甲醇作柴油機(jī)替代燃料的研究現(xiàn)狀與展望

吳繼盛，吳家正，劉洪運(yùn)

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092)

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展和工程機(jī)械動(dòng)力裝備需求的不斷提升，為了解決化石能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題，尋求清潔可再生能源已成為人們迫切的需求[1]。作為諸多替代燃料之一的甲醇憑借著來(lái)源廣泛、用途多樣的特點(diǎn)在近年來(lái)吸引了大量的關(guān)注[2]。甲醇相比于傳統(tǒng)化石燃料有著鮮明的特點(diǎn)。比如，辛烷值高，抗爆震性好，可以適當(dāng)加大發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低油耗；汽化潛熱大，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒時(shí)溫度更低，有利于減少熱損失和降低NOx排放[3]。但是，甲醇十六烷值低，在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上難以直接壓著火，需要其他的輔助手段幫助其著火燃燒[4]；甲醇的高著火濃度下限、低蒸汽壓力、高汽化潛熱都使得以甲醇為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，容易產(chǎn)生甲醛及未燃甲醇排放[5]。盡管在內(nèi)燃機(jī)上燃用甲醇還存在著諸多問(wèn)題需解決，但甲醇仍然被認(rèn)為是最具潛力的替代燃料之一。

柴油機(jī)具有熱效率高、扭矩大、污染排放少及可靠性高等特點(diǎn)，在柴油機(jī)上燃用甲醇可以獲得更佳的節(jié)能減排效果。目前，在柴油機(jī)上燃用甲醇仍存在諸多技術(shù)難點(diǎn)亟需克服，本研究旨在對(duì)柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，提出未來(lái)的研究方向，對(duì)我國(guó)發(fā)展甲醇替代燃料有一定的參考價(jià)值。

1 甲醇燃料介紹

1.1 甲醇的來(lái)源

甲醇原料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)工藝成熟，主要通過(guò)煤化工和天然氣合成，主要來(lái)源包括煤炭、天然氣、煤層氣及生物質(zhì)等。我國(guó)用于生產(chǎn)甲醇的煤炭大多是含硫量高的劣質(zhì)煤，生產(chǎn)成本低，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中可以脫硫，有利于保護(hù)環(huán)境，還可以得到硫磺、尿素等副產(chǎn)品。

1.2 甲醇的理化性質(zhì)

表1是甲醇與汽油、柴油的部分物性參數(shù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，甲醇汽化潛熱是柴油的四倍，蒸發(fā)過(guò)程會(huì)吸收更多熱量，降低缸內(nèi)平均溫度；甲醇自燃溫度高，難以直接壓燃，需要采取輔助手段幫助甲醇著火；甲醇分子量小，化學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，碳?xì)浔鹊?，同時(shí)自身含氧，因此更容易完全燃燒，有利于減少CO和HC排放，并且在柴油機(jī)上燃用甲醇理論上可以完全不產(chǎn)生碳煙。

表1 甲醇與柴油的理化性質(zhì)對(duì)比

1.3 甲醇燃料面臨的問(wèn)題

目前，甲醇用作內(nèi)燃機(jī)替代燃料仍然有著諸多難以避免的問(wèn)題，包括甲醇本身具有毒性、對(duì)非金屬材料有腐蝕或溶脹作用、甲醇汽車(chē)?yán)鋯?dòng)困難以及非常規(guī)排放對(duì)環(huán)境的污染等。

(1)甲醇具有較高的汽化潛熱和較低的飽和蒸汽壓，當(dāng)汽車(chē)?yán)鋯?dòng)時(shí)，甲醇蒸發(fā)困難，混合氣燃料濃度低，造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難。此外，高汽化潛熱也使得甲醇蒸發(fā)會(huì)吸收大量熱量，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時(shí)的工作過(guò)程。

(2)甲醇具有腐蝕性，在作為車(chē)用替代燃料時(shí)會(huì)對(duì)油箱、燃油泵、油路等金屬零部件產(chǎn)生腐蝕作用。甲醇也會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油造成腐蝕，比如未燃甲醇會(huì)沿氣缸壁流入曲軸箱，一方面對(duì)稀釋了潤(rùn)滑油膜，加劇運(yùn)動(dòng)部件間的磨損，另一方面甲醇燃燒產(chǎn)生的甲醛、甲酸等燃燒產(chǎn)物會(huì)與潤(rùn)滑油發(fā)生反應(yīng)，對(duì)潤(rùn)滑油壽命產(chǎn)生很大影響。此外甲醇對(duì)塑料、橡膠等非金屬部件也有溶脹作用。

(3)甲醇本身有一定毒性，除誤食外，吸入高濃度的甲醇蒸汽和經(jīng)皮膚吸收的甲醇液體一樣可以引起中毒，造成的不良影響主要是失明或死亡。但是通過(guò)加強(qiáng)管控，在規(guī)范操作條件下，可以有效控制其危害性[6]。

(4)相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生非常規(guī)排放，包括未燃甲醇、甲醛等，這類(lèi)污染物對(duì)環(huán)境和人體都有一定的危害。

2 柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)

2.1 柴油甲醇雙直噴技術(shù)

柴油甲醇雙直噴技術(shù)采用高壓噴射的方法將甲醇作為主要燃料噴入壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，用另一噴射系統(tǒng)噴射少量柴油作為引燃燃料[7]，雙噴射系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙噴射系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)[8] 注：1-第一噴射泵;2-第二噴射器;3-第一高壓管;4-第一噴射器;5-第二高壓管;6-第一燃料管;7-第一燃料箱;8-第二噴射泵;9-第二燃料箱;10-第二燃料管;11-驅(qū)動(dòng)輪;12-齒形帶。

吉林大學(xué)的方顯忠等[8]針對(duì)直噴壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)用雙噴射系統(tǒng)燃用柴油甲醇時(shí)的性能和排放展開(kāi)了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)相比，煙度下降最大可達(dá)66%，NOx排放下降60%～70%左右，但CO和HC排放上升較多。該作者還比較了這套系統(tǒng)下燃用甲醇和乙醇的性能差異，認(rèn)為燃用乙醇的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性要更好，但是污染物排放均高于燃用甲醇[9]。

這種方法解決了甲醇難以壓燃的問(wèn)題，并且可以精確調(diào)控兩種燃料的噴射量。缺點(diǎn)是部分污染排放物濃度較高；雙直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在現(xiàn)有柴油機(jī)上改造難度大、成本高，難以實(shí)施推廣。近年來(lái)對(duì)柴油甲醇雙直噴技術(shù)的研究逐漸稀少，研究重心轉(zhuǎn)向其他操作成本低、易實(shí)現(xiàn)的柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)方向上。

2.2 甲醇與柴油摻混燃燒技術(shù)

常見(jiàn)的甲醇與柴油摻混形式有甲醇柴油和乳化柴油，兩種摻混燃料均是由柴油、甲醇、添加劑按照一定比例經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的流程調(diào)配而成[10-11]。國(guó)內(nèi)外均對(duì)柴油甲醇摻混技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究，結(jié)果表明利用乳化柴油替代普通柴油燃燒，可以有效降低NO和PM的排放，同時(shí)燃燒情況有所改善，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率得到了提高，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型和排放指標(biāo)均有所提高[12-15]。

饒海生等[16]在D1110柴油機(jī)上燃用微乳化甲醇柴油，發(fā)現(xiàn)在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作參數(shù)調(diào)整的情況下，動(dòng)力性和燃油消耗率對(duì)燃用純柴油無(wú)明顯差異，NOx、CO和碳煙排放均明顯下降。

Soni等[17-18]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了甲醇摻混比、渦流比、廢氣再循環(huán)法和摻水法對(duì)排放的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲醇在柴油中占比從10%提高到30%，NO、CO和HC排放分別顯著降低了65%、68%和56%，同時(shí)也指出在燃料中摻入適量的水有利于降低NO、碳煙、CO和HC排放。

從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，甲醇柴油摻混燃料有著改善燃燒特性，降低污染物排放等優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)是難以長(zhǎng)期保存，目前穩(wěn)定性好的甲醇柴油可以保存4個(gè)月不分層，而乳化柴油保存時(shí)間更短，而摻混比也不高，一方面現(xiàn)有技術(shù)下提高摻混比會(huì)影響混合燃料的穩(wěn)定性，另一方面甲醇占比的提高會(huì)使發(fā)動(dòng)啟動(dòng)性能變差，特別是低負(fù)荷工況下污染物排放增多[19]。

2.3 柴油甲醇組合燃燒技術(shù)

天津大學(xué)的姚春德等[20-21]柴油甲醇組合燃燒技術(shù)(DMCC)，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。其特點(diǎn)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況特性分段使用甲醇，即啟動(dòng)時(shí)或低負(fù)荷下燃用純柴油，中高負(fù)荷時(shí)采用進(jìn)氣道噴射甲醇，并在氣缸內(nèi)噴射柴油以引燃甲醇均質(zhì)混合氣，甲醇和柴油量由專(zhuān)用電控系統(tǒng)調(diào)控。

圖2 DMCC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖

魏立江等[22]在一臺(tái)6缸帶有渦輪增壓中間冷卻的柴油機(jī)上研究了高甲醇摻混比柴油機(jī)的燃燒及排放特性，發(fā)現(xiàn)隨著甲醇摻混比例的增加，HC、CO、甲醛和NO2的排放明顯上升，而NOx和Soot的比例顯著減少，在經(jīng)過(guò)三元催化器之后，HC、CO和甲醛的排放均大大降低。

陳超等[23]在DMCC模式下，通過(guò)調(diào)整噴射時(shí)刻和排氣背壓并結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)可以拓展高負(fù)荷下的甲醇最大替代率，替代率最高可達(dá)66%～75%，同時(shí)NOx和Soot排放均大幅度降低。

Prashant等[24]發(fā)現(xiàn)這種組合燃燒方式可以同時(shí)減少柴油機(jī)碳煙和降低NOx排放，并且也避免了低負(fù)荷下燃用醇類(lèi)燃料的高醛類(lèi)污染物排放的問(wèn)題。

Suresh等[25]在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加了電熱塞，并研究了甲醇燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放和燃燒特性。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷下性能得到了改善，HC、CO和顆粒物排放分別減少了69%，50%和9%。

柴油甲醇組合燃燒技術(shù)克服了甲醇稀混合氣在柴油機(jī)上難以直接壓燃的技術(shù)障礙，但是在中低負(fù)荷下主要燃料仍然是柴油，甲醇替代率有限。

2.4 甲醇均質(zhì)充量壓燃

均質(zhì)充量壓燃(HCCI)采用均質(zhì)混合氣的方式，在上止點(diǎn)附近將混合氣壓縮著火，這種燃燒方式具有傳統(tǒng)汽油機(jī)均質(zhì)混合氣的特點(diǎn)，又有傳統(tǒng)柴油機(jī)壓縮著火的特點(diǎn)，具有熱效率高、NOx排放低等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)通常運(yùn)用雙燃料法、廢氣再循環(huán)的方法控制甲醇HCCI燃燒，由于缺少直接控制著火時(shí)刻的手段，HCCI著火時(shí)刻的控制比由火花塞跳火時(shí)刻確定的汽油機(jī)著火和由噴油時(shí)刻控制的柴油機(jī)著火時(shí)刻困難的多[26-28]。

在目前的技術(shù)條件下，HCCI燃燒很難實(shí)現(xiàn)全工況運(yùn)行：在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高時(shí)，均質(zhì)混合氣會(huì)在缸內(nèi)各處同時(shí)發(fā)生著火，燃燒速率非常快，壓力升高率容易過(guò)高，使得發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震的可能性增加；在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，混合氣濃度低，缸內(nèi)平均溫度低，難以保證燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行，怠速及冷啟動(dòng)等工況下容易發(fā)生“失火”[29]。因此關(guān)于甲醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究多局限于實(shí)驗(yàn)室中，未能發(fā)展到進(jìn)行試點(diǎn)或道路試驗(yàn)中。

2.5 火花塞點(diǎn)燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)

火花塞點(diǎn)燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在缸內(nèi)加裝火花塞來(lái)輔助甲醇著火，其優(yōu)勢(shì)在于可以調(diào)整點(diǎn)火時(shí)刻來(lái)調(diào)控甲醇的燃燒過(guò)程。

洪斌等[30]將Phase110柴油機(jī)改造為高壓縮比火花塞點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，研究EGR閥開(kāi)度、點(diǎn)火提前角和混合氣濃度等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的影響規(guī)律。經(jīng)優(yōu)化后與原機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高壓縮比甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性超過(guò)原柴油機(jī)，高速工況下熱效率高于原柴油機(jī)。

而冷啟動(dòng)性差是火花塞點(diǎn)燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要問(wèn)題。Li等[31]在點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)研究了環(huán)境溫度和噴油量對(duì)冷啟動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及HC排放的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)能力影響最大，其次是每循環(huán)噴射的甲醇量。當(dāng)環(huán)境溫度低于16 ℃時(shí)，即使使用大量的甲醇在低噴射壓力下噴射，沒(méi)有輔助啟動(dòng)輔助裝置也無(wú)法可靠地啟動(dòng)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)。該作者也進(jìn)一步研究了進(jìn)氣預(yù)熱對(duì)冷啟動(dòng)特性的影響，認(rèn)為進(jìn)氣預(yù)熱和甲醇燃料預(yù)熱都不能保證甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)過(guò)程中的可靠燃燒，但電阻絲和電熱塞都能做到[32]。

宮長(zhǎng)明等[33-34]通過(guò)數(shù)值模擬研究了冷啟動(dòng)階段下進(jìn)氣溫度、對(duì)混合氣形成、燃燒過(guò)程及非常規(guī)排放的影響，發(fā)現(xiàn)提高進(jìn)氣溫度到20 ℃有利于改善甲醇燃燒，但進(jìn)一步提高進(jìn)氣溫度并不能達(dá)到更佳的效果。此外，該作者還對(duì)一臺(tái)1130直噴式柴油機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)并加裝了火花塞后燃用M100甲醇燃料，試驗(yàn)研究了不同轉(zhuǎn)數(shù)下整個(gè)負(fù)荷工況內(nèi)分層稀薄燃燒對(duì)性能、燃燒及排放的影響，發(fā)現(xiàn)直噴點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒在大負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性和排放性都比較好，但小負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和排放性較差[35]。

2.6 電熱塞助燃式直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)

與火花塞相比，電熱塞能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性，Li等[36]通過(guò)對(duì)一臺(tái)壓縮比為15.5的單缸柴油機(jī)和一個(gè)靜態(tài)燃燒彈的實(shí)驗(yàn)研究，探討了電熱塞助燃時(shí)柴油成功著火的原因，認(rèn)為電熱塞是通過(guò)將局部溫度提高到413 ℃以上來(lái)使柴油著火。Yao等[37]也通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了電熱塞輔助對(duì)柴油機(jī)的影響，認(rèn)為電熱塞輔助燃燒過(guò)程的本質(zhì)是提高了缸內(nèi)局部溫度，并且也有引燃混合氣的作用。根據(jù)該原理，電熱塞被應(yīng)用于柴油機(jī)燃用高自燃溫度燃料，比如天然氣[38-40]、醇類(lèi)燃料[41-42]等，以克服著火困難、冷啟動(dòng)性差的問(wèn)題。

甲醇自燃溫度高，造成甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電熱塞溫度要求較高，Kusaka等[43]研究了電熱塞助燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的著火及燃燒特性并指出電熱塞溫度必須保持在900 ℃以上才能避免低負(fù)荷下發(fā)生失火現(xiàn)象。因此，早期也有人專(zhuān)門(mén)針對(duì)電熱塞溫度展開(kāi)過(guò)研究，希望通過(guò)采用新材料或表面催化涂層方法來(lái)得到滿(mǎn)足要求的電熱塞[44-45]。目前，隨著電熱塞技術(shù)的進(jìn)步，電熱塞材料從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈杼沾桑姛崛A(yù)熱溫度相應(yīng)地從900 ℃提高到了1 300 ℃以上[46-49]，使得電熱塞能夠滿(mǎn)足甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)著火燃燒的溫度需求。

楊名華等[50]對(duì)雙缸柴油機(jī)上直噴壓燃方式燃燒純甲醇的燃燒特性進(jìn)行了研究。根據(jù)甲醇燃料汽化潛熱大、自燃溫度高等特點(diǎn)，采用提高壓縮比和進(jìn)氣加熱等措施，成功地使純甲醇在直噴壓燃方式下獲得了穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并且能有效地降低柴油機(jī)的NOx排放，燃油經(jīng)濟(jì)性與原機(jī)相當(dāng)。

王晉等[51]通過(guò)在1115單缸柴油機(jī)上加裝電熱塞、增大壓縮比和噴油泵直徑，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)燃用純甲醇燃料，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于原柴油機(jī)，并且NOx排放平均降低45%，高負(fù)荷下HC和CO排放平均降低70%，但中低負(fù)荷下高于原機(jī)。

高聰慧等[52]通過(guò)電熱塞助燃法，在ZS1115單缸柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了M100純甲醇的擴(kuò)散燃燒通過(guò)改變供油提前角，研究了不同供油提前角對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程及排放的影響。研究表明：隨著供油提前角的增大,最大爆發(fā)壓力和壓力升高率增大，燃燒放熱始點(diǎn)提前，放熱峰值增大，且出現(xiàn)相位提前。供油提前角的變化對(duì)CO排放影響不大，對(duì)HC及NOx排放影響明顯，增大供油提前角，HC排放增多而NOx排放減少。

3 總結(jié)與展望

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，綜述了柴油機(jī)燃用甲醇燃料的諸多技術(shù)手段，并分析了其性能與排放特性，指出了應(yīng)用過(guò)程中的難點(diǎn)和發(fā)展前景，為甲醇作內(nèi)燃機(jī)替代燃料研究領(lǐng)域提供思路與方法。結(jié)果表明，柴油機(jī)燃用甲醇后動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放特性都能有所提高，柴油機(jī)Soot和NOx排放均得到了顯著改善。但柴油機(jī)燃用甲醇也存在一些問(wèn)題，包括冷啟動(dòng)性差，低負(fù)荷下甲醛及甲醇等非常規(guī)污染物排放較高、燃油經(jīng)濟(jì)性較差，甲醇對(duì)金屬及非金屬有腐蝕性等問(wèn)題。針對(duì)目前柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)所面臨的各種問(wèn)題，開(kāi)展以下幾方面的研究對(duì)進(jìn)一步完善現(xiàn)有柴油機(jī)燃用甲醇技術(shù)、促進(jìn)甲醇在柴油機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用是十分有利的：

(1)排放物生成機(jī)理及控制方法。除了常規(guī)污染物以外，甲醛與未燃甲醇等非常規(guī)污染物排放的研究也非常重要。解決柴油機(jī)燃用甲醇時(shí)的排放問(wèn)題，特別使冷啟動(dòng)或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的高污染物排放問(wèn)題。

(2)對(duì)甲醇反應(yīng)機(jī)理的研究，包括對(duì)甲醇與其他燃料混合燃燒和純甲醇燃燒機(jī)理的研究。明確甲醇燃燒特點(diǎn)，以幫助解決柴油機(jī)燃用甲醇時(shí)冷啟動(dòng)難、著火不穩(wěn)定等問(wèn)題。

(3)甲醇添加劑的研究，通過(guò)摻加添加劑來(lái)改變甲醇燃燒特性和物理特性，減小柴油機(jī)燃用甲醇的難度，提高甲醇替代燃料的適用性。