试验中采用选用了四种燃料，分别为MD20、MD10、MD5和0号柴油。

1.动力性分析

评价发动机动力性好坏的指标主要有两个，一个是有效功率（P_e），是发动机单位时间内做功能力的一个指标；第二个是有效转矩（M_e），它反映了发动机在一定范围内的负载能力。它们之间的换算关系是

试验中，首先测量出发动机的转矩，然后根据上面公式算出此时发动机的功率，试验结果如图13-17、图13-18所示。

图13-17 外特性功率比较图

图13-18 外特性转矩比较图

图13-17及图13-18为发动机燃用MD20、MD10、MD 5和柴油后在外特性下的功率和转矩对比图我们可以明显看出，发动机燃用甲醇后，功率和转矩都有了不同程度的下降，掺烧的甲醇量越大，功率和转矩下降的就更明显。在试验的过程中发动机一直运转平稳。说明采用这种混掺方法相对合理，甲醇比例基本不会发生大的变化。

发动机燃用甲醇后动力下降的主要原因是：

1）甲醇的热值较低，仅为柴油的46%左右，在发动机的循环供油量没有增加的情况，燃用甲醇发动机燃烧放出的热量也将减少一半以上，发动机的动力性降低是必然的。

2）甲醇的十六烷值只有3，而柴油的十六烷值高达46甚至更高，十六烷值是反应柴油性质最主要的指标，其值越高越容易压燃，甲醇低的十六烷值导致在掺烧量过大时压燃困难、燃烧的滞燃期加长，导致开始时燃烧缓慢，热效率也必然降低。

3）甲醇的汽化潜热值约为柴油的4.2倍，汽化潜热值高必然使得在蒸发需要更多的热量，甲醇蒸发带走更多的热量后进一步导致滞燃期的延长，也就是燃烧放热量减少，进一步降低了发动机的动力性，且加入量越多，动力性下降越多。

如果从上面分析那么柴油掺烧甲醇后动力性损失至少是掺烧甲醇前的一半以上，但是从试验中我们发现下降的并没有如此严重，主要是因为甲醇是有氧燃料，提高了富油区氧的含量，能使燃料燃烧更加完全，而且由于甲醇的低沸点和低黏度造成的“微爆”作用，使柴油雾化更加良好，改善了混合气的形成和燃烧，这两个原因是造成发动机掺烧甲醇后动力性下降没有如此明显的主要原因。

2.经济性分析

台架试验中我们测定经济性的指标包括小时油耗（G_t）和有效燃油消耗率（g_e），两者关系如下

有效燃油消耗率反映的是单位有效功的耗油量，常用来做汽车节能的技术指标。负荷特性一般用来比较发动机的经济性能。GB 14951—2007对台架试验负荷特性给出了如下的公式

式中 G_F——发动机小时燃料消耗积分均值（kg/h）；

G_f——发动机小时燃料消耗量（kg/h）；

P₁——该转速下发动机最大功率的30%（kW）；

P₂——该转速下发动机最大功率的90%（kW）。

因此发动机燃用甲醇后相对于燃烧柴油的节油率按照国标有如下的计算式

式中 α_d——发动机的节油率（%）；

G_Fod——发动机燃烧柴油后的小时油耗积分值（kg/h）；

G_Fjd——发动机燃烧甲醇柴油后的小时油耗积分值（kg/h）。

图13-19和图13-20为发动机燃用柴油、MD5、MD10、MD20在2000r/min时的小时油耗油量和有效燃油消耗率比较，从负荷特性图上发现经济性有着和外特性上相似的性质，即随着甲醇含量的增加油耗也在增加。按照上面两个方程式，我们算出MD5、MD10、MD20的节油率分别为-2.3%、-5.7%和-14.3%。负值表示费油。

图13-19 2000n/min时的小时油耗

图13-20 2000n/min时的有效燃油消耗率

导致发动机燃用甲醇后油耗上升主要原因有：甲醇的热值较低，要想得到与柴油相同的功率输出就必然要增加供油量；甲醇的高汽化潜热值使得压缩终了时缸内温度变得更低，使滞燃期延长，发动机燃用甲醇后着火和燃烧变差，甚至产生淬熄和“失火”现象导致油耗会进一步的增加；同时甲醇低的十六烷值也造成了在掺烧大量甲醇时发动机着火困难，这些原因造成了燃油消耗量的增加，经济性能恶化。尽管相同的功率输出经过上述分析从质量上需要多耗掉一部分燃油，最多的是MD20要多耗14%的燃油，但是由于甲醇的价格仅为柴油的1/3左右，从费用上分析还是有一定的节省，而且甲醇替代了柴油可以节省石油燃料，可以缓解能源危机，因此从这方面讲甲醇替代柴油是可行的。

3.排放性分析

（1）排气温度以及过量空气系数

图13-21和图13-22为发动机在外特性下和2000r/min的排气温度对比，从图可以看出，发动机在掺烧甲醇后，排气温度除MD5略有升高外，其余两种燃料都有所下降，且MD20下降的要比MD10多，分析其主要原因就是由于甲醇在添加量较少时，尽管混合燃料十六烷值下降，但是不足以影响发动机的燃烧，且甲醇为有氧燃料，点燃后燃烧速度也要快于柴油，再就是由于“微爆”作用的存在，使得甲醇柴油燃烧更好，因此排气温度升高，而随添加量增大减少的原因主要是由于甲醇添加量较高时降低了混合燃料的十六烷值与热值，使得甲醇柴油压燃困难，滞燃期加长，燃烧不充分。且甲醇高的汽化潜热值也加剧了气缸温度的降低。

图13-21 外特性排气温度

图13-22 2000r/min的排气温度

图13-23和图13-24为发动机在外特性下和2000r/min的λ比较图，从图可以看出，发动机在掺烧甲醇后，λ明显变大，混合气变稀。

图13-23 外特性时的λ值

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图13-24 2000r/min时的λ值

（2）CO排放

发动机产生的CO主要是燃烧的中间产物，也就是燃油的不完全燃烧引起的，即当空气的供给量小时生成的CO就会变多。在柴油机雾化不良也会造成CO排放增大，如果雾化不良，燃油以大的油滴存在不利于燃油的充分燃烧导致CO不能被及时氧化成CO₂，造成了CO的升高

图13-25和图13-26分别为发动机在外特性下和负荷特性下CO排放比较，从图中可以看出CO排放均显著下降。

在负荷特性上还发现，随着甲醇含量的增加CO先减少后增加，减少的原因为随着甲醇含量的提高增加了上述因素的影响，但是当负荷进一步增加时CO排放增高，原因是因为混合气变浓。

图13-25 外特性co比较

图13-26 2000r/min时CO比较

（3）HC排放

发动机的HC成分极其复杂，主要就是没有完全燃烧的燃油。其生成机理主要包括四个方面：第一，不完全燃烧，其和CO生成机理一样的，这里不再叙述；第二，壁面的淬熄效应，主要是靠近缸面的气体由于缸面温度较低而使得火焰迅速冷却导致燃烧反应中断，在壁面形成一层不燃烧或不能完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量的未燃HC；第三，狭缝效应，主要指活塞头部、活塞环等气缸内的一些间隙处火焰无法传递到此处，导致燃油不能完全燃烧而产生大量的HC；第四，壁面油膜和积炭吸附，主要是指气缸壁上的油膜以及燃烧生成的积炭吸附了一些燃油分子导致燃油不能完全燃烧而生成HC。

图13-27和图13-28分别为外特性下和负荷特性下HC排放，从图中可以看出和CO排放有着基本类似的性质，在甲醇含量较小时HC排放降低的原因也是由于甲醇的物性及含氧特性改善了混合气的形成和燃烧，减少了HC的排放量。而当甲醇含量增高时HC升高的原因除了和CO在该工况下升高相同的原因外，甲醇不适应在稀混合气下燃烧，燃烧速度放慢，进一步加剧了壁面的淬熄效应和狭缝效应导致了HC排放的进一步增高。

（4）NO_x排放

NO_x主要成分是NO和NO₂，在燃烧过程中主要生成的是NO，只有少量的NO₂，最后经排气管排出，排放出的NO经过进一步氧化最终变成NO₂，由于在燃烧时大部分燃烧产物是NO，因此讨论NO_x的生成机理一般都是讨论NO的生成机理。NO的生成主要跟发动机气缸内的氧的含量、缸内温度以及高温残存时间有关，缸内温度越高、氧的含量越高、残存时间越长则生成的NO也就越多。其中温度是最要的条件。即使氧的含量很高如果没有足够的温度生成量也会减少。

图13-29和图13-30为发动机在外特性和2000r/min负荷特性下NO_x排放随掺烧甲醇量的变化趋势。由图可以看出无论是在外特性下还是在负荷特性下，MD5的NO_x排放量均比燃烧纯柴油要多，MD10比纯柴油略低，而MD20要比纯柴油下降的多。分析其主要原因为在低比例时甲醇的物性、含氧特性及“微爆”起主导作用，改善了雾化和燃烧，使得燃烧温度有所上升，这在排气温度中也有所体现，再者甲醇为含氧燃料，本身有自供氧效应，就减少了混合气氧的需要量，两者共同导致了NO_x排放的增大。而当甲醇含量增加时NO_x排放下降的主要是由于缸内温度降低，再者高的汽化潜热又使得缸内温度进一步下降，此时尽管缸内氧气充足，但是由于温度的降低导致NO_x排放下降。

图13-27 外特性HC比较

图13-28 2000r/min时HC比较

图13-29 外特性NO_x排放

图13-30 2000r/min时N0_x排放

（5）炭烟排放

柴油机颗粒的生成机理，一般说来是燃料在高温缺氧条件下裂解生成的。虽然柴油是富氧燃烧，但是由于燃油是由喷油器喷射而出，这就决定了柴油机混合气并不均匀，尤其是在雾化质量不好的情况下，局部的缺氧就导致了炭烟的形成。

目前测量烟度的单位一般采用消光系数k和不透光度opaC来表示，其中消光系数k表示光束被排烟衰减的系数。而不透光度表示由光源发射器出来的光不能达到探测器的那部分，以百分数表示。

图13-31和图13-32为发动机燃用甲醇柴油和柴油在外特性下的不透光度和消光系数对比关系。

图13-31 外特性opac值

图13-32 外特性k值

图13-33和图13-34为发动机燃用甲醇柴油和柴油在2000r/min时的不透光度和消光系数对比关系。

图13-33 2000r/min时opac值

图13-34 2000r/min时k值

从以上图中可以看出无论是在外特性上还是在负荷特性上燃用柴油时的炭烟排放均比燃用甲醇柴油要高。主要原因有如下几点：甲醇高的汽化潜热可以降低缸内温度，再者甲醇是富氧燃料，两者共同抑制了炭烟的生成条件即高温缺氧，从图中还可以发现并不是甲醇含量越高炭烟排放越低，MD20的炭烟排放比MD5和MD10都要高。产生这种情况的主要原因甲醇添加量过大时，由于甲醇低的十六烷值导致甲醇柴油压燃困难，再加上甲醇高的汽化潜热值，会降低缸内温度，试验中没有对原机进行喷油正时调节，由于甲醇低的十六烷值导致甲醇柴油相对于柴油会延迟着火，且甲醇比例越大着火越延迟，这就使得着火延迟期内形成的混合气多，而且点火后甲醇燃烧速度快，甲醇的快速燃烧可能造成其周围的柴油缺氧且造成了炭烟排放过高。

（6）CO₂排放

由图13-35和图13-36我们发现掺入甲醇后无论是在外特性下还是负荷特性下CO₂排放均显著下降，且随着甲醇含量的提高CO₂显著减少。分析其主要原因是甲醇具有含氧特性，且甲醇中碳元素的百分比要比柴油低，因此柴油在添加甲醇时CO₂排放量显著下降，且随着甲醇含量的增加CO₂排放下降。

以上实验发现柴油机掺烧甲醇后随添加量的增加动力性下降也增加，但是增加幅度并不成线性关系；从经济性分析，实际的经济性甲醇柴油要好于柴油；排放性CO、HC排放都下降明显，只有在甲醇添加量超过20%时才出现增加甚至有的工况超过了柴油，而NO_x在甲醇添加较少时排放较高，甲醇添加量较大时排放下降。CO₂排放随甲醇添加量的增加一直下降。

图13-35 外特性C0₂排放

图13-36 2000r/min时C0₂排放