吳繼盛，吳家正，劉洪運

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 200092)

隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展和工程機械動力裝備需求的不斷提升，為了解決化石能源緊缺和環(huán)境污染問題，尋求清潔可再生能源已成為人們迫切的需求[1]。作為諸多替代燃料之一的甲醇憑借著來源廣泛、用途多樣的特點在近年來吸引了大量的關(guān)注[2]。甲醇相比于傳統(tǒng)化石燃料有著鮮明的特點。比如，辛烷值高，抗爆震性好，可以適當(dāng)加大發(fā)動機壓縮比以提高發(fā)動機性能、降低油耗；汽化潛熱大，在發(fā)動機內(nèi)燃燒時溫度更低，有利于減少熱損失和降低NOx排放[3]。但是，甲醇十六烷值低，在壓燃式發(fā)動機上難以直接壓著火，需要其他的輔助手段幫助其著火燃燒[4]；甲醇的高著火濃度下限、低蒸汽壓力、高汽化潛熱都使得以甲醇為燃料的發(fā)動機冷啟動困難，容易產(chǎn)生甲醛及未燃甲醇排放[5]。盡管在內(nèi)燃機上燃用甲醇還存在著諸多問題需解決，但甲醇仍然被認為是最具潛力的替代燃料之一。

柴油機具有熱效率高、扭矩大、污染排放少及可靠性高等特點，在柴油機上燃用甲醇可以獲得更佳的節(jié)能減排效果。目前，在柴油機上燃用甲醇仍存在諸多技術(shù)難點亟需克服，本研究旨在對柴油機燃用甲醇技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，提出未來的研究方向，對我國發(fā)展甲醇替代燃料有一定的參考價值。

1 甲醇燃料介紹

1.1 甲醇的來源

甲醇原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝成熟，主要通過煤化工和天然氣合成，主要來源包括煤炭、天然氣、煤層氣及生物質(zhì)等。我國用于生產(chǎn)甲醇的煤炭大多是含硫量高的劣質(zhì)煤，生產(chǎn)成本低，同時在生產(chǎn)過程中可以脫硫，有利于保護環(huán)境，還可以得到硫磺、尿素等副產(chǎn)品。

1.2 甲醇的理化性質(zhì)

表1是甲醇與汽油、柴油的部分物性參數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)，甲醇汽化潛熱是柴油的四倍，蒸發(fā)過程會吸收更多熱量，降低缸內(nèi)平均溫度；甲醇自燃溫度高，難以直接壓燃，需要采取輔助手段幫助甲醇著火；甲醇分子量小，化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，碳氫比低，同時自身含氧，因此更容易完全燃燒，有利于減少CO和HC排放，并且在柴油機上燃用甲醇理論上可以完全不產(chǎn)生碳煙。

表1 甲醇與柴油的理化性質(zhì)對比

1.3 甲醇燃料面臨的問題

目前，甲醇用作內(nèi)燃機替代燃料仍然有著諸多難以避免的問題，包括甲醇本身具有毒性、對非金屬材料有腐蝕或溶脹作用、甲醇汽車?yán)鋯永щy以及非常規(guī)排放對環(huán)境的污染等。

(1)甲醇具有較高的汽化潛熱和較低的飽和蒸汽壓，當(dāng)汽車?yán)鋯訒r，甲醇蒸發(fā)困難，混合氣燃料濃度低，造成發(fā)動機冷啟動困難。此外，高汽化潛熱也使得甲醇蒸發(fā)會吸收大量熱量，不利于發(fā)動機低轉(zhuǎn)速、低負荷時的工作過程。

(2)甲醇具有腐蝕性，在作為車用替代燃料時會對油箱、燃油泵、油路等金屬零部件產(chǎn)生腐蝕作用。甲醇也會對潤滑油造成腐蝕，比如未燃甲醇會沿氣缸壁流入曲軸箱，一方面對稀釋了潤滑油膜，加劇運動部件間的磨損，另一方面甲醇燃燒產(chǎn)生的甲醛、甲酸等燃燒產(chǎn)物會與潤滑油發(fā)生反應(yīng)，對潤滑油壽命產(chǎn)生很大影響。此外甲醇對塑料、橡膠等非金屬部件也有溶脹作用。

(3)甲醇本身有一定毒性，除誤食外，吸入高濃度的甲醇蒸汽和經(jīng)皮膚吸收的甲醇液體一樣可以引起中毒，造成的不良影響主要是失明或死亡。但是通過加強管控，在規(guī)范操作條件下，可以有效控制其危害性[6]。

(4)相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，甲醇發(fā)動機會產(chǎn)生非常規(guī)排放，包括未燃甲醇、甲醛等，這類污染物對環(huán)境和人體都有一定的危害。

2 柴油機燃用甲醇技術(shù)

2.1 柴油甲醇雙直噴技術(shù)

柴油甲醇雙直噴技術(shù)采用高壓噴射的方法將甲醇作為主要燃料噴入壓燃式發(fā)動機燃燒室內(nèi)，用另一噴射系統(tǒng)噴射少量柴油作為引燃燃料[7]，雙噴射系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 雙噴射系統(tǒng)試驗機[8] 注：1-第一噴射泵;2-第二噴射器;3-第一高壓管;4-第一噴射器;5-第二高壓管;6-第一燃料管;7-第一燃料箱;8-第二噴射泵;9-第二燃料箱;10-第二燃料管;11-驅(qū)動輪;12-齒形帶。

吉林大學(xué)的方顯忠等[8]針對直噴壓燃式發(fā)動機用雙噴射系統(tǒng)燃用柴油甲醇時的性能和排放展開了試驗研究，發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機與原柴油機相比，煙度下降最大可達66%，NOx排放下降60%～70%左右，但CO和HC排放上升較多。該作者還比較了這套系統(tǒng)下燃用甲醇和乙醇的性能差異，認為燃用乙醇的發(fā)動機燃油經(jīng)濟性要更好，但是污染物排放均高于燃用甲醇[9]。

這種方法解決了甲醇難以壓燃的問題，并且可以精確調(diào)控兩種燃料的噴射量。缺點是部分污染排放物濃度較高；雙直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在現(xiàn)有柴油機上改造難度大、成本高，難以實施推廣。近年來對柴油甲醇雙直噴技術(shù)的研究逐漸稀少，研究重心轉(zhuǎn)向其他操作成本低、易實現(xiàn)的柴油機燃用甲醇技術(shù)方向上。

2.2 甲醇與柴油摻混燃燒技術(shù)

常見的甲醇與柴油摻混形式有甲醇柴油和乳化柴油，兩種摻混燃料均是由柴油、甲醇、添加劑按照一定比例經(jīng)過嚴(yán)格的流程調(diào)配而成[10-11]。國內(nèi)外均對柴油甲醇摻混技術(shù)進行過研究，結(jié)果表明利用乳化柴油替代普通柴油燃燒，可以有效降低NO和PM的排放，同時燃燒情況有所改善，發(fā)動機的熱效率得到了提高，動力性、經(jīng)濟型和排放指標(biāo)均有所提高[12-15]。

饒海生等[16]在D1110柴油機上燃用微乳化甲醇柴油，發(fā)現(xiàn)在不對發(fā)動機作參數(shù)調(diào)整的情況下，動力性和燃油消耗率對燃用純柴油無明顯差異，NOx、CO和碳煙排放均明顯下降。

Soni等[17-18]通過數(shù)值模擬的方法研究了甲醇摻混比、渦流比、廢氣再循環(huán)法和摻水法對排放的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲醇在柴油中占比從10%提高到30%，NO、CO和HC排放分別顯著降低了65%、68%和56%，同時也指出在燃料中摻入適量的水有利于降低NO、碳煙、CO和HC排放。

從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，甲醇柴油摻混燃料有著改善燃燒特性，降低污染物排放等優(yōu)勢，但缺點是難以長期保存，目前穩(wěn)定性好的甲醇柴油可以保存4個月不分層，而乳化柴油保存時間更短，而摻混比也不高，一方面現(xiàn)有技術(shù)下提高摻混比會影響混合燃料的穩(wěn)定性，另一方面甲醇占比的提高會使發(fā)動啟動性能變差，特別是低負荷工況下污染物排放增多[19]。

2.3 柴油甲醇組合燃燒技術(shù)

天津大學(xué)的姚春德等[20-21]柴油甲醇組合燃燒技術(shù)(DMCC)，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。其特點是根據(jù)發(fā)動機工況特性分段使用甲醇，即啟動時或低負荷下燃用純柴油，中高負荷時采用進氣道噴射甲醇，并在氣缸內(nèi)噴射柴油以引燃甲醇均質(zhì)混合氣，甲醇和柴油量由專用電控系統(tǒng)調(diào)控。

圖2 DMCC發(fā)動機系統(tǒng)原理圖

魏立江等[22]在一臺6缸帶有渦輪增壓中間冷卻的柴油機上研究了高甲醇摻混比柴油機的燃燒及排放特性，發(fā)現(xiàn)隨著甲醇摻混比例的增加，HC、CO、甲醛和NO2的排放明顯上升，而NOx和Soot的比例顯著減少，在經(jīng)過三元催化器之后，HC、CO和甲醛的排放均大大降低。

陳超等[23]在DMCC模式下，通過調(diào)整噴射時刻和排氣背壓并結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)可以拓展高負荷下的甲醇最大替代率，替代率最高可達66%～75%，同時NOx和Soot排放均大幅度降低。

Prashant等[24]發(fā)現(xiàn)這種組合燃燒方式可以同時減少柴油機碳煙和降低NOx排放，并且也避免了低負荷下燃用醇類燃料的高醛類污染物排放的問題。

Suresh等[25]在雙燃料發(fā)動機基礎(chǔ)上增加了電熱塞，并研究了甲醇燃料模式下發(fā)動機性能、排放和燃燒特性。結(jié)果表明，發(fā)動機在低負荷下性能得到了改善，HC、CO和顆粒物排放分別減少了69%，50%和9%。

柴油甲醇組合燃燒技術(shù)克服了甲醇稀混合氣在柴油機上難以直接壓燃的技術(shù)障礙，但是在中低負荷下主要燃料仍然是柴油，甲醇替代率有限。

2.4 甲醇均質(zhì)充量壓燃

均質(zhì)充量壓燃(HCCI)采用均質(zhì)混合氣的方式，在上止點附近將混合氣壓縮著火，這種燃燒方式具有傳統(tǒng)汽油機均質(zhì)混合氣的特點，又有傳統(tǒng)柴油機壓縮著火的特點，具有熱效率高、NOx排放低等優(yōu)點。國內(nèi)通常運用雙燃料法、廢氣再循環(huán)的方法控制甲醇HCCI燃燒，由于缺少直接控制著火時刻的手段，HCCI著火時刻的控制比由火花塞跳火時刻確定的汽油機著火和由噴油時刻控制的柴油機著火時刻困難的多[26-28]。

在目前的技術(shù)條件下，HCCI燃燒很難實現(xiàn)全工況運行：在發(fā)動機負荷較高時，均質(zhì)混合氣會在缸內(nèi)各處同時發(fā)生著火，燃燒速率非?？欤瑝毫ι呗嗜菀走^高，使得發(fā)動機發(fā)生爆震的可能性增加；在發(fā)動機負荷較低時，混合氣濃度低，缸內(nèi)平均溫度低，難以保證燃燒的穩(wěn)定進行，怠速及冷啟動等工況下容易發(fā)生“失火”[29]。因此關(guān)于甲醇HCCI發(fā)動機的研究多局限于實驗室中，未能發(fā)展到進行試點或道路試驗中。

2.5 火花塞點燃式直噴甲醇發(fā)動機

火花塞點燃式直噴甲醇發(fā)動機在缸內(nèi)加裝火花塞來輔助甲醇著火，其優(yōu)勢在于可以調(diào)整點火時刻來調(diào)控甲醇的燃燒過程。

洪斌等[30]將Phase110柴油機改造為高壓縮比火花塞點燃式甲醇發(fā)動機，研究EGR閥開度、點火提前角和混合氣濃度等參數(shù)對發(fā)動機油耗的影響規(guī)律。經(jīng)優(yōu)化后與原機進行性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)高壓縮比甲醇發(fā)動機的動力性超過原柴油機，高速工況下熱效率高于原柴油機。

而冷啟動性差是火花塞點燃式直噴甲醇發(fā)動機面臨的主要問題。Li等[31]在點燃式甲醇發(fā)動機上試驗研究了環(huán)境溫度和噴油量對冷啟動時的發(fā)動機的燃燒特性及HC排放的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對甲醇發(fā)動機的冷啟動能力影響最大，其次是每循環(huán)噴射的甲醇量。當(dāng)環(huán)境溫度低于16 ℃時，即使使用大量的甲醇在低噴射壓力下噴射，沒有輔助啟動輔助裝置也無法可靠地啟動甲醇發(fā)動機。該作者也進一步研究了進氣預(yù)熱對冷啟動特性的影響，認為進氣預(yù)熱和甲醇燃料預(yù)熱都不能保證甲醇燃料發(fā)動機在冷起動過程中的可靠燃燒，但電阻絲和電熱塞都能做到[32]。

宮長明等[33-34]通過數(shù)值模擬研究了冷啟動階段下進氣溫度、對混合氣形成、燃燒過程及非常規(guī)排放的影響，發(fā)現(xiàn)提高進氣溫度到20 ℃有利于改善甲醇燃燒，但進一步提高進氣溫度并不能達到更佳的效果。此外，該作者還對一臺1130直噴式柴油機進行了改進并加裝了火花塞后燃用M100甲醇燃料，試驗研究了不同轉(zhuǎn)數(shù)下整個負荷工況內(nèi)分層稀薄燃燒對性能、燃燒及排放的影響，發(fā)現(xiàn)直噴點燃式甲醇發(fā)動機分層稀薄燃燒在大負荷下經(jīng)濟性和排放性都比較好，但小負荷時的經(jīng)濟性和排放性較差[35]。

2.6 電熱塞助燃式直噴甲醇發(fā)動機

與火花塞相比，電熱塞能有效改善發(fā)動機的冷啟動性，Li等[36]通過對一臺壓縮比為15.5的單缸柴油機和一個靜態(tài)燃燒彈的實驗研究，探討了電熱塞助燃時柴油成功著火的原因，認為電熱塞是通過將局部溫度提高到413 ℃以上來使柴油著火。Yao等[37]也通過實驗探討了電熱塞輔助對柴油機的影響，認為電熱塞輔助燃燒過程的本質(zhì)是提高了缸內(nèi)局部溫度，并且也有引燃混合氣的作用。根據(jù)該原理，電熱塞被應(yīng)用于柴油機燃用高自燃溫度燃料，比如天然氣[38-40]、醇類燃料[41-42]等，以克服著火困難、冷啟動性差的問題。

甲醇自燃溫度高，造成甲醇發(fā)動機對電熱塞溫度要求較高，Kusaka等[43]研究了電熱塞助燃式甲醇發(fā)動機的著火及燃燒特性并指出電熱塞溫度必須保持在900 ℃以上才能避免低負荷下發(fā)生失火現(xiàn)象。因此，早期也有人專門針對電熱塞溫度展開過研究，希望通過采用新材料或表面催化涂層方法來得到滿足要求的電熱塞[44-45]。目前，隨著電熱塞技術(shù)的進步，電熱塞材料從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈杼沾?，電熱塞預(yù)熱溫度相應(yīng)地從900 ℃提高到了1 300 ℃以上[46-49]，使得電熱塞能夠滿足甲醇發(fā)動機對著火燃燒的溫度需求。

楊名華等[50]對雙缸柴油機上直噴壓燃方式燃燒純甲醇的燃燒特性進行了研究。根據(jù)甲醇燃料汽化潛熱大、自燃溫度高等特點，采用提高壓縮比和進氣加熱等措施，成功地使純甲醇在直噴壓燃方式下獲得了穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并且能有效地降低柴油機的NOx排放，燃油經(jīng)濟性與原機相當(dāng)。

王晉等[51]通過在1115單缸柴油機上加裝電熱塞、增大壓縮比和噴油泵直徑，實現(xiàn)了柴油機燃用純甲醇燃料，試驗后發(fā)現(xiàn)甲醇發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性均優(yōu)于原柴油機，并且NOx排放平均降低45%，高負荷下HC和CO排放平均降低70%，但中低負荷下高于原機。

高聰慧等[52]通過電熱塞助燃法，在ZS1115單缸柴油機上實現(xiàn)了M100純甲醇的擴散燃燒通過改變供油提前角，研究了不同供油提前角對甲醇發(fā)動機燃燒過程及排放的影響。研究表明：隨著供油提前角的增大,最大爆發(fā)壓力和壓力升高率增大，燃燒放熱始點提前，放熱峰值增大，且出現(xiàn)相位提前。供油提前角的變化對CO排放影響不大，對HC及NOx排放影響明顯，增大供油提前角，HC排放增多而NOx排放減少。

3 總結(jié)與展望

本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，綜述了柴油機燃用甲醇燃料的諸多技術(shù)手段，并分析了其性能與排放特性，指出了應(yīng)用過程中的難點和發(fā)展前景，為甲醇作內(nèi)燃機替代燃料研究領(lǐng)域提供思路與方法。結(jié)果表明，柴油機燃用甲醇后動力性、燃油經(jīng)濟性及排放特性都能有所提高，柴油機Soot和NOx排放均得到了顯著改善。但柴油機燃用甲醇也存在一些問題，包括冷啟動性差，低負荷下甲醛及甲醇等非常規(guī)污染物排放較高、燃油經(jīng)濟性較差，甲醇對金屬及非金屬有腐蝕性等問題。針對目前柴油機燃用甲醇技術(shù)所面臨的各種問題，開展以下幾方面的研究對進一步完善現(xiàn)有柴油機燃用甲醇技術(shù)、促進甲醇在柴油機上的實際應(yīng)用是十分有利的：

(1)排放物生成機理及控制方法。除了常規(guī)污染物以外，甲醛與未燃甲醇等非常規(guī)污染物排放的研究也非常重要。解決柴油機燃用甲醇時的排放問題，特別使冷啟動或低負荷運行時的高污染物排放問題。

(2)對甲醇反應(yīng)機理的研究，包括對甲醇與其他燃料混合燃燒和純甲醇燃燒機理的研究。明確甲醇燃燒特點，以幫助解決柴油機燃用甲醇時冷啟動難、著火不穩(wěn)定等問題。

(3)甲醇添加劑的研究，通過摻加添加劑來改變甲醇燃燒特性和物理特性，減小柴油機燃用甲醇的難度，提高甲醇替代燃料的適用性。