用創新技術打好治污攻堅戰
——記柴油甲醇組合燃燒技術的發明人姚春德教授

文／本刊記者 王 郁 夏 靜

大氣污染治理必須抓住源頭。根據《北京城市總體規劃（2016年—2035年）》，未來北京的大氣污染治理工作首先要完成新一輪PM2.5源解析，通過源解析的結果，增強治理的針對性。此外，北京還將重點治理氮氧化物和揮發性有機物，今年將重點治理重型柴油車和揚塵污染。在今年兩會上，李克強總理在政府工作報告中指出，在2018年要堅決打好污染治理攻堅戰，專門提出“開展柴油貨車超標排放專項治理”。

為什么柴油車會成為污染形成的罪魁禍首呢？主要是柴油車工作特性所決定的。柴油車與點燃式汽油車不同，不需要點火，是將吸進發動機的空氣壓縮至一定的高溫，然后直接往氣缸里噴進柴油自燃，產生高溫高壓對外做功。因為壓縮比高，而且柴油是在熱空氣中擴散燃燒，因此，柴油車的熱效率也比汽油機要高。正由于柴油車高熱效率、工作可靠，所以，柴油車總工作在一些條件艱苦、需要出大氣力的場所，比如長途運貨卡車、各種建設工地的工程機械、在田間辛苦勞作的農業機械、在一些邊遠地區的鐵路機車以及國防裝備等等。因此，柴油動力是國家經濟建設中不可或缺的主要動力。但是，正因為柴油機的壓燃、擴散燃燒的特點，所以燃燒過程中就會產生兩個主要的排放物，一是氮氧化物NOx，是構成硝酸鹽的主要成分，另一是炭煙，是排氣中顆粒物的主要成分，也是PM2.5來源之一。由于NOx和PM兩者的生成機理恰好是一對此消彼長的關系，因此給排放治理帶來的很大的難度。

目前治理柴油機這兩個排放物的方法主要采用國外的分頭治理技術，即缸內消除炭煙PM，排氣中消除NOx。消除炭煙就需要多進空氣保證使燃油充分燃燒，結果便使NOx大量生成，為了消除NOx便借助專門裝置往排氣中噴尿素，在催化劑幫助下，尿素中的氨氣與NOx反應，將其還原成無害的氮氣。如果排放法規進一步嚴格，氣缸內不能完全消除炭煙，則需要在排氣系統加裝炭煙過濾器，簡稱DPF將炭煙進行過濾。一段時間后再往排氣管中噴柴油以將DPF上積聚的炭煙燒掉。上述這種治理在我國的柴油機普遍采用。但是，無論是噴尿素消除NOx，還是排氣系統加裝DPF過濾炭煙，無疑都增加了發動機的運行費用。因此，在實際運行中以上裝置常常被停用，因而造成柴油車的NOx和PM排放很高，其中又以NOx為高的局面。

有沒有辦法既能消除NOx和PM，而且又能讓用戶主動參與治理排放呢？這是內燃機乃至機動車行業的普遍關心，并且一直追求的答案。

天津大學姚春德教授對解決以上問題給出了明確的答案，采用清潔燃料甲醇與柴油摻燒，可以解決柴油車的排放！與柴油是含有10-22碳原子的混和物不同，甲醇是只含有一個碳原子的單一化合物，含有一個氧原子，燃燒清潔。自上世紀初甲醇可以人工生產以來，一直作為化工原料使用，上世紀70年代末因為全球出現的石油危機，人們開始考慮將其應用到內燃機作為石油的替代燃料。因為甲醇的特性與汽油接近，所以很快得到應用。但甲醇在柴油機上應用時仍存在難壓燃、蒸發性差、與柴油不互溶等問題。姚春德針對以上問題，2002年提出了柴油/甲醇組合燃燒技術，為解決上述問題取得突破性進展，并在實際中得到大量應用。

為什么要采用甲醇做燃料，主要考慮到甲醇的生產原料豐富，煤炭、天然氣、焦爐氣，生物質甚至是二氧化碳都可以，另外，甲醇具有高汽化潛熱、含氧以及單碳的性質，燃燒速度快，燃燒清潔。采用甲醇與柴油共燃的方式，不僅是對傳統柴油機單一燃料壓燃方式技術突破，而且可以減少石油消耗，推進低碳燃料的應用。姚春德不但提出切實可行的柴油甲醇組合燃燒技術，還為此創建了柴油/甲醇二元燃料燃燒理論。

柴油/甲醇組合燃燒技術，建立了甲醇噴射精準控制及其與柴油燃料全工況耦合標定體系。發明了精準控制甲醇噴射并與柴油協同工作的電控系統，建立了全自主雙燃料發動機耦合標定體系，實現發動機動力性提高10%，燃料經濟性改善20%，甲醇對柴油替代率超過30%，創造了無需尿素輔助且符合國V（歐V）排放標準的新技術路線。姚春德團隊創新發明的甲醇瞬間高均勻空間分布的噴射裝置克服了甲醇蒸發性差的缺陷，闡明了甲醇霧化機理。其高噴射壓力、多孔數小孔徑、組合貫穿距的噴醇器，可使甲醇在進氣管空間內瞬間形成均勻分布的液霧，提升了柴油/甲醇雙燃料發動機的動力性和加速性響應。該技術被授權發明專利，獲2015年度中國專利優秀獎。

該項目于2012年開展了甲醇車試點工作，采用該技術的車輛在陜西榆林地區進行了長達2年多的運行。此外，該技術還在全國14省市的百余輛重型柴油車上進行了應用。雙燃料車運行期間，不僅充分起到了改善尾氣排放、減少柴油消耗的效果，也為各使用單位帶來了經濟效益。

“我們有理由相信，2018年在國家的大力支持下，大力推廣應用柴油/甲醇組合技術，一定可以實現對柴油車排放的治理，打勝這場空氣污染治理的攻堅戰！”姚春德信心滿滿。