裴玉姣:甲醇在柴油機上應(yīng)用的技術(shù)進展278專題綜述8甲醇在柴油機上應(yīng)用的技術(shù)進展Methanol in the Application of Technological Advances in Diesel Engine裴玉姣(中北大學(xué))〔摘要〕在比較甲醇和柴油的物化特性的基礎(chǔ)上,分析了甲醇作為柴油代用燃料的優(yōu)劣勢,詳細(xì)綜述了在柴油機上燃用甲醇的各種方式,指出甲醇用作柴油替代燃料的應(yīng)用趨勢,為甲醇用作柴油替代燃料的研究提供參考?！碴P(guān)鍵詞〕甲醇/柴油替代燃料柴油機Key words: methanol/diesel alternative fuel diesel engine0前言度低時無需擔(dān)心出現(xiàn)油路堵塞現(xiàn)象,可改善柴油機為了解決石油資源短缺的問題,滿足日益嚴(yán)格的冷啟動性能的排放法規(guī)要求,世界上各個國家(地區(qū))紛紛尋找3)甲醇的汽化潛熱是柴油的3-4倍。甲醇高的清潔的代用燃料來替代傳統(tǒng)的石油煉制品(汽、柴汽化潛熱值使得甲醇?xì)饣沾罅咳紵业臒崃坑?。甲醇作為一種新型的代用燃料,具有燃燒性能降低混合氣溫度,溫度降低有利于提高發(fā)動機的熱良好、熱效率高、比能耗低、排放的顆粒物和氮氧化效率降低NOx的排放量,尤其是在大負(fù)荷下可以大物(NO)含量低、來源廣泛,價格低廉等優(yōu)點。因此被大改善發(fā)動機的性能;同時高汽化潛熱的甲醇柴油看做是未來最有前景的石油替代燃料之機的滯燃期增大,使得發(fā)動機在低溫情況啟動較為↑甲醇與柴油燃料性能比較困難。1.1物化特性4)甲醇的十六烷值僅為3,為柴油的二十分之甲醇(CHOH)常溫下是一種無色、透明、高度揮左右。按照國家標(biāo)準(zhǔn)柴油機要想獲得比較穩(wěn)定的發(fā)、易燃、有毒液體略有酒精氣味。甲醇和柴油的物燃燒則要求十六烷值在40以上,由此可以看出甲醇化特性的比較見表1.1,從表中可以看出甲醇作為燃在壓燃式發(fā)動機上的著火性能很差,所以甲醇柴油料具有以下特點機不能直接燃燒,常需要其他燃油助燃。1)甲醇分子量小、分子結(jié)構(gòu)簡單,由一個烷烴5)甲醇的熱值雖然約為柴油的43%,但是在理與-OH組成。甲醇燃料中含氧,化學(xué)計量空燃比比柴論空燃比下,單位質(zhì)量的甲醇與空氣混合氣的熱值油低,有利于完全燃燒,且燃燒時產(chǎn)生較多的水。由空燃比比柴與汽油混合氣的熱值相當(dāng),因此不會降低發(fā)動機的于甲醇燃燒產(chǎn)生的水分較多,在發(fā)動機啟動、曖機及功率。缸內(nèi)溫度不高時,容易在缸壁上形成冷凝物,促進酸6)甲醇對金屬橡膠件等有腐蝕作用,所以其對燃料的儲存和輸送裝置有防腐要求。性物質(zhì)的生成及磨損的增加。甲醇中含有羥基(-OH1.2燃燒特性是極性很強的物質(zhì),所以甲醇和柴油混合比較困難,表2給幽碹和北油燦部公燃燒特性比較容易分層穩(wěn)定性較差。DEYH中國煤化外一個主要因2)甲醇的沸點比柴油要低很多,說明甲醇蒸發(fā)素,自燃溫CNMHG不v上A然燒。甲醇的自快,這有助于燃油空氣混合氣的快速形成,利于完全燃溫度要比柴油高一倍以上,從另一方面也反映了燃燒,此外甲醇的凝點比柴油低得多,所以在環(huán)境溫甲醇在柴油機上差的燃燒性能。但是由于發(fā)動機受內(nèi)燃機與配件2011年第9期熱表面的幾何形狀等均影響自燃溫度,所以在發(fā)動式燃燒田。但采用助燃法發(fā)動機缸蓋上不僅要安裝噴機上往往不直接應(yīng)用這個參數(shù),而是采用十六烷值嘴,還要預(yù)留出火花塞的位置,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;另外,火來表示燃料的自燃性能?；ㄈ㈦姛崛?、熱面收醇的激冷作用,壽命短,可靠性差2)甲醇的著火上下極限都比汽油寬,有利于稀;低負(fù)荷會有失火現(xiàn)象發(fā)生,HC、CO排放差燃技術(shù)的適當(dāng)減小空燃比。(2)乳化法3)甲醇最小著火能量較低,燃燒時火焰的傳播乳化法就是在燃料被噴入發(fā)動機之前,使柴油速度較快,有利于實現(xiàn)快速燃燒,可以適當(dāng)減小噴油與醇燃料均勻混合,混合好的燃料經(jīng)噴油泵、噴油嘴提前角。噴入柴油機進行燃燒。對原柴油機不需進行任何改表1甲醇與柴油的物性比較動,就可以燃用部分甲醇燃料。但甲醇與柴油乳化燃料的穩(wěn)定性較差,容易分層;甲醇燃料的摻混率高時甲醇柴油滯燃期加長,發(fā)動機冷起動困難,工作粗暴;發(fā)動機分子式CH,OHCircA在冷起動、暖車及小負(fù)荷工作時,HC及醛類排放濃95-120度增加;若往乳化燃料加入助溶劑、十六烷值改進劑液體粘度/gm.s0.6028-0.29等物質(zhì),因這類物質(zhì)多是硝基化合物,對發(fā)動機的碳液體密度/gm3790720-780煙和NOx排放又十分不利。沸點/C180~360文獻A論述了甲醇柴油的乳化技術(shù),并開發(fā)了以閃點/Cl1-1265-68合成共聚物為基礎(chǔ)的SG-1乳化劑,合成工藝簡單汽化潛熱kJkg1088原料是常用的化工原料,對甲醇柴油的乳化特別有卜六烷值40~55效,乳化效率較高。辛烷值(ROM)106~11520~30文獻討論柴油機燃用甲醇的技術(shù)措施。在甲醇中加人適量的十六烷值改進劑,使甲醇的十六烷值黏度(20C)/mPa50.6l13.0-8.0質(zhì)量低熱值HL/MJ達到與柴油相當(dāng)?shù)臄?shù)值,實現(xiàn)甲醇在柴油機中直接燃19.543.9~44.4燒,動力性、燃油經(jīng)濟性、排放指標(biāo)和可靠性滿足使體積低熱值Hw/M35.66用要求。此外在甲醇中添加防腐劑和抗磨劑,可以克理論混合氣熱值HIm/MJ. k2.72-2.793.68-3.789服甲醇腐蝕有色金屬和沖刷潤滑油的缺點。表2甲醇與柴油的燃燒特性比較(3)直接壓燃法在不對原機進行太大改動的條件下,通過適當(dāng)提甲醇柴油高壓縮比、添加十六烷值添加劑、進氣加熱等措施,可理論空燃比6.514.7-15以直接壓燃甲醇燃料。不足之處在于添加十六烷值改自燃溫度(°C)450220~280進劑會使得NOx排放過高,加之增加發(fā)動機的壓縮比理論混合氣熱倒|2.72-2.y9MJ. kg-3.68-3.789或者進氣預(yù)熱都會導(dǎo)致成本較高因此應(yīng)用較少最小點火能量/mJ0.4l0.25~0.27(4)柴油引燃法最大火焰?zhèn)鞑ニ俣壬倭坎裼鸵廊煌ㄟ^原機供油系統(tǒng)噴入氣缸,引rn. s燃通過各種不同方式進入氣缸的甲醇燃料。根據(jù)甲2柴油機燃用甲醇燃料的研究現(xiàn)狀醇進入方式的不同可分為:化醇器法、缸內(nèi)雙噴射法為了在柴油機上燃用甲醇燃料,國內(nèi)外主要采和進氣管噴射法等。取了如下措施化醇器法是將化油器適當(dāng)改造安裝到柴油機進(1)助燃法氣管上,通過節(jié)氣門來控制醇的量。改造簡單,但發(fā)由于甲醇燃料自發(fā)著火比較困難,需借助某些動機的低負(fù)荷時起動性經(jīng)濟性和排放都較差,進氣措施來輔助醇燃料著火燃燒,如火花助燃法、熱面助節(jié)流中國煤化工噴入過多時,會使滯燃法和電熱塞助燃法等。燃期CNMHG太冷還會使化醇器火花助燃法發(fā)動機是在缸內(nèi)噴射燃料,形成不喉口處結(jié)冰。缸內(nèi)雙噴射法在氣缸上安裝兩只高壓均勺混合氣,靠火花塞點燃可燃混合氣,以火焰?zhèn)鞑シ絿娮?一只噴柴油、一只噴醇,柴油引燃醇。甲醇與柴裴玉姣:甲醇在柴油機上應(yīng)用的技術(shù)進展油比化醇器法容易控制,甲醇的摻燒率高,可以避免找代用燃料是國家經(jīng)濟發(fā)展的必然之路。經(jīng)專家長進氣節(jié)流損失。氣缸蓋上安裝兩只高壓噴嘴,還要安期探索,目前認(rèn)為最有希望的柴油代用燃料是甲醇裝電熱塞,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;高壓供給醇的系統(tǒng)偶件磨損嚴(yán)燃料,甲醇是現(xiàn)今唯一可以用煤及天然氣等作原料重;電控進氣管噴射法在進氣管安裝低壓噴嘴,噴入的大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟的液體燃料,生產(chǎn)工藝成熟,儲醇形成預(yù)混合氣,進入氣缸由柴油引燃?？梢员苊饣媸褂梅奖?。我國缺油少氣,煤炭和伴生與衍生碳?xì)浯计鞣ǖ墓?jié)流損失,可以精確控制醇的量,但小負(fù)荷氣體資源相對豐富,是替代石油的可靠資源。甲醇燃噴醇時,HC和醛類排放劇增,冷起動性能差四。料適合我國的燃料發(fā)展,對人體健康和生態(tài)環(huán)境安(5)甲醇/柴油組合燃料方式全已具有一定的生產(chǎn)和使用經(jīng)驗,綜合成本低。未來天津大學(xué)提出了柴油-甲醇組合燃燒(MCC系甲醇柴油燃料的發(fā)展趨勢主要是統(tǒng)。DMCC發(fā)動機通過安裝在進氣歧管上的4個噴(1)選擇合適的高效表面活性劑,能使甲醇和柴嘴將甲醇噴入進氣道閃,甲醇借助進氣道高溫蒸發(fā)形油在任意比例下互溶,制備出澄清、透明、穩(wěn)定的微成均質(zhì)混合,在近期沖程與空氣一起被吸入氣缸,在乳化柴油。進氣、壓縮沖程中進一步與空氣混合。在壓縮沖程末(2)甲醇作為燃料進行燃燒,可能會在燃燒過程期由柴油引燃甲醇均質(zhì)混合氣.因此這種燃燒方式與中,產(chǎn)生醛類、未燃甲醇。而甲醛是一種無色、有毒、純柴油機的燃燒方式有很大的同。組合燃燒系統(tǒng)示有刺激性的氣體,是一種可疑致癌物。因此必須對柴意如圖1示。該系統(tǒng)的特點是,根據(jù)發(fā)動機工況特油/甲醇組合燃燒發(fā)動機不同工況進行檢測,從而找性分段使用甲醇。即啟動時用柴油,待發(fā)動機自身溫到甲醛排放的規(guī)律,以便對甲醛排放進行控制,消除度上升到一定水平65℃左右)再噴進甲醇,以保證發(fā)醛類對人類的危害和對環(huán)境的污染,真正達到節(jié)能動機的啟動可靠性。中高負(fù)荷時采用壓力方式向進與環(huán)保的雙重目的。氣道噴進甲醇,吸熱氣化后進入氣缸,在氣缸內(nèi)由柴參考文獻油引燃。運行中甲醇和柴油量完全由專用的電控系11宮長明,劉金山,徐百龍等火花助燃甲醇發(fā)動機燃燒特性統(tǒng)完成,駕駛員可以靈活自如地在甲醇柴油或柴油研究,內(nèi)燃機學(xué)報,199160:31-36間進行切換,不受甲醇供應(yīng)的限制。結(jié)果表明采用2 SJabez Dhinagar, B.N. Nagalingam, et al.Spark- Assisted組合燃燒的發(fā)動機不僅可成功替代部分柴油而且實Alcohol Operation in a Low Heat Rejection Engine SAE Paper950059現(xiàn)了同時降低發(fā)動機碳煙和NOⅹ排放的目的從總的[3] Kenji Tsuchiya, Toshiyuki Seko Combustion Improvement of能量利用率上也較原機有一定幅度的提高叨。Heavy-Duty Methanol Engine by Using Auto-Ignition System.SAE Paper 9500604]郭召寶甲醇柴油乳化燃料研究[D].天津:天津大學(xué),2003]盤朝奉謝美芝韋超毅周孔亢G180柴油機燃用甲醇燃料△的試驗研究小型內(nèi)燃機與摩托車,2009,38(1):81-866]趙蒙生,甲醇柴油燃料的實驗研究[D],長安大學(xué),碩士論文,20101—空氣濾清器;2-噴嘴;3—進氣管;4一柴油機:5—電控單元;6油(7姚春德,程傳輝,段峰等柴油/甲醇組合燃燒對廢氣渦輪增門位置傳感器:7一發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器;8—冷卻水溫度傳感器;9—進壓柴油機排放的影響研究凹,內(nèi)燃機學(xué)報,2005,23(2):121-氣歧管;10—醇燃料分配管;l-醇燃料壓力調(diào)節(jié)器;12-電動甲醇泵;13一醇燃料箱[81 Yao Chunde, Cheung C S, Cheng Chuanhui, et al. Reduction圖1DMcc發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意of smoke and NOx from diesel engines using diesel/ methanol3結(jié)語compound combustion system(J). Energy and Fuels, 2007, 21(2):當(dāng)前我國經(jīng)濟發(fā)展正處于高度增長期,對能源686-69的需求仍在不斷增加。但是,國際石油資源在逐步減9姚春德,陳軍徐元利蕾鈺柴油-甲醇組合燃燒少,我國自身石油資源又十分有限,同時還存在柴汽電控系統(tǒng)的控制中國煤化工655459比嚴(yán)重不合理的結(jié)構(gòu)問題。為緩解能源危機問題,尋CNMHG