甲醇在柴油机上应用的技术进展

裴玉姣:甲醇在柴油机上应用的技术进展278专题综述8甲醇在柴油机上应用的技术进展Methanol in the Application of Technological Advances in Diesel Engine裴玉姣(中北大学)〔摘要〕在比较甲醇和柴油的物化特性的基础上,分析了甲醇作为柴油代用燃料的优劣势,详细综述了在柴油机上燃用甲醇的各种方式,指出甲醇用作柴油替代燃料的应用趋势,为甲醇用作柴油替代燃料的研究提供参考。〔关键词〕甲醇/柴油替代燃料柴油机Key words: methanol/diesel alternative fuel diesel engine0前言度低时无需担心出现油路堵塞现象,可改善柴油机为了解决石油资源短缺的问题,满足日益严格的冷启动性能的排放法规要求,世界上各个国家(地区)纷纷寻找3)甲醇的汽化潜热是柴油的3-4倍。甲醇高的清洁的代用燃料来替代传统的石油炼制品(汽、柴汽化潜热值使得甲醇气化吸收大量燃烧室的热量油)。甲醇作为一种新型的代用燃料,具有燃烧性能降低混合气温度,温度降低有利于提高发动机的热良好、热效率高、比能耗低、排放的颗粒物和氮氧化效率降低NOx的排放量,尤其是在大负荷下可以大物(NO)含量低、来源广泛,价格低廉等优点。因此被大改善发动机的性能;同时高汽化潜热的甲醇柴油看做是未来最有前景的石油替代燃料之机的滞燃期增大,使得发动机在低温情况启动较为↑甲醇与柴油燃料性能比较困难。1.1物化特性4)甲醇的十六烷值仅为3,为柴油的二十分之甲醇(CHOH)常温下是一种无色、透明、高度挥左右。按照国家标准柴油机要想获得比较稳定的发、易燃、有毒液体略有酒精气味。甲醇和柴油的物燃烧则要求十六烷值在40以上,由此可以看出甲醇化特性的比较见表1.1,从表中可以看出甲醇作为燃在压燃式发动机上的着火性能很差,所以甲醇柴油料具有以下特点机不能直接燃烧,常需要其他燃油助燃。1)甲醇分子量小、分子结构简单,由一个烷烃5)甲醇的热值虽然约为柴油的43%,但是在理与-OH组成。甲醇燃料中含氧,化学计量空燃比比柴论空燃比下,单位质量的甲醇与空气混合气的热值油低,有利于完全燃烧,且燃烧时产生较多的水。由空燃比比柴与汽油混合气的热值相当,因此不会降低发动机的于甲醇燃烧产生的水分较多,在发动机启动、暧机及功率。缸内温度不高时,容易在缸壁上形成冷凝物,促进酸6)甲醇对金属橡胶件等有腐蚀作用,所以其对燃料的储存和输送装置有防腐要求。性物质的生成及磨损的增加。甲醇中含有羟基(-OH1.2燃烧特性是极性很强的物质,所以甲醇和柴油混合比较困难,表2给幽碹和北油灿部公燃烧特性比较容易分层稳定性较差。DEYH中国煤化外一个主要因2)甲醇的沸点比柴油要低很多,说明甲醇蒸发素,自燃温CNMHG不v上A然烧。甲醇的自快,这有助于燃油空气混合气的快速形成,利于完全燃温度要比柴油高一倍以上,从另一方面也反映了燃烧,此外甲醇的凝点比柴油低得多,所以在环境温甲醇在柴油机上差的燃烧性能。但是由于发动机受内燃机与配件2011年第9期热表面的几何形状等均影响自燃温度,所以在发动式燃烧田。但采用助燃法发动机缸盖上不仅要安装喷机上往往不直接应用这个参数,而是采用十六烷值嘴,还要预留出火花塞的位置,结构比较复杂;另外,火来表示燃料的自燃性能。花塞、电热塞、热面收醇的激冷作用,寿命短,可靠性差2)甲醇的着火上下极限都比汽油宽,有利于稀;低负荷会有失火现象发生,HC、CO排放差燃技术的适当减小空燃比。(2)乳化法3)甲醇最小着火能量较低,燃烧时火焰的传播乳化法就是在燃料被喷入发动机之前,使柴油速度较快,有利于实现快速燃烧,可以适当减小喷油与醇燃料均匀混合,混合好的燃料经喷油泵、喷油嘴提前角。喷入柴油机进行燃烧。对原柴油机不需进行任何改表1甲醇与柴油的物性比较动,就可以燃用部分甲醇燃料。但甲醇与柴油乳化燃料的稳定性较差,容易分层;甲醇燃料的掺混率高时甲醇柴油滞燃期加长,发动机冷起动困难,工作粗暴;发动机分子式CH,OHCircA在冷起动、暖车及小负荷工作时,HC及醛类排放浓95-120度增加;若往乳化燃料加入助溶剂、十六烷值改进剂液体粘度/gm.s0.6028-0.29等物质,因这类物质多是硝基化合物,对发动机的碳液体密度/gm3790720-780烟和NOx排放又十分不利。沸点/C180~360文献A论述了甲醇柴油的乳化技术,并开发了以闪点/Cl1-1265-68合成共聚物为基础的SG-1乳化剂,合成工艺简单汽化潜热kJkg1088原料是常用的化工原料,对甲醇柴油的乳化特别有卜六烷值40~55效,乳化效率较高。辛烷值(ROM)106~11520~30文献讨论柴油机燃用甲醇的技术措施。在甲醇中加人适量的十六烷值改进剂,使甲醇的十六烷值黏度(20C)/mPa50.6l13.0-8.0质量低热值HL/MJ达到与柴油相当的数值,实现甲醇在柴油机中直接燃19.543.9~44.4烧,动力性、燃油经济性、排放指标和可靠性满足使体积低热值Hw/M35.66用要求。此外在甲醇中添加防腐剂和抗磨剂,可以克理论混合气热值HIm/MJ. k2.72-2.793.68-3.789服甲醇腐蚀有色金属和冲刷润滑油的缺点。表2甲醇与柴油的燃烧特性比较(3)直接压燃法在不对原机进行太大改动的条件下,通过适当提甲醇柴油高压缩比、添加十六烷值添加剂、进气加热等措施,可理论空燃比6.514.7-15以直接压燃甲醇燃料。不足之处在于添加十六烷值改自燃温度(°C)450220~280进剂会使得NOx排放过高,加之增加发动机的压缩比理论混合气热倒|2.72-2.y9MJ. kg-3.68-3.789或者进气预热都会导致成本较高因此应用较少最小点火能量/mJ0.4l0.25~0.27(4)柴油引燃法最大火焰传播速度少量柴油依然通过原机供油系统喷入气缸,引rn. s燃通过各种不同方式进入气缸的甲醇燃料。根据甲2柴油机燃用甲醇燃料的研究现状醇进入方式的不同可分为:化醇器法、缸内双喷射法为了在柴油机上燃用甲醇燃料,国内外主要采和进气管喷射法等。取了如下措施化醇器法是将化油器适当改造安装到柴油机进(1)助燃法气管上,通过节气门来控制醇的量。改造简单,但发由于甲醇燃料自发着火比较困难,需借助某些动机的低负荷时起动性经济性和排放都较差,进气措施来辅助醇燃料着火燃烧,如火花助燃法、热面助节流中国煤化工喷入过多时,会使滞燃法和电热塞助燃法等。燃期CNMHG太冷还会使化醇器火花助燃法发动机是在缸内喷射燃料,形成不喉口处结冰。缸内双喷射法在气缸上安装两只高压均勺混合气,靠火花塞点燃可燃混合气,以火焰传播方喷嘴,一只喷柴油、一只喷醇,柴油引燃醇。甲醇与柴裴玉姣:甲醇在柴油机上应用的技术进展油比化醇器法容易控制,甲醇的掺烧率高,可以避免找代用燃料是国家经济发展的必然之路。经专家长进气节流损失。气缸盖上安装两只高压喷嘴,还要安期探索,目前认为最有希望的柴油代用燃料是甲醇装电热塞,结构复杂;高压供给醇的系统偶件磨损严燃料,甲醇是现今唯一可以用煤及天然气等作原料重;电控进气管喷射法在进气管安装低压喷嘴,喷入的大规模生产的经济的液体燃料,生产工艺成熟,储醇形成预混合气,进入气缸由柴油引燃。可以避免化存使用方便。我国缺油少气,煤炭和伴生与衍生碳氢醇器法的节流损失,可以精确控制醇的量,但小负荷气体资源相对丰富,是替代石油的可靠资源。甲醇燃喷醇时,HC和醛类排放剧增,冷起动性能差四。料适合我国的燃料发展,对人体健康和生态环境安(5)甲醇/柴油组合燃料方式全已具有一定的生产和使用经验,综合成本低。未来天津大学提出了柴油-甲醇组合燃烧(MCC系甲醇柴油燃料的发展趋势主要是统。DMCC发动机通过安装在进气歧管上的4个喷(1)选择合适的高效表面活性剂,能使甲醇和柴嘴将甲醇喷入进气道閃,甲醇借助进气道高温蒸发形油在任意比例下互溶,制备出澄清、透明、稳定的微成均质混合,在近期冲程与空气一起被吸入气缸,在乳化柴油。进气、压缩冲程中进一步与空气混合。在压缩冲程末(2)甲醇作为燃料进行燃烧,可能会在燃烧过程期由柴油引燃甲醇均质混合气.因此这种燃烧方式与中,产生醛类、未燃甲醇。而甲醛是一种无色、有毒、纯柴油机的燃烧方式有很大的同。组合燃烧系统示有刺激性的气体,是一种可疑致癌物。因此必须对柴意如图1示。该系统的特点是,根据发动机工况特油/甲醇组合燃烧发动机不同工况进行检测,从而找性分段使用甲醇。即启动时用柴油,待发动机自身温到甲醛排放的规律,以便对甲醛排放进行控制,消除度上升到一定水平65℃左右)再喷进甲醇,以保证发醛类对人类的危害和对环境的污染,真正达到节能动机的启动可靠性。中高负荷时采用压力方式向进与环保的双重目的。气道喷进甲醇,吸热气化后进入气缸,在气缸内由柴参考文献油引燃。运行中甲醇和柴油量完全由专用的电控系11宫长明,刘金山,徐百龙等火花助燃甲醇发动机燃烧特性统完成,驾驶员可以灵活自如地在甲醇柴油或柴油研究,内燃机学报,199160:31-36间进行切换,不受甲醇供应的限制。结果表明采用2 SJabez Dhinagar, B.N. Nagalingam, et al.Spark- Assisted组合燃烧的发动机不仅可成功替代部分柴油而且实Alcohol Operation in a Low Heat Rejection Engine SAE Paper950059现了同时降低发动机碳烟和NOⅹ排放的目的从总的[3] Kenji Tsuchiya, Toshiyuki Seko Combustion Improvement of能量利用率上也较原机有一定幅度的提高叨。Heavy-Duty Methanol Engine by Using Auto-Ignition System.SAE Paper 9500604]郭召宝甲醇柴油乳化燃料研究[D].天津:天津大学,2003]盘朝奉谢美芝韦超毅周孔亢G180柴油机燃用甲醇燃料△的试验研究小型内燃机与摩托车,2009,38(1):81-866]赵蒙生,甲醇柴油燃料的实验研究[D],长安大学,硕士论文,20101—空气滤清器;2-喷嘴;3—进气管;4一柴油机:5—电控单元;6油(7姚春德,程传辉,段峰等柴油/甲醇组合燃烧对废气涡轮增门位置传感器:7一发动机转速传感器;8—冷却水温度传感器;9—进压柴油机排放的影响研究凹,内燃机学报,2005,23(2):121-气歧管;10—醇燃料分配管;l-醇燃料压力调节器;12-电动甲醇泵;13一醇燃料箱[81 Yao Chunde, Cheung C S, Cheng Chuanhui, et al. Reduction图1DMcc发动机结构示意of smoke and NOx from diesel engines using diesel/ methanol3结语compound combustion system(J). Energy and Fuels, 2007, 21(2):当前我国经济发展正处于高度增长期,对能源686-69的需求仍在不断增加。但是,国际石油资源在逐步减9姚春德,陈军徐元利蕾钰柴油-甲醇组合燃烧少,我国自身石油资源又十分有限,同时还存在柴汽电控系统的控制中国煤化工655459比严重不合理的结构问题。为缓解能源危机问题,寻CNMHG