柴油機(jī)燃用甲醇柴油的研究現(xiàn)狀

戚朋哲 劉高令 王雙波 宋印東

摘 要：本文對柴油機(jī)燃用甲醇的技術(shù)采取的幾種主要方法做了詳細(xì)的敘述，其中包括乳化法、雙噴射法、助燃法和壓燃法，并指出甲醇在使用中存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：甲醇-柴油 燃用技術(shù) 柴油機(jī)

中圖分類號：TK428.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0204-01

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油后備資源不足的問題已充分顯現(xiàn)，石油類燃料的大量消耗及其造成的大氣污染是運輸動力急需解決的問題，解決辦法是用代用燃料部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料，開發(fā)煤制燃料是解決此問題的一條重要途徑。甲醇替代柴油應(yīng)成為替代燃料發(fā)展的重點，從甲醇的特點和現(xiàn)階段柴油機(jī)燃用甲醇柴油的研究可以看出甲醇在作為以后的替代環(huán)保型燃料上已經(jīng)具有相當(dāng)大的物性優(yōu)勢和科學(xué)研究進(jìn)展上的優(yōu)勢。

1 甲醇的特點

在現(xiàn)有替代能源中，與柴油相比，同時具有資源廣泛性、易獲得性、方便輸運性、費用可接受性的唯有甲醇。甲醇資源豐富，價格適宜，且具有良好的燃料性能。使用甲醇代替柴油有利于能源多元化，有利于節(jié)能減排，促進(jìn)燃料能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高發(fā)動機(jī)高原動力。與汽油柴油相比甲醇具有和汽油柴油相近的物理性質(zhì)但也有自身的理化性質(zhì)的優(yōu)越性。

甲醇的沸點比柴油低，混合氣形成較快，且比較均勻，有利于完全燃燒。除此之外，由于甲醇汽化潛熱較大，形成混合氣時會降低進(jìn)氣溫度，從而提高充氣系數(shù)，在一定程度上可改善發(fā)動機(jī)的燃燒，提高熱效率，降低進(jìn)氣溫度也可以抑制NOX和碳煙的形成。甲醇在作為替代燃料的同時還有自身的不足之處，例如：甲醇作為柴油機(jī)代用燃料的最大困難是其十六烷值太低，自燃溫度高，難以靠壓燃方式著火。甲醇的潤滑性較差，易導(dǎo)致燃料供給系統(tǒng)磨損，對氣缸等燃耗容器的使用壽命有所削減。

2 柴油機(jī)燃用甲醇燃料的研究現(xiàn)狀之燃用技術(shù)

現(xiàn)階段研究顯示對柴油機(jī)燃用甲醇的技術(shù)主要采取如下幾種方法。

2.1 乳化法

2.1.1 普通乳化

乳化法是將柴油與甲醇燃料進(jìn)行均勻乳化混合，然后以與純柴油一樣的噴入方式噴入柴油機(jī)進(jìn)行燃燒，這種普通乳化制備方法需要在制備過程中添加助溶劑并使用超聲波振動。不需要對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，也無需添加任何輔助裝置。但所需的乳化劑較昂貴會因此增加成本。

乳化液穩(wěn)定性方面：溫度和助溶劑對甲醇柴油混合燃料的穩(wěn)定性有很大影響，通過對混合燃料進(jìn)行臨界互溶溫度測試[1]，可以得出摻混甲醇比例、助溶劑比例與臨界互溶溫度之間的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)在甲醇柴油混合燃料中加入一定的助溶劑可以制備穩(wěn)定的替代燃料。

燃油的粘度影響方面：燃油的粘度會對供油系統(tǒng)的潤滑和燃油的霧化效果產(chǎn)生影響。吳東垠和仝麗娟等人采用旋轉(zhuǎn)黏度計分別測量了當(dāng)乳化劑和分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時，乳化劑和分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均對乳化液黏度有影響，但是乳化劑含量對乳化液黏度的影響要小于分散相含量的影響。

2.1.2 微乳化

應(yīng)用微乳化理論可以制備均勻穩(wěn)定的甲醇柴油混合燃料，方法是向甲醇柴油中添加表面活性劑（如油酸）[2]，或是向甲醇柴油中添加微乳化劑（異丁醇、大豆油等），微乳化不同于普通乳化，這種方法不需要添加助溶劑也不需要使用超聲波振動。

微乳化液穩(wěn)定性方面：微乳化甲醇柴油的穩(wěn)定性受組分和溫度的影響較大。宋印東、袁銀男等人研究了微乳化甲醇柴油混合燃料的穩(wěn)定性，測定了不同組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微乳化甲醇柴油的分層時間和分層溫度的影響[3]，研究得出各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到相應(yīng)比例后可使甲醇柴油穩(wěn)定保存一年，油酸、乙酸乙酯、異丁醇分層溫度（70 ℃左右）比含水甲醇柴油更高（50 ℃）。

甲醇含量對燃燒和排放特性的影響方面：在甲醇和柴油混合制備乳化液過程中，甲醇含量對混合液特性起重要作用，同時，甲醇含量對混合燃料的燃燒特性也具有較大影響，劉亞哲在使用高壓共軌增壓發(fā)動機(jī)研究甲醇柴油混合燃料的燃燒和排放特性時[4]，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下增加混合燃料中甲醇的含量后，發(fā)動機(jī)的最高燃燒壓力、最高燃燒放熱率和最高燃燒溫度都會逐漸升高。

2.2 雙噴射法

此方法可以通過噴射甲醇降低燃燒室和壁面的溫度，大幅降低NOX排放，兩個噴嘴都是缸內(nèi)直噴，可以各自控制調(diào)節(jié)噴射量，方便準(zhǔn)確。但是缸內(nèi)雙噴射法也有很大缺陷，因為需要對柴油機(jī)進(jìn)行改造，在其內(nèi)部同時安裝兩套噴嘴使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工作壓力大，易使系統(tǒng)部件磨損嚴(yán)重，壽命較短。

首先，關(guān)注進(jìn)氣道噴射甲醇對發(fā)動機(jī)性能及排放的影響。研究進(jìn)氣道噴甲醇對增壓中冷柴油機(jī)性能的影響[5]，研究表明用甲醇代替柴油，在低負(fù)荷時可以降低缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力，隨著負(fù)荷的增大，燃燒壓力峰值升高但升幅很小。在排放方面，極大降低了NOX的排放，降幅高達(dá)72%，但是HC、CO排放增加。

其次，引燃油量的變化也會對發(fā)動機(jī)的性能及排放產(chǎn)生較大影響。鄒洪波，王利軍，劉圣華研究了引燃油量對柴油引燃甲醇雙燃料發(fā)動機(jī)性能和排放的影響[6]，方法是在TY1100型直噴柴油機(jī)上使用不同比例的引燃柴油，結(jié)果表明，引燃柴油比例為28.9%～48.2%時發(fā)動機(jī)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，與原發(fā)動機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)碳煙排放大幅下降，NOX排放降低，但HC和CO排放增加。

2.3 助燃法

借助某些外源措施來輔助甲醇燃料的燃燒，主要是采用電火花助燃法，用高能點火和火花點火，實現(xiàn)在柴油機(jī)上燃用純甲醇。此方法需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改裝，增加電熱塞或火花塞，過程復(fù)雜。

2.4 壓燃法

雖然采用助燃法可以實現(xiàn)甲醇在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，但是甲醇發(fā)動機(jī)的冷啟動問題一直還得不到徹底解決，主要是因為在相對較低溫度條件下，甲醇的著火性能差。采用直接壓燃高壓縮比法可以解決冷啟動困難問題。

3 甲醇在使用中存在的問題

相關(guān)研究結(jié)果表明，與同為燃料的汽油、柴油相比，甲醇的毒性與之相當(dāng)；甲醇作為燃料使用，只要遵守操作規(guī)程，對使用者是安全的；其排放物是清潔的，即使甲醛排放高于汽油、柴油，但在催化轉(zhuǎn)化器的作用下是可以徹底消除的；甲醇對生態(tài)環(huán)境比汽油、柴油更友好；甲醇對材料的腐蝕性完全可以得到根本解決。

4 結(jié)語

甲醇與柴油雙燃料組合燃燒大幅度提高了柴油機(jī)燃料效率。利用甲醇與柴油雙燃料燃燒，既提高燃料效率，有效的減少NOx和PM的排放，又能減少溫室氣體的排放量。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏遠(yuǎn)文，田文，韓志強(qiáng).甲醇與柴油互溶性試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2007（167）：88-91.

[2] 謝潔，王錫斌，盧紅兵，等.柴油-甲醇微乳化燃料的制備及燃燒特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（2）：1-5.

[3] 宋印東，袁銀男.微乳化甲醇柴油的穩(wěn)定性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33（5）：36-40.

[4] 劉亞哲.甲醇-柴油混合燃料在共軌發(fā)動機(jī)上的燃燒和排放特性研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2012（200）：37-41.

[5] 史偉奇，王鐵.進(jìn)氣道噴甲醇對增壓中冷柴油機(jī)性能的影響[J].車用發(fā)動機(jī)，2012（203）：46-50.

[6] 鄒洪波，王利軍，劉圣華.引燃柴油量對甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)性能和排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2007，25（5）：422-427.