10.16638/jki.1671-7988.2021.01.061
我国甲醇汽车冷启动技术研究发展综述
杨雪1，郑腾师1，黄栋杰2
（1.长安大学汽车学院，陕西西安710064；
2.中国铁路广州局集团有限公司广州职工培训基地，广东广州510800）
摘要：甲醇燃料在国内已经大量运用于汽车发动机，但由于甲醇的物化特性导致甲醇发动机存在冷启动困难问题，文章通过查阅相关资料，总结了国内相关研究者针对这一问题所做研究，并提出甲醇汽车冷启动技术未来发展方向。结果表明只要采取一定的辅助措施，就能让甲醇发动机在特定温度下顺利起动。其中，效果最好的能达到在-25℃下顺利起动。
关键词：甲醇；发动机；冷起动
中图分类号：U473 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2021)01-194-03
A Review on the Research and Development of Methanol Automobile Cold
Starting Technology in China
Yang Xue1, Zheng Tengshi1, Huang Dongjie2
( 1.School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064; 2.Guangzhou Staff training Base China Railway,
Guangzhou Group Co. Ltd., Guangdong Guangzhou 510800 )
Abstract:Methanol fuel has been widely used in automobile engines in China, but due to the physical and chemical characteristics of methanol, methanol engine has a difficult problem of cold starting. This paper, by referring to a large number of materials, summarizes the research done by relevant domestic researchers on this problem, and proposes the future development direction of methanol automobile cold starting technology. The results show that the methanol engine can be started successfully at a certain temperature with some auxiliary measures. Among them, the best effect can achieve a smooth starting at -25℃.
Keywords: Methanol; Engine; Cold starting
CLC NO.: U473 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2021)01-194-03
前言
近年来，我国的经济水平飞速发展，国民生产总值也大幅提高，居民的汽车保有量也不断增加，但同时也伴随着的是传统燃油汽车引起的大气污染、能源短缺等问题愈加明显。甲醇原料来源丰富，生产技术成熟，燃烧性能好，污染物排放低，生产成本低，运输储存方便，被人们看作最具发展潜力的车用替代燃料之一[1]。跟汽油相比，甲醇的辛烷值远远比汽油高，因此发动机可以选择更高的压缩比来达到提高发动机热效率的目的，因此甲醇作为汽车燃料比其他传统燃料更具有高效性；其次，甲醇分子中含氧量高达50%，因而甲醇还是一种清洁燃料。甲醇汽油作为汽车代用燃料已被世界上许多国家广泛使用。但由于甲醇蒸发潜热比汽油大三倍多，而且甲醇燃烧时的理论空燃比是6.4，比汽油要低得多，甲醇燃料使用时会形成稀薄的燃烧混合气，因此会导致发动机低
作者简介：杨雪，硕士在读，就读于长安大学汽车学院，专业方向为动力工程及工程热物理。
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杨雪 等：我国甲醇汽车冷启动技术研究发展综述
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温冷启动困难。本文通过查阅了解大量甲醇及含甲醇燃料发动机冷启动的相关资料，对我国相关研究做了系统得总结与分析。
1 甲醇汽车冷启动时的主要问题
根据表1甲醇与汽油的物化特性对比，可以知道甲醇的汽化潜热约是汽油的3.7倍，在相同的温度下，甲醇燃料的蒸发量仅为汽油的1/4，同时甲醇的蒸发量受温度的影响很大，7℃时的蒸发量仅为20℃时的1/6[2]
。
因此，如果外界环境温度比较低，就会使甲醇在燃烧时的蒸发量不足，再加上甲醇的着火稀限比汽油的高，可燃混合气浓度达不到着火的极限，从而造成甲醇发动机冷起动困难。对甲醇发动机而言，在外界环境温度低于16℃的条件下，如果不采取辅助措施，首循环无论喷射多少甲醇燃料，都无法使甲醇发动机顺利起动。
表1  甲醇与汽油物化特性
2 我国甲醇汽车冷启动技术的主要研究
根据目前对于甲醇汽车的研究，可以得到现有的甲醇发动机冷起动方案包括汽油起动方案、引燃方案、燃油锅炉加热方案、改进燃料配方技术方案、预热塞方案等。其中，汽油启动方案已经大量运用于新产车型。对于甲醇汽车冷启动困难问题，国内一些学者也做了许多技术创新与试验，并得到了较好的结果。
张红光等人以车用492QA 汽油机为基础，重新设计开发出一种车用492M 甲醇发动机，使用M90甲醇燃料，并采用PTC 加热装置来改善甲醇蒸发雾化效果，同时通过改变相关发动机参数来保证发动机动力性、经济性及排放性等，结果表明，使用PTC 加热装置能有效改善发动机起动性能[3]。
吴亚兰等人开发了如图1的PTC 加热装置来改善甲醇汽化问题，通过PTC 热敏电阻加热片给蒸发器提
供热量，使蒸发器温度升高。为防止初始加热电流过大，加热用的16个热敏电阻被分成４组，依次间隔30s 通电加热。冷起动时控制PTC 对甲醇蒸发器加热，当蒸发器内温度达到一定值后起动
发动机。试验结果表明，环境温度1℃时，加热器加热到80℃以上即可实现甲醇发动机的顺利起动[4]。
图1  甲醇蒸发器示意图
袁宝良等人提出多种甲醇发动机低温冷启动技术措施，并对主要的技术措施进行了试验研究。结果表明，采用进气道加热、喷射器加热和进气滚流措施都在一定程度上改善了甲醇发动机的冷起动性能；通过改变燃料组分可有效提高甲醇发动机的冷起动性能，M70和M85高比例甲醇燃料发动机在-25℃低温下能够顺利冷起动[5]。
王鑫等人针对甲醇汽车发动机生产厂家广泛采用的副油箱式辅助冷起动系统的缺陷，根据甲醇发动机的低温起动特性，研制了一种安装在进气总管的新型纯甲醇汽车发动机冷起动装置，如图2。通过甲醇发动机进气预热冷启动技术，使得甲醇发动机低温起动时，甲醇燃料的蒸汽浓度能够达到着火点。
图2  甲醇进气预热系统示意图
试验结果表明采用该冷启动技术后，甲醇发动机在环境温度为-10℃时可以实现冷起动[6]。
王鑫等人还通过研究不同类型预热器对甲醇燃料的预热性能，采用性能较为可靠的电网式预热器和电热塞式预热器对JL4G15型甲醇发动机进行冷起动预热试验。试验结果表明：在-10、-5、0、5 ℃测量环境温度下，电网式预热器冷起动预热效果要优于同功率的电热塞[7]。
对现有的预热塞方案、公交客车用燃油锅炉加热方案以及出租车引燃方案进行了分析，设计出通过增加一套供油系统含副油箱（10L ）、油泵及独立的油压调节系统，进气总管上安装单喷油器及喷油器安装板，由附加ECU 自动识别与控制使用汽油的启动过程与成功启动后的甲醇切换过程[8]。
宫长明、王舒等人基于循环控制试验研究了环境温度对对电控喷射点燃式甲醇发动机首循环起动着火特性的影响，
汽车实用技术
196 结果表明，采用电热塞预热进气管和进气道喷射适量LPG 均可使甲醇发动机低温下可靠起动，实现理想的“即喷即着”的首循环着火[2]。
朱建军、寇子明等人从改善甲醇燃料的蒸发和雾化入手，在进气歧管前节气门后加装自行研发的甲醇发动机冷起动系统，采用PTC 陶瓷热敏电阻将起动时喷入气缸的甲醇加热，促其蒸发，使甲醇蒸汽浓度达到着火界限。试验结果表明，装有该冷起动系统的甲醇发动机可在环境温度为0℃的低温条件下冷起动一次成功，较好地解决了纯甲醇发动机的冷起动问题[9]。
3 结论
甲醇的热值和十六烷值较低，其用作发动机燃料时会带来功率下降、冷起动困难、低负荷特性变差等问题，相比传统燃料发动机，甲醇发动机功率一般要下降5%-10%。根据我国相关研究者所做试验与研究可知，对甲醇发动机采取一定的辅助加热措施可以有效得解决其冷启动困难问题，汽油启动方案容易实现，已经大量运用在实际中，在国家标准及政策的推动下，未来纯甲醇汽车的研究将作为主流，因此对甲醇发动机采用辅助加热装置也将是研究的重点。
发动机预热
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