鄧志華

（武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065）

伴隨著石油資源的日益消耗、大氣環(huán)境的日益污染、燃料價格的日益增長，傳統(tǒng)發(fā)動機行業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，因此必須尋求合適的發(fā)動機替代燃料以緩解石油資源消耗、大氣環(huán)境污染等迫在眉睫的問題。甲醇因其物質特性與汽油、柴油等相近、生產成本低、含氧量高、燃燒清潔等特質，可作為發(fā)動機的替代燃料。目前，在國內甲醇作為發(fā)動機替代燃料的應用主要是在車用發(fā)動機上，在船用發(fā)動機上的應用還有待開發(fā)。本文旨在總結現有甲醇在發(fā)動機上的應用技術并分析其特點，為下一步將甲醇應用于船舶發(fā)動機提供借鑒。

根據甲醇在發(fā)動機上的應用技術，可將發(fā)動機分為為點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機兩類，本文主要分析甲醇在發(fā)動機上應用技術時經濟性、動力性和排放性能的變化。經濟性能包括燃料消耗率與燃料消耗量等指標，本文以燃料消耗率作為評價經濟性能的標準。關于排放性能，甲醇本身的特性導致其燃燒產物中會有未燃燒甲醇、甲醛等非常規(guī)排放物，然而這些污染物可被電控汽油機現有的三效催化轉化器處理掉［1］。因此，對于點燃式發(fā)動機來說，只需關注HC、CO、NOX的排放變化；對于壓燃式內燃機來說，除了關注HC、CO、NOX的變化外，還需關注碳煙的排放變化。

1 甲醇在點燃式發(fā)動機上的應用

目前，甲醇在點燃式發(fā)動機上的應用方式可以分為甲醇的直接利用以及甲醇的間接利用兩種情況。所謂直接利用，是指直接把甲醇作為燃料在發(fā)動機內燃燒，可分為甲醇摻燒和直接燃燒純甲醇兩種方式。間接利用并不直接讓甲醇在發(fā)動機里作為燃料燃燒，而是把通過甲醇的重整裂解反應生成的H2、CO等可燃氣體送入氣缸進行燃燒，分為純甲醇裂解以及甲醇水蒸氣重整兩種方式。

1.1 甲醇摻燒

甲醇摻燒法是指通過在汽油與甲醇混合溶液中添加一定添加劑，形成甲醇汽油燃料，進而在發(fā)動機上應用的技術［1］。該甲醇利用方法簡單易行，無需對原發(fā)動機進行較大改動，只需要對燃料進行良好處理即可，所以該方法從改造利用成本上來說是十分有優(yōu)勢的。目前應用的甲醇汽油混合燃料主要有低比例甲醇汽油燃料（M15、M25、M30）和高比例甲醇汽油燃料（M85、M100）。

吳則旭等［3］人對M10、M15、M50 甲醇汽油以及93#汽油進行發(fā)動機性能臺架試驗研究，發(fā)現相較于燃燒93#汽油，燃燒M10、M15 和M50 時功率變化分別為增加-2%～6.25%、-2%～9.38%、2%～12.5%，由此可得在動力性方面甲醇汽油燃料與93#汽油相比變化不大。隨著甲醇比例的增大，動力性提升有變化，但從整體工況來看，動力性提升并不算大。

相比93#汽油燃料消耗率，M10、M15、M50 轉化為當量燃油消耗率分別為增加1.52%、0.37%、15%。由此可見，燃用甲醇汽油燃料經濟性變化不是十分明顯。

四種燃料的HC 排放量變化都隨著轉速的提高而降低。在三種甲醇汽油中，隨著甲醇比例的增加，HC 排放量逐步降低，最高降幅為80%。CO排放相比于93#汽油是明顯減少的，并隨著甲醇含量的增加CO 的排放也逐漸降低，最高降幅為77.78%。隨著甲醇摻燒比例增大，NOX排放越來越低，最高降幅為69.23%。

1.2 甲醇裂解

甲醇裂解法是指利用發(fā)動機尾氣攜帶的熱量或者為機體預熱的熱量將液態(tài)甲醇加熱氣化，并在催化劑的作用下將氣態(tài)甲醇裂解為CO、H2等可燃氣體送入氣缸燃燒的方法［1］。甲醇裂解法在點燃式發(fā)動機上應用時，只需在原發(fā)動機的排氣管上串聯(lián)一甲醇裂解器即可，對原發(fā)動機改動較小。

姚春德等［4］通過研究甲醇裂解氣在477F 發(fā)動機的應用，來評判甲醇裂解氣應用技術在點燃式發(fā)動機上的影響。當燃用甲醇裂解氣時，發(fā)動機動力性有所下降，不過仍然保持在其原機的95%以上。其中在鈀基催化劑作用下的甲醇裂解器發(fā)動機動力性能優(yōu)于在銅基催化劑作用下的甲醇裂解氣發(fā)動機。較之汽油燃料消耗率，在銅基催化劑作用下產生的甲醇當量燃料消耗率下降了22%～26%；在鈀基催化劑作用下產生的甲醇裂解氣當量燃料消耗率下降了24%～31%。整體看，燃用甲醇裂解氣比燃燒汽油在經濟性方面優(yōu)勢更大。

在銅基和鈀基催化劑分別作用下產生的甲醇裂解氣，在發(fā)動機上應用燃燒產生的HC 排放量較為接近且排放規(guī)律一致，但相較于燃燒汽油時排放量下降90%左右。在銅基和鈀基催化劑分別作用下產生的甲醇裂解氣燃燒產生的CO 排放量非常接近，但是相對于汽油，甲醇裂解氣發(fā)動機CO 排放量降低了90%左右。同樣，兩種不同類型催化劑作用產生的甲醇裂解氣燃燒產生的NOX排放規(guī)律極為相似，并且NOX排放量較為接近，但較于原汽油來說有大幅降低，降低幅度最高接近80%。所以，甲醇裂解氣作為發(fā)動機燃料能夠有效降低HC、CO和NOX排放。

1.3 直接燃燒甲醇

直接燃燒甲醇，就是將甲醇直接噴入發(fā)動機氣缸進行燃燒，該方法對于原發(fā)動機改動更小，只需要把噴油器進行改進以適合甲醇噴射即可。

朱金良等［5］采用某型號渦輪增壓直列4 缸汽油機作為原型機，研究燃用甲醇對發(fā)動機性能及排放的影響。相比燃用汽油，發(fā)動機改燒甲醇后其動力性有顯而易見的提高，最大升幅為5.22%。從試驗結果來看，在中低轉速情況下，相比原機燃燒汽油，當改用燃燒甲醇時，其當量燃料消耗率可降低10.53%～18.52%。

在中低負荷時，CO 排放量變化不大，但是當在高負荷時，燃用甲醇可以明顯降低CO 排放量，當負荷最高時，相比原機，燃用甲醇時CO 降低29.6%。在平均有效壓力為0.4MPa、0.8MPa 和最大負荷時，燃用甲醇時的HC 排放比燃用汽油時分別降低了90.5%、84.2%和37.4%。由于甲醇的汽化潛熱遠大于汽油，這大大降低了混合氣溫度，從而降低了最高燃燒溫度。而且又因為甲醇燃燒速度比汽油快，縮短了高溫反應時間，在這兩個條件的共同作用下，使得NOX排放量降低。試驗結果表明，在平均有效壓力為0.2MPa、1.2MPa 和最大負荷時，燃用甲醇時尾氣中NOX比燃用汽油時分別降低了95.6%、16.4%和14.8%。

1.4 各技術對點燃式發(fā)動機性能的影響對比

為了更加清晰明了地對比甲醇應用在點燃式內燃機上對發(fā)動機動力性能、經濟性能、排放性能等的影響，表1 將采用各技術后，其性能指標相對于原機的變化集中在一起對比，從中可以更加直觀地看出各甲醇利用技術的優(yōu)劣。

從表1 可以看出，無論采用哪種甲醇利用技術，都比燃燒純汽油的性能更好。從動力性來看，除了采用甲醇裂解以及甲醇摻燒的方法，動力性在某些工況下可能會有所降低外，采用其他任何技術都會使得其動力性得到提升，而且提升幅度大致相差不大。從經濟性來看，除了采用甲醇摻燒方法，采用其他甲醇應用技術的發(fā)動機經濟性也都得到改善，但是就甲醇摻燒技術來看，隨著甲醇所占比的增大其經濟性也是越來越好。當燃料中甲醇體積分數為50%時，可以看到其經濟性相比原機也得到了改善。從排放性來看，不管是采用哪種利用技術，其CO、HC、NOX排放都得到很大程度的降低。尤其是采用甲醇裂解方法，其排放量相比原機可降低90%左右。因此可見，甲醇在點燃式發(fā)動機上的應用是非常有前景的。

表1 點燃式發(fā)動機性能指標變化

2 甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用

因為甲醇與柴油的性質差異較大，所以甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用比在點燃式發(fā)動機上更加困難，應用技術也更加復雜。甲醇著火自燃溫度高、汽化潛熱大，因此想要直接在原有柴油機上壓燃純甲醇是難以實現的，又因為甲醇與柴油不能互溶，所以無法正常形成甲醇柴油燃料，只能利用乳化液法［6］。但是相較于點燃式發(fā)動機來說，柴油機有熱效率高、功率高等優(yōu)點，因此關于甲醇作為其替代燃料的研究也更具研究價值。

與甲醇在點燃式發(fā)動機上的應用相似，甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用也分為純甲醇利用和甲醇與柴油聯(lián)合使用?，F如今甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用技術主要有乳化液法、助燃法、直接壓燃法、柴油引燃法四種［7-9］，其中只有助燃法是直接燃燒純甲醇的利用技術。

2.1 乳化液法

乳化液法是指通過使用表面活性劑，將柴油和甲醇形成穩(wěn)定的混合乳化燃料，然后將燃料直接送入發(fā)動機燃燒的應用技術。乳化法不需要對發(fā)動機結構進行改變，是柴油機利用甲醇最簡單的技術方式。但是一般普通乳化液熱力學不穩(wěn)定，乳化液易發(fā)生沉降、絮凝、聚結等現象，最終出現油水分離，使得燃料在實際應用中無法達到理想狀態(tài)，因此，一般在乳化液的基礎上采用更加穩(wěn)定的微乳化燃料［10］。

段敏偉等［11］人通過分別燃用0#柴油和標號為M15、M30 微乳甲醇柴油，研究不同燃油燃燒的穩(wěn)定性、經濟性、動力性及排放性等特征指標。試驗結果顯示：相比燃燒0#柴油，燃燒M15 可使輸出功率增加1.82%～7.14%，這是因為甲醇有利于燃料充分燃燒；但是燃燒M30 卻使得動力性有所下降，其輸出功率降低2.53%～5.33%，這是因為甲醇增加會降低燃料的熱值。這說明，柴油機采用乳化燃料法燃燒甲醇技術若想取得最佳動力性，有一個最優(yōu)甲醇摻混比例，且摻混比例在15%～30%之間。考慮該摻混比例也就是要考慮甲醇利于燃燒和降低熱值兩方面的影響程度。對比燃用0#柴油，燃用M15 使得當量燃料消耗率降低3.85%～9.36%，燃用M30 使得當量燃料消耗率降低5.14%～15.26%。由此可見，在經濟性方面，燃燒摻混甲醇燃料可明顯改善其經濟性。

相比燃用0#柴油，在燃用M15、M30 時，CO 排放量降低44.74%～50%、50%～68.97%，HC 排放量分別降低40.48%～48.89%、48.89%～70.59%，NOX排放量分別降低10.71%～33.33%、25%～35.71%，顆粒物的排放用煙度分別降低57.14%、64.29%。

2.2 助燃法

醇燃料相比柴油自燃溫度高、汽化潛熱高，自發(fā)著火比較困難，僅僅依靠壓燃幾乎是不可能的。因此需要借助某些措施來輔助醇燃料著火燃燒，主要有加裝電熱塞法。

王晉［12］通過對1115 單缸柴油機加裝電熱塞且增加壓縮比的改進后直接燃燒甲醇試驗，得出使用該方法后發(fā)動機各性能的變化。整體來看，其輸出功率提高8%～22.5%，然而在高轉速時，動力性有所下降，低于原機。這是因為，當轉速過高時，甲醇與空氣混合氣變稀，且甲醇辛烷值很低，滯燃期長，導致燃燒滯后。綜上，甲醇不能完全燃燒釋放能量，導致動力性下降，最大降低40%。

在低轉速時，燃燒甲醇的當量燃料消耗率與原機相比在低負荷下降低2.52%，當負荷較大時，當量燃料消耗率最大可降低69.34%。在中速狀態(tài)時，低負荷當量燃料消耗率可增大62.72%，當處于高負荷時，燃料消耗率可降低62.02%。在高轉速狀態(tài)時，低負荷燃料消耗率最大可增大52.4%，高負荷時燃料消耗率可減小26.67%。

在中低負荷時，燃用甲醇可以很大幅度減少NOX的排放，可以減少95%以上；在高負荷時，由于溫度過高，NOX排放也會增多，但是依然低于燃燒柴油時的排放量。HC排放性能變差很多，在低速情況下，HC 排放量比原排放量增加187.5%～983.33%；在中速情況下，HC 排放量增加700%～2100%；在高速情況下，HC 排放增加733.33%～3900%。CO 排放量在中等負荷時增加最小，在較小負荷和較大負荷條件下增大最多。在中低負荷時，CO 排放量比原機增大很多，在低速時，CO 排放量可增大850%；在中速和高速時，分別可增大1000%、1150%。在高負荷時，CO 排放量比原機減少很多，在、中、高速時可分別降低、93.59%、90%、89.41%。主要是因為在小負荷時，甲醇空氣混合氣比柴油空氣混合氣稀，燃燒不充分。改用燃燒甲醇后，碳煙排放幾乎為零。

2.3 柴油引燃法

柴油引燃法是將甲醇燃料由柴油機進氣系統(tǒng)或供油系統(tǒng)注入氣缸，使其在氣缸內形成部分混合可燃氣體，同時原柴油噴油器將柴油噴入氣缸然后壓縮并引燃甲醇燃料混合氣。與采用純柴油相比，柴油引燃甲醇燃燒持續(xù)期短、燃燒速度快、碳煙生成量少。柴油引燃法主要有化醇器法、缸內雙噴射法和進氣管噴射法三種［13］。

史偉奇等［14］在柴油機進行進氣道噴射甲醇試驗。在低負荷狀態(tài)時，噴入甲醇會使動力性降低，降幅最大為5%，這是因為其汽化潛熱大造成氣缸內溫度下降。隨著負荷增高，當進氣道噴入甲醇后，發(fā)動機動力性提升，且最大提高2.9%。但隨著甲醇噴射量的增加，即在總燃料里所占比例的增大，其動力性為先升高后降低的趨勢。

程傳輝［15］在自然吸氣柴油機、增壓柴油機兩種柴油機上進氣道加裝甲醇噴射裝置進行實驗。對于增壓柴油機，采用組合燃燒后，發(fā)動機的當量燃油消耗率降低，最大降低幅度為2.8%。對于非增壓柴油機，其當量燃油消耗率降低更多，且降低幅度在最大扭矩點處可達到11.6%。

張春化等［16］在增壓中冷發(fā)動機的基礎上，加裝甲醇供給系統(tǒng)，將其改裝成柴油引燃甲醇雙燃料發(fā)動機，進行臺架試驗研究。隨著甲醇摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機的HC 排放也顯著增加，最大增幅為2000%。一定摻燒比時，隨著負荷增大，HC 排放量減少。雙燃料發(fā)動機的CO 排放明顯增加。隨著甲醇摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機CO排放量不斷增加。同一摻燒比時，隨著負荷的增加雙燃料發(fā)動機CO 排放呈減少的趨勢。隨著甲醇摻燒比的增加，雙燃料發(fā)動機燃燒NOX排放降低。摻燒比一定的情況下，負荷率越大，NOX排放越多。隨著甲醇摻燒比的不斷增大，雙燃料碳煙排放降低。

2.4 各技術對壓燃式發(fā)動機性能的影響

為了更加清晰地對比壓燃式發(fā)動機上各甲醇利用技術對發(fā)動機動力性、經濟性、排放性等的影響，表2（“-”表示降低）將采用各技術后，對其性能指標相對于原機的變化進行對比，從中可以更加直觀地看出各甲醇利用技術的優(yōu)劣。

由表2 可以看出，從動力性來看，上述方法均無法全面改善柴油機的動力性。從經濟性來看，采用電熱塞助燃法在某些工況下可使當量燃料消耗率最小，即經濟性最好，但是其經濟性變化過大，因此從經濟性來看，電熱塞助燃法不適合應用在車用發(fā)動機上，而且其HC排放卻嚴重變差，CO排放在某些工況下也要變差很多，該方法唯一的優(yōu)勢是其碳煙排放、NOX降低最多。因此，單純從經濟性來看，乳化法以及柴油引燃法不相伯仲，難以說明某技術更有優(yōu)勢。從排放性來說，采用乳化法，各排放量都會降低，因此從排放角度看，采用乳化法最為合適。而且可以看出在乳化燃料中，在甲醇體積比為15%～30%時，甲醇比例越大，其排放性改善也就越好。

表2 壓燃式發(fā)動機性能指標變化

關于甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用，尤其是采用助燃法、柴油引燃法時需要考慮CO、HC排放惡化的問題。另外，還需要注意的是采用電熱塞助燃法，對發(fā)動機改造成本很大。

3 總結

本文從動力性、經濟性、排放性三方面對比各甲醇應用技術的優(yōu)劣。結果表明：無論是采用甲醇裂解或是采用甲醇摻燒汽油，亦或是在發(fā)動機上直接燃燒甲醇，相較于原機，這三種應用技術都可以改善原發(fā)動機的性能，尤其在排放性方面，燃燒甲醇可明顯減少CO、HC 和CO2的排放。在動力性方面，各應用技術差異不大，都可以保持在原機95%以上，且在某些工況下還可以改善發(fā)動機動力性。從經濟性方面來說，當采用甲醇摻燒技術時，隨著甲醇占比的增加，經濟性改善越明顯，當占比較小時經濟性有所降低；當采用甲醇裂解技術時，當量燃油消耗率降低最多，經濟性最好。因此，甲醇在點燃式發(fā)動機上采用甲醇裂解方法最具研究價值。

關于甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用技術研究，同樣從動力性、經濟性、排放性三方面分析甲醇在壓燃式發(fā)動機上的優(yōu)劣。結果如下：甲醇與柴油的差異比甲醇與汽油的差異大，因此，甲醇在壓燃式發(fā)動機上的應用整體比在點燃式發(fā)動機上的應用更加復雜和困難，所產生的影響也更加復雜。從動力性來看，無論采用哪種應用技術，在不同的工況下對柴油機有不同的影響，當采用乳化方法時，甲醇占比較少，因為甲醇可加快燃燒，所以可在大部分工況下改善其動力性，而隨著甲醇摻混的越多，其汽化潛熱低的影響也越大，動力性也變差。因此在低負荷工況下對柴油機動力性產生不利影響，而隨著負荷的增大，燃燒甲醇便可以提高動力性。從經濟性來說，除了采用電熱塞助燃法會在某些工況下導致當量燃油消耗率增大，其他技術整體來看都可以改善其經濟性。在排放方面，采用電熱塞助燃法與柴油引燃法會使HC、CO 排放變差，但是會改善氮氧化物與碳煙的排放，且電熱塞助燃法對氮氧化物以及碳煙的改善更加明顯，而采用乳化法可降低HC、CO、碳煙、氮氧化物等的排放。因此整體來看，在壓燃式發(fā)動機上采用乳化法甲醇是最好的應用技術。

綜合以上技術分析，在船用甲醇技術路線可以考慮甲醇裂解氣在柴油機上摻燒的策略，相當于氣體燃料與柴油的雙燃料方案，可行性較好，可以避免上述各種技術的不足。