1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1目的及意义

随着世界经济的发展，人口的增加和人民生活水平的不断提高，人类对能源的需求也日趋增强。但是作为传统能源的石油、天然气日渐匮乏，寻找替代能源就成为了世界经济发展的关键。特别是在两次石油危机之后，人们更加注重新能源和新燃料的寻求。在20世纪70年代中期，在解决和改善内燃机方面，全世界范围内展开了大量的探索性工作。先后开发出了压缩天然气、液化石油气、生物柴油和甲醇及乙醇等醇类燃料等多种适应性较好的替代燃料，并逐步开始了重点实验和推广应用工作。

尤其是近几年来，我国汽车工业飞速发展，汽车保有量逐年增加，截至 2015年底，我国的机动车保有量已达 2.79亿辆，产销量以逐年攀升至世界首位。我国汽车行业这样的快速增长已经给我国的能源发展和环境保护带来了巨大的压力。为了缓解我国的能源压力和环境问题，加强内燃机石油替代燃料的研发寻找新的清洁能源势在必行。

迄今为止，已经发现的内燃机替代燃料有气体替代燃料如：液化天然气、液化石油气和压缩天然气等；含氧替代燃料如：甲醇、乙醇、二甲醚等；现代柴油如：合成柴油和生物柴油等等。其中，甲醇因其独特的优势正在成为业内研究热点之一。首先甲醇燃料供应来源多样化，包括煤炭、天然气、生物质以及二氧化碳，而我国的能源结构表现为“贫油、少气、富煤”的现状，我国可以通过煤炭制取大量的的甲醇。根据这一特点，发展煤制甲醇作为石油的替代燃料是一种比较理想的选择。其次，甲醇在常温常压下是液体，方便运输和加注，并且在其运输等过程中几乎没有碳排放。再次，对于内燃机而言，甲醇含氧、无碳-碳键，燃烧速度快；其辛烷值为112，蒸发潜热大，有利于提高发动机的热效率；甲醇燃烧后主要形成H2O 和 CO2，且不含苯、烯烃和硫，尾气排放清洁。因此，甲醇被看作是最有前景的内燃机替代燃料。虽然甲醇在 15℃以下基本不蒸发，冷启动性能差，汽化潜热高，但是这并不影响甲醇直接应用到点燃式发动机上。

大力发展和研究甲醇在发动机上的应用技术对实施车用能源结构调整和节能减排战略具有重要意义。

本文主要运用GT-POWER软件对甲醇直接在汽油机上的燃烧过程进行模拟仿真，来预估甲醇替代燃料直接在汽油机上使用的性能,从而对汽油机燃用甲醇燃料后的性能进行评估，为甲醇发动机开发提供参考。

1.2国外研究现状

甲醇是一种可再生能源，且制备原料来源广，是具有广阔应用前景的发动机含氧替代燃料，受到各国的广泛关注。其中，瑞典、日本、美国、德国纷纷推进甲醇在汽车上的应用。开始是将甲醇与汽油混合形成低比例混合燃料 M15，随后是高比例的甲醇汽油 M85、M100以及在柴油机上应用甲醇的研究。

瑞典较早开展了醇燃料的研究开发工作，1984~1986年期间，由瑞典燃料技术公司组织实施了M100燃料车的试验研究。日本于20世纪 90年代初进行了公共汽车和载货车燃用高比例甲醇汽油燃料M85、M100的道路试验，考察了发动机的可靠性及耐久性。

20世纪80年代，美国通用公司对采用3.8L排量的V型6缸涡轮增压发动机的别克汽油车进行了改造，使用了更大直径的油轨、抗腐蚀性较好的喷油器及能与甲醇相容的油管，并增加了冷起动需要的丙烷供应系统，将其改造为 M85燃料车。与原汽油车相比，M85燃料车的最大功率、最大转矩增加，燃油经济性得到了改善。各国替代燃料供应情况不同，同一国家不同地区也可能存在差异，为某一燃料设计或改造的汽车，在行驶中可能面临燃料加注不便的问题。建设配套的燃料加注站需耗费大量资源，因此，很多国家开发了灵活燃料汽车（FlexibleFuel Vehicle，FFV）。灵活燃料汽车是在不改变汽车发动机结构的情况下，靠燃料成传感器及电子控制单元，实现燃用不同比例的汽油/醇混合燃料或其中的一种燃料。

荷兰是最先提出灵活燃料汽车概念的国家，TNO道路车辆研究所在化油器式汽车上进行了灵活燃料汽车的道路试验，又与Volvo公司合作开发了排量为2.3L的灵活燃料汽车。日本的日产、本田、丰田等公司都进行了灵活燃料汽车的开发，进行了冷起动及排放性能方面的研究。美国福特公司在1985年生产了6万多辆灵活燃料汽车，推广到20多个州，取得了良好的经济效益.

1.3国内研究现状

上海华普汽车有限公司宋金环等人在Q型汽油机上, 分别燃用汽油以及M5和M15两种低比例甲醇汽油燃料, 进行台架外特性测试;在J型甲醇机上, 分别燃用M85和M100两种高比例甲醇汽油燃料, 进行台架性能测试。最后, 对汽油, M5 , M15, M85和M100 5种燃料在发动机上的动力性、燃料经济性进行综合对比。结果显示:在动力性方面,燃用M100甲醇燃料最高,M85次之,M5较汽油略高,M15最低;在经济性方面,燃用M100甲醇燃料最优,M15次之,M5较汽油略好,M85最差。

清华大学的张凡使用不同浓度比例的甲醇燃料进行了发动机台架试验，研究甲醇燃料对发动机动力性、经济性、排放性以及燃烧特性等方面的影响。结果表明，掺烧低比例甲醇汽油时，发动机的动力性和燃油经济性并没有下降；常规排放量很小，催化剂后的非常规排放与汽油相当。

大连理工大学的周芳芳在改进和优化后的465Q型四缸汽油机上应用M85 甲醇汽油，进行了动力性、燃油经济性和排放性的试验研究。试验结果显示，M85甲醇汽油机的燃油经济性和动力性都得到了一定程度的改善；在转速达到3500r/min以上时，CO和HC的排放也有所改善，但是NOX的排放则比原机稍差。

中南大学张全等人在不同流量（质量流量比的工况下，运用旋流燃烧器对柴油和甲醇燃料两种液体燃料进行混燃实验研究，实验表明，采用混燃技术后，水平中心左右两侧温度升髙，从而使得整个温度场温度分布更加均匀，原本单燃料时呈锥形的相对温度曲线变为凹形，这样就可能解决了高热值燃料因燃烧温度过高所带来的一系列污染问题。采用双燃料混燃技术的火焰较醇燃料更为明亮，其燃烧温度更高，这表明混燃技术克服了单一甲醇燃料燃烧温度不高的缺陷，扩大了低热值的甲醇燃料在工业的应用。

西安航空学院车辆工程学院西安航空学院汽车检测工程技术研究中心长安大学汽车学院的王鑫、刘生全等人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。该装置通过甲醇发动机进气预热冷起动技术,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。

一汽集团在CA6SH-E3汽油发动机的基础上研发了CA6SH-ME4甲醇发动机,从CA6SH-ME甲醇发动机的排放测试结果可看出，甲醇发动机不需采用特殊的DPF、SCR等措施，仅需采用闭环控制 三元催化器的技术路线便可满足国四、国五排放标准。

陕西重型汽车有限公司以495Q汽油发动机为基础通过对发动机的冷启动、进气预热、燃油供给系的改造、点火特性和压缩比进行了研究，得出了燃用甲醇汽油混合燃料对发动机性能提升的方法。

奇瑞捷豹路虎汽车有限公司和中国汽车技术研究中心以华普牌甲醇燃料出租车为样车，通过排放、油耗、加速、车内挥发性有机物等试验项目，对甲醇燃料汽车的适用性、可靠性、经济性、安全性、环保性等指标进行评价，分析甲醇汽车基本性能。

中国一汽无锡油泵油嘴研究所对高比例甲醇发动机进行了试验研究，相对于原汽油机来说，甲醇发动机的经济性较好，热效率可达到39%以上;甲醇发动机的动力性高于原汽油机; M85甲醇汽车的排放可以达到国 V排放水平，稍低于汽油机; 通过冷起动性能优化，M85甲醇汽车可以在－25 ℃实现低温冷起动。

中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室的穆仕芳、宋灿、尚如静等人在日本三菱公司4G15S发动机上进行M85甲醇汽油的实验研究其动力性与排放。结果表明汽油机燃用M85甲醇汽油与燃用 93# 汽油相比，加速性能提高，常规排放物（CO、HC、NOx）有不同程度的下降，甲醛排放升高，应加强对甲醇汽油非常规排放物的研究，促进行业健康发展。

吉林大学和一汽集团的康尔凝、洪伟等人为研究增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性，在一台增压直喷汽油机上进行了不同喷油时刻下燃用M0、M10、M15和M20甲醇汽油的微粒排放测量试验，得出其微粒排放特性。

浙江大学的姚栋伟，凌鑫晨，吴锋等人以吉利 MR479Q汽油机为试验对象，采用AVL SESAMFTIR 多组分气体分析仪和DEWETRON-CA燃烧分析仪，对典型稳态工况下汽油机燃用不同掺混比例甲醇汽油时的常规和非常规排放点火正时调整特性进行了试验和分析．汽油机燃用甲醇汽油后转矩有增大趋势，相同工况最大转矩对应最小点火提前角(MBT)随甲醇掺混比例增大而减小。甲醇汽油不改变汽油机常规排放变化规律，但因燃烧过程改善，绝对排放量显著降低。非常规排放随甲醇掺混比例升高显著增大，甲醇体积分数为80%,(M80)时未燃CH3OH排放达0.9×10^-3以上，CH₂O排放达0.25×10^-3以上．相同甲醇汽油下，未燃CH₃OH 排放随点火提前角增大而升高，CH₂O随点火提前角增大有所降低．

同济大学的黄华 、崔国旭、施兵峰、陈振斌等人在电控汽油机参数未作任何调整的情况下，采用基于纯汽油标定的燃油控制策略，研究了某款车用汽油机燃用甲醇-汽油灵活燃料（M15和M85）对排气噪声特性的影响。结果表明：节气门全开时燃用甲醇-汽油混合燃料，在中、高转速时，排气噪声高于纯汽油（M0），且甲醇比例越高，排气噪声越大；在低转速时，则相反。同时，通过缸压曲线和排气流速，分析了噪声变化的原因。最后在台架上模拟整车在道路上运行时的噪声变化情况，总体上噪声下降。

根据上述研究可以看出，通过优化调整点火提前角和压缩比等发动机参数可以提高甲醇燃料发动机和汽车的动力性能，在一定程度上改善其燃油经济性；甲醇燃料的常规排放CO和HC等要一般要低于汽油，而NO_X的排放却没有明显改善，可能与发动机的运行状态有关；非常规排放如未燃甲醇和甲醛则比较复杂，受到发动机运行工况和甲醇比例等多种因素的影响，但是也可以经过后处理装置等措施得到处理。

除了上述甲醇发动机技术研究外，甲醇汽车的实际运用也早已在我国开始了。自2012年起，工业和信息化部先后在山西、上海、 陕西、贵州、甘肃5省市的晋中、长治、上海、西安、 宝鸡、榆林、汉中、兰州、 平凉、贵阳等10个城市开展甲醇汽车试点工作。对甲醇发动机及整车、人体健康、 环境影响等12个方面的试点技术数据进行采集工作，共采集5亿余条基础数据， 为科学评价甲醇汽车各项性能提供了重要依据。

近年来，随着甲醇试点工作的不断推进、落实、验收，部分试点省市出台了一系列支持政策，包括将甲醇汽车列入新能源汽车政策支持范畴、扩大出租车指标、减免出租车经营权费及高速公路通行费等。各个企业持续加快对甲醇汽车的市场化应用探索，形成了多种商业合作模式，让整个社会对甲醇汽车全国市场化推进充满期待。

如今，已经拥有了甲醇轿车、甲醇／柴油二元燃料重型商用车、微型车、城市客车等不同系列车型，初步具备了甲醇汽车产业基础。制定发布了甲醇汽车产品、 甲醇燃料加注站建设及作业安全等一系列技术规范，推动颁布了甲醇汽油中甲醇检测、添加剂、甲醇燃料加注机、甲醇燃料生产调配等一系列国家、地方和团体标准，使配套标准规范得到了不断完善。

2018年2月, 工业和信息化部在北京组织召开甲醇汽车试点工作座谈会, 通报了甲醇汽车试点工作总体情况, 并结合试点检测报告和专家验收结果等, 对甲醇汽车的适应性、可靠性、经济性、安全性、环保性等性能给予了肯定，甲醇汽车试点工作圆满结束。目前我国的甲醇汽车发展已经由试点工作逐步转向产业化，这也进一步印证了甲醇替代燃料的前景。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究目标

以LJ4K18QS发动机为研究对象，仿真分析该发动机燃用甲醇后缸内燃烧过程和性能，从而为甲醇燃料发动机开发提供参考。

2.2基本内容

根据研究目的，此次研究的基本内容包括：

（1）建立原机模型并验证

①建立原机模型：利用仿真软件GT-power，建立LJ4A18Q发动机几何模型以及数学模型。

②燃烧模型：采用零维燃烧模型、韦伯函数放热规律

③验证模型：在仿真模型中，将发动机转速设定在某一固定转速，工作在全负荷下，得到仿真模型下的功率特性曲线、负荷特性曲线等，并将这些仿真特性曲线和试验特性曲线比较，当仿真与实验误差在3%以内，表明此仿真模型正确。

（2）在原机上进行汽油燃烧的全面仿真

（3）重新构建甲醇燃烧模型和数学模型

（4）在模型基础上进行甲醇燃烧的全面仿真，得出甲醇性能仿真结果。

图1 技术路线图

3．进度安排

第1-2周：熟悉任务和毕业论文管理办法，查阅相关文献完成外文资料翻译；

第3-4周：按要求进行文献检索并完成文献综述及开题报告；

第5-6周：了解学习汽油机燃用甲醇的方法及原理，学习GT-POWER软件

第7-8周：学习GT-POWER软件，并对LJ4K18QS发动机进行建模；

第9-10周：进行初步仿真并检验模型准确性；

第11-12周：进行LJ4K18QS发动机仿真并对仿真数据进行分析；

第13-14周：按要求撰写毕业论文；

第15周：修改并提交毕业论文，准备答辩。

4.参考文献

[1]宋金环.发动机燃用不同比例甲醇汽油燃料的性能试验研究[J].江苏科技信息,2018年（第35期）：35-37.

[2]张凡.甲醇汽油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究[D]. 北京：清华大学, 2010.

[3]周芳芳.465Q 甲醇发动机的性能与排放研究[D]. 大连：大连理工大学, 2007.

[4]张全,李彦,闰白龙.柴油－甲醇燃料混燃温度场特性的实验研究[J].工业加热，2017年（第46卷第1期）：1-3.

[5]王鑫，刘生全.一种单燃料纯甲醇发动机冷起动技术研究.[J].可再生能源，2018年（第36卷第8期）:1119-1124. [6]韩文杰，刘书萍，赵洪旺.甲醇发动机的排放研究.[J].科技与创新,2016年（第15期）：109-110.

[7]闫海，刘婷，朱兵强.燃用甲醇汽油混合燃料对发动机性能的影响.[J].汽车实用技术,2017年（第13期）140-143.

[8]李文强，张一博，丁中良.甲醇燃料汽车性能试验研究.[J]. 汽车与配件.2017年（第23期）：84-86.

[9]袁宝良，洪建海.甲醇燃料在点燃式发动机上的应用研究.[J].现代车用动力.2016年（第1期）：1-6.

[10]穆仕芳，宋 灿，尚如静等.车用M85甲醇汽油理化性质实验研究与动力排放评价.[J].化学与化工.2018年（第43卷）：111-120.

[11]康尔凝，洪伟，姜恩伟等.增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性.[J].科学技术与工程.2017年(第26期第17卷)：56-61.

[12]姚栋伟，凌鑫晨，吴锋.点火正时对甲醇汽油发动机排放的影响.[J].内燃机学报.2016年（第34卷第6期）：524-529.

[13]黄华，崔国旭，施兵峰等.汽油机燃用甲醇-汽油灵活燃料的排气噪声试验研究.[J].小型内燃机与车辆技术.2016年（第45卷第5期）：65-69.

[14]王燕鹏.电控汽油机燃用M100甲醇的试验研究.[D].镇江:江苏大学.2016年.

[15]李昕晏.甲醇汽油机排放性、清净性和润滑性的试验研究.[D].北京：清华大学.2014年.

[16] Sebastian Verhelst,James WG Turner, Louis Sileghem , Jeroen Vancoillie. Methanol as a fuel for internalcombustion engines.

[17]Zhang F,Shuai S J, Wang J, et al. Influence of methanol gasoline blend fuel on engine and catalystperformance[R]. SAE Technical Paper, 2009.

[18] Takada Y,Ueki S, Kinoshita M, et al. The History of M100 Methanol Vehicles Penetrationin Japan. SAE Paper 2000:2000-01-1216.

[19] Suga T, Hamazaki Y. Development of Honda Flexible Fuel. Vehicle [J]. SAE Paper1992:922276.

[20]Cowart J S, Boruta W E, Dalton J D, et al. Powertrain Development of the 1996 Ford Flexible Fuel Taurus. SAE Paper 1995:952751.