甲醇汽車燃料低消耗量研究及汽油燃料節能減排的方法

成都中揚科技有限公司

【摘要】目前，甲醇汽車研究人員用碳平衡法原理，計算出甲醇汽車燃料和汽油的替代比在2.2左右，根據上海華普汽車有限公司《甲醇汽車燃料消耗量的當量比和替代比》M100甲醇汽車的甲醇與汽油的替代比在1.95最為合適；本文通過理論和實驗證實，根據《混合氣爆轟原理》甲醇在內燃機燃燒替代比不能完全按熱值和碳守恆計算，就好比1kg煤的熱值比1kgTNT（炸藥）熱值高，但是炸藥的威力遠比煤大，就是根據混合氣爆轟原理，提升了混合氣熱傳播速度，所以甲醇和汽油的替代比可以更低，本文列舉一些方法可以實現甲醇汽車燃料低消耗量及達到低替代比。汽車發動機數據良好的情況下甲醇和汽油的替代比可以低至1.2左右。

關鍵詞：甲醇汽車 燃料消耗量 替代比 甲醇燃料內燃機爆轟理論

中圖分類號：U464.173

Studyon the low consumption of methanol vehicle fuel

ClarkYang ，TaoChen

（ChengduZhong Yang Technology Co., Ltd.）

[Abstract]The methanol automobile researchers calculated that the alternative rate ofmethanol and gasoline is about 2.2 using 「Principle of carbon balance」. Inaddition, according to the 「Equivalence ratio and substituted ratio of the fuelconsumption of the methanol automobile」 of Shanghai Maple Automobile Co., Ltd.,the alternative rate of methanol and gasoline is about 1.95 for M100 methanolautomobile. In this paper, it is proved by theory and experiment that thealternative rate of methanol in the internal combustion engine could notcalculated merely based on 「calorific value」and 「Principle of carbon balance」.For example, the calorific value of 1 kg coal is higher than that of 1 kg ofTNT (explosives), but the power of 1 kg of TNT is much bigger than that of 1 kgcoal because the speed of the mixed gas is improved based on 「Principleof gas mixture detonation」.Therefore，thealternative rate of methanol and gasoline can be lower. Some methods arepresented in this paper for to realize lower consumption and lower alternativerate of methanol fuel. The alternative rate of methanol and gasoline can as lowas 1.2 in the conditions that the automobile engine functions normally.

Keywords:methanolvehicle; fuelconsumption;alternative rate;detonation theory of methanol fuel internal combustion engine

----作者簡介：楊記 1985-3-22 性別 男 職稱 工程師 甲醇汽車研發.E-mail：124592231@qq.com

前言

[1]

。早在1971年為了促進全球制定合理的能源政策，建立一個穩定的國際石油市場信息系統，改進全球的能源供需結構和協調成員國的環境和能源政策，由經濟合作發展組織為應能源危機設立了國際能源署(International Energy Agency,簡稱IEA）。國際能源署致力於預防石油供給的異動，同時亦提供國際石油市場及其他能源領域的統計情報。目前，國際能源署秘書處已經成為全球能源統計的權威。秘書處每月發行一期石油市場報告，一年發行兩期全球能源展望，這兩種能源報告在世界上都頗具影響力。根據國際能源署參考情景中的預測，全球2005年到2030年間的一次能源需求將增加55%，年均增長率為1.8%。2005年能源需求為114億噸標準油，而到2030年將達到177億噸標準油。在當前人類消費的基本能源中，佔據著首要地位的石油能源在2030年的全球石油需求量將達到1.16億桶/日，比2006年多出3200萬桶/日。

甲醇是一種集替代、節能、環保於一體的清潔運輸燃料。隨著我國替代能源創新技術的不斷提升和產業鏈的延伸，甲醇汽車燃料將成為我國日益增長的燃料消費的重要補充，其工業應用將使甲醇從有機化工原料直接提升至運輸燃料，在拓寬甲醇應用領域、延長產業鏈、節約資源/能源同時，為現代石油化工企業改變原料路線/工藝路線、生產符合市場需要的清潔運輸燃料提供了新途徑。目前汽車燃料既可以是乙醇、生物柴油等液體燃料，也可以是二甲醚、液化石油氣、液化天然氣、氫等燃料，但是以上汽車替代燃料都有自己很多不足之處，液化天然氣需要大量改動汽車結構；儲存需要氣罐不安全、續航能力短、動力不足等諸多問題；只有甲醇能夠不改變原車機構下直接加入油箱使用，是一種清潔環保安全方便的能源。

由於甲醇熱值是汽油的一半，在電噴汽車上使用甲醇作為燃料，根據吉利華普汽車甲醇汽車燃料消耗量的當量比和替代比研究

[2]

甲醇在汽車上替代比在1.99，甲醇替代比相對汽油高而失去了經濟優勢。本文研究在乘用車使用M100甲醇燃料替代比高的原因，研究降低甲醇替代比的方法。

1 內燃機電噴原理分析甲醇替代比高的主要原因

1.1電噴發動機的燃油噴油量可以用下式計算：

公式中M為電噴發動機的燃油噴油量；μ為噴油孔的流量係數；s為噴油孔截面積；t為噴油持續時間；g為重力加速度；ρ為燃油密度；pi為噴油壓力；P0為供油壓力。由式（1）可知通過改變噴油孔流量係數、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力，以及噴油持續時間來改變噴油量的大小，而噴油孔流量係數、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力與噴油器本身的尺寸和參數相關，噴油持續時間對於噴油量來說是一個獨立的參數。因此採用改變噴油持續時間來改變噴油量，噴油持續時間由汽車的電控單元（ECU）控制。當噴油器中使用M100甲醇汽油時，依靠電控燃油噴射系統所具有的自適應控制功能，自行調節噴油脈寬，使發動機能夠正常運轉。但是由於甲醇熱值原因，ECU會自動增加噴油脈寬已補償熱值的不足，所以是很多車子剛開始燒甲醇省錢，但是燒一段時間後ECU噴油脈寬自學完成後，就不省錢了。

1.2汽車ECU數據根據以下公式重新運算噴油脈寬

mi=2×load×ilam×（1+X）adap×vladap×dfco＋clocorr+voltcorr+aecorr(-decorr)

公式中：load——負載，ms/r；ilam——當量空燃比/實際空燃比；adap——學習修正項；vladap——全負荷功率加濃學習修正項；dfco——減速斷油修正項；clocorr——閉環修正項；voltcorr——電壓修正項；aecorr——加速加濃修正項；decorr——減速減油修正項。

從以上兩個公式可以看出，汽車燃料的油耗消耗主要是和電控單元ECU運算有關係，由於甲醇燃燒特性和熱值，在汽油發動機的燃燒效率沒有得到很好的發揮，所以ECU運算出的噴油脈寬比較高在2.2替代比左右。所以這是為什麼汽車前期燒甲醇比較節省，但是後面燒甲醇久了由於ECU自學習，將甲醇的替代比調節到了甲醇熱值發揮功率的範圍內。這就是內燃機電噴汽車燃燒純甲醇消耗為什麼高的主要原因。

2甲醇汽車燃料低替代比研究

根據甲醇和汽油的當量的體積比：0.267*D/0.1154*d=2.17即汽車燃料2.17L的M100甲醇所排放出的總碳量相當於燃燒1L汽油的總碳碳量。

但是內燃機是通過電控控制，汽油和甲醇的替代比主要是內燃機電控單元噴油脈寬決定；而噴油脈寬是汽車ECU根據汽車工況運算出來：

根據功率P=功W/時間t運算公式；

功W=力F*距離S

所以 P=F*S/t=F*速度v 所以發動機主要功率是通過汽車ECU對速度的運算得出，從而控制噴油脈寬。

這裡的v是線速度，而在發動機里，曲軸的線速度v＝曲軸的角速度ω×曲軸半徑r，

代入上式得：功率P＝力F×半徑r×角速度ω；而 力F×半徑r＝扭矩T

得出：功率P＝扭矩T×角速度ω

從公式上可以看出，發動機功率P和扭矩和角速度成正比，而加速度和扭矩都取決於燃料度活塞所作用的力，活塞的力來源於燃料膨脹做功。

根據氣體狀態方程式和混合氣爆轟原理

[3]

；混合氣主要爆轟取決於初始化溫度和初始化壓力；在混合氣體的爆炸濃度範圍內，高溫燃料噴入發動機氣缸後混合氣混合的更好燃燒更充分,初始溫度升高，會使化學反應的速度加快。在相同的點火能下，可燃氣體混合物的初始溫度越高，燃燒反應越快，於是單位時間放熱越多，火焰越易傳播，因而爆炸極限範圍變寬。所以甲醇要實現低替代比是完全可行的。

3具體實驗

根據《可燃氣爆轟理論》我們將甲醇在0.32MPa汽車油泵壓力下，將甲醇持續升溫到150℃然後噴入到氣缸， 150℃溫度下甲醇進入氣缸的初始化溫度和初始化壓力增加，加快甲醇燃燒熱傳播速度；使得甲醇在氣缸中的熱傳播速度提升了幾倍。這樣在同等燃料下；加熱的甲醇能使活塞得到更高的衝擊速度。

3.1道路測試結果

利用同一台汽車（表1）使用兩套燃料供給系統；常溫M100燃料和預熱150℃後的M100燃料，

汽車在平坦道路上進行80km/h等速行使後，採用稱重法所測得燃料消耗量表2所列，從表2可以看到，甲醇在常溫下噴入氣缸與汽油的替代比為1.95；將甲醇預熱到到150℃後噴入到氣缸與汽油的替代比可以低至0.91；

表1試驗用汽車技術參數

Table1 technicalparameters of the automobile

表2道路測試結果

Table 2 results for road test

註：汽車在80km/h的速度，常溫噴入氣缸甲醇行使100km 消耗甲醇19.1L 替代比為1.8 而持續將甲醇預熱150℃行使100km 消耗甲醇10.9L 替代比為1.14 ；

汽車在110km/h的速度下常溫噴入氣缸甲醇行使100km消耗甲醇15.2L 替代比為1.6 而持續將甲醇預熱150℃後行使100km消耗甲醇11.25L 替代比為1.18；

說明甲醇在內燃機裡面替代比不能只根據燃料熱值和碳守恆運算。

3.2 長途道路測試

利用同一台汽車（表1）繼續做長途實驗測試，長途路試證明：1.8排量奇瑞東方之子長期綜合甲醇油耗穩定在11.25L/100km; 150℃預熱甲醇後的汽車燃燒甲醇與汽油的替代比在1.2：1左右

4.甲醇燃料預熱技術解決甲醇汽車其他問題

由於甲醇氣化潛熱大使得甲醇在氣溫低的情況下不能完全氣化，未氣化的甲醇和空氣進入發動機氣缸以後，容易附著在氣缸壁上腐蝕發動機現象，或者在發動機裡面局部燃燒過熱，導致燒活塞現象。未氣化的甲醇滲透到機油乳化導致發動機磨損嚴重，甲醇膠質堵塞噴油嘴等現象，都可以用預熱甲醇解決。

4.1無需設計專用的甲醇汽車發動機

預熱後的甲醇經過噴油嘴噴出後，馬上氣化與混合氣充分混合，進入氣缸後以氣態的形式參加燃燒。無需專門對氣缸壁做防腐處理，無需設計專門的甲醇發動機，預熱到150℃後的甲醇進入氣缸中燃燒，全部氣化的甲醇和空氣充分均勻混合，燃燒特別充分，減少了甲醇燃燒過程中甲醛的產生，所以在發動機燃燒過程中甲醛的產生量少，減少了甲醛變為聚甲醛進一步氧化而形成有機酸的現象。用現有的發動機就能完全使用純甲醇，氣化後的甲醇燃燒充分，積碳少。對發動機使用壽命還有益處。

4.2無需專用的甲醇機油

預熱後的甲醇經過噴油嘴噴出後，馬上氣化與混合氣充分混合，進入氣缸後以氣態的形式參加燃燒。同時不存在未氣化的甲醇滲透到機油裡面，乳化機油的現象。

4.3預熱後的甲醇充分溶解甲醇膠質避免噴油嘴堵塞

由於甲醇是常規的化工原材料，運輸甲醇的汽車可能運輸過其他化工原材料，而給甲醇帶來膠質，同時甲醇的電化學腐蝕性能也會給甲醇帶來膠質。膠質會在汽車噴油嘴上積累而堵塞噴油嘴，甲醇經過150℃高溫以後，化工原材料和膠質基本上完全溶解在甲醇裡面與甲醇氣化進入氣缸；避免噴油嘴的堵塞。

4.4改善甲醇冷啟動問題

由於甲醇氣化潛熱大，閃點高；甲醇汽車使用純甲醇12℃以下就點火不是很好，預熱後的甲醇進入氣缸後更加容易點火。

5.甲醇作為可再生循環能源的重要意義

1996年諾貝爾獎獲得者、有機化學家喬治A奧拉著作《跨越油氣時代「甲醇經濟」》中提到甲醇燃料憑藉其較高辛烷值、燃燒環保、便宜的價格和豐富的儲量等優勢，被越來越廣泛的應用在汽車發動機上，是汽油和天然氣最好的替代比。我國石油對外依存度不斷提高，截至目前已經超過57％，且隨著經濟的發展，石油消費量還在逐年增加，尋找石油的替代產品勢在必行。 甲醇作為主要從煤、天然氣、生物質中製取的燃料在排放和經濟效益都優於汽柴油。其還具有成本低、原料易購、來源廣泛，生產不受季節和規模限制;抗爆性能較好等特點。 甲醇在我國已經具有一定規模的產能，國內的劣質煤佔到整個煤炭資源的40%左右。劣質煤不能直接燃燒，但可以把它開採出來轉化為甲醇。截至到2010年底，我國已經成為全球第一大甲醇生產國， 甲醇作為可再生能源符合中國替代能源國情，符合一帶一路戰略，具有重要的戰略意義。然而甲醇作為汽車能源直接加註到原車油箱，具有安全、可靠、穩定、環保的效果，可大大降低汽車尾氣碳排放。

隨著汽車工業的迅速發展，全球汽車保有量正在以驚人的速度增長。汽車給人的生活和工作帶來極大的便利，但是也應該看到，傳統汽車帶來了大氣污染，尤其使CO2排放大幅度增加。在我國大中型城市，汽車尾氣排放和CO2排放已成為主要的大氣污染源，對人們的健康造成越來越大的威脅。氣體排放是指從廢氣中排出的一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物、微粒碳煙等有害氣體。隨著汽車尾氣污染的日益嚴重，汽車尾氣排放立法勢在必行，世界各國早在六、七十年代就對汽車尾氣排放制定了相應的法規。為了抑制汽車尾氣的排放，歐洲和美國都制定了相應的排放標準。其中歐洲標準是我國借鑒的汽車排放標準。歐洲從1992年起開始實施歐Ⅰ，直到2005年起開始實施歐Ⅳ。與國外先進國家相比，我國汽車尾氣排放法規起步較晚、水平較低，根據我國的實際情況，在八十年代初期開始採取先易後難分階段實施的具體方案。我國環保、汽車和交通部門聯合發布的《汽車排放控制技術政策》中已明確規定，2000年採用歐Ⅰ排放法規，2004年採用歐Ⅱ，2008年採用歐Ⅲ，2010年後爭取與國際接軌。根據1kg甲醇在內燃機裡面完全燃燒放出1.087kg二氧化碳，1kg汽油在內燃機裡面完全燃燒放出2.25kg二氧化碳，全球石油產量是36億噸，目前汽油產率在50%以上，汽油含碳量85%以上，這些全部得形成二氧化碳，一年汽車二氧化碳的排放量為：36*50%*85%*44*12=56億噸，由此可看，傳統石化能源汽車工業排放量成為全球二氧化碳的主要排放，如果1.2L甲醇替代1L汽油，汽車尾氣將減少42%。

備註：資料來源於CRI《跨越油氣時代：甲醇經濟》

當碳氫化合物燃燒產生二氧化碳和水，如果將這個過程進行逆轉，即利用二氧化碳和水來高效、經濟的製造甲醇。甲醇就成了可循環能源的中間體，甲醇液體燃料比汽油更安全的儲存和運輸條件是汽車最好的清潔環保的替代能源。

5結論

從理論和實際測試中證明，M100甲醇在汽車內燃機使用時，替代比可以接近1；和汽油等同的消耗，說明比汽油更適合發動機；甲醇是一種清潔環保的燃料，甲醇在內燃機裡面爆燃熱傳播速度有很高的提升空間。甲醇是一種很好的汽油替代能源，在用電噴自然吸氣乘用車都可以實現使用純甲醇，可以實現節能減排，使用本方案可以實現汽車降低尾氣碳排放42%左右。甲醇完全可以作為傳統能源最好的節能環保的替代品，同時甲醇是可作為再生能源用於內燃機汽車。

根據《爆轟學理論》汽油通過預熱的方法，提升了汽油進入發動機的之前的初始化溫度和初始化壓力，從而提升了汽油的爆發力，可以達到降尾氣和降低油耗的效果！

[參考文獻](References)

[1] 楊維新. 國際能源環境下的中國能源安全：[博士學位論文]. 上海：上海社會科學院，2006年5月

[2]郭昌倫 金先揚 宋金環 《甲醇汽車燃料消耗量的當量比和替代比》【期刊論文】 2011年11期

[3]張寶坪 張慶明 黃風雷 《爆轟物理學》 2001.8

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作者：楊記 成都中揚科技有限公司

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作者簡歷

楊記

性別：男

出生日期：1985-3-22

學歷：本科

工作單位：2007-2011年 深圳比亞迪汽車有限公司 工程師

2015-2016年 成都中揚科技有限公司 總經理

從事領域科研成果：2015和2016年獲得多項甲醇汽車國家發明專利，我們一直在推動甲醇汽車能源的發展而努力奮鬥。