紀(jì)常偉， 辛 固， 汪碩峰， 楊金鑫， 孟 昊， 常 珂

(北京工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 北京 100124)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽油和柴油等常規(guī)燃料約占世界一次能源消耗的50%[1]以上. 2019年，中國(guó)原油進(jìn)口量達(dá)到5.057 2億t，石油進(jìn)口率超過(guò)70%，遠(yuǎn)超50%的國(guó)際能源安全警戒線[2]. 道路車輛能源消耗不僅是能源消耗的重要組成部分，也是溫室氣體排放的最重要的驅(qū)動(dòng)因素之一[3].

2016年通過(guò)的《巴黎協(xié)定》制定了具體的減排目標(biāo)，即：到2030年，將全球溫度上升限制在2 ℃以內(nèi)，并爭(zhēng)取控制在1.5 ℃以內(nèi)[4]. 在《巴黎協(xié)定》中，中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)承諾在2030年左右實(shí)現(xiàn)CO2排放達(dá)峰，并力爭(zhēng)早日達(dá)峰；將單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的CO2排放量比2005年降低60%～65%；并將非石化燃料在一次能源消費(fèi)中的比重提高到20%左右. 我國(guó)能源消耗和CO2排放分別占全球的23%和27%，低碳能源轉(zhuǎn)型和CO2減排對(duì)實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)至關(guān)重要[5].

可再生能源在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比僅為4.53%，煤炭和石油等化石能源的消費(fèi)比例仍然超過(guò)77.34%. 向可再生能源系統(tǒng)過(guò)渡是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，面臨著諸多挑戰(zhàn)，為了實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，應(yīng)同時(shí)包括幾個(gè)步驟，包括提高能源利用效率，減少一次能源消耗，最后使用可再生能源[6]. 風(fēng)能和太陽(yáng)能等間歇性可再生能源會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，將剩余電能轉(zhuǎn)化為可再生燃料是一種有前景的解決方案，它們既可以作為能源，也可以作為載體進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)和運(yùn)輸. 盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，也不應(yīng)低估內(nèi)燃機(jī)的潛力，以及在某些應(yīng)用場(chǎng)景下的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[7].

當(dāng)前，絕大部分車用燃料仍然來(lái)自于成熟技術(shù)生產(chǎn)的化石燃料，即化石能源在一次能源消費(fèi)中占比較高. 碳中和燃料是以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源為主要能量制取，包括各類醇、醚和生物柴油等合成燃料等. 零碳燃料可以通過(guò)可再生能源直接電解制取. 基于零碳電力的可再生燃料制取及推廣，可以提高可再生能源在一次能源消費(fèi)中的占比，從而使車輛動(dòng)力系統(tǒng)減少化石能源消耗，甚至可以脫離化石能源，實(shí)現(xiàn)燃料凈零碳排放. 可再生燃料是利用可再生能源通過(guò)電催化、光催化、熱催化等技術(shù)還原CO2，以合成碳中和燃料.

內(nèi)燃機(jī)可以使用的零碳燃料是氫氣和氨氣，碳中和燃料是甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚及生物燃料等. 本文簡(jiǎn)要介紹了具有代表性的各類零碳及碳中和燃料的發(fā)展背景及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了它們?cè)趬喝际桨l(fā)動(dòng)機(jī)和點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用技術(shù)，為內(nèi)燃機(jī)使用零碳及碳中和燃料提供了基本參考.

1 零碳燃料在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用

1.1 氫的燃燒特性及在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用

燃料的物化特性直接決定了其適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的類型，其中可燃極限、最小點(diǎn)火能量、淬火距離、自燃溫度和火焰速度等燃料特性直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能.

可燃極限給出了混合物中可燃?xì)怏w的比例. 空氣中4%的氫氣仍可以燃燒，與其他燃料相比，氫氣具有更廣的可燃性，這允許氫發(fā)動(dòng)機(jī)以稀混合氣工作，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)性. 同時(shí)由于稀燃條件下較低的燃燒速度，缸內(nèi)峰值溫度也會(huì)降低，因而以稀混合氣運(yùn)行的氫發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放減少. 表1總結(jié)了氫氣及其他常用替代燃料的物化性質(zhì).

表1 各類燃料的物化性質(zhì)

最小點(diǎn)火能量是點(diǎn)燃?xì)怏w混合物所需要的最小能量. 在大氣條件下，氫/空氣混合物的最小點(diǎn)火能量比異辛烷/空氣和甲烷/空氣的混合物低一個(gè)數(shù)量級(jí). 空氣中22%～26%的氫氣僅需要0.017 mJ即可點(diǎn)燃[8]. 具有較低的最小點(diǎn)火能量使氫發(fā)動(dòng)機(jī)能夠點(diǎn)燃稀混合氣并確保迅速啟動(dòng). 但是較低的最小點(diǎn)火能量也會(huì)增加燃燒室中的混合氣被其他熱源點(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn).

淬火距離是可燃混合氣火焰在熄滅前可以靠近氣缸壁的距離，距離越小，火焰越難熄滅. 氫氣的淬火距離為0.64 mm，而甲烷是2.03 mm，異辛烷是3.50 mm[9].

自燃溫度是確定發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的重要參數(shù)，奧托循環(huán)中壓縮之后的溫升與壓縮比有關(guān)，并且受到壓縮比的限制，氫氣較高的自燃溫度允許更高的壓縮比，為進(jìn)一步提升熱效率提供了可能.

在化學(xué)計(jì)量條件下氫氣的火焰速度更快，與甲烷和異辛烷分別為0.38 m/s、0.38～0.43 m/s相比，氫氣的火焰速度為1.85 m/s[10]，高火焰速度使氫發(fā)動(dòng)機(jī)更接近于理想的熱力循環(huán).

1.1.1 氫在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

受益于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)成熟的制造工藝和成本優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)氫內(nèi)燃機(jī)使用進(jìn)氣道燃料噴射系統(tǒng)(port fuel injection, PFI). 福特公司[11]研究了6.8L V10和2.3L L4氫發(fā)動(dòng)機(jī). 結(jié)果表明，增壓氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的水平. Verhelst等[12]開發(fā)的GM 7.4L V8增壓氫發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩相較于自然吸氣氫發(fā)動(dòng)機(jī)提高了60%. 他們還探索了化學(xué)計(jì)量條件下廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)技術(shù)的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，峰值功率提高30%[13].

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)同樣進(jìn)行了較多研究. 楊振中等[14]針對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的異常燃燒問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了針對(duì)回火的控制策略. Ma等[15]對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火正時(shí)和噴射策略對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及氮氧化物(oxides of nitrogen，NOx)排放影響較大. Xu等[16]研究了進(jìn)氣加濕和缸內(nèi)噴水對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣加濕和缸內(nèi)噴水可以顯著降低NOx排放.

容積效率和異常燃燒限制了氫發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值功率輸出，表2對(duì)比了氫氣與汽油的能量及容積效率. PFI氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣混合物中大量氫氣置換空氣，導(dǎo)致容積效率下降. 若按體積計(jì)算化學(xué)計(jì)量條件下氫氣和汽油混合物，其中氫氣占據(jù)30%的空氣體積，而汽油僅占2%，因此，相較于相同運(yùn)行條件的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)， PFI氫發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率僅為汽油機(jī)的83%. 受異常燃燒的限制，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率將顯著低于83%. 對(duì)于直噴氫發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣門關(guān)閉后將氫氣與空氣混合，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值輸出功率可比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提高15%. 然而，受制于缸內(nèi)直噴氫氣噴嘴的限制，直噴系統(tǒng)仍處于研究階段.

表2 氫氣和汽油的能量和容積效率比較[16]Table 2 Energy and volumetric efficiency comparison of hydrogen and gasoline[16]

1.1.2 氫在轉(zhuǎn)子機(jī)中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)子機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)，設(shè)計(jì)緊湊，功重比高，在某些領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景. 日本馬自達(dá)公司對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)進(jìn)行了商業(yè)化生產(chǎn). 由于轉(zhuǎn)子機(jī)狹長(zhǎng)的燃燒室導(dǎo)致其面容比大，燃燒效率低和污染物排放高. 然而，由于氫氣較快的燃燒速度及寬泛的燃燒界限，使得轉(zhuǎn)子機(jī)更適合使用氫氣，這可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限及污染物排放水平. 馬自達(dá)自20世紀(jì)90年代開始研制氫轉(zhuǎn)子機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，使用了缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了高功率和低NOx排放，同時(shí)提高了熱效率. Wakayama等[17]采用了稀燃、三元催化器和廢氣再循環(huán)等策略. Salanki等[18]提出了將轉(zhuǎn)子機(jī)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的設(shè)想，并對(duì)混合動(dòng)力汽車應(yīng)用的氫轉(zhuǎn)子機(jī)進(jìn)行了研究.

近年來(lái)，Chen等[19]和Fan等[20]采用數(shù)據(jù)模擬的方法研究了轉(zhuǎn)子機(jī)的燃燒過(guò)程. 研究發(fā)現(xiàn)摻氫可以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高缸?nèi)壓力. Ji等[21]和Yang等[22]對(duì)純氫和摻氫正丁醇轉(zhuǎn)子機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究. 他們發(fā)現(xiàn)，氫氣的添加明顯提高了混合燃料的燃燒速度，改善了循環(huán)變動(dòng)，降低了CO和HC排放水平，同時(shí)拓寬了稀燃極限，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率.

1.1.3 氫在CI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)由于其壓縮比高、無(wú)節(jié)流損失等特點(diǎn)，具有熱效率高、功重比大等優(yōu)良特性. 然而，由于氫氣的自燃溫度較高，在常規(guī)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中無(wú)法穩(wěn)定工作. 長(zhǎng)期以來(lái)，將氫應(yīng)用于CI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究從未中斷. 早在1978年，Homan等[23]就試圖將純氫應(yīng)用于CI發(fā)動(dòng)機(jī)，受限于氫氣較高的自燃溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)僅能在極窄的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，即使壓縮比達(dá)到29∶1，也無(wú)法解決工作范圍受限的問(wèn)題.

如圖1所示，通過(guò)噴入柴油并引燃?xì)?空氣混合物的方式，使氫氣應(yīng)用于CI發(fā)動(dòng)機(jī)成為可能. Varde等[25]將少量氫氣供入進(jìn)氣道，用以減少柴油機(jī)的碳煙排放. 結(jié)果表明，在部分負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放降低50%；在全負(fù)荷時(shí)，碳煙排放降低了17%. Lilik等[26]觀察到氫/柴油混合燃料運(yùn)行時(shí)NOx排放增加，其中NO排放減少，NO2排放增加了，原因是主燃燒過(guò)程中存在未燃燒的氫氣，這增強(qiáng)了NO向NO2的轉(zhuǎn)化[27]；此外，氫氣添加顯著減少了HC、CO和CO2[28]. 在較高負(fù)荷時(shí)，氫氣的添加對(duì)柴油的燃燒過(guò)程有明顯的影響，峰值缸壓和峰值放熱率急劇增加，相較于柴油，這有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[29]. 通過(guò)雙燃料技術(shù)，可以將氫氣應(yīng)用于高效的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，這也為使用二甲醚和生物柴油等碳中和燃料與氫氣混合使用提供了參考.

圖1 CI發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用氫和柴油[24]Fig.1 Use of diesel and hydrogen fuels in a CI engine[24]

廢氣再循環(huán)是一種有效降低NOx排放的技術(shù)，也是抑制氫/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的一種實(shí)用方法[30]. 但是，EGR的使用可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率的降低，并且這種影響隨著EGR率的增加而增加；此外，增加EGR率還可能造成CO、HC和碳煙排放的增加. 與柴油相比，氫氣添加及EGR的雙燃料運(yùn)行仍能降低排放并提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能.

研究人員對(duì)將氫/柴油雙燃料實(shí)現(xiàn)均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)具有濃厚的興趣. Guo等[31]研究了摻氫柴油實(shí)現(xiàn)HCCI的效果. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻氫縮短了燃燒持續(xù)期，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率. 在較低EGR率和稀燃條件下的熱效率明顯高于高EGR率及化學(xué)計(jì)量比下發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率. Park等[32]研究了氫氣添加和EGR對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并與柴油預(yù)混充量壓縮點(diǎn)火(premixed charge compression ignition，PCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較高氫氣比例推遲了燃燒相位，氫氣比例為70%時(shí)，HC和CO的排放顯著降低，NOx的排放與PCCI模式的排放水平相近.

1.2 氨在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用

氨是一種無(wú)色氣體，有強(qiáng)烈的刺激性氣味. 大氣條件下的自燃溫度為930 K，辛烷值為130，汽化潛熱很高. 圖2展示了各種可燃物及電池的能量密度，作為一種零碳燃料，氨的能量密度比液氫高出70%，比70 MPa的壓縮氫氣高出2倍多. 氨的挑戰(zhàn)在于其并不易燃，燃燒速度極慢. 氨正在逐漸受到關(guān)注，尤其是在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中具有潛在前景.

圖2 可燃物及電池的體積及質(zhì)量能量密度[25]Fig.2 Gravimetric and volumetric energy density of combustible materials and batteries[25]

圖3展示了氨在點(diǎn)燃式和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的形式. 早在1822年，Goldswor和Gureney等提出開發(fā)一種氨內(nèi)燃機(jī)用于驅(qū)動(dòng)小型汽車的想法[33]. 意大利的Amonia Casle公司將該設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，并于1935—1936年間申請(qǐng)了相關(guān)專利. 第二次世界大戰(zhàn)期間，由于柴油供應(yīng)緊張，比利時(shí)工程師[34]將氨/煤氣混合氣應(yīng)用于CI發(fā)動(dòng)機(jī)，這次成功的應(yīng)用說(shuō)明了氨作為燃料的可能性. 20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用汽車公司[35]對(duì)氨在SI內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)比研究了汽油和氨在相同工況下的性能. 研究發(fā)現(xiàn)，氨燃燒的性能明顯低于汽油燃燒性能，最大功率僅為汽油的17.5%，最大熱效率僅為汽油的38%，主要原因是氨的火焰速度較慢. 針對(duì)氨的燃燒特性，通用汽車公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造. 首先，針對(duì)氨最小著火能量高的問(wèn)題，改進(jìn)了點(diǎn)火系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)火，增加壓縮比并使用增壓技術(shù)，最后向燃料中添加促進(jìn)劑改善燃燒. 最終實(shí)現(xiàn)了氨發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率超過(guò)自然吸氣汽油機(jī).

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用氨的形式Fig.3 Forms of ammonia used in engines

Starkman等[36]對(duì)氨燃料應(yīng)用于CI內(nèi)燃機(jī)的性能進(jìn)行了探究. 由于氨極高的自燃溫度，即使在壓縮比為30∶1、轉(zhuǎn)速超過(guò)1 200 r/min時(shí)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)壓燃，因此必須借助火花塞輔助點(diǎn)燃[37]. 美國(guó)西南研究院的Gray等[38]通過(guò)提高進(jìn)氣和冷卻水溫度，并增大壓縮比至35∶1，實(shí)現(xiàn)了較大范圍的氨壓燃. 為了實(shí)現(xiàn)正常壓縮比下氨燃燒，他們提出了若干技術(shù)路線：

1) 噴射燃料引燃預(yù)混氨/空氣；

2) 使用燃料添加劑；

3) 進(jìn)氣道引入其他不同的氣體；

4) 在內(nèi)燃機(jī)上安裝其他機(jī)械裝置.

后續(xù)基于氨為主燃料的研究基本都沿著Gray等提出的技術(shù)路線進(jìn)行. 由于氨在內(nèi)燃機(jī)中的表現(xiàn)，在20世紀(jì)80年代針對(duì)氨作為內(nèi)燃機(jī)燃料的研究陷入低潮. 直到21世紀(jì)初，隨著能源緊缺、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題的困擾，作為無(wú)碳燃料的氨再次引起研究者的興趣. 與早期研究不同，民用領(lǐng)域受制于日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，不僅關(guān)注氨內(nèi)燃機(jī)的性能，更關(guān)注于其排放性能.

2008年Reiter等[39]對(duì)柴油引燃進(jìn)氣道噴氨的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了研究. 研究發(fā)現(xiàn)，在氨能量占比在40%～80%時(shí)，能夠獲得合理的燃料經(jīng)濟(jì)性和95%的燃燒效率. 氨摻混比例超過(guò)60%后，NOx排放物相對(duì)于柴油有所降低. 作者認(rèn)為，引入氨降低了缸內(nèi)燃燒溫度，盡管這會(huì)增加燃料型NOx的生成，但會(huì)顯著降低熱力型NOx的生成；缸內(nèi)溫度的降低導(dǎo)致了較高的HC和NH3排放. Niki等[40]在一臺(tái)壓縮比為20∶1的柴油機(jī)上進(jìn)行了摻氨研究，結(jié)果證實(shí)了Reiter等的結(jié)論，同時(shí)認(rèn)為氨燃燒的N2O排放可以通過(guò)提高缸內(nèi)溫度來(lái)促進(jìn)其分解. 同時(shí)，他們認(rèn)為可以通過(guò)燃料多次噴射控制NO和NH3排放處于同一水平，從而使其在選擇性催化還原器(selective catalytic reactor,SCR)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不過(guò)N2O不能在SCR反應(yīng)中消除[41].

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，單獨(dú)使用氨作為內(nèi)燃機(jī)的主燃料仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須引入添加劑來(lái)提升氨的燃燒性能[42].

2011年M?rch等[43]使用多燃料研究(cooperative fuel research, CFR)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)摻氫摩爾分?jǐn)?shù)為5%～100%、過(guò)量空氣系數(shù)0.85～1.35和壓縮比6.23～13.58的摻氫氨的燃燒性能進(jìn)行了詳細(xì)研究. 結(jié)果表明由于混合氣的抗爆性遠(yuǎn)高于汽油，可以通過(guò)提高壓縮比提升輸出功率和熱效率，并且在摻混10%的氫氣時(shí)得到最好的性能. NOx排放隨著當(dāng)量比的變化而變化，高摻氫比、過(guò)量空氣系數(shù)在1.3～1.4時(shí)NOx排放最高. 作者認(rèn)為這是由于氫氣燃燒產(chǎn)生較高的溫度從而提升了熱力型NOx的生成，點(diǎn)火角對(duì)NOx的排放影響較小，這說(shuō)明燃料型NOx占據(jù)主導(dǎo)地位[44].

另外，有研究者提出利用發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣余熱對(duì)氨進(jìn)行裂解，實(shí)現(xiàn)車載制氫. Ezzat等[45]提出了一種車載制氫方案，利用尾氣余熱驅(qū)動(dòng)溫差發(fā)電器，產(chǎn)生電能供給氨電解電池，從而產(chǎn)生氫氣供應(yīng)給氨/氫發(fā)動(dòng)機(jī)，其最高效率能夠達(dá)到31.1%. 比薩大學(xué)的Frigo等[46]開發(fā)出了一套可以利用尾氣余熱將NH3進(jìn)行熱解的催化反應(yīng)器，使用化學(xué)計(jì)量比的NH3/H2燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在3 000 r/min以上，在低負(fù)荷和高負(fù)荷下的熱效率高于汽油燃料，并且NOx排放低于汽油燃料[47].

近期，Lhuillier等[48]在一臺(tái)改裝的SI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了NH3/H2的研究. 圖4展示了不同工況下的指示平均有效壓力(indicated mean effective pressure, IMEP). 研究發(fā)現(xiàn)，15%摻氫分?jǐn)?shù)的NH3/H2燃料的指示熱效率、循環(huán)變動(dòng)和NOx排放與CH4燃料接近. 當(dāng)量比偏稀附近燃燒可以使NOx和NH3排放處于一個(gè)數(shù)量級(jí)，有助于使用現(xiàn)有的后處理系統(tǒng)進(jìn)行處理. Ji等[49]研究了少量氨氣對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果表明，氨氣能夠顯著降低氫氣燃燒速率，并提高其輸出功率.

圖4 指示平均有效壓力[48]Fig.4 Net indicated mean effective pressure[48]

2 碳中和燃料在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用

碳中和燃料是指利用捕集的二氧化碳與氫氣經(jīng)化學(xué)合成制取的甲醇、乙醇、丁醇、二甲醚等燃料，同時(shí)也包括利用生物質(zhì)制取的生物燃料. 生物燃料在生產(chǎn)過(guò)程中消耗了CO2，從而實(shí)現(xiàn)了全生命周期過(guò)程中的碳中和，因此也可以成為碳中和燃料，如圖5所示.

圖5 內(nèi)燃機(jī)使用碳中和燃料的排放Fig.5 Emissions from the use of carbon neutral fuels in internal combustion engines

2.1 甲醇及摻氫甲醇內(nèi)燃機(jī)

甲醇是使用最廣泛的化學(xué)品之一，已經(jīng)具備大規(guī)模的生產(chǎn)能力和基礎(chǔ)設(shè)施. 近年來(lái)，甲醇越來(lái)越多地應(yīng)用于能源領(lǐng)域，每年大約有2 000萬(wàn)t甲醇用作燃料或燃料混合物[50]. 我國(guó)煤炭資源豐富，石油資源匱乏，因此促進(jìn)了甲醇的生產(chǎn)和推廣. 研究表明，我國(guó)甲醇生產(chǎn)能力可以滿足我國(guó)一半的道路運(yùn)輸燃料需求. 我國(guó)在多個(gè)城市進(jìn)行了甲醇汽車的試點(diǎn)推廣，表3具體展示了在各個(gè)城市試運(yùn)營(yíng)的車輛及行駛里程.

表3 甲醇汽車試點(diǎn)項(xiàng)目[51]

甲醇具有的理化性質(zhì)使其非常適用于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，例如：汽化潛熱高、能量密度大、化學(xué)計(jì)量空燃比低、火焰速度快、燃燒溫度低、高氫碳比、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為液態(tài)[52]. 研究表明，單位體積的甲醇中的氫含量比液氫多40%，而液氫的密度大約是70 MPa氫氣的2倍，并且甲醇不存在運(yùn)輸及存儲(chǔ)方面的問(wèn)題，使其成為具有前途的代用燃料[53].

2.1.1 純甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

20世紀(jì)90年代，美國(guó)西南研究院提出了高壓縮比方案，為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展開辟了新思路. 研究發(fā)現(xiàn)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值效率達(dá)到43%，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在更寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)保持超過(guò)40%的效率[54]. Nakata等[55]在使用甲醇在高壓縮比(13∶1)的汽油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，相較于汽油，峰值扭矩提升20%，全負(fù)荷熱效率從31.7%提升到39.6%.

甲醇更高的燃燒速度和更寬的燃燒極限為采用更靈活的負(fù)荷控制提供了可能. 研究人員針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了稀燃操作，結(jié)果表明相對(duì)于化學(xué)計(jì)量的燃料，稀燃條件下的熱效率提升了14%. 采用EGR配合無(wú)節(jié)氣門操作(wide-open throttle，WOT)，也可以獲得較高的熱效率[55]. 根特大學(xué)的研究人員將一臺(tái)1.9 T的柴油機(jī)改裝為火花點(diǎn)火甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，比較了冷卻EGR對(duì)其性能的影響. 研究結(jié)果表明，無(wú)論是峰值熱效率還是部分負(fù)荷的熱效率，使用EGR+WOT操作時(shí)的熱效率明顯高于使用節(jié)流的化學(xué)計(jì)量策略[56].

由于甲醇具有吸水性，如果允許甲醇燃料含水，在經(jīng)濟(jì)上具有一定的吸引力. Sileghem等[57]研究了含水甲醇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明含水甲醇與純甲醇具有基本相同的有效熱效率，略高于汽油燃料. 與純甲醇相比，含水混合燃料的NOx排放降低.

2.1.2 甲醇/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

甲醇是一種良好的辛烷值促進(jìn)劑，這為使用低辛烷值碳?xì)淙剂咸峁┝丝赡?，并使整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的碳排放減少.

Xie等[58]對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了改裝，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 研究表明，在1 400 r/min、滿負(fù)荷時(shí)，調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)為上止點(diǎn)前(before top dead centre，BTDC)18°、15°和12°，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)均能穩(wěn)定運(yùn)行而不發(fā)生爆震. Gong等[59-60]研究了噴射和點(diǎn)火正時(shí)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載等對(duì)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的影響. 結(jié)果表明，這些因素顯著影響了甲醇燃燒，并且循環(huán)變化系數(shù)在最佳噴射和點(diǎn)火時(shí)刻達(dá)到最小. Gong等[61]還研究了壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響，壓縮比由14∶1增加到16∶1時(shí)，有效熱效率提高了16%；他們還發(fā)現(xiàn)了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒. Li等[62]研究了噴射和點(diǎn)火正時(shí)對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放的影響. 結(jié)果表明，直噴式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠形成分層分布的非均勻混合氣，具有最佳的噴射和點(diǎn)火正時(shí)，可以獲得良好的性能和較低的排放. Zhen等[63-64]采用數(shù)值模擬的方法研究了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，研究發(fā)現(xiàn)，采用高的EGR率和較早的點(diǎn)火正時(shí)，表現(xiàn)出較好的熱效率.

2.1.3 甲醇/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

較高的自燃溫度限制了甲醇在CI發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，通過(guò)使用雙燃料策略可以將其運(yùn)用于CI發(fā)動(dòng)機(jī). 使用甲醇/柴油混合物的方式具有吸引力，但需要克服甲醇與柴油的互溶問(wèn)題[65]，尤其是較高餾分的甲醇混合燃料，需要添加乳化劑或者助溶劑. 為了改善甲醇較低的體積能量密度，還需要對(duì)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.

房晟等[66]研究了不同海拔下?lián)酱急壤龑?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)的影響，如圖6所示，在高海拔下，較高的替代率在高海拔下的循環(huán)變動(dòng)更小，說(shuō)明含氧燃料在高海拔條件下的優(yōu)勢(shì)，然而在低海拔下，甲醇較小的能量密度及混合均勻性等問(wèn)題，導(dǎo)致其循環(huán)波動(dòng)較高.

圖6 甲醇替代率對(duì)指示平均有效壓力循環(huán)變動(dòng) 的影響[66]Fig.6 Effect of methanol substitution rate on engine COVIMEP[66]

研究結(jié)果表明，相較于柴油，在低負(fù)荷時(shí)雙燃料的熱效率略有下降，高負(fù)荷時(shí)略有增加[67]. 針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)較高的NOx和PM排放，人們更關(guān)注添加甲醇對(duì)其排放的影響. Wei等[68]研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)負(fù)荷和運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，雙燃料策略都減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，并且隨著甲醇添加比例的增加，最高降幅達(dá)到了50%. 添加甲醇對(duì)于改善顆粒物排放同樣具有較好的效果，因?yàn)榧状疾缓紵N，沒有C—C鍵，并且甲醇通過(guò)預(yù)混方式供給，不存在局部富集區(qū). 甲醇較高的汽化潛熱，導(dǎo)致點(diǎn)火延遲增加，使柴油有更多的時(shí)間蒸發(fā)并與空氣混合，使得碳煙降幅達(dá)到80%. 不幸的是，隨著甲醇比例的增加，CO和HC的排放增加[69].

2.1.4 甲醇摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)

氫氣具有較高的擴(kuò)散速度、火焰速度和寬的可燃極限，因此，富氫燃燒對(duì)于改善甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是有利的. Ji等[70]研究了部分負(fù)荷條件下加氫對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，加氫后，循環(huán)變動(dòng)得到改善，有效熱效率得到提升，HC和CO排放降低，NOx在稀薄條件下有效減少.

2.1.5 甲醇燃料面臨的挑戰(zhàn)及改進(jìn)方向

盡管甲醇具有諸多益處，但是它的毒性和安全問(wèn)題成為阻礙其使用的主要障礙之一. 研究表明，醇類毒性基本相當(dāng)，致命計(jì)量為1～2 mL/kg，正常體質(zhì)量范圍，相當(dāng)于60～240 mL，可以通過(guò)混合添加劑，避免意外攝入甲醇.

另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自于甲醇的材料兼容性，在所有的醇類中，甲醇的腐蝕性最強(qiáng). 通常輕質(zhì)醇對(duì)鎂、鋁、銅具有極強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)鋼鐵和其他黑色金屬的影響較小[71]. 這需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)進(jìn)行修改，避免金屬及橡膠密封件等可能受到甲醇腐蝕的影響.

混合較高比例的甲醇汽油的冷啟動(dòng)長(zhǎng)期以來(lái)具有挑戰(zhàn)性. 針對(duì)甲醇燃料的冷啟動(dòng)性，最新的解決方案是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，包括進(jìn)氣加熱、優(yōu)化氣門正時(shí)、提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、多火花塞點(diǎn)火、分層燃燒等[72-73].

2.2 乙醇及摻氫乙醇內(nèi)燃機(jī)

2.2.1 乙醇在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

醇類的抗爆性是相對(duì)于其他烴類燃料的主要優(yōu)勢(shì)之一，這允許醇類燃料以更高的壓縮比運(yùn)行，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，相較于汽油，乙醇具有更高的汽化潛熱和火焰速度，這有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率. 巴西憑借良好的產(chǎn)業(yè)條件率先推廣了乙醇汽油，美國(guó)以及歐洲部分國(guó)家也在逐步推廣，表4展示了主要國(guó)家推廣的乙醇汽油.

Celik[74]研究了乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，發(fā)現(xiàn)對(duì)于10∶1的壓縮比，即使在全負(fù)荷條件下使用E50也不會(huì)發(fā)生爆震，并且提高了熱效率. Park等[75]研究了使用乙醇及乙醇重整氣體的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，結(jié)果表明由于乙醇的汽化潛熱較高，進(jìn)氣歧管溫度降低，排氣溫度降低，冷卻損失減少了. Ozsezen等[76]研究了WOT條件下的乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)與汽油相比，乙醇汽油提高了燃燒效率. 他們還發(fā)現(xiàn)低含量乙醇汽油沒有顯示任何冷啟動(dòng)及運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題. Turner等[77]研究了乙醇汽油在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特性. 他們發(fā)現(xiàn)乙醇的加入改變了混合燃料的蒸發(fā)特性，乙醇有助于提高火焰速度，增強(qiáng)了燃燒的穩(wěn)定性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率. Schifter等[78]研究了含水乙醇與汽油混合燃料的燃燒特性，結(jié)果表明，含水乙醇可以提高缸內(nèi)壓力并降低進(jìn)氣溫度，燃燒效率未受到含水量的影響. Venugopal等[79]在PFI發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行了含水乙醇汽油混合物(E10)的實(shí)驗(yàn)研究. 結(jié)果表明在部分負(fù)荷下提升了功率輸出，由于較高的火焰速度和更寬的可燃極限，循環(huán)變動(dòng)降低了. Yoon等[80]研究了乙醇汽油在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特性. 結(jié)果表明乙醇的添加增加了容積效率，提高了缸內(nèi)壓力，降低循環(huán)變動(dòng)系數(shù).

研究表明[81]，添加乙醇降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放，有研究人員[82]報(bào)道E60相較于E10，CO降低了80%，此外，含水乙醇燃料導(dǎo)致CO排放略有增加. 針對(duì)NOx排放的研究沒有一致性，可以確定的是含水乙醇可以有效降低NOx排放[83]. 很顯然，添加乙醇降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的未燃碳?xì)涞呐欧臶84]. 對(duì)于非常規(guī)污染物排放，乙醇燃料的乙醛和甲醛的排放量隨著水含量的增加而增加，隨著負(fù)荷的增加而減少，而芳烴、苯、甲苯、乙苯和二甲苯等污染物的排放降低[85].

2.2.2 乙醇在CI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

乙醇應(yīng)用于柴油機(jī)面臨著幾個(gè)問(wèn)題：

1) 乙醇的低熱值比柴油低；

2) 難以將大量乙醇與柴油混合，并且長(zhǎng)時(shí)間放置不穩(wěn)定；

3) 乙醇的十六烷值非常低，啟動(dòng)困難；

4) 乙醇的潤(rùn)滑性較差.

由于乙醇的低熱值遠(yuǎn)低于柴油，因而摻入乙醇的混合燃料的能量降低，隨著混合燃料中乙醇含量的增加，在相同的輸出功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要消耗更多的燃料[86-87].

Parthasarathi等[86]對(duì)使用柴油和乙醇柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于柴油，使用E05燃料增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率，隨著乙醇的進(jìn)一步增加，有效熱效率降低，但仍高于純柴油. 他們還發(fā)現(xiàn)，純柴油與混合燃料的有效熱效率隨著負(fù)荷的增加而增大. 這是由于乙醇的十六烷值較低，增加了點(diǎn)火延遲，導(dǎo)致更多的燃料可以蒸發(fā)，促進(jìn)了熱量的釋放，從而提高了有效熱效率[88].

Taghizadeh-Alisaraei等[89]在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率隨著乙醇含量的增加而增大. 這是因?yàn)橐掖贾械难醮龠M(jìn)了燃燒，同時(shí)，乙醇較高的汽化潛熱增加了容積效率.

CI發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放是最重要的限制因素，其形成主要取決于缸內(nèi)溫度和氧氣濃度. Parthasarathi等[86]研究發(fā)現(xiàn)乙醇柴油的NO排放與柴油基本相同或者略低. 乙醇- 柴油乳化燃料的NOx排放減少，并隨著乙醇的增加而降低. NOx排放減少的原因在于乙醇的低熱值產(chǎn)生了降溫效果，但是這種效果因乙醇中氧的存在而削弱，并且點(diǎn)火延遲的增加導(dǎo)致了更長(zhǎng)的時(shí)間形成NOx.

He等[90]研究發(fā)現(xiàn)，與柴油相比，乙醇柴油的CO排放增加了，這是由于乙醇較高的汽化潛熱和較低的燃燒溫度造成的.

幾乎所有的研究者均得出結(jié)論，乙醇柴油增加了HC的排放. 由于乙醇較高的汽化潛熱，降低了循環(huán)溫度，造成更多的燃料未燃燒，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加[91- 92].

2.3 丁醇及摻氫丁醇內(nèi)燃機(jī)

丁醇的腐蝕性很小，因而可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的改造更少. 長(zhǎng)期以來(lái)，由于長(zhǎng)鏈醇的生產(chǎn)工藝復(fù)雜而難以推廣，然而隨著技術(shù)進(jìn)步使得丁醇的生產(chǎn)更加方便，使用丁醇作為代用燃料成為可能.

2.3.1 丁醇在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

Elfaskhany等[93]在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中使用0%、3%、7%和10%的正丁醇- 汽油混合燃料. 研究結(jié)果表明添加丁醇顯著增強(qiáng)了燃燒. 但是正丁醇的加入使缸內(nèi)壓力和廢氣溫度略有降低，因?yàn)檎〈嫉臒嶂岛惋柡蛪毫Φ陀谄? Singh等[94]使用5%～70%等不同比例的丁醇混合物與汽油進(jìn)行了對(duì)比. 研究發(fā)現(xiàn)，混合燃料的放熱更晚，燃燒持續(xù)期相較于汽油更長(zhǎng)，但是在較高負(fù)荷時(shí)持續(xù)時(shí)間縮短. Sayin等[95]還對(duì)使用異丁醇燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明，隨著異丁醇比例的增加，缸內(nèi)壓力增大，異丁醇的加入使缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱比汽油更早. He等[96]采用獨(dú)立的進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴系統(tǒng)對(duì)丁醇混合燃料進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明噴射方式影響燃燒過(guò)程，總體上高丁醇比例提高了燃燒穩(wěn)定性. 陳征等[97]研究了正丁醇摻混比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震強(qiáng)度的影響，如圖7所示，隨著正丁醇比例的增加，平均爆震強(qiáng)度也隨之增加. Wei等[98]在直噴汽油機(jī)中使用正丁醇混合燃料進(jìn)行了爆震研究. 研究發(fā)現(xiàn)正丁醇具有更好的耐爆震性，將爆震限制點(diǎn)火正時(shí)從27°提前到32°，爆震振蕩頻率取決于燃燒室共振模式. 他們還研究了EGR對(duì)正丁醇爆震燃燒的影響. 結(jié)果表明，EGR可以降低爆震強(qiáng)度和延遲爆震開始時(shí)間，并且對(duì)缸內(nèi)壓力的影響可以忽略不計(jì)，這表明在高進(jìn)氣壓力和高壓縮比的直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)中使用EGR可以有效抑制爆震并穩(wěn)定燃燒. Zhang等[99]對(duì)比分析了乙醇- 汽油和丁醇- 汽油的抗爆性，結(jié)果表明乙醇的抗爆性高于丁醇.

圖7 正丁醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)平均爆震強(qiáng)度的影響[97]Fig.7 Effect of n-butanol volume fraction on average knock intensity[97]

Gravalos等[100]研究了醇類燃料的排放性. 結(jié)果表明，醇類汽油混合物可以減少CO排放. 這是由于醇類燃料增強(qiáng)了燃燒，使CO更多地轉(zhuǎn)化為CO2，從而降低了CO. HC的排放隨著丁醇比例的增加同樣減少，這也得益于醇類中氧的存在促進(jìn)了燃燒過(guò)程[101]. 研究表明，丁醇或者其他醇類的加入，同樣降低了NOx排放，這是因?yàn)檩^高的汽化潛熱產(chǎn)生了降溫效果，降低了缸內(nèi)溫度，從而抑制了NOx的生成[102-103].

2.3.2 丁醇在CI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用丁醇具有多種方式，例如純丁醇、進(jìn)氣道噴射與直噴相結(jié)合的雙噴射、丁醇與柴油混合直噴等.

丁醇進(jìn)氣道噴射結(jié)合柴油直噴，并配以EGR策略[104]，可以有效地控制碳煙排放水平，但是較高比例丁醇會(huì)增加HC和CO的排放，并導(dǎo)致熱效率的降低[105]. 李臨蓬等[106]研究了汽油和正丁醇摻混柴油對(duì)部分預(yù)混壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，結(jié)果如圖8所示，碳煙和NOx排放之間存在較強(qiáng)的trade-off關(guān)系. 研究發(fā)現(xiàn)[107]，丁醇含量的增加降低了十六烷值，從而延長(zhǎng)了點(diǎn)火延遲，這增加了預(yù)混燃燒階段，峰值放熱率和峰值缸壓均略有增加. 隨著丁醇比例的提高，由于其較快的燃燒速度，有效熱效率增加，但是因?yàn)槎〈嫉牡蜔嶂敌∮诓裼停旌先剂系谋扔秃脑黾覽108]. 與柴油相比，由于丁醇中氧的存在，混合燃料的碳煙排放降低；混合燃料會(huì)增加未燃HC和CO的排放[109]，這是因?yàn)槎〈拣ざ刃∮诓裼?，可能造成撞壁[110].

圖8 不同負(fù)荷下?lián)蕉〈紝?duì)soot-NOx的trade-off關(guān)系 的影響[106]Fig.8 Effects of blending fuels on soot-NOx trade-off trend under different BMEP loads[106]

純丁醇可以作為HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料[111]，它的氧含量有助于抑制碳煙的形成，較高的汽化潛熱降低了缸內(nèi)溫度，從而降低NOx的形成. 在中低負(fù)荷下，不使用EGR即可實(shí)現(xiàn)超低的NOx和碳煙排放. 使用適度的EGR稀釋可以進(jìn)一步降低NOx排放. 相較于柴油，丁醇的負(fù)載范圍可以擴(kuò)大25%，但是相較于汽油，其運(yùn)行范圍略小[112].

2.4 二甲醚及摻氫二甲醚內(nèi)燃機(jī)

二甲醚(dimethyl ether，DME)是乙醇的同分異構(gòu)體，常溫常壓下為無(wú)色、輕微醚香味、對(duì)金屬無(wú)腐蝕性的氣體. 作為燃料，二甲醚具有自燃溫度低、十六烷值高、最小點(diǎn)火能量低等優(yōu)勢(shì)，具有良好的著火特性.

2.4.1 二甲醚在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

Liang等[113]研究了純二甲醚的燃燒特性. 結(jié)果表明，二甲醚可以在SI內(nèi)燃機(jī)中實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)和穩(wěn)定的怠速. 因?yàn)槎酌迅呤橹?、較低的飽和蒸氣壓改善了冷啟動(dòng)過(guò)程，降低了冷啟動(dòng)過(guò)程的燃料消耗量. 但是由于二甲醚高的十六烷值和較低的自燃溫度增加了SI內(nèi)燃機(jī)的爆震趨勢(shì)，這造成了二甲醚在SI內(nèi)燃機(jī)中無(wú)法全工況運(yùn)行. 何邦全等[114]利用高速攝像研究了直噴二甲醚在汽油機(jī)中的壓縮自然特性. 圖9、10展示了內(nèi)部EGR (iEGR)率為32%時(shí)，二甲醚起始噴射時(shí)刻分別為20°BTDC和30°BTDC時(shí)的自燃圖像，從圖中可以看出，隨著起始噴射時(shí)刻靠近上止點(diǎn)，發(fā)光區(qū)域更集中于缸內(nèi)中心區(qū)域，提前燃料噴射時(shí)刻，則初始自燃區(qū)域更為分散，發(fā)光面積和發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)更大.

圖9 iEGR=32%、SOI=-20°工況下不同時(shí)刻的 自燃火焰圖像[114]Fig.9 Spontaneous combustion flame images at different times under the working conditions of iEGR=32% and SOI=-20°[114]

圖10 iEGR=32%、SOI=-30°工況下不同時(shí)刻的 自燃火焰圖像[114]Fig.10 Spontaneous combustion flame images at different times under the working conditions of iEGR=32% and SOI=-30°[114]

二甲醚可以作為混合燃料摻入SI發(fā)動(dòng)機(jī)，用以調(diào)節(jié)燃料的辛烷值，改善SI發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃特性. Shi等[115]研究了摻二甲醚對(duì)汽油機(jī)的影響. 研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣中摻入二甲醚可以提高內(nèi)燃機(jī)的燃燒定容度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率、降低燃料消耗率. 如圖11所示，由于二甲醚中不存在C—C健，因此，摻入二甲醚降低了顆粒物排放. 紀(jì)常偉等[116]對(duì)醇類燃料中摻入二甲醚的燃燒特性進(jìn)行了研究. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，憑借二甲醚的低溫氧化放熱過(guò)程可以促進(jìn)醇類燃料的蒸發(fā)及燃料與空氣的混合，加快混合氣的燃燒速度，從而降低燃料消耗率，提高有效熱效率. Shi等[115]研究了摻氫二甲醚的燃燒特性. 結(jié)果表明，摻氫提高了可燃混合氣的燃燒速度，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，同時(shí)降低了NOx排放水平.

圖11 二甲醚/汽油復(fù)合噴射內(nèi)燃機(jī)顆粒物總數(shù)排放 隨負(fù)荷的變化[115]Fig.11 Total particle number emissions versus MAP for gasoline engines blended with DME[115]

2.4.2 二甲醚在CI發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

二甲醚的燃燒特性與柴油相近，使其成為CI內(nèi)燃機(jī)的可替代燃料. 二甲醚和柴油可以分別通過(guò)進(jìn)氣道和直噴方式供入氣缸，通過(guò)二甲醚的燃燒特性改變傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒模式. Chapman等[117]研究了氣道噴射二甲醚對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的影響. 結(jié)果表明，預(yù)混二甲醚- 空氣混合氣的起燃過(guò)程是自發(fā)的，并且二甲醚的自燃作用增加了柴油機(jī)的峰值缸壓，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低了NOx排放，但是CO、HC和PM的排放增加；此外，EGR可以控制二甲醚的自燃過(guò)程. 李東昌等[118]針對(duì)上述模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并發(fā)現(xiàn)在較高的二甲醚摻混比下，內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程呈現(xiàn)出3次放熱現(xiàn)象；其中前2次分別為低溫放熱和高溫放熱，第3次放熱主要由柴油的燃燒所致；在中低負(fù)荷下?lián)饺攵酌延兄诮档筒裼蜋C(jī)的燃油消耗率、提高熱效率，同時(shí)還可降低NOx與顆粒物排放. EGR可推遲燃燒起始時(shí)刻并延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期，進(jìn)而降低內(nèi)燃機(jī)的峰值缸壓、峰值放熱率和最大壓升率[119].

西安交通大學(xué)周龍寶課題組[120-122]對(duì)燃用二甲醚/柴油混合燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究. 他們的研究指出，二甲醚的摻入降低了混合燃料的飽和蒸氣壓，減小了燃料發(fā)生氣阻的概率. 二甲醚較易氣化，這有利于燃料與空氣的混合，促進(jìn)了燃料的更充分燃燒. 在較高負(fù)荷下，摻二甲醚使柴油機(jī)的顆粒物和NOx排放降低. 隨著生物柴油的推廣及應(yīng)用，研究人員研究了生物柴油中摻入二甲醚對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響. Hou等[123]研究了二甲醚/生物柴油混合燃料的燃燒及排放特性. 結(jié)果表明，隨著二甲醚的增加，混合燃料的點(diǎn)火延遲、峰值缸壓、峰值放熱率以及峰值缸內(nèi)溫度均下降，各個(gè)峰值隨曲軸轉(zhuǎn)角均推遲，同時(shí)，NOx排放降低；隨著二甲醚的增加，HC和CO的排放急劇升高. Sun等[124]研究了EGR對(duì)二甲醚/生物柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的影響. 結(jié)果顯示，EGR改變了缸內(nèi)混合氣的反應(yīng)活性，增加了點(diǎn)火延遲、燃燒持續(xù)期，推遲了燃燒相位；同時(shí)，顆粒物排放呈現(xiàn)為核態(tài)，隨著生物柴油和EGR率的增加而增加.

二甲醚十六烷值高、擴(kuò)散速度快，是一種適合HCCI燃燒模式的燃料. 國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)HCCI燃燒模式進(jìn)行了較為全面的研究. Yao等[125]的研究顯示，可以通過(guò)甲醇對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的HCCI燃燒過(guò)程進(jìn)行控制，拓展HCCI燃燒模式的工況上限；摻入甲醇后發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率降低，HC和CO排放升高. 無(wú)論是采用EGR策略還是燃料控制策略，HCCI燃燒模式均呈現(xiàn)出較高的熱效率；相較于EGR，燃料控制策略可使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更寬的穩(wěn)定運(yùn)行范圍. 天津大學(xué)堯命發(fā)、鄭尊清等以及上海交通大學(xué)黃震、李德鋼等均對(duì)純二甲醚內(nèi)燃機(jī)采用HCCI燃燒模式下的燃燒與排放特性進(jìn)行了研究[126-129]. 他們的研究結(jié)果表明，純二甲內(nèi)燃機(jī)在HCCI燃燒模式下呈現(xiàn)出明顯的二次放熱特征，其第1階段(低溫)放熱過(guò)程出現(xiàn)在缸內(nèi)溫度為700 K左右的熱力學(xué)條件下，第2階段(高溫)放熱過(guò)程出現(xiàn)在缸內(nèi)溫度為900 K左右的熱力學(xué)條件下，且整體燃燒持續(xù)期很短. 但由于二甲醚十六烷值高，高壓縮比內(nèi)燃機(jī)燃用純二甲醚僅可在中低負(fù)荷較小的范圍內(nèi)對(duì)HCCI燃燒過(guò)程進(jìn)行控制.

2.5 生物柴油內(nèi)燃機(jī)

1977年，巴西科學(xué)家Expedito申請(qǐng)了生產(chǎn)生物柴油的第一種工業(yè)工藝專利[130]. 該方法得到汽車行業(yè)的廣泛認(rèn)可，根據(jù)該工藝所制成的燃料被定義為生物柴油.

生物柴油因其無(wú)毒、可降解、較高的閃點(diǎn)、氧化性質(zhì)帶來(lái)的清潔燃燒能力、有害排放減少、零硫含量以及易于制造而變得越來(lái)越受關(guān)注. 生物柴油的概念最早由柴油機(jī)的發(fā)明者魯?shù)婪颉さ先麪柺紫忍岢?，并使用了純花生油?qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī). 隨著技術(shù)進(jìn)步，多種油被提議作為柴油的替代品. 生物柴油的大多數(shù)性質(zhì)接近柴油，因而可以與柴油以任意比例混合. 生產(chǎn)生物柴油的原料主要分為四大類.

1) 植物油，分為食用植物油和非食用植物油. 食用植物油包括：向日葵、油菜籽、米糠、大豆、椰子、玉米、棕櫚、橄欖、芝麻、花生、紅油果等；非食用植物油包括：麻風(fēng)樹、棉花籽、亞麻籽、橡膠籽等.

2) 動(dòng)物脂肪，包括牛脂、雞油、魚油副產(chǎn)品等.

3) 廢氣或回收的食用油.

4) 藻類.

我國(guó)研究學(xué)者從噴霧特性和燃燒特性等各方面對(duì)生物柴油進(jìn)行了研究. 高東志等[131]對(duì)比了不同壓力下生物柴油和柴油的噴霧特性，圖12展示了在120 MPa噴油壓力下B5生物柴油和京標(biāo)10號(hào)柴油的噴霧發(fā)展過(guò)程，研究表明，B5生物柴油油束蒸發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，噴霧錐角更小，表明B5生物柴油的黏性和沸點(diǎn)相對(duì)更高. 米永剛等[132]對(duì)生物柴油的噴霧燃燒特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明生物柴油的十六烷值較高，導(dǎo)致生物柴油的點(diǎn)火延遲期小于純柴油.

圖12 120 MPa噴油壓力下的噴霧發(fā)展照片[131]Fig.12 Development of spray under an injection pressure 120 MPa[131]

Ong等[133]研究了使用麻風(fēng)樹油甲酯混合物的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能. 結(jié)果顯示B10燃料的扭矩略有增加，功率和平均燃料消耗率明顯改善；他們發(fā)現(xiàn)HC、CO2、碳煙降低了，但是CO和NOx增加了. Remadhas等[134]研究了使用橡膠籽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能. 他們發(fā)現(xiàn)B10的有效熱效率明顯改善；此外，在所有負(fù)載條件下，較低摻混比時(shí)的平均燃料消耗率均低于柴油. An等[135]對(duì)使用回收食用油的共軌發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明，相較于柴油，在較高負(fù)載時(shí)B100的峰值扭矩提高了5.1%，但是在低負(fù)載時(shí)降低了10.7%；隨著摻混比例的增加，排氣溫度降低；由于氧的存在，降低了CO2和HC的排放. Aydin等[136]研究了棉花籽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響. 結(jié)果表明，B5產(chǎn)生的扭矩略高于其他摻混比的燃料；隨著摻混比例的增加，扭矩降低，可能的原因是棉花籽油較高的黏性及較低的熱值；他們還發(fā)現(xiàn)CO減少了. Buyukkaya等[137]研究了菜籽油的燃燒及排放特性. 結(jié)果顯示，所有混合燃料的有效熱效率均高于柴油. Qi等[138]測(cè)試了大豆油在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒及排放特性. 結(jié)果表明，NOx減少5%，CO減少27%，HC減少27%，碳煙減少52%.

總體而言，生物柴油的功率輸出取決于其混合質(zhì)量和燃燒燃料的負(fù)載條件. 燃料的熱效率基于燃料特性，并且這些特性將隨著摻混物以及生物柴油質(zhì)量的變化而變化.

3 結(jié)論

1) 氫氣具有良好的燃燒特性，能以多種方式應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中，并將在未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)脫碳進(jìn)程中扮演重要角色.

2) 氨的燃燒特性稍差，并且存在毒性和安全問(wèn)題，仍需要繼續(xù)研究以克服其較低的燃燒效率及NOx排放問(wèn)題，但是作為零碳燃料正在受到關(guān)注，通過(guò)摻氫可以改善燃燒，推動(dòng)其在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用.

3) 醇醚類燃料具有較好的燃燒和排放特性，可以單獨(dú)亦可摻氫使用，但只有使用捕集的二氧化碳與氫氣合成制取，才具有碳中和特征. 內(nèi)燃機(jī)車作為移動(dòng)排放源，其二氧化碳排放捕集困難.

4) 生物燃料的生產(chǎn)原料來(lái)源廣泛，是具有廣泛應(yīng)用前景的碳中和燃料，普遍具有較好的燃燒特性，能夠減少碳排放，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)具有重要意義.