我國甲醇燃料在車用發動機上的應用

李瑞娜

摘 要：隨著我國能源緊缺和環境安全問題日益嚴重，尋找內燃機的清潔替代能源成為研究熱點。我國甲醇由煤炭制取，可以和汽油相混形成各種比例的甲醇汽油，或與柴油按一定比例相混形成甲醇/柴油混合燃料，也可以通過氣道噴射、缸內直噴的方式，替代汽油或柴油，應用于各種機動車，是具有前景的內燃機替代燃料。

中圖分類號：TE626.2? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）10-221-002

隨著汽車工業的迅速發展，我國已經成為世界機動車產銷第一大國，據中國政府網數據顯示[1]，2020年我國汽車銷售量達到2523萬輛，全國機動車保有量已達到3.7億量。內燃機是我國機動車的主要動力，消耗了大量的石油燃料。2020年我國原油表觀消費量近7億噸，石油對外依存度達到73%。2020年，我國機動車一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為772萬噸、189萬噸、636萬噸和7萬噸。面對節能減排的迫切需求，發展清潔代用燃料對減少我國對進口原油的依賴和減輕環境污染具有重要的意義。

面對節能減排的迫切需求，發展清潔代用燃料對減少我國對進口原油的依賴和減輕環境污染具有重要的意義。柴油機的清潔替代燃料主要有氣體燃料、醇類燃料、醚類燃料、生物柴油和F-T柴油等。我國煤炭資源豐富，可供利用的儲量約占世界煤炭儲量的11.67%，位居世界第三。甲醇主要是由煤制取，煤制甲醇是我國化工行業中的成熟產業，生產工藝簡單，投資和生產成本低，特別是可以用劣質高硫煤和焦爐氣回收制取甲醇。2020年，我國甲醇的產能達到了9100萬噸，已經成為全球最大的甲醇生產和消費大國，但甲醇產量只有6357萬噸，甲醇的產能利用率水平偏低。李瓊玖研究員等人認為，煤炭直接用于發電的平均熱能效率約為30%，而煤制甲醇，在內燃機燃用的熱能效率可達70%～80%，污染物排放也更低[2]。煤制甲醇具有含氧量高、汽化潛熱高的優點，可以在稀混合狀態下燃燒，有效提高柴油機的熱效率，降低排氣顆粒污染物。美國喬治·A·奧拉經過長期研究得出結論：“甲醇經濟”使人類不再依賴于日益減少的石油和天然氣[3]。

1.甲醇的制取

甲醇分子式為CH3OH，含有一個C是飽和的一元醇，結構最簡單，是目前發動機的優質替代燃料。

國外甲醇以天然氣為原料生產的甲醇占92%，以煤為原料生產的甲醇2.3%，因此國外公司的甲醇技術均集中于天然氣制甲醇。我國是煤豐富的國家，甲醇原料采用天然氣和煤的較多。產量幾乎各占一半。生產工藝有單產甲醇和聯產甲醇兩種。聯產甲醇除在合成氨裝置聯產甲醇外，還可利用化工廠尾氣或結合城市煤氣聯產甲醇。我國甲醇以煤為原料，采用焦化工藝，以焦爐煤氣轉化成合成氣制取。煤制甲醇是熱化學過程，是通過煤氣化過程產生合成氣后，再經過合成制備成甲醇，可以分為造氣、凈化、合成、精餾四個部分。

煤制甲醇合成過程中的主反應方程式如下：

副反應為：

2.甲醇理化特性

甲醇和生物柴油分別為醇類和酯類燃料，理化特性與柴油不同。甲醇和生物柴油在柴油機上燃用，需要首先考察燃料的理化特性。表1列出了0#柴油、汽油和甲醇的理化特性參數。從表1可以看出，甲醇的密度、辛烷值等與汽油較為接近，而甲醇的理化特性與柴油差異較大，主要表現在氧含量、氣化潛熱、十六烷值、低熱值等。

3.甲醇在汽油機上的應用

與汽油相比，甲醇的辛烷值為112，高于汽油辛烷值92。因此，甲醇作為汽油機代用燃料的抗爆性優于汽油，在汽油機上使用可以提高壓縮比，有利于提高汽油機的動力性和經濟性。甲醇燃料在汽油機上使用，經歷了從低比例摻燒（M15甲醇占15%）逐漸到高比例（M85～M100）摻燒的過程。荷蘭首先提出了靈活性燃料汽車（FFV）的概念，采用的燃料主要是甲醇、汽油以及汽油和甲醇的混合燃料。1973年美國麻省理工大學的Tomas Reed提出將甲醇摻混到汽油中燃燒，比例為3%，可以改善發動機的怠速和小負荷排放;1981年福特公司生產的40輛專門燃用M100的甲醇汽車開始運行。1985年日本在通產省成立了“甲醇汽車普及機構”，1993年日本汽車研究所在大型公共汽車和載貨車上使用M85、M100燃料，加速了甲醇汽車的推廣應用。

我國最早從70年代初就開始重視甲醇燃料作為汽車的代用燃料，并將甲醇汽車技術開發列為國家科技重點攻關項目，分別對低比例燃用甲醇燃料和高比例燃用甲醇燃料開展系統試驗研究。自2012年起，工信部先后在山西、上海、陜西、貴州、甘肅等5省市中的10個城市進行甲醇汽車試點，對甲醇汽車進行科學系統地驗證，共投入運營甲醇汽車1024輛，總運行里程超過1.84億公里，單車最高行駛超過35萬公里，建設甲醇燃料加注站20座，累計消耗甲醇燃料超過2.4萬噸。自2018年起，甲醇汽車產品公告已取消區域限制，可在全國范圍內推廣運行。2018年年底，西安的M100以純甲醇為燃料的出租車正式上線。2019年3月國家工信部、公安部、交通運輸部等八部門聯合發布《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，以甲醇為車用清潔燃料進一步得到了推廣。至2019年5月，已有1萬輛在運營。屆時，西安甲醇汽車存量超過西安所有的特斯拉，蔚來，小鵬、威馬等所有電動車數目總和。在經濟性方面，甲醇燃料的費用要比普通汽油燃料經濟性強，也受到了很多出租車朋友的喜愛。

4.甲醇在柴油機上的應用

甲醇燃料不僅可以在汽油機上應用，在柴油機上的研究也同樣得到了重視。與柴油相比，甲醇含氧量高，汽化潛熱大，但十六烷值為5，遠低于柴油的十六烷值45。因此，甲醇的自燃溫度高不易在柴油機上直接壓燃。而柴油機燃用甲醇主要是采用電控噴射法和乳化法。電控噴射法主要包括缸內雙噴射、進氣道噴射和助燃法等。缸內雙噴射是在氣缸蓋上安裝兩個噴油嘴，甲醇和柴油都采用高壓噴射的方式噴入柴油機缸內。進氣道噴射是采用電控噴射的技術，在進氣道上安裝甲醇噴射系統和所需要的傳感器，甲醇進入氣缸后形成均質混合氣，并由柴油引燃。乳化法是將甲醇與柴油機燃料以乳化或微乳化的形式混合均勻，通過噴油器噴入到燃燒室。采用乳化法燃用甲醇時，無需改變柴油機結構，就可以燃用部分甲醇燃料，但通常需要考慮燃料互溶性的問題，配制過程中可能需要添加適量的助溶劑。表1給出了柴油機燃用甲醇/生物柴油混合燃料時，柴油機功率的數據[4]。從表中可以看出，與柴油機燃用生物柴油相比，添加小比例的甲醇時，柴油機功率變化不大。

天津大學姚春德等人[5]提出了甲醇/柴油的組合燃燒模式（DMCC），通過在進氣歧管噴射甲醇，缸內噴射柴油引燃的組合燃燒系統，可以在柴油機上使用甲醇燃料，如圖2所示?？梢钥闯?，采用組合燃燒模式，不僅可以實現部分替代柴油的目的，還可以有效提高柴油機缸內最大爆發壓力。目前，甲醇/柴油組合燃燒方式已經進行了道路試驗，山東久泰能源公司、上海煤焦化公司、山西佳新能源公司分別采用甲醇/柴油組合燃燒方式進行了試驗[6]，為甲醇大比例替代柴油提供了一種新的途徑。

柴油摻混甲醇的應用也處于逐步推廣應用階段。發動機燃用甲醇燃料也面臨著甲醇對橡膠、塑膠及有色金屬部件的腐蝕、溶脹性問題。甲醇在柴油機上燃燒還會產生醛、酮類等揮發性非常規污染物，這些揮發性非常規污染物在大氣環境下受到紫外線的照射時，會與氮氧化物反應形成臭氧，臭氧和其他氧化物通過光化學反應、氣/粒轉化等過程生成二次有機氣溶膠，是大氣中PM形成的來源[7]。甲醛、丙酮、2-丁酮等化合物對人體呼氣道有刺激作用，對環境和人體健康有一定的影響。

煤制甲醇是我國化工行業中的成熟產業，我國甲醇的年產能高，但產能利用率低。甲醇作為內燃機替代燃料，不僅可以在汽油機上直接摻混使用，也可以在柴油機上以摻混、進氣道噴射、缸內直噴等方式應用。推廣甲醇燃料作為內燃機的替代燃料，不僅可以有效緩解能源壓力，還有助于降低內燃機的排放污染物。

基金項目：天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室開放課題（K2020-12）;江蘇省自然科學基金項目（BK20200910）;江蘇省教育廳自然科學研究項目（20KJB470015）

參考文獻：

[1]中國政府網[EB/OL] http：//www.gov.cn/

[2]李瓊玖，申同賀，孟仲林，等.中國發展煤炭清潔轉化制甲醇是替代石油能源的最佳選擇[J]中外能源，2006，11（4）：1-8

[3] Olah G A， Goeppert A， Prakash G K S. Beyond oil and gas： the methanol economy[M] Wiley-VCH， 2009

[4]王忠，安玉光，侯樂福，等.柴油機燃用甲醇—生物柴油混合燃料的性能與排放研究[J]車用發動機，2011，（1）：30-33

[5]姚春德，程傳輝，段峰，等.柴油/甲醇的組合燃燒對廢氣渦輪增壓柴油機排放的影響研究[J]內燃機學報，2005，23（2）：119-123

[6]姚春德，王輝，姚安仁，等.DMCC技術在高速船用柴油機上的應用研究[J]哈爾濱工程大學學報，2021，42（1）：112-118.

[7]陳天增，葛艷麗，劉永春，等.我國機動車排放VOCs及其大氣環境影響[J]環境科學，2018，39（2）：0478-15