（动力机械及工程专业论文）电喷甲醇火花点火式发动机的改进与性能研究.pdf

摘要 甲醇是内燃机最有前途的代用燃料之一。甲醇燃料发动机，与汽油机相比， 有较低排放的优势。研究电喷甲醇火花点火式发动机的性能，特别是排放性能以 及改善冷起动性能，对解决能源和大气污染问题，具有重要的理论与实际意义。 本文比较了改进燃烧室前后电喷甲醇h l 4 9 5 j i q 发动机的特性。在做了改进 后的常规、非常规排放检测后，分析了各种排放的负荷特性，以及发动机全负荷 速度特性。根据九工况法标准计算并比较了催化器前后的排放量，分析了催化器 的催化效率。 根据相关标准，建立了燃油箱蒸发测量台架和燃油蒸发污染物吸附控制装置 的工作能力评测台架。通过测量为甲醇汽车匹配了适合的活性碳罐吸附装置，研 究了活性碳对甲醇燃料吸附所表现出的特性。研究表明：与对汽油表现出的难吸 附易脱附的性质不同，活性碳对甲醇是极易吸附而难脱附，本文做出了进一步分 析和讨论。 为探寻适合电喷甲醇发动机的冷起动装置，提出对解决电喷甲醇发动机冷起 动困难问题的可行方案。经过试验，大大改善了甲醇发动机冷起动性能。同时检 测了发动机冷起动时候的排放物。文中比较了各种起动方案下的起动效果和排放 生成物。 本课题为电喷甲醇发动机的实际应用做出了一定贡献，给企业相关生产有一 定参考价值。 关键词：电喷甲醇火花点火式发动机、燃烧室、排放特性、非常规排放物、燃 油箱蒸发污染物、冷起动 a b s t r a c t m e t h a n o li so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gs u b s t i t u t e so f e n g i n ef u e l c o m p a r e dw i t h t h eg a s o l i n ee n g i n e ，t h em e t h a n o le n g i n eh a sa d v a n t a g e si nl o w e re x h a u s te m i s s i o n s t u d i e so i lt h ep e r f o r m a n c eo fs p a r ki g n i t i o nm e t h a n o le n g i n ew i t he l e c t r o n i ci g n i t i o n e s p e c i a l l yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ne x h a u s te m i s s i o na n dt h ei m p r o v e m e n to fc o l d s t a r t ， m a k eag o o ds e n s eo ft h e o r ya n dp r a c t i c ef o rs o l v i n gp r o b l e m so ft h ee n e r g yc r i s i s a n da t m o s p h e r i cp o l l u t i o n t h ep e r f o r m a n c e sw e r ec o m p a r e db e t w e e nam e t h a n o le n g i n e ，h 1 4 9 5 j i q ，w i t h n e wc o m b u s t i o nc h a m b e r sa n dw i t ho l do n e s t h ec o n s t a n ts p e e dc h a r a c t e r i s t i c so f e x h a u s te m i s s i o n , a n dt h ef u l lt h r o t t l ec h a r a c t e r i s t i c so nt h em e t h a n o le n g i n ew i t h e l e c t r o n i ci g n i t i o nw e r ea n a l y s e da f t e rt h en o r m a la n du n r e g u l a t e de x h a u s te m i s s i o n m e a s u r e d b a s e do nt h es t a n d a r do i 19 - m o d et e s tc y c l e ，t h ee x h a u s te m i s s i o nw a s c o m p a r e db e t w e e nt h ef o r ea n db a c ko ft h ec a t a l y t i cc o n v e r t e r , t h e nt h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fc a t a l y s tw a sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt os o m es t a n d a r d s ，i tw a se s t a b l i s h e dt h a tt h eb e n c ht e s ts y s t e mf o r m e a s u r i n gt h ee v a p o r a t i v ep o l l u t a n t sf r o maf u e lt a n ka n dt h ep e r f o r m a n c eo nf u e l e v a p o r a t i v ep o l l u t a n t sc o n t r o ls y s t e mf o ra d s o r p t i o no ff u e lv a p o r s ，t h ea p p r o p r i a t e a c t i v ec a r b o na b s o r p t i o ns y s t e mw a sc h o s ev i am e a s u r e t h es t u d yo nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm e t h a n o lf u e la b s o r p t i o nt oa c t i v ec a r b o nw a sa c c o m p l i s h e d t h e r e s u l ts h o w s ：i ti se a s yf o ra c t i v ec a r b o nt oa b s o r bm e t h a n o lb u tm e t h a n o lw h i c hh a s b e e na b s o r b e di sd i f f i c u l tt oe s c a p ef r o mc a r b o n b yc o n t r a r i e s ，g a s o l i n eh a sr e v e r s e p r o p e r t y i nt h i sa r t i c l e ，t h e r ei sm o r ea n a l y s ea n dd i s c u s s i o n i na d d i t i o nt ot h i s ，f o rf i n d i n gae q u i p m e n tt h a ti ss u i t e dt om e t h a n o le n g i n ew i t h e l e c t r o n i ci g n i t i o nt oc o l d s t a r t ，f e a s i b l es c h e m e sw e r eb r o u g h tf o r w a r dt od e a lw i t h p r o b l e m0 1 3 m e t h a n o le n g i n ec o l d s t a r t a f t e rs o m ee x p e r i m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo f c o l d s t a r tw a si m p r o v e dg r e a t l y a tt h es a l 2 1 et i m e ，t h ee x h a u s te m i s s i o nw a sm e a s u r e d d u r i n gc o l d s t a r t i nt h i sa r t i c l e ，s t a r t i n ge f f e c ta n de x h a u s te m i s s i o nw e r ec o m p a r e do n v a r i o u ss c h e m e s t h i st h e s i si sc o n t r i b u t e df o rm e t h a n o le n g i n ew i t he l e c t r o n i ci g n i t i o n ，w i t ht h e r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ec o r r e l a t i o np r o c u c t i o no f e n t e r p r i s e k e yw o r d s ：s p a r ki g n i t i o nm e t h a n o le n g i n ew i t he l e c t r o n i ci g n i t i o n ，c o m b u s t i o n c h a m b e r ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，u n r e g u l a t e d e m i s s i o n s ， e v a p o r a t i v ep o l l u t a n t sf r o mf u e lt a n k s ，c o l d s t a r t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：焉喜哟签字日期：p 。f 年月印日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鹊多冯 导师签名 诅i 辜 l 签字日期：m 年月列日签字日期：m 噼f月f ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 甲醇在代用燃料中的地位以及我国关于甲醇代用燃料的国情 1 1 1 能源和环保问题带来甲醇代用燃料的发展 随着世界石油资源日趋匮乏，2 0 世纪6 0 年代一些国家对醇类燃料已引起了 注意，特别是中东的二次石油危机，更激发了人们对醇类燃料的研究与开发。第 二次石油危机之后，起初人们预测原油价格将会以通货膨胀率加3 的速度上涨。 因此，许多国家，尤其是一些发达国家争相研究煤的转化，寻找替代能源。煤化 工，或者说碳一化学的研究开发工作迅速发展。但是出乎人们的预料，石油价格 又迅速下跌。于是许多国家对替代能源的开发研究工作又延缓步伐，石油价格的 涨落，影响着煤化工技术开发工作的快慢，这是客观的现实状况。但是无论是国 外的学者还是企业家、还是国内发展能源的决策者都一致认识到这样一个严峻的 事实：优质能源石油、天然气的储量，或者说可开采量是越来越少，利用煤、化 工生产、生物资源转化成清洁优质能源，这是势在必行。其中甲醇被普遍认为是 最有前途的车用替代燃料。 1 9 8 9 年，美国加州政府把甲醇看作是交通运输方面符合空气质量标准最有 希望的替代燃料，要求积极推广。1 9 8 8 年1 0 月美国政府批准了“1 9 8 8 年发动机 代用燃料法”。这一法规鼓励机动车用甲醇等代用燃料【1 】。 1 9 7 6 年在瑞典举行了第一届国际醇类燃料会议( i s a f ) ，到2 0 0 2 年已举行 1 4 届。在上世纪8 0 年代和9 0 年代在广泛的研究中，醇类燃料呈现出改善汽车 排放的优良特性，这对环境保护有着重要作用。 1 1 2 我国能源资源现状 我国地大物博，能源资源丰富。根据1 9 9 7 年完成的第三次全国煤田预测结 果，煤炭埋藏垂深2 0 0 0 米以浅的预测资源总量为5 5 6 9 7 4 9 x1 0 “t ，其中探明保 有资源量为1 0 1 7 6 4 5 1 0 8 t ，预测资源量4 5 5 2 1 0 4 x1 0 8 t ，目前发现煤炭储量为 1 0 1 4 2 0 2 1 0 8 t 【2 1 。根据2 0 0 0 年资料，我国石油资源的地质资源量为1 0 2 0 1 0 8 t ， 可采资源量1 1 4 4 1 0 8 t ，我国天然气地质资源量为4 7 2 3 1 0 “m ，但探明储量 第一章绪论 不多，其可采资源量则为9 3 x1 0 ”m 3 ，近年来储采比还有所下降口 。因此，从资 源情况看中国煤炭资源要比石油、天然气等资源丰富的多。从能源消费结构看， 中国也直是以煤炭为主要能源的国家，2 0 0 1 年煤炭在能源总消费量中的比重 为6 7 ，石油、天然气和水电等清洁能源消耗比重为1 3 4 l 。中国能源结构的这 一特点和发达国家以油、气为主的能源消费结构有本质的区别。我国近年来油、 气勘探虽然有新的发现，但并没有取得重大突破，而且由于资金等一系列条件限 制，以及我国资源状况在可预见的未来，以煤为主的能源消费结构不会有大的变 化。 以煤为主给我国能源利用带来了自己的特点和问题，主要是利用效率低，运 输分配困难，环境污染严重，优质能源，尤其是液体燃料和气体燃料短缺，满足 不了不同用能部门对优质能源的需求。如何解决这些问题，是国民经济建设中需 要十分重视，并不断进行探索的带有战略性的问题。 另外，虽然我国能源较丰富但分布不均，如山西、陕西、云南等地，有煤缺 油，靠外地输入交通用油及工业用油，从经济上看已趋不太合理。更何况，目前 我国车用油普遍紧张，因此，就地开发利用廉价的煤炭资源，使煤炭转化为洁净 优质的二次能源，减轻交通运输的负担，缓和车用油的紧张局面，是一个迫切需 要解决的有效方案。 满足国民经济对液体燃料的需求，一方面应加强油、气地质勘探，在财力和 物力许可的条件下，尽量多的发现新的油、气藏。另一方面则应加强对非石油路 线的开发，一是发展页岩油工业，另外就是走煤基合成的道路【5 1 。 1 1 3 甲醇作为代用燃料是解决我国能源问题的有效方案之一 我国随着经济的高速发展，石油供需矛盾日益突出。全国石油储采比为1 5 左右，远低于世界3 9 9 的平均水平，石油可采储量的接替率不足。在探明石油 储量中，已动用储量占7 5 。而未动用储量约有1 2 属难利用、低渗透资源i 4 j 。 我国在2 0 0 3 年进口原油9 ，1 1 2 万吨，比去年增长3 1 ，使我国对原油进口依存 度己达到3 5 ，成为世界第二大石油消费国。近年来，我国汽车燃油消费量已占 石油总消费量的2 5 以上，目前仍保持迅速上升趋势。2 0 0 3 年我国汽车产量达 4 3 9 万辆，其中轿车为1 7 9 万辆，为世界第四大汽车生产国；汽车保有量已超过 第一辈绪论 2 0 0 0 万辆。据预测，到2 0 2 0 年我国汽车每年消费原油至少达到1 亿吨；而到那 时我国原油产量肖可能达到2 亿吨：通过大力加强开源与节流并重，我国还需j 挂 髓覆油在二亿吨以上，此时我国石油取给率将低于5 0 盹 我国絮霹簿决懿藏大豹夏涵供 | 蚨嗣，翔 霉台瑾巅躅黢鬻懿滚囊添? 我瓣 只有立足国内，发展以煤为基础的替代燃料，合理利用我国能源资源，实施车用髓 源多元化和地域化的策略，才能减轻大缀进口石油的沉重负担，保证我国可持续发 展和能源安全。 多年寒，辩攀磷究与实黢表明，我强发震潆潮孕酵愚魄较现实熬。甲醇莱翅 合成气生产技术醴十分成熟，它们不仅楚一碳化工的重要产晶帮基本毒梳纯工原 料，同时也是高效的、清洁的车用燃料【7 1 。 甲醇可从煤炭转化，含氧量高，燃料燃烧完全，排气中的n o x 、h c 、c o 含掇 较使矮汽油对低，燃料孛不需使霜露己镣抗爆添加剂，撼辍了大气中魏污染是伉 蕨静二次髓源的最溅戆产品或中蔺燕；英蓬由是：( 1 ) 生产工艺螽成熬；( 2 ) 放 甲醇出发，可生产烃类燃料和其他含飘化物燃料m t b e ；( 3 ) 甲醇可直接作为燃 料或掺烧汽油以改辫大气环境。 从表l 可知，翠簿尽管热值较汽油小很多，但由于食鬣澄较高，混合燃料燃 浚瑟嚣懿理论空气爨少，萁理论漫台气热毽与汽洼接遥，戮慧，警醇霹敦俸为汽 油机燃料使用，丽殿其动力性可以接近使用汽油的发动机。此外，甲醇燃料燃烧 速度快，辛烷值远瀚于普通汽油，抗爆性好，发动机的压缩比可适当加大，从而 可提高发动机的热效率和动力性。甲醇的蒸发潜热比汽油大得多，对混合气趣冷 秘l 莒雳，可海低逡气瀑疫，有琴i 于提纛宠气系数。甲醇豹麓丈缀辍缀宽，有裂予 稀燃混合气工作嘲。 表1 1 甲醇、汽油理化指标的比较 项强汽溯 甲醇 分子式 c 4 - c 1 2 疑c i i 3 0 h 密度2 0 c g c m 3 0 6 9 0 8 0o 7 9 2 热值k j k g 4 4 3 9 02 0 1 0 0 理论澍和气热值k j k g 2 9 3 92 8 4 8 第一鬻绪论 禽氧鼙w 0 5 0 理论空气燃料比k g k g 1 4 7 3 6 4 5 蒸发潍热k j k g 3 4 9l i o l 沸点3 5 - 2 0 56 4 。7 饱和蒸汽压( 3 7 8 c ) k p a6 0 一8 03 2 辛烷值 r o n 8 0 9 71 2 2 m o n7 0 8 8 9 3 鑫燃点4 9 54 6 4 i 燃烧速度m s o 3 30 5 2 糟火极限v 1 4 - 7 66 7 - 3 6 0 1 。2 零醇在发动孝蔻上应用的现状 1 2 。1 甲醇在火花点火发动机上的威用 甲醇在火花点火发动机上的应用，技术上已基本成熟，世界各大汽车公司对 甲醇汽车都积极开臌了研究与开发，永范了不同方案的甲孵汽车。 羝滋铡甲酵汽i 囊装3 帮酒可与汽浊撵镬曩，发动掇不爆终彳壬强改动。对予 m 1 5 甲醇汽漓，汽车燃焉这种燃料，慰发动祝需稍俸调整。 高比例( m 8 5 、m 1 0 0 ) 甲醇燃料比较理想，有较高经济效益和社会效益。燃 用高比例甲醇汽油( m 8 5 或m 1 0 0 ) 必须对发动机进行优化调熬，如改进燃烧蜜的 结擒设计、大幅度掇赢压缩眈，以能充分发挥甲醇燃料的俄赵特性，使发动机豹 礁力往、热效率( 爨瓣经济毪) 耱耩羧郄跑器汽涵藏畜大幅度改善。 由于甲醇供应网络不像汽油加油站那样普遍。为便予甲醇汽车不受燃料的限 制，美国、德国等网家开发了灵活燃料( f f v ) 汽车。在这种汽车的油箱内装肖燃 料成分识别传感器，发动机的e c u 根据传麟器发出的信息，馒发动机在任何比例的 攀酵汽潼获况下麓按簸谴参数运转。 七十年代瓢九十年代翳阊，我国在醇类燃料 乍为汽车、内燃杌代用燃料方藤， 如醇燃料制备、发动机的应用和改造技术、防腐、润滑、加油站建设，以及醇燃 料对环保和健康影响等开展了广泛而深入的试验研究，取得了卓有成效的成果， 为我国令磊开展避步豹磅究与开发王 譬奠定了良好的蘩戳。 4 第一章绪论 含氧最w o 5 0 理论空气燃料比k g k g 1 4 7 36 4 5 蒸发滞热k j 】( g 3 4 9儿0 l 沸点3 5 2 0 5 6 4 7 饱和蒸汽压( 3 7 8 c ) k p a6 0 8 03 2 辛烷值 r o n8 0 9 71 2 2 m o n7 0 8 89 3 口燃点4 9 5 4 6 4 燃烧速度m s0 3 3 05 2 着火极限v 1 4 7 6 6 7 3 60 1 2 甲醇在发动机上应用的现状 1 21甲醇在火花点火发动机上的应用 甲醇在火花点火发动机上的应用，技术上己基本成熟，世界各大汽车公司对 甲醇汽车都积极开展了研究与开发，示范了不同方案的甲醇汽车。 低比例甲醇汽油m 3 和m 5 可与汽油一样使用，发动机不用作任何改动。对于 m 1 5 甲醇汽油，汽车燃用这种燃料，对发动机需稍作调整。 高比例( m 8 5 、m 1 0 0 ) 甲醇燃料比较理想，有较高经济效益和社会效益。燃 用高比例甲醇汽油( m 8 5 或m 1 0 0 ) 必须对发动机进行优化调整，如改进燃烧室的 结构设计、大幅度提高压缩比，以能充分发挥甲醇燃料的优良特性，使发动机的 动力性、热效率( 燃料经济性) 和排放都比原汽油机有大幅度改善。 由于甲醇供应网络不像汽油加油站那样普遍，为便于甲醇汽车不受燃料的限 制，美国、德国等国家开发了灵活燃料( f f v ) 汽车。在这种汽车的油箱内装有燃 料成分识别传感器，发动机的e c u 根据传感器发出的信息，使发动机在任何比例的 甲醇汽油状况下能按最佳参数运转。 七十年代到九十年代期间，我国在醇类燃料作为汽车、内燃机代用燃料方面， 如醇燃料制备、发动机的应用和改造技术、防腐、润滑、加油站建设，以及醇燃 料对环保和健康影响等丌展了广泛而深入的试验研究，取得了卓有成效的成果， 为我国今后丁f 展进一步的研究与开发工作奠定r 良好的基础。 为我国今后开展进一步的研究与开发工作奠定了良好的基础， 第一章绪论 本课题所研究的发动机h l 4 9 5 j i q 型多点电控喷射甲醇发动机产自我国山西 省晋中市新天地发动机制造有限公司，在燃用m 8 5 甲醇汽油的情况下，其动力性 和热效率比原汽油发动机提高2 0 3 0 ，排放达到欧n 标准。 1 2 2甲醇在压燃式发动机上的应用 甲醇与柴油相比，其性质的差异很大，首先是其自燃困难，润滑性差，因此 甲醇作为压燃式发动机的替代燃料，在技术上难度要比火花点火发动机大。然而 压燃式发动机的热效率比火花点火发动机高2 5 3 0 ，压燃式发动机燃用甲醇要 比火花点火式有更高的燃料经济性，特别是我国大、中型公交车辆和载重运输车 辆f 趋柴油化，因此为使压燃式发动机车辆能高效率、低污染燃用甲醇燃料，在 技术上尚需开展进一步的研究与开发工作。 压燃式发动机燃用甲醇燃料的方法大致可分为两类： ( 1 ) 甲醇与柴油混合燃烧，如乳化法和双燃料法等： ( 2 ) 燃用纯甲醇，如在甲醇中添加着火促进剂、采用热面点法或电火花点 火法等。 采用上述的方法，甲醇燃料可以成功地作为压燃式发动机的替代燃料，特别 是目前，采用先进的燃烧技术、电子控制技术和排气后处理技术，可以使甲醇发 动机在动力性、热效率和排放特性上优于燃用石油燃料的发动机，成为高效率的 清洁发动机。 ( 一)甲醇与柴油掺烧 ( 1 ) 乳化法采用这种方法不需要对发动机作任何改造，或者仅需加装某些 简便的附件。 柴油与一定比例的甲醇通过加入一定量的添加剂或者某种装置使甲醇与柴 油乳化混合。这种方法的关键在于高效、价廉的添加剂研制和乳化燃料的制备方 法的研究，而且混合燃料要具有良好的稳定性，对机件无腐蚀性。 ( 2 ) 双燃料法 1 ) 汽化器法在进气过程中，甲醇经汽化器吸入缸内，在压缩冲程中柴油 经喷油泵、喷油嘴喷入燃烧室，以柴油压缩自燃引燃甲醇( 图1 1 和图1 2 ) 。 第一鬻绪论 匿1 ，1 汽化器法双燃料系统示意图 啪ro u t p u tf k w ) 图1 2 双燃料发动机性能曲线 这种燃烧甲醇的方法可使甲醇掺烧睾达7 0 8 0 ，而凰发动机的功率、扭矩、 热效率显著高于露荣 蜜辊；n o ；秘烟发明攫下降，惶c o 秘t h c 均有所上升。 近年来，疰l 予汽涵辘电控喷翦技零澄匿臻完善，在双燃辩方案中，竟金可漩 腭电控喷射系统取代汽化器，从进气管口( 单点喷射) 藏进气阀口( 多点喷射) 将甲醇喷入缸内，使甲醇和柴油的供给通过电 控系统( e c u ) 得剽宠善匹配，从而使发动机和 车辆蕊魂力洼、燃瓣经济注亵接兹黪瞧，强及 可靠性得到进一步提高，在使用上也将疑方便。 2 ) 双燃料喷射法采用两套燃料喷射系 i 谬渺爹 同翮 统，分别各自以最德喷射定时向燃烧嶷内喷射 图1 3 双燃料喷射系统示意 引燃柴油和甲黪( 翳1 3 ) 。这秘方法鹣擎醇替找率在8 0 9 0 。铡翅瑞典v o l v o 公司和德国孵醚公蠲都曾有双喷莺重甲簿柴油双然辩发动褫产品用于拖拉寿几秘汽 车。 ( 二)柴油机燃用纯甲醇( m 1 0 0 ) 由于醇燃料十六烷值很低，自燃瀛艘离、汽化潜热大，簧在柴油机上燃用统 醇，蓄先要解决黪燃糕着炎瓣逶，邑蠢方案毒：火花塞、滚热塞或熬垂点火法， 以及在醇燃料中添加着火促进剂法等。 ( 1 ) 火花塞、电热塞或热面点火法 这类燃烧方式谯国内外己进行了大爨的卓有成效的试骏研究工作，例如德图、 奖鏊帮霹本等嚣客狳邃行了台桨试骏努，逐遂霉亍了道路试验粒车殴运营试验。国 6 第一章绪论 于这类方法在着火稳定性、起动性能、动力性、燃料经济性和排放指标方面具有 诸多优点而被广泛采用，尤其是电热塞点火或热面点火法，使用简便、可靠，而 且发动机具有比电火花点火更好的起动性能。由于甲醇的表面着火能量低，随着 发动机负荷上升，电热塞所需电能可相应减小，在发动机处于高负荷工况时，甚 至可以切断电热塞的电源，发动机仍可保持f 常运行，因此，这是种很有应用 前景的助燃方式。 德国m a n 公司d 2 5 6 6 m u h 甲醇发动机采用多极火花塞( 图1 4 ) ，热效率达4 0 ， 并安装在两辆长途旅行大客车上，分别在德国的斯图加特和美国的旧金山进行运 营试验。 天津大学采用热面点火系统对涡流室式柴油机和直喷式柴油机开展了燃用 纯甲醇的研究工作( 图1 5 、图1 6 、图1 7 、图1 8 和图1 9 ) 。 幽1 4m a n 公司d 2 5 6 6 f m u h g l o wp l u g p u gs h j e l d 图1 5 涡流室式柴油机的甲 醇喷雾与热面点火系统在低散 图i 6 热面点火系统的结构 甲醇发动机燃烧系统热涡流室中的布置 p o w e ro u t p u t ( k w l 图1 7 涡流室式柴油机燃用甲醇 与柴油的性能比较 倒18 直喷式柴油机的喷油器与热 面点火系统在燃烧室中的布置 第一章绪论 “篙 r钕l“a a i 脚。劬。燃鉴。 a tm i n ds p e e d1 5 0 0 r m i n 图1 9 直喷式柴油机燃用甲醇与柴油 图1 1 0 直喷式柴油机中喷油器与 的性能比较 一 热面点火系统的相对位置 德国f e v 公司f p i s c h i n g e r 采用d 燃烧室和热面点火方法( 图1 1 0 ) ，在 一台风冷d e u t z 单缸试验机上进行燃用甲醇燃料的试验研究，取得了与燃用柴油 机相近的性能。 ( 2 ) 添加着火促进剂，改善甲醇着火性能 瑞典v o l v o 公司在甲醇中加入2 0 c e t a n o x 一1 7 5 或c 。h ，n o ：，( 硝酸辛脂) 可使 甲醇的十六烷值提高到3 5 ：美国圣克莱拉大学在甲醇中加1 0 2 0 硝酸盐化合 物，f j 苏联在甲醇中加入1 8 环己醇硝酸盐可使十六烷值提高到4 0 以上。 采用甲醇中添加着火促进剂的方法，虽有不需要对原柴油机作任何改动的优 点，但由于着火促进荆是属硝基化合物，而且用量大，因此也存在着诸多缺点： 着火促进剂价格昂贵，使燃料费用增高； n o 。排放量明显比燃用纯柴油时高； 发动机磨损比燃用柴油时大； 着火促进剂加入甲醇后随时间推移其效果逐渐变差，到4 5 星期后即会 失效； 硝酸盐化合物在低温下有易燃易爆的危险。在运输、储存和使用时均需严 加注意。 在八十年代，英国h 内门公司研制了一种复合添加剂，具有促进着火、抗腐 蚀和增加粘度等功效，称a v o c e tp p c 。这种添加剂用量可按气温和机型的不同 在0 5 5 ，即可使发动机无需助燃正常运行。在当时，这种添d h 齐i i 在经济上很 第一章绪论 有吸引力，在北美、新西兰、法国等一些城市车辆上进行试验，使用效果较好。 除了采用化学的着火促进剂使甲醇在柴油机缸内压缩自燃以外，1 9 8 4 年d l b r o o k 等提出d m e ( d i m e t h y le h e r ) 作为甲醇在压燃式发动机中着火促进剂【9 】。 他i r 的方法是在柴油机进气过程中吸入少量d m e ，在柴油机压缩冲程中自燃来引 燃喷入燃烧室内的甲醇。1 9 9 0 年c j g r e e n 等采用此法在c u m m i n sl i o 单缸 发动机上丌展了进一步试验研究。十三工况试验结果表明，采用d m e 作为甲醇着 火促进剂要比采用电热塞来点燃甲醇有更好的排放特性，其除了n o 。和c 0 有轻 度上升外，h c 、醛类和c 0 。排放量明显下降，其d m e 的吸入量随发动机的负荷工 况不同而改变。在低怠速时d m e 吸入量为总燃料量的5 9 ，在全负荷和最大扭矩 点时d m e 吸入量仅为总燃料量的1 ；中等负荷和高怠速时d m e 吸入量也仅为总 燃料量的1 0 2 0 。因此，这是一种可行的燃烧技术l l 。 1 2 3 甲醇催化裂解发动机 用甲醇裂解气作为发动机燃料是一种理想的甲醇燃料使用方式【l ”。通过甲醇 裂解器，利用汽车排气余热，在催化剂作用下获得裂解甲醇气。因为甲醇裂解成 h ：和c o 的反应是吸热反应，裂解气的热值比液体甲醇提高2 0 。甲醇裂解温度 不高，裂解时所需热量可从汽车排气供给。因此，甲醇裂解实质上就是使排气热 能转化成化学能而回收，改善了发动机的热效率。甲醇裂解气理论组成是也6 7 ， c 0 3 3 ( 克分子) ，其燃烧特征与h 。燃烧类似，燃烧速度快，容易完全燃烧，燃 烧产生的c o 、h c 排放浓度低；裂解气的可燃范围宽，可稀薄燃烧，降低n o x 的 排放；裂解气抗震性好，可提高发动机压缩比，改善发动机的热效率。综合上述 效果，理论上估计可达到节能4 0 的效果。 在对东风e q 一1 4 0 型汽车发动机主体部件不作任何改动的情况下，在排气管 路上配装一套甲醇裂解燃料供料系统，使用国产的非贵金属甲醇分解催化剂，实 现了甲醇裂解气代燃，在保证原机动力性、经济性、冷起动等技术指标不变情况 下，甲醇代燃量达o - 8 5 。 13 甲醇代用燃料应用带来的问题及主要解决措施 1 3 1 对金属的腐蚀与磨损产生耐久性和可靠性问题 第一章绪论 甲醇燃料发动机气缸上部和活塞环磨损严重是阻止甲醇应用的一大技术障 碍。甲醇冲刷气缸壁置换油膜，甲醇燃烧产物中的甲酸、硝酸等加速磨损的机理 是目前被一般接受的机理。e s t e f a n 在试验中发现他的甲醇车润滑油的金属含量 超过汽油车5 倍，他认为是：液态甲醇因具有极性，更易于扩散到气缸壁上，甲 醇冲刷掉油膜。而且甲醇在燃烧后生成的甲酸，在1 5 8 。f 下就可与铁反应生成铁 盐，剥落下来。新的裸露铁表面又会进一步产生腐蚀。甲醇置换油膜对铁的腐蚀 起到了助剂的作用1 1 2 】。甲醇发动机在起动时因气缸内积累液念甲醇，磨损尤其 严重。在暖车阶段甲醇未完全燃烧，生成的甲酸造成腐蚀磨损。甲醇渗透到曲轴 箱中对发动机部件产生腐蚀影响。据实验发现掺水甲醇特别是油一水分相时的腐 蚀严重。甲醇对镁的腐蚀严重。含少量水的甲醇对p b s n 合金腐蚀性小，但纯甲 醇腐蚀反而大。另外，甲醇的电导率比汽油的大，电化学腐蚀也比较严重。解决 甲醇发动机磨损有效易行的手段是添加剂。通过添加剂上的极性基团吸附到金属 的表面上去，而通过其非极性基隔离开甲醇层。 1 3 2 与橡胶件的相容性 甲醇与橡胶件有一定相容性，与汽油不同，汽车上所使用的普通耐汽油橡胶 件在使用甲醇汽油时会出现溶胀和腐蚀现象。有资料表明 13 1 ，天然橡胶、丁苯 橡胶、顺丁橡胶和乙丙橡胶耐甲醇性能特别好，但耐汽油性能较差；氯丁橡胶、 丁腈橡胶和氯磺化聚乙烯等耐汽油而不耐甲醇：含氟橡胶，改质丁腈橡胶则对二 者及其混合物的耐受性都比较好。 解决甲醇汽油对橡胶件溶胀作用最直接的办法是将发动机上的橡胶件更换 为对甲醇和汽油都适应的含氟橡胶或改质丁腈橡胶。当然，要全部更换现有汽车 上的橡胶件存在着不少困难，因而有必要研究抗橡胶溶胀的燃料添加剂【l ”。有 试验筛选得到最佳配方可使丁腈橡胶体积溶胀减少4 4 【l ”。 1 3 3 排放的问题及危害 尽管甲醇发动机的c o 、n 0 x 和颗粒排放物一般低于汽油机，有机铅和苯的排 放也很低或可避免。然而甲醇燃料对环境利益的优势只有在甲醛、未燃甲醇的排 放降低到汽油机才有可能取得。如今人们对甲醇车辆废气中的甲醛及未燃甲醇的 第一章绪论 危害更加重视。高掺烧比的甲醇燃料发动机的甲醇和甲醛浓度相当高：甲醇排放 浓度比汽油机约高数十倍至数百倍，甲醛高数倍。 1 甲醛排放： 一般情况下甲醇车辆在行使到一定里程后甲醛的排放量会有大幅上升，稀薄 燃烧时上升幅度最大，废气转化催化剂的成分、中毒等对于尾气管中排出的甲醛 量都有影响。已有的降低甲醛催化剂，在使用初期可以降低甲醛到汽油机的水平， 但随着里程的增加甲醛排放量也逐渐增加。目前对低甲醛排放尚缺乏可靠持久的 控制技术【1 6 l 。 甲醛( h c h o 又名蚁醛) 为无色液体，甲醛的聚合物受热易发生解聚作用， 在室温下能放出微量气态甲醛。接触甲醛后对皮肤和粘膜有强烈刺激作用。长期 接触低浓度甲醛蒸汽，可有头痛、软弱无力等。在甲醛浓度达到2 0 7 0 m g m “3 的车间内工作，工人有丧失食欲、体重减轻、持久性头痛、心悸和失眠等现象。 甲醛的嗅觉阈在o 0 6 1 2 m g m “3 ，眼刺激阈低至o o l 1 9 m g m “3 ，并个体间的 差异也很大。甲醛对人体的危害除引起刺激性慢性疾病外，还能与空气中的离子 性氯化物反应生成致癌物二氯甲基醚。 甲醛是甲醇氧化的中间产物，其产生与燃烧室内火焰前低温反应、缸壁激冷 以及排气系统中甲醇的氧化有关。关于甲醛的生成有几种理论i ”j ： 1 ) 沉积物的促成润滑油在燃烧室中分解形成的以c a 为主含s 、p 成分的沉 积物是促成甲醛形成的因素。特别是在稀薄燃烧条件下，由于甲醇的蒸发潜 热大，部分甲醇吸附于沉积物上，在燃烧行程后期才蒸发，被残留的氧气部 分氧化，促成甲醛的形成。 2 ) n 0 x 的促成甲醇发动机排出的n 0 x ，促进部分未燃甲醇在催化剂上的氧 化，导致甲醛大幅度上升。反应为： n o + h q = = d 2 + h o c h 3 0 h + o h c h 2 0 h + 马d c h z o h + 0 2 一c h 2 0 + 1 1 0 2 3 ) 甲醇的分步氧化醇一醛一( 氧化) 一二氧化碳+ 水这一在催化剂上 进行的分步反应，在稀燃混合气时由于过量的氧气的存在使尾气催化剂氧化 第一章绪论 失去活性( 催化剂由金属态变为氧化态) ，失去部分催化反应：醇一二氧化 碳+ 水的活性，使中间产物醛的生成量增加。而试验证明催化剂在失去活性 以后，甲醇转化为甲醛的最大比例不大于5 ，因而证明了甲醇部分催化氧化 不是尾气中醛的主要来源。 甲醇发动机一般在a = o 9 1 0 时，甲醛的生成量最低。铂、钯是贵会属催 化剂和碱金属催化剂中甲醇氧化活性最高的，醛的生成量最少。m 8 5 比m 1 0 0 的 甲醛的排放量少，但高级醛的排放量高一些。 2 甲醇排放： 甲醇( c h 3 0 h 工业酒精) ，为无色挥发性液体，分子量3 2 0 4 ，沸点6 4 7 。 甲醇能以任何比例与水混合，也几乎与所有的有机溶剂混合。甲醇是以蒸汽状态 存在于空气中，对人主要是由呼吸道吸入造成毒害。甲醇的麻醉浓度与致死浓度 之间相差不大。反复接触中等浓度甲醇可导致暂时或永久性视力障碍和失明。人 在甲醇蒸汽浓度达3 9 3 6 5 5 9 m 3 的空气中停留3 0 6 0 m i n 就有危险。被人吸 入3 0 0 p p m ，便会影响中枢神经系统。每周五天每天工作八小时工作场所的甲醇 极限值国外一般规定为2 0 0 p p m ，我国标准较严，定为5 0 p p m 。甲醇在人体中，主 要集中在肌肉、血液、尿和胃肠道中，甲醇也能通过肺部呼吸排出。留存体内的 甲醇被氧化成甲醛和甲酸，甲酸可引起酸中毒，甲醛则对视网膜细胞具有特殊的 毒性作用。症状表现为中枢神经压抑，接着是8 4 0 小时的无症状时期，然后出 现头晕、头疼、恶心、视力障碍和代谢酸中毒等，在后阶段发生严重腹痛，最后 失明，甚至死亡。 甲醇发动机未燃甲醇排放主要是来自于部分未燃甲醇及燃油系统蒸发等。缸 内排放是混和气在发动机压缩冲程中进入活塞顶隙和环岸间隙以及缸壁对混和 气的淬熄作用而造成一部分甲醇燃料不能燃烧。可以通过改善燃烧，同时控制曲 轴箱排放和燃油系统蒸发等办法降低排放量。 1 3 4 冷起动问题及解决方案 发动机冷起动时转速较低、空气流动慢，尤其是冬季外界气温低，燃料蒸发 困难，造成冷起动困难。甲醇燃料的冷起动问题，比汽油机更严重。因为汽油是 一种多种烃的混合物，在低温情况下，通过富燃混合气，增加其中轻燃料馏分( 最 第一章绪论 轻的馏分沸点为3 0 一3 5 ) 的蒸发，解决或至少缓解了冷起动问题。但是甲醇是 一种沸点为6 4 7 的纯物质。并且由于甲醇的汽化潜热是汽油的3 倍多，所以蒸 发时所吸收的热量多，导致甲醇发动机进气喉管处的温度急剧下降，更加恶化了 进气蒸发条件。另外，甲醇的饱和蒸汽压又比汽油低1 倍左右，故在冷起动时， 只有少量甲醇蒸发，若蒸发形成的可燃混合气浓度达不到着火浓度下限，则混合 气不能着火燃烧。即使发动机起动开始点火成功，发动机开始运转，随着转速的 上升，大量的燃料开始蒸发，此时进气管内的温度急剧下降，这一效应又限制了 燃料的进一步蒸发，使混合气变得更稀，发动机的燃烧情况恶化，甚至使发动机 无法维持运转。总之，靠增加进油量的方法对提高起动性意义不大，而且有副作 用如液态甲醇破坏气缸壁的油膜、稀释润滑剂，高电导性的甲醇造成火花塞短路 。 解决甲醇发动机冷起动困难的途径有：一、对进气预热，提高进气温度，增 加甲醇的蒸发数量：二、在甲醇中掺入轻质烃，增加燃料蒸发量；三、减小喉管 直径，增加进气真空度，提高甲醇蒸发数量；四、采用高能量火花塞，增大点火 能量，进行稀混合气燃烧【l ”。 目前，甲醇进气预热均采用外加热量，方法有：一、排气余热加热混合气和 进气空气；二、冷却水循环加热进气歧管：三、用p t c 陶瓷加热器等加热混合 气，控制线圈具有电阻随温度升高而变大的特性，并有升温快、节省电能的优点， 在发动机启动前通电1 分钟左右，电阻丝能达9 0 0 1 0 0 0 的炽热状态，然而其 对进气道壁面、气门附着的燃料液滴蒸发作用不大，尤其不适合电喷发动机，只 是适合在化油器甲醇发动机中解决冷起动困难。现在，电喷甲醇发动机仍采用在 进气道手动加注冷起动液或汽油的方法。 在甲醇中掺入轻质烃( 引发剂) ，增加燃料蒸发量的方法实际上是对燃料本 身的改造，这也是m 8 5 燃料存在的一个主要原因。通常引发剂的成分和浓度对最 低冷起动温度有直接的影响。有关试验表明m 8 5 ( 引发剂浓度l j ) l l m 8 1 ( 引发 剂浓度1 9 ) 的最低起动温度高5 c 。起动温度与戊烷丁烷比有很好的相关性【1 。 除了减小喉管直径，增加进气真空度，提高甲醇蒸发数量外，用压缩行程提 高缸内混合气的温度也是强化蒸发的主要手段。对发动机改造，增大压缩比和提 高起动速度有助于增强燃料的蒸发。用增加起动速度的方法降低最低起动温度， 在不同的试验中有不同的结果，如有用c r = 6 ：l 的发动机将起动速度从2 0 0 r p m 提 第一章绪论 高至u 4 0 0 r p m ，最低起动温度从6 。c 降低到一4 。c ，提高至0 6 0 0 r p m 时，可达一5 。c 。在 室温为一3 0 的环境中2 0 0 r p m 起动速度下，进入气缸的混合气在压缩行程的峰值 温度达到1 2 0 2 2 ，6 0 0 r p m 时达到1 4 5 。温度越低提高的效果越明显。但转速提高 以后，对蒸发的一个负效应出现，即转速快，燃料蒸发时问短。因此针对不同的 发动机，存在一个最佳的起动速度，超过这一转速，冷起动温度反而下降7 】。 采用高能量火花塞，增大点火能量，进行稀混合气燃烧的方法可以结合燃料 喷射系统，但在引入喷油嘴喷油以助于甲醇蒸发的同时要解决点火问题。通用汽 车公司在不加辅助加热装置的条件下在喷油嘴喷油的点燃式发动机上用改进的 起动燃料控制法和点火系统，达到了一2 9 的起动温度，并用增加点火峰值电流 的方法克服了点火塞短路的问题b o 。 1 4 本论文研究内容及意义 针对甲醇发动机存在的问题，本论文主要从事电喷甲醇火花点火式发动机的 改进和性能研究；燃油蒸发污染物的测量及控制装置性能的研究；电喷甲醇发动 机冷起动性能的改善研究。 1 燃烧室的改进：针对甲醇发动机的特点，改进燃烧室，提高压缩比，提高热 工转换效率，改善发动机经济性、动力性； 2 电喷甲醇点燃式发动机的常规排放的性能研究：将比较发动机在m 1 0 0 和 m 8 5 两种燃料下的常规排放的特点，为企业生产及开发