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1.6使用甲醇作为发动机燃料的方法
使用甲醇作为发动机燃料有几种方法:
在SI发动机中：原则上来说甲醇主要被认为是SI发动机燃料，由于其高自燃阻力和高汽化热(见第2.1节)。甲醇可以用作纯燃料或作为混合组分。SI发动机需要做出修改并不重要，请参见第3节。它在低温下冷凝的事实也意味着需要对操作参数进行更改，但是尽管如此大量的汽油/酒精可变燃料发动机已经在世界各地制造和运行。第4节报道了在纯甲醇或甲醇混合物上运行的SI发动机上获得的结果。
在CI发动机中：酒精也已用于柴油应用中但是需要在该应用中对规范进行更大的修改，这时酒精本身高自燃抗性所导致的必然结果。最近在大型船舶发动机中还采用了双燃料，如Stena Germanica，其中甲醇被单独引入柴油，然后柴油被用作点火源。这显然需要对燃料系统进行一些重大修改，当然这在这种发动机的LNG转换中很常见。甲醇的燃油喷射在这种双燃料发动机中也是可能的，并且正在进行研究，特别是作为一种改善水上交通工具排放的手段。第5节详细讨论了甲醇在CI发动机中的使用。
在SI发动机中，作为一种单独的燃料流:如前所述，可以使用按需辛烷值法，在这种方法中，只有当需要其高辛烷值和充电冷却效果提供的爆震避免时，醇才被用作辛烷值促进剂，并被单独引入汽油中。因此可以提供增大的压缩比或发动机尺寸，并由此改善车辆能耗。理想情况下，总的酒精消耗量低于以单燃料方式混合的酒精消耗量，但是由于必须提供两个燃料系统和伴随而来的更复杂的发动机管理系统，发动机和车辆水平上的复杂性明显增加。随着汽油消耗量的提高，可用酒精的“传动效果”更高。第4.4节阐述了这种方法。
以下两节将解释关于为什么使用含有甲醇的二元和三元混合物具有吸引力以及可能性的背景原因。
1.6.1二元醇混合物
将醇类混合到汽车燃料中使用这项技术已经进行了多年，特别是在巴西，可以说甲醇作为混合组分的第一次重要用途是在加州甲醇燃料试验期间，这两次试验都在上面讨论过。自加州M85试验以来，由于能源安全问题，掺入美国汽油中的乙醇量稳步增加。近年来，美国对汽车原始设备制造商提出的公司平均燃料经济性( CAFE )法规推动了E85 /汽油可变燃料汽车的销售，因为就可报告的燃料消耗而言，基本上忽略了与燃料中乙醇相关的燃料消耗。事实上，美国M85和E85的情况是相关联的，因为前者的技术很容易移植到后者，正如Nichols [20]所讨论的那样，他还表示，福特M85的原始开发车辆可以在油箱中使用汽油、乙醇和甲醇的任何混合物；这将在稍后进行讨论。
这些混合物中名义上15 %体积的汽油用于使酒精变性以防止熄火，以提供更易燃的混合物(这在低温下尤为重要)，并且在车辆着火时提供更明显的火焰。
OEM使用灵活燃料汽车( FFV )技术来满足CAFE法规，也凸显了在真正的市场中应用这种技术有多便宜。与目前的电动汽车市场相反，它在一个没有政府补贴的市场中运作，由于它对公众实际上是“隐藏”的，因此它有着不成比例的大量早期采用的消费者。许多E85 /汽油车辆在销售时没有告知购买者这种能力；这表明在销售这方面这项技术实际上是零成本的，因为这些购买者认为他们在那个价格点购买的是纯汽油车辆。酒精混合可以采取低级、中级和高级混合的形式，对此没有正式的定义，但是Turner等人给出了定义。被认为是高达15 %体积比 (低)、15 - 30 % 体积比(中)和超过30 %体积比(高)的[57]。以色列最近采用了M15标准[58]。低乙醇混合燃料在美国和欧洲很普遍，通常为10 %体积比，美国环境保护署( EPA )调查了由于空气质量原因而增加到15 %体积比的情况，并对更现代的车辆给予减免。在这种浓度水平下，乙醇引起的汽油蒸馏曲线的变化可以通过大量碳氢化合物组分的变化来缓解。然而车辆原始设备制造商将不得不加大校准力度，以使其产品有效地弹性化，以接受含氧化合物浓度可以从零到15 %或更高比例变化很大的燃料；化学计量空燃比的波动明显变化越大，乙醇掺入越多(名义上从汽油的14.7降至E15的13.8 )。
因此，人们正在考虑增加乙醇的浓度而增加燃料的辛烷值。迄今为止，燃料供应商采取的传统方法是通过使用乙醇的辛烷增强属性来分解燃料中的碳氢化合物组分，以便于从散装碳氢化合物燃料中去除高辛烷组分。这是为了获得更大的经济回报。然而，正如Anderson等人所表明的，在乙醇添加量相对较低的情况下，辛烷值可以显著增加，当组分被认为是摩尔分数[59]时，这可以令人满意地估计出来，见第2.8.4节。
加入高于15 %体积乙醇的汽油越来越难以与传统的汽油蒸馏曲线匹配，因为由于汽油-酒精混合物不遵循拉乌尔定律，酒精有增加蒸汽压的趋势(见第2.8.3节)。如上所述，即使是15 %的减免也在考虑之中。尽管如此，E85车辆可以制造的事实表明，这项技术可以克服这个问题。这可能很重要，因为就现代发动机技术而言，酒精添加的最佳水平(至少就乙醇而言)是非线性的[60.61]。
将醇掺入汽油中有助于提高发动机效率(如第4节所示)，并可提高燃料辛烷值。同时压力会显著增加，在某些情况下，PN排放会增加。但是针对这些缺点的对策是存在的，总的来说，就发动机性能和效率而言，酒精的掺入可以改善这些参数。但是向散装汽油中添加酒精的方法可以说并没有充分利用其可用体积，一些研究人员已经研究了它作为一种异辛烷增强剂在不同比例下的用途，当需要时，可以从第二个燃料系统中补充。这将在第4.4节中讨论。在下一节中，将讨论甲醇和乙醇作为汽油混合组分的潜力。
1.6.2三元共混物
虽然汽油和酒精的混合物通常是二元的，但是一种以上的酒精可以同时使用。这种方法的一个例子是所谓的三元共混物，其可以例如包括汽油、乙醇和甲醇(所谓的GEM共混物)。Turner等人。[62–64]提出了这样一个概念，其中化学计量空燃比被控制为与传统E85醇基燃料相同。事实上，从任何二元汽油-乙醇混合物开始，都可以设计出汽油、乙醇和甲醇的三元混合物，其中选择每种组分的比例以产生相同的化学计量空燃比(对于E85，这是sim;9.7-9.8 : 1，取决于汽油的AFR，这可能会有所变化)。E85燃料可用于柔性燃料车辆，其能够使用浓度水平高达85% (E85 )体积的乙醇。尽管登记了超过几百万辆可变燃料汽车，占美国轻型车辆总数的4 %，但在美国，只有1 %的乙醇使用是以E85销售[65]的形式出现的。这是因为E85在能源基础上的可用性有限，定价缺乏竞争力。
Turner等人展示了这一点。[63,66]指出，从汽油和乙醇的二元混合物开始的所有可能的等当量三元混合物对于校准为使用任何乙醇汽油混合物运行至E85的柔性燃料车辆的发动机控制单元( ECU )来说几乎是不可检测的。这为将这些三元混合物用作柔性燃料车辆的燃料提供了可能性，而不会破坏发动机管理系统的车载诊断。如果所使用的甲醇是可再生的和能源安全的，那么，对于固定体积的乙醇燃料池取决于生物量限制，可再生性和能源安全水平提高。这种总体情况之所以可能，是因为现有E85/flex燃料车辆多于E85燃料供应链目前能够服务的车辆。三元GEM共混物的配方和这些共混物的性能将在第2.9节中讨论。
Turner等人，[63,66]测试了两种柔性燃料车辆中等当量汽油-乙醇-甲醇( GEM )混合物的下降能力。一辆车配备了酒精含量的物理传感器，另一辆车配备了“虚拟”传感器。物理传感器根据燃料的介电常数或电阻直接测量燃料的酒精浓度，而虚拟传感器利用基于发动机其他传感器信息的算法来计算酒精浓度。“虚拟”传感器的优点是硬件没有额外成本。在车辆测试中，等化学计量的GEM混合物可以替代二元乙醇汽油混合物的假设得到了证实。当与带有“虚拟”传感器的车辆一起使用二元汽油-甲醇混合物时，只有两个故障灯。Turner等人。[49,62]指出，这可能是由于相位差，因为车辆在试验台架上没有受到道路冲击或加速度，当甲醇和汽油混合在一起时，可能需要某种形式的助溶剂，这在它们的飞溅混合物中是不存在的。与相同车辆上的汽油测试相比，使用酒精混合物时，总效率提高了约5 %。Turner等人。[63,66]也进行了冷启动测试。唯一没有通过冷启动测试的燃料混合物是普通E85混合物。这是预料之中的，因为乙醇比汽油或甲醇更难启动(见第3.3节)，因此减少这一组成部分的比例，并用更多的另外两个组成部分来代替，只能指望改善这种情况。
因此，GEM混合燃料有可能在冬季有效延长汽油排量，目前使用现有商用E85燃料，乙醇含量降低到接近70 %的水平，以保持冷起动性。因此，全年固定的混合比例是可能的。值得注意的是，这些测试是在一辆汽车上进行的，尾气排放是在不知道ECU实际在做什么的情况下测量的。这一点在第4.2节中有所论述，其中讨论了在发动机试验台上测试不同GEM混合物的结果。
除了假设之外，GEM混合的另一个好处是潜在的经济优势。Turner等人。[63]指出，汽油、乙醇和甲醇的批发价(即不含税)分别为每加仑3.11美元、2.30美元和1.11美元(就像论文撰写时的情况，即2011年左右)，基于能量，混合物的价格可以明显低于汽油。有了这些价格，对于含有超过25%体积比甲醇的三元混合物，只要降低燃料相对于汽油的相对价格，就可以降低驾驶成本。由于当使用高掺混酒精燃料时，车辆将会变得更加高效，人们将会期望用户的运营成本会再次降低。
另一个优点是，对于灵活燃料车辆，不需要担心行驶里程，这是电动车辆的主要障碍，因为这些灵活燃料车辆仍然能够使用汽油。当用户希望在加油前行驶更长的距离时，他或她可以使用高酒精含量的GEM混合燃料，在这种混合燃料上操作车辆会便宜得多，但是由于酒精燃料的体积能量含量较低，因此行驶的范围较小。
P66-P68
Waqas等[142]在对GEM共混物特性的综合研究中，从GEM共混物在SI、HCCI和CI发动机燃烧系统中的适用性出发，研究了GEM共混物的自燃特性。他们的研究，使用改进的CFR发动机测量RON和HCCI数和十六烷值的IQT，还包括混合使用的基础汽油成分的影响;这是关于基础汽油的RON(如果是84 RON，定义为高，如果是70 RON，则为低)和燃料中的芳族浓度。虽然他们没有尝试匹配蒸馏曲线，但是在他们改进的CFR发动机中使用燃料喷射有助于抑制这个参数的影响。他们将所有的结果与RON的数值联系起来。这项综合研究确定，当使用高浓度的醇时，如果使用高RON基燃料，无论测试的燃烧模式如何，等化学计量混合规则都是有效的；如果使用低RON基汽油，则没有发现同样的情况。在这方面，他们的结果反映了Anderson等人的结果。对于低汽油混合燃料辛烷值的乙醇混合物，发现预测的混合燃料RON和MON [131]具有更大的非线性，尽管Anderson等人使用的混合燃料范围。不同，范围是88到95 RON。
在SI和CI模式下，燃料的芳香族含量对等化学计量混合规则有非线性影响，但在HCCI燃烧模式下，几乎不受此影响。研究发现，在HCCI和CI操作中，高浓度的酒精会产生一定程度的饱和，而SI则不是这样。
一般来说，从SI领域的研究人员的工作来看，可以说等化学计量GEM混合物的RON对于85 RON以上的常规混合原料来说确实是恒定的，因此甲醇可以用来增加乙醇的可用性，并有助于替代燃料池中的化石汽油
从燃烧和控制的角度来看，GEM共混物有可能被用作二元乙醇-汽油共混物(如E85 )的替代物，但了解它们对材料、挥发性、共混物稳定性等的腐蚀性也很重要。Turner等人对此进行了调查。[63]用于几种GEM混合物。
如第2.8.3节所述，混合物中的单一组分会在该单一组分的沸点附近扭曲蒸馏曲线，由于共沸行为，可能会进一步扭曲蒸馏曲线。对于不同的E85当量GEM共混物，Turner等人。[63]发现蒸馏曲线前端(低温)的最大扭曲发生在E85混合物(不含甲醇)，表明挥发性低。随着甲醇含量的增加，蒸馏曲线接近基础汽油。这表明含较高甲醇含量的GEM共混物在低温启动性方面不会受到损害。
随着酒精-汽油混合物中酒精含量的降低，RVP增加，峰值约为10 - 15%体积比 (见第2.8.2节)。RVP的增加与蒸发排放的增加有关。因为当配制含较高甲醇馏分的GEM共混物时，酒精含量降低，并且甲醇-汽油共混物的蒸汽压高于乙醇-汽油共混物的蒸汽压，所以当在GEM共混物中添加更多甲醇时，RVP增加。这可能导致蒸发排放增加和碳罐捕集器过载，特别是对于酒精含量较低的GEM混合物，例如相当于E15 [63]的混合物。代替标准汽油，一种用于含氧化合物混合或“RBOB”的重新配制的混合原料可以在一定程度上抵消这些问题。
Qi等人。[134]研究了甲醇汽油混合物的稳定性。在较低的温度下，甲醇-汽油混合物可能变得不稳定(即分相)，乙醇被用作助溶剂，以产生稳定的混合物。Qi等人的数据。[134]被Turner等人纠正。[49]并在图21中示出。–15°C时的数据显示，稳定和不稳定混合物之间存在边界，不含乙醇的E85当量GEM混合物M56不会稳定。这表明，乙醇应始终以一定浓度作为助溶剂，以获得稳定的混合物。
第3.2节讨论了材料相容性问题。
3 .甲醇发动机和车辆设计特点
3.1介绍
第2节中讨论的甲醇和甲醇混合物的特性要求对发动机和车辆进行一些硬件改造，以使用这些燃料。请注意，目前市场上所有使用汽油发动机的车辆都能够在低掺混量下运行，即甲醇含量在当前汽油规格范围内(例如，EN228的情况下，高达3%体积比的甲醇)。后者非常重要:如第2.8.2节所述，在甲醇浓度较低的情况下，将甲醇与汽油混合会增加蒸汽压。因此，与乙醇的情况一样，为了使混合物符合汽油蒸汽压规格，需要改变基础汽油的配方。“飞溅混合物”将具有更高的蒸汽压。人们必须对文献中的一些发现保持谨慎，因为这些发现并没有做出这种重要的区分。例如，据报道，一辆以M15
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资料编号：[2028]
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