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(duì)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(wèn)題。

關(guān)鍵詞：甲醇-柴油 燃用技術(shù) 柴油機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK428.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wèn)題已充分顯現(xiàn)，石油類(lèi)燃料的大量消耗及其造成的大氣污染是運(yùn)輸動(dòng)力急需解決的問(wèn)題，解決辦法是用代用燃料部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料，開(kāi)發(fā)煤制燃料是解決此問(wèn)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(diǎn)，從甲醇的特點(diǎn)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?xún)?yōu)勢(shì)和科學(xué)研究進(jìn)展上的優(yōu)勢(shì)。

1 甲醇的特點(diǎn)

在現(xiàn)有替代能源中，與柴油相比，同時(shí)具有資源廣泛性、易獲得性、方便輸運(yùn)性、費(fèi)用可接受性的唯有甲醇。甲醇資源豐富，價(jià)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(dòng)機(jī)高原動(dòng)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(diǎn)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(shí)會(huì)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(dòng)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(shí)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(rùn)滑性較差，易導(dǎo)致燃料供給系統(tǒng)磨損，對(duì)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(duì)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(guò)程中添加助溶劑并使用超聲波振動(dòng)。不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，也無(wú)需添加任何輔助裝置。但所需的乳化劑較昂貴會(huì)因此增加成本。

乳化液穩(wěn)定性方面：溫度和助溶劑對(duì)甲醇柴油混合燃料的穩(wěn)定性有很大影響，通過(guò)對(duì)混合燃料進(jìn)行臨界互溶溫度測(cè)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(huì)對(duì)供油系統(tǒng)的潤(rùn)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(jì)分別測(cè)量了當(dāng)乳化劑和分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，乳化劑和分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均對(duì)乳化液黏度有影響，但是乳化劑含量對(duì)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(dòng)。

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(cè)定了不同組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微乳化甲醇柴油的分層時(shí)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(duì)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(guò)程中，甲醇含量對(duì)混合液特性起重要作用，同時(shí)，甲醇含量對(duì)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(dòng)機(jī)研究甲醇柴油混合燃料的燃燒和排放特性時(shí)[4]，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)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(dòng)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(huì)逐漸升高。

2.2 雙噴射法

此方法可以通過(guò)噴射甲醇降低燃燒室和壁面的溫度，大幅降低NOX排放，兩個(gè)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?yàn)樾枰獙?duì)柴油機(jī)進(jìn)行改造，在其內(nèi)部同時(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響。研究進(jìn)氣道噴甲醇對(duì)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(shí)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(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)柴油引燃甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)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(lái)輔助甲醇燃料的燃燒，主要是采用電火花助燃法，用高能點(diǎn)火和火花點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)上燃用純甲醇。此方法需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，增加電熱塞或火花塞，過(guò)程復(fù)雜。

2.4 壓燃法

雖然采用助燃法可以實(shí)現(xiàn)甲醇在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，但是甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)問(wèn)題一直還得不到徹底解決，主要是因?yàn)樵谙鄬?duì)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(dòng)困難問(wèn)題。

3 甲醇在使用中存在的問(wèn)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(duì)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(duì)生態(tài)環(huán)境比汽油、柴油更友好；甲醇對(duì)材料的腐蝕性完全可以得到根本解決。

4 結(jié)語(yǔ)

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(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)上的燃燒和排放特性研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（200）：37-41.

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

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