甲醇地動力性及排放

1、甲醇汽油對發(fā)動機動力經濟及排放性能的影響近年來，我國汽車業(yè)迅猛發(fā)展，環(huán)境和能源問題日益突出，尋找可替代 的高效清潔石油替代燃料，來緩解石油資源短缺、能源不足的壓力，保證我 國的能源安全和環(huán)境保護已成為我國發(fā)展的一項重點任務。我國的能源狀況 是“缺油、少氣、富煤”。甲醇燃料的低熱值比汽油低，僅為汽油的46%，因此當在汽油機上燃用甲醇時， 應增大循環(huán)油量從而使混合氣的熱值大體與 汽油空氣混合氣相等或略高。本文通過對不同比例甲醇燃料（M15和M30）和93#汽油進行功率工 況、加速時間、油耗測試，以確定最佳的燃燒混合比。裝置和研究方法試驗研究采用的是相同試驗條件下的數(shù)據對比方法，以求得出甲醇汽油混合

2、燃料對發(fā)動機性能的影響。在研究發(fā)動機的動力性時常用發(fā)動機有效功 率作為指標。當測功機進入測功程序，滾筒轉速達到測功速度設定點時，隨加速踏板 開度增加，滾筒對驅動輪產生制動力，當該制動力與驅動力達到平衡時，得 出汽車車輪與滾筒切向間的瞬時驅動力值。功率即為速度與力的乘積。試驗 按GB/T18276-2000測量額定扭矩工況汽車驅動輪輸出功率和額定功率工況汽車驅動輪的輸出功率值以及多個速度點的功率值。測試080km/h 原地起步連續(xù)換檔加速時間。燃油裝在外接油箱內，通過設定的時間來測定循環(huán)工況下的油耗。 如圖1所示，循環(huán)工況為：車速從0加速至20km/h 后勻速行駛1min，然后順 序運行車速至

3、40km/h、60km/h、80km/h、70km/h、50km/h 和 30km/h ，以各速度各均速行駛1min后總的燃油消耗量。根據國標要求，此次試驗分別用簡易工況法的穩(wěn)態(tài)加載工況法(ASM)和雙怠速法進行排放檢測。穩(wěn)態(tài)工況法汽車排氣檢測系統(tǒng)采用穩(wěn)定的勻速過 程，加載保持固定值。試驗結果和分析不同比例的甲醇汽油對整車動力性的影響在實驗過程當中，汽車在燃燒M15甲醇汽油的功率有所提高，功率提高0.81.3，增幅為3.79%4.62%。當汽車車速在40km/h以下時，功率勻速增加，增幅不大，當汽車車速在 40km/h以上時，功率隨著轉速的增加而明顯提高，在電噴汽油機工作的過 程中，ECU根據

4、各傳感器傳輸?shù)目諝饬髁?、發(fā)動機轉速等工作參數(shù)，按照預 先編好的運算程序進行計算，和內存中的最佳工況參數(shù)進行比較判斷，給噴 油器一個噴油脈沖信號。燃用 M30甲醇汽油的輸出功率與93#汽油相比， 在50km/h 時，功率下降最大，下降為 0.7kW，降幅為2.1%。在定速度55km/h下，定量測得汽車的功率工況，如表 2所示，燃用M15甲醇汽油與93#汽油相比，驅動輪輸出功率提高了 1.4kW，而M30 甲醇汽油與93#汽油相比，降低了 0.2kW。甲醇的氣化潛熱值為 1.101MJ/kg，是汽油的2.372倍，它在進氣過程和壓縮過程中要從空氣和氣缸吸取大量的熱量才能氣化工作。但由于甲醇自身含氧

5、，完全燃燒所需的空氣比汽油少的多，甲醇的理論混合氣質量低熱值可達汽油的94%。由于甲醇是含氧燃料，所以甲醇燃燒速度快而且燃燒完全，熱效率高，有利于動 力性的提高。甲醇的沸點比汽油低，有助于燃油空氣混合氣的形成和缸內混 合氣的流動，改善燃燒過程。試驗結果證明，燃用不同比例甲醇時，M15甲醇汽油的動力性明顯優(yōu)于 93#汽油，而M30甲醇汽油動力性沒有提高， 反而降低了。汽車在燃用不同比例甲醇汽油時，從 080km/h 時的加速時間，由圖 示可得動力性：M15 >93# >M30。由此可對上面燃用不同比例甲醇汽油 對整車性能影響的驗證說明。不同比例的甲醇汽油對整車經濟性的影響由于醇的熱值

6、只有汽油熱值的46%，為了科學地比較甲醇汽油的經濟 性，將混合燃料的燃燒量轉化為當量燃油消耗量，分別描述M15、M30兩種不同比例甲醇汽油的燃油經濟性。甲醇是單碳的含氧燃料，其分子結構中含有羥基，在羥基中由于氧原子 間極性的存在，使得它具有較強的化學活性。羥基的這一特性使得甲醇汽油 燃燒更充分，燃燒速度快，后燃燒程度小，從而有利于燃燒效率和熱效率提 高，總體當量比油耗下降，另一方面，甲醇的氣化潛熱大，導致發(fā)動機在低 負荷工作時氣缸內的溫度、壓力較低，會在一定程度上惡化燃燒。如圖4所示，兩種比例甲醇汽油的當量燃油消耗量隨著車速的增加呈緩慢上升的趨 勢。與93#汽油相比較，M15甲醇汽油降低0.3

7、1L/(100km)，M15低摻 混比甲醇汽油在中低轉速時，汽油機在閉環(huán)反饋控制下進行，過量空氣系數(shù) 接近1.0，發(fā)動機發(fā)出相同功率時，理論空燃比下的循環(huán)混合氣質量相差不 大,而且摻燒的甲醇比例少，因此甲醇汽油的當量燃油消耗量降低幅度不大； 在高轉速時，由于氣門開度相對較大，甲醇的燃燒就比較充分，燃油消耗量 明顯減少。對于M30甲醇汽油燃燒消耗量高于93#汽油，提高0.050.23L心00km），提高幅度為1.2%5.6% 。這是由于甲醇的低熱值為19.916MJ/kg ，低于汽油的低熱值，因此甲醇汽油的燃油消耗高于汽油 的燃油消耗。由計算可知，M30的低熱值為36.727MJ/kg ，低于汽

8、油的低 熱值，因此甲醇的低成本和可持續(xù)利用以及甲醇汽油的低排放性所帶來的社 會經濟效益，使用甲醇還是經濟合理的。不同比例的甲醇汽油對整車排放性的影響在采用穩(wěn)態(tài)工況法時，分為兩個等速工況段，一是ASM5025工況，車速為25km/h，按車輛加速度1.47m/s2 時負荷的50%對該工況進行加 載；二是ASM2540 工況，車速為40km/h ，按車輛加速度為1.47m/s2 時負荷的25%對該工況進行加載，排放結果以濃度表示，排放測試結果如 圖5和圖6，在發(fā)動機上燃用M15燃料時測得的排放物與93#汽油相比， CO、NO則有所下降，HC則略有增加（可以通過氧化催化反應器進行后處 理）。燃用M30

9、甲醇汽油HC和CO排放改善效果較為明顯，而NO有所下 降。這是由于甲醇蒸發(fā)潛熱高，在其它條件相同時，它能降低壓縮溫度和最 高燃燒溫度，從而在多數(shù)情況下，它可以降低 NO排放，但由于甲醇火焰?zhèn)鞑ニ俣群头艧崴俾士?，它的滯燃期長，需要增大點火提前角，又會增大NO排放，因此它對NO排放的影響不明顯。在采用雙怠速法時，測量排放氣濃度時，無 NO監(jiān)控，只能測得CO 和HC排放物，如圖7和圖8所示，M15和M30與93#汽油相比，CO雖 有所降低，但幅度不大，這是因為 CO排放的主要因素是過量空氣系數(shù)。發(fā) 動機在中小負荷工況運行時，電控汽油機的控制策略為閉環(huán)控制，ECU根據 氧傳感器的反饋信號調節(jié)電子節(jié)氣門

10、的大小， 最終使得燃料燃燒時的相對過 量空氣系數(shù)維持在1附近。從而甲醇汽油和純汽油的CO的排放量相差不大， 并且甲醇在燃燒的過程中具有自供氧功能， 羥基中氧比空氣中游離的氧更有 助于充分燃燒，致使汽油機燃用甲醇汽油時實際的過量空氣系數(shù)略小于純汽 油。與93#汽油相比較，M30和M15甲醇汽油機隨著轉速的提高，HC 排放量也相應提高，這是由于高負荷時，混合氣加濃，缸內壓力增大，部分 可燃混合氣受壓進入缸套與活塞之間的縫隙、活塞環(huán)的側隙等不易燃燒的區(qū) 域，使得該部分燃氣無法完全燃燒，另外發(fā)動機燃燒甲醇汽油混合燃料的循 環(huán)變動增大，同樣造成燃燒不充分，使得 HC排放大幅增加。因此試驗結果 表明，總體上混合燃料發(fā)動機的 CO、HC、NO均有不同程度下降，其中 M15甲醇汽油的排放較佳。通過試驗對比研究，燃用 M15和M30的電噴發(fā)動機與燃用純汽油的 電噴發(fā)動機相比，其動力性、經濟性和排放性有如下結論：1. 燃用M15時的動力性優(yōu)于純汽油，尤其在中高車速 時，表現(xiàn)尤為明顯，而燃用 M