0、 引言
當今甲醇作為公認的清潔替代燃料，人們通過大量的發動機試驗對其進行了深入研究。首先進行過甲醇柴油混合燃料的摻燒試驗，對發動機改動不大，但由于甲醇和柴油不相溶，即使添加互溶劑后長時間放置混合燃料穩定性依然不好。近幾年關于進氣道噴甲醇、柴油引燃的方式來研究的試驗很多，并且在降低有害排放和碳煙取得了很大成績，對缸內燃燒特性也進行了研究分析，初步了解甲醇替代柴油的機理、此外還有一種甲醇柴油雙噴射方式，需要安裝兩套燃油供給系統，改裝復雜，控制、制造難度大，費用高，但節能減排效果非常明顯。因此，無論從能源危機還是日益嚴格的排放法規的角度考慮，甲醇都體現出它強大的優勢。雖然以上試驗研究都是在中、高速柴油機上進行的，對低速單缸柴油機燃用甲醇的研究也很有價值。農用機械一般都以單缸柴油機為輸出動力，在把柴油機改裝成甲醇發動機后燃料價格大幅度降低，對農用機械發展有一定幫助。
甲醇很低的十六烷值和較高的自燃溫度以及其它理化性質決定了純甲醇在柴油機中壓縮燃燒困難。
因此，采用一種在柴油機缸蓋上加裝一個電熱塞，使發動機運轉的過程中一直通電處于加熱狀態，以提高缸內溫度; 利用熱面點火的方式點火，把一臺農用單缸柴油機改裝成甲醇發動機，對其進行性能研究。
1、 試驗設備及方法
本試驗是在一臺 1115 單缸柴油機上進行的，分別進行了原機燃用柴油的和改裝后燃用 M100 甲醇的性能和排放性的試驗研究。發動機基本參數如表 1 所示。試驗測試設備: 四川誠邦科技有限公司的 ET2000柴油機測試系統，ET2500 智能油耗儀，DW160 電渦流測功機和 AVL DICOM 4000 五組分尾氣排放儀。
本試驗在一臺單缸柴油機缸蓋上加裝一個電熱塞，安裝在進排氣門中心線靠噴油嘴一側，不影響其他機構的同時在噴油嘴一側安裝電熱塞。甲醇的低熱值很低，僅為柴油的 46． 7% ; 但其辛烷值很高，有很好的抗爆性。為了改裝后能使甲醇穩定燃燒的同時動力性維持原機，增大了壓縮比和噴油泵柱塞直徑，并且調整了供油提前角。尾氣后處理裝置采用了三元催化轉換器，因為單缸機價格便宜，加裝電熱塞會提高成本，考慮降低成本采用了一個小的三元催化轉換器進行尾氣處理。
2、 試驗結果分析
2． 1 甲醇發動機與原單缸柴油機動力性和經濟性對比
圖 1 為發動機外特性曲線對比圖。由圖 1 可知:在外特性曲線中，單缸柴油機進行改裝后燃用 M100甲醇獲得的外特性轉矩比燃用 0 號柴油大，轉矩平均提高6． 8% ，最大提高15% ，動力性提升較大。外特性曲線表明甲醇在柴油機中的應用潛力很大。雖然甲醇的熱值不到柴油的 1/2，但在理論空燃比附近甲醇與空氣混合氣的熱值與石油燃料混合氣的熱值相當，在增大壓縮比噴油泵柱塞直徑后甲醇發動機動力性升高。從圖 1 中還可看出，燃用 M100 發動機的排氣溫度比燃用 0 號柴油降低了很多，緩解了負荷壓力。
但排氣管安裝三元催化轉換器后排氣溫度有明顯的升高，這主要是尾氣在進入三元催化器的節流作用和尾氣在三元催化器內進行復雜的化學反應大量放熱導致排氣溫度升高。燃料經濟性通常用燃油消耗率和熱效率指標來評價。本試驗進行 M100 和 0 號柴油進行經濟性對比時，燃油消耗率應轉換成燃料的當量熱值燃油消耗率對比，則
其中，Mbe是甲醇的當量燃油消耗率\\(g/kW·h\\) ;bme是甲醇有效燃油消耗率; Hmu是甲醇低熱值\\(J/kg\\) ;Hu是柴油低熱值; ηet是有效熱效率。
圖2 是1 800r/min 時甲醇發動機和原單缸柴油機的有效熱效率和當量燃油消耗率的曲線對比圖。由圖 2 可以看出: 在低轉矩時，燃用 M100 甲醇燃料的有效熱效率低于 0 號柴油; 轉矩變大時，燃用 M100 的有效熱效率高于 0 號柴油，性能明顯改善。
出現上述現象的原因是由于低轉矩時負荷小，缸內溫度低，甲醇汽化困難，擴散燃燒速度慢，容易出現間歇失火，使發動機性能較燃用柴油時差; 轉矩變大后，發動機缸內溫度升高，甲醇汽化容易，混合氣形成及時，滯燃期變短而燃燒速度變快，這樣獲得了較高的能量轉換效率。1 800r/min 時，甲醇燃料當量燃油消耗率在大負荷時均降低 13% ，經濟性得到了改善。
2． 2 甲醇發動機與原單缸柴油機排放對比
圖 3 是 1 800r/min 下進行的 CO 排放對比，還有甲醇發動機進行尾氣后處理\\(三元催化轉換器尾氣處理\\) 前后排放的對比。由圖 3 可以清楚地看到，甲醇發動機的 CO 排放曲線隨扭矩的增大呈現出先降低后增大的趨勢，0 號柴油的 CO 排放逐漸增大; 低負荷時，甲醇發動機的 CO 排放比原柴油機高很多; 但在高負荷時低很多。甲醇發動機進行三元催化轉換后 CO排放始終能保持很低，對降低 CO 排放有很好的效果。
出現上述情況的原因是由于低負荷時，發動機燃燒溫度低，雖然甲醇含氧多，燃燒比柴油完全; 但其汽化潛熱大，使溫度進一步降低，CO 氧化的過程緩慢，同時大部分混合氣非常稀薄，而擴散燃燒的方式會使混合氣不均勻，造成局部的濃混合氣缺氧，致使燃燒不完全 CO 的排放比燃用柴油時高。負荷高時，燃燒溫度高，甲醇含氧的特點變為主要因素，此時 CO 大量被氧化，使排放降低; 當負荷進一步升高時混合氣變濃，局部缺氧現象增多，CO 排放再次變高，但比柴油機要低很多。燃油品質對 CO 濃度排放也有明顯影響，燃油芳烴含量愈高，十六烷值愈低，則 CO 濃度愈高。在對尾氣進行三元催化后，在轉矩由小到大的范圍內 CO 都能保持很低。
圖 4 是 HC 排放對比曲線圖。由圖 4 可知甲醇發動機比柴油機的 HC 排放高。柴油機的 HC 排放在整個轉矩范圍內很低，而甲醇發動機的 HC 排放先降低后升高。HC 排放在柴油機中主要是受燃油霧化質量差和混合不均勻的影響。由于甲醇易蒸發，霧化較好，在柴油機上的燃燒是擴散燃燒的方式，比柴油與空氣混合快一些，但沒有充足的混合時間，主要以擴散燃燒為主; 低負荷時混合氣過稀，可能出現間歇著火現象。甲醇十六烷值僅為 3，滯燃期長，未然碳氫和裂解碳氫增多; 負荷變大時，缸內溫度升高，也提高了電熱塞點火的性能，甲醇汽化容易，滯燃期變短，改善了燃燒，HC 降低; 在大轉矩下又升高是由于爆燃的發生導致了燃燒的惡化。由圖 4 還可以看出，大負荷時HC 排放比小負荷時低; 尾氣經三元催化轉換器轉化后明顯的降低了 HC 排放。
圖 5 是甲醇發動機和柴油機 NOx排放對比圖。甲醇發動機的 NOx比柴油機低很多。NOx的生成主要是在高溫富氧的環境中。甲醇氣化潛熱大，燃燒溫度的降低可以減少 NOx; 另一方面甲醇是含氧燃料，促進了NOx的生成。但甲醇滯燃期比柴油長，在預混合階段與更多的空氣混合，并且燃燒速度快，這樣被氧氣氧化成 NOx的反應時間短，可以抑制其生成。因此，燃用M100 甲醇降低 NOx很多。從圖 5 中看出，尾氣進行三元催化后 NOx的排放稍有增加，這是由于在尾氣管中安裝三元催化器后增加了節流效果，提高了尾氣溫度，混合氣稀薄，三元催化效果對 NOx不明顯，增加了NOx排放，但比原柴油機低很多。
3、 結論
1\\) 1115 單缸柴油機經改裝為甲醇發動機的動力性平均提高 6． 8% ; 同時提高了甲醇能量轉換效率，經濟性得到改善; 排氣溫度平均下降了 9． 8% ，減輕了發動機排氣系統熱負荷。
2\\) 甲醇發動機的當量燃油消耗率平均降低 16% ，燃油經濟性改善; 同時有效熱效率在負荷變高時比原柴油機的熱效率高。從這兩方面比較，柴油機燃用甲醇有較大優勢，使經濟性得到改善。
3\\) 改裝后甲醇發動機的排放明顯降低。甲醇發動機 NOx的排放比柴油低很多。盡管 CO 和 HC 排放高，但通過尾氣三元催化器處理后排放降低很多，排放濃度與柴油機相當，對拖拉機節能減排具有重大意義。
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