甲醇的动力性及排放

甲醇汽油对发动机动力经济及排放性能的影响
近年来，我国汽车业迅猛发展，环境和能源问题日益突出，寻找可替代的高效清洁石油替代燃料，来缓解石油资源短缺、能源不足的压力，保证我国的能源安全和环境保护已成为我国发展的一项重点任务。

我国的能源状况是“缺油、少气、富煤”。

甲醇燃料的低热值比汽油低，仅为汽油的46%，因此当在汽油机上燃用甲醇时，应增大循环油量从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高。

本文通过对不同比例甲醇燃料(M15和M30)和93#汽油进行功率工况、加速时间、油耗测试，以确定最佳的燃烧混合比。

装置和研究方法
试验研究采用的是相同试验条件下的数据对比方法，以求得出甲醇汽油混合燃料对发动机性能的影响。

在研究发动机的动力性时常用发动机有效功率作为指标。

当测功机进入测功程序，滚筒转速达到测功速度设定点时，随加速踏板开度增加，滚筒对驱动轮产生制动力，当该制动力与驱动力达到平衡时，得出汽车车轮与滚筒切向间的瞬时驱动力值。

功率即为速度与力的乘积。

试验按GB/T18276-2000测量额定扭矩工况汽车驱动轮输出功率和额定功率工况汽车驱动轮的输出功率值以及多个速度点的功率值。

测试0~80km/h原地起步连续换档加速时间。

燃油装在外接油箱内，通过设定的时间来测定循环工况下的油耗。

如图1所示，循环工况为：车速从0加速至20km/h后匀速行驶1min，然后顺序运行车速至40km/h、60km/h、80km/h、70km/h、50km/h和30km/h，以各速度各均速行驶1min后总的燃油消耗量。

根据国标要求，此次试验分别用简易工况法的稳态加载工况法(ASM)和双怠速法进行排放检测。

稳态工况法汽车排气检测系统采用稳定的匀速过程，加载保持固定值。

试验结果和分析
不同比例的甲醇汽油对整车动力性的影响在实验过程当中，汽车在燃烧M15甲醇汽油的功率有所提高，功率提高0.8~1.3，增幅为3.79%~4.62%。

当汽车车速在40km/h以下时，功率匀速增加，增幅不大，当汽车车速在40km/h以上时，功率随着转速的增加而明显提高，在电喷汽油机工作的过程中，ECU根据各传感器传输的空气流量、发动机转速等工作参数，按照预先编好的运算程序进行计算，和内存中的最佳工况参数进行比较判断，给喷油器一个喷油脉冲信号。

燃用M30甲醇汽油的输出功率与93#汽油相比，在50km/h时，功率下降最大，下降为0.7kW，降幅为2.1%。

在定速度55km/h下，定量测得汽车的功率工况，如表2所示，燃用M15甲醇汽油与93#汽油相比，驱动轮输出功率提高了1.4kW，而M30甲醇汽油与93#汽油相比，降低了0.2kW。

甲醇的气化潜热值为1.101MJ/kg，是汽油的2.372倍，它在进气过程和压缩过程中要从空气和气缸吸取大量的热量才能气化工作。

但由于甲醇自身含氧，完全燃烧所需的空气比汽油少的多，甲醇的理论混合气质量低热值可达汽油的94%。

由于甲醇是含氧燃料，所以甲醇燃烧速度快而且燃烧完全，热效率高，有利于动力性的提高。

甲醇的沸点比汽油低，有助于燃油空气混合气的形成和缸内混合气的流动，改善燃烧过程。

试验结果证明，燃用不同比例甲醇时，M15甲醇汽油的动力性明显优于93#汽油，而M30甲醇汽油动力性没有提高，反而降低了。

汽车在燃用不同比例甲醇汽油时，从0~80km/h时的加速时间，由图示可得动力性：M15＞93#＞M30。

由此可对上面燃用不同比例甲醇汽油对整车性能影响的验证说明。

不同比例的甲醇汽油对整车经济性的影响
由于醇的热值只有汽油热值的46%，为了科学地比较甲醇汽油的经济性，将混合燃料的燃烧量转化为当量燃油消耗量，分别描述M15、M30两种不同比例甲醇汽油的燃油经济性。

甲醇是单碳的含氧燃料，其分子结构中含有羟基，在羟基中由于氧原子间极性的存在，使得它具有较强的化学活性。

羟基的这一特性使得甲醇汽油燃烧更充分，燃烧速度快，后燃烧程度小，从而有利于燃烧效率和热效率提高，总体当量比油耗下降，另一方面，甲醇的气化潜热大，导致发动机在低负荷工作时气缸内的温度、压力较低，会在一定程度上恶化燃烧。

如图4所示，两种比例甲醇汽油的当量燃油消耗量随着车速的增加呈缓慢上升的趋势。

与93#汽油相比较，M15甲醇汽油降低0.31L/(100km)，M15低掺混比甲醇汽油在中低转速时，汽油机在闭环反馈控制下进行，过量空气系数接近1.0，发动机发出相同功率时，理论空燃比下的循环混合气质量相差不大，而且掺烧的甲醇比例少，因此甲醇汽油的当量燃油消耗量降低幅度不大；在高转速时，由于气门开度相对较大，甲醇的燃烧就比较充分，燃油消耗量明显减少。

对于M30甲醇汽油燃烧消耗量高于93#汽油，提高
0.05~0.23L/(100km)，提高幅度为1.2%~5.6%。

这是由于甲醇的低热值为19.916MJ/kg，低于汽油的低热值，因此甲醇汽油的燃油消耗高于汽油的燃油消耗。

由计算可知，M30的低热值为36.727MJ/kg，低于汽油的低热值，因此甲醇的低成本和可持续利用以及甲醇汽油的低排放性所带来的社会经
济效益，使用甲醇还是经济合理的。

不同比例的甲醇汽油对整车排放性的影响
在采用稳态工况法时，分为两个等速工况段，一是ASM5025工况，车速为25km/h，按车辆加速度1.47m/s2时负荷的50%对该工况进行加载；二是ASM2540工况，车速为40km/h，按车辆加速度为1.47m/s2时负荷的25%对该工况进行加载，排放结果以浓度表示，排放测试结果如图5和图6，在发动机上燃用M15燃料时测得的排放物与93#汽油相比，CO、NO 则有所下降，HC则略有增加(可以通过氧化催化反应器进行后处理)。

燃用M30甲醇汽油HC和CO排放改善效果较为明显，而NO有所下降。

这是由于甲醇蒸发潜热高，在其它条件相同时，它能降低压缩温度和最高燃烧温度，
从而在多数情况下，它可以降低NO排放，但由于甲醇火焰传播速度和放热速率快，它的滞燃期长，需要增大点火提前角，又会增大NO排放，因此它对NO排放的影响不明显。

在采用双怠速法时，测量排放气浓度时，无NO监控，只能测得CO和HC排放物，如图7和图8所示，M15和M30与93#汽油相比，CO虽有所降低，但幅度不大，这是因为CO排放的主要因素是过量空气系数。

发动机在中小负荷工况运行时，电控汽油机的控制策略为闭环控制，ECU根据氧传感器的反馈信号调节电子节气门的大小，最终使得燃料燃烧时的相对过量空气系数维持在1附近。

从而甲醇汽油和纯汽油的CO的排放量相差不大，并且甲醇在燃烧的过程中具有自供氧功能，羟基中氧比空气中游离的氧更有助于充分燃烧，致使汽油机燃用甲醇汽油时实际的过量空气系数略小于纯汽油。

与93#汽油相比较，M30和M15甲醇汽油机随着转速的提高，HC排放量也相应提高，这是由于高负荷时，混合气加浓，缸内压力增大，部分可燃混合气受压进入缸套与活塞之间的缝隙、活塞环的侧隙等不易燃烧的区域，使得该部分燃气无法完全燃烧，另外发动机燃烧甲醇汽油混合燃料的循环变动增大，同样造成燃烧不充分，使得HC排放大幅增加。

因此试验结果表明，总体上混合燃料发动机的CO、HC、NO均有不同程度下降，其中
M15甲醇汽油的排放较佳。

通过试验对比研究，燃用M15和M30的电喷发动机与燃用纯汽油的电喷发动机相比，其动力性、经济性和排放性有如下结论：
1.燃用M15时的动力性优于纯汽油，尤其在中高车速时，表现尤为明显，而燃用M30时的输出功率比汽油稍差，其加速性能好于汽油，但相差不大。

2.由于甲醇具有高辛烷值，低空燃比等特点，在不同掺
烧比的甲醇汽油对比试验中，M15的油耗率最低，经济性得到改善。

3.燃用甲醇燃料有害排放物均有所下降，其中对HC、CO排放降低比较明显，对NO的排放影响不大。

因此，甲醇可以作为一种较理想的汽油替代燃料来使用。