加剂，降低M100甲醇燃料闪点和引燃温度，并同时增加发动机点火能量，可有效提升低温下M100甲醇发动机冷起动性能.

2 试验设备与试验方案

2.1 M100甲醇发动机冷起动试验设备

选用吉利JLC-4M18型1.8L甲醇发动机进行冷起动试验，其主要参数如表 1 所示. 为研究在使用烃类添加剂后M100甲醇发动机的冷起动性能，试验使用的主要仪器包括湘仪CAC160型电力测功机； EATS公司ES630型空燃比测试仪，主要实现测量M100甲醇发动机在冷起动中起动时间，起动瞬时转速，冷起动喷油脉宽及空燃比(A/F)参数. 为保障M100甲醇燃料发动机的冷起动性能试验温度恒定，全部试验在低温实验舱中进行，试验舱可实现本次试验所需的-20 ℃～0 ℃环境温度，温度的控制误差为±1 ℃，满足甲醇发动机低温冷起动对外界环境温度的模拟需求.

表 1 发动机性能参数Tab.1 Engine performance parameters

2.2 试验方案设计

试验选用3种添加剂分别计为A，B，C，其3种添加剂主要成分及体积百分比如表 2 所示.

表 2 添加剂类型及成分Tab.2 Type and composition of additives

试验时，通过制冷机组降低环境温度，选择的试验温度分别为0 ℃，-10 ℃和-20 ℃，根据试验环境温度不同，为试验M100甲醇燃料在添加不同比例添加剂的冷起动效果，可设加注添加剂的加注比例(体积百分比)分别为10%，12%和15%. 为保证每次试验的准确性，减少前一次试验的影响，要求每次试验冷却液温度、进气温度与环境温度一致时，才能进行冷起动试验.

在试验过程中，要求在每个测试环境温度下对添加不同类型添加剂的M100甲醇燃料均进行3次冷起动. 若冷起动失败，可根据要求增加添加剂加注比例，直到冷起动成功或到达试验规定最大加注比例时停止. 在试验测试中，通过测功台上位机记录不同试验过程中发动机起动瞬时转速、喷醇量(喷油脉宽)、起动时间和起动次数等参数.

3 试验结果分析

3.1 试验结果

试验结果表明，在不加注添加剂时，使用M100甲醇燃料的发动机在环境温度为0 ℃时，起动3次均不能正常起动； 在分别添加A，B，C型甲醇冷起动添加剂后，当添加剂的加注比例为10% (体积百分比)时，均可在0 ℃的环境温度下顺利实现发动机冷起动； 在环境温度为-10 ℃时，A型添加剂需将加注比例增加到15%(体积百分比)，可顺利一次性起动，而B，C类添加剂只需将加注比例增加到12%(体积百分比)时，便可成功起动. 当环境温度下降至-20 ℃时，使用A，B两型添加剂将加注比例调整为15%(体积百分比)时，发动机均不能正常起动，而C型添加剂在加注比例调整为15%(体积百分比)后，需配合增加喷油脉宽，可实现发动机顺利起动，其结果参数如表 3 所示.

表 3 发动机台架冷起动试验结果Tab.3 Engine bench cold start test results

3.2 添加剂对起动的影响分析

3.2.1 添加剂对起动时间的影响

通过试验对比分析，对同类添加剂在不同环境温度时冷起动时间进行纵向对比，受环境温度降低的影响，虽然可通过增加添加剂加注比例改善M100甲醇发动机冷起动性能，但冷起动成功所需的时间也会随着环境温度的降低而增加，如表 3 所示，对于添加C型添加剂的M100甲醇发动机在环境温度为0 ℃，-10 ℃ 和-20 ℃时所需的起动时间分别为0.9 s，2.1 s和3.4 s. 对不同类型添加剂在相同温度时冷起动时间进行横向对比可以看出，添加剂中含C4～C8烃类成分比例较高的C型添加剂冷起动时间比使用A型和B型添加剂所需的冷起动时间要少. 特别是在环境温度为-20 ℃时，在使用A型和B型添加剂将加注比例提升至5%(体积百分比)，并且喷油脉宽调整至130 ms时，发动机依旧无法正常起动，而使用C型添加剂在相同条件下可以正常起动，且起动时间小于5 s.

通过上述对比分析，在各环境温度下，C型添加剂对M100甲醇发动机在低温环境下的起动性能改善效果最好. 其主要原因是C型添加剂中含有轻质烃类成分相对较多，而该类成分比M100甲醇燃料的10%馏出温度要低得多，因此，改善了混合燃料的冷起动蒸发性. 同时，烃类燃料为非极性物质，分子间靠色散力相互作用，甲醇是极性物质，分子间的氢键决定其理化性质，甲醇与烃类混合后，分子间的作用力被打破，甲醇还能与烃类形成共沸混合物，也利于提高燃料的蒸发性能，改善低温时M100甲醇发动机冷起动性能[9].

3.2.2 添加剂对起动瞬时转速的影响

起动瞬时转速是衡量发动机冷起动成功的重要参数指标，图 1～图 3 是在环境温度为0 ℃，-10 ℃和-20 ℃时，使用A，B，C型甲醇冷起动添加剂后，发动机的起动瞬时转速变化情况. 从图中可以看出，随着环境温度降低，甲醇发动机起动拖动时间逐渐延长. 在环境温度为0 ℃和-10 ℃时，使用上述3型添加剂后，甲醇发动机基本都能够在2 s内完成冷起动，在冷起动过程中，拖动转速较为稳定，基本在200 r/min～400 r/min范围内波动，当燃料被点燃后，瞬时转速能够迅速上升至800 r/min以上，表明冷起动成功. 当环境温度为-20 ℃时，由于受环境温度影响，发动机拖动转速稳定性变差，峰状曲线出现的次数增多. 这是由于受甲醇的汽化潜热理化性能的影响，虽然发动机在冷起动过程中燃烧室部分区域发生了着火，缸内温度与压力逐步上升，出现发动机转速有爆发性的增加，但由于在起动时气缸壁温度较低，受甲醇燃料汽化潜热的影响，燃烧室局部出现低温环境，从而出现火焰传播间断的现象，甚至会导致发动机难以起动[10]. 由于C型添加剂的烃类燃料比例较A型和B型高，受烃类燃料挥发性高的特点，通过增加首循环喷射脉宽，加大燃烧室中烃类燃料的数量，使烃类燃料先于甲醇蒸发与空气混合，增加火花塞跳火后混合气被点燃的概率，实现发动机顺利起动.

图 1 使用A型冷起动添加剂测试的发动机瞬时转速Fig.1 Engine instantaneous speed measured with type A cold start additive

图 2 使用B型冷起动添加剂测试的发动机瞬时转速Fig. 2 Engine instantaneous speed measured with type B cold start additive

图 3 使用C型冷起动添加剂测试的发动机瞬时转速Fig.3 Engine instantaneous speed measured with type C cold start additive

4 结 论

1) M100甲醇燃料发动机若未采用任何辅助起动措施，则难以在环境温度低于16 ℃下实现冷起动，通过添加烃类添加剂后可有效改善甲醇发动机的冷起动性能，使用烃类添加剂后甲醇发动机可以实现在环境温度为-20 ℃下冷起动.

2) 烃类添加剂C4～C8烃成分比例对M100甲醇燃料冷起动有重要影响，当烃类添加剂采用C4～C8烃的比例达到90%时，通过配合增加喷醇脉宽的方法，可有效提升M100甲醇发动机在-20 ℃低温环境下的冷起动成功效率.