醇氢燃料在船舶柴油机上的应用试验研究

张江华 檀昌雅

摘要：本研究利用发动机高温尾气加热醇氢反应釜使其中的甲醇裂解形成醇氢燃料，以替代原机30%的柴油消耗，然后对发动机的外特性、油耗率、碳烟排放特性进行了对比试验研究。试验结果表明：醇氢燃料在船舶柴油机上使用时，与纯柴油相比动力性相当，燃油成本降低了21.21%，碳烟排放降低了34.37%。

Abstract： In this study， methanol in methanol hydrogen reactor was heated by high temperature exhaust gas of engine to form methanol hydrogen fuel to replace 30% of diesel consumption of original engine. Then， the external characteristics， fuel consumption rate and soot emission characteristics of the engine were compared. The test results show that： when alcohol hydrogen fuel is used in marine diesel engine， compared with pure diesel oil， the fuel cost is reduced by 21.21%， and the soot emission is reduced by 34.37%.

关键词：醇氢燃料;柴油机;甲醇蒸汽;扭矩;油耗;碳烟排放

Key words： methanol hydrogen fuel;diesel engine;methanol steam;torque;fuel consumption;soot emission

中图分类号：TK428.9                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0018-02

0  引言

随着科技的发展，国内石油储备资源不足的问题已经充分体现，大力推广替代能源，调整能源结构成为趋势。与其他替代能源相比，以煤制取甲醇的技术工艺成熟，在资源、产能、运输、燃烧排放好等方面，甲醇作为替代燃料最为合适[1]。

氢气是现阶段最清洁的能源，然而氢气能量密度低、不易储存，导致氢气发动机的发展举步维艰。而甲醇（CH3OH）作为含氢量最多的燃料，被人们称作“液体氢”[2]。根据反应式（1）所示，甲醇通过催化剂的作用裂解成为一氧化碳（CO）和氢气（H2），与柴油混合形成醇氢混合燃料注入发动机，解决了氢气燃烧温度高和回火的问题[3]。因此醇氢燃料结合了甲醇和氢气的优点，推广使用可大大降低燃料成本及污染物排放。

1  工作原理

如图1所示，利用发动机高温尾气加热醇氢反应釜中的催化剂至裂解温度后（裂解温度：200～500℃），喷入醇氢反应釜中的液体甲醇经过高温形成甲醇蒸汽与催化剂进行反应生成含有一定比例H2和CO的甲醇裂解气，通过输送管路进行过滤、冷却，储存在缓冲罐中，当裂解气达到设定的工作压力后，电控系统根据工况条件将醇氢燃料喷入进气歧管中，与缸内直喷的柴油形成双燃料实现醇氢燃料对柴油的部分替代[4-5]，根据文献[6]确定燃油替代率为30%。

2  方法与设备

试验方法参照文献[7-8]进行，本次试验选用的是潍柴WP6.240柴油发动机作为动力驱动的商用旅游船舶作为试验对象，WP6.240发动机参数如表1所示。

3  甲醇替代柴油的优势

3.1 外特性试验

根据图2分析可知：燃用醇氢燃料与纯柴油的动力特性相当，恢复了原机功率，具备了试验的必要条件。醇氢燃料中甲醇蒸汽燃烧速度快、分子含氧改善了燃烧效率，氢气的加入提高了发动机的扭矩，在低转速范围内功率和扭矩有所提升，醇氢燃料的优点也得到了充分体现。高转速时由于进气量的增加需要的醇氢燃料较多，裂解反应时间减少，裂解效率下降，导致扭矩下降，可以通过优化醇氢反应釜加以改善。

3.2 燃油经济性

按照热值计算，理论上2.1吨甲醇相当于1吨柴油，醇氢燃料中氢气的热值高，燃烧速度快，有更小的淬熄距离，因此试验时的燃油要比小于理论值。如图3所示扭矩为160N各转速工况下的油耗数据分析，醇氢的燃油消耗量是纯柴油的1.05倍左右[9]。按目前甲醇1700元/吨，柴油5800元/吨，每消耗1吨甲醇可降低成本1230元，燃油成本降低了21.21%，燃油经济性得到了很大的改善。

3.3 碳烟排放

结合图4转速为1600r/min各扭矩工况下的碳烟排放数据分析可知，醇氢燃料在低负荷时碳烟的排放量与纯柴油相当，但伴随着发动机负荷的逐渐增大，碳烟排放降低的百分比也随着增大，较之纯柴油能够明显改善柴油发动机的碳烟排放[10]，与纯柴油燃料相比碳烟值平均降低了34.37%。

碳烟排放的降低主要从两个方面进行分析：一方面是由于少量未裂解甲醇蒸汽在气缸内形成混合气的速度较快且混合均匀，沸点比柴油低，着火极限宽且自身含氧，有利于醇氢燃料的完全燃烧，并且在相同的扭矩下，掺烧醇氢燃料小于纯柴油运行时喷入的柴油油耗量，替代燃燒效果好，因此产生的碳烟排放也会相应的减少;另一方面是由于醇氢燃料汽化潜热较大，在形成混合气时，未裂解的甲醇具有高汽化潜热值使得甲醇气化时吸收了燃烧室大量的热量，降低了混合气的进气温度，从而提高了发动机的充气系数，在一定程度上可以改善发动机的燃烧，提高发动机热效率[1]。醇氢燃料中氢气的加入，改善了后期喷入柴油的扩散燃烧，有利于降低发动机的排放排放。

4  结语

外特性方面，醇氢燃料恢复了原机功率，在各个测试点各有高低，但相差不大，经济性方面，醇氢的油耗率是柴油的1.05倍左右，甲醇的价格低廉且为再生资源，因此经济价值巨大。

醇氫燃料与纯柴油相比碳烟值平均降低了34.37%，实现了柴油机排放好的优势。掺烧的甲醇，解决了氢气发动机的回火和能量密度不足的问题，采用甲醇作为基础原料，随制随用，回避了氢气储存的难题及安全隐患。

国内在代用燃料方面作了很多研究工作，但能够实际应用的产品还比较少。醇氢燃料将会是船舶柴油机非常有前景的替代燃料，提高醇氢燃料的替代率是实现能源持续发展的重要途径，也将是进一步研究的方向。

参考文献：

[1]郭一璇，史强.甲醇在柴油机上的应用研究[J].科教导刊，2015（007）：157.

[2]翁凌霄.甲醇裂解气—甲醇混合燃料对汽油发动机性能影响研究[J].南方农机，2018，49（19）：44-45，51.

[3]杨振中.氢燃料发动机燃烧与优化控制[D].杭州：浙江大学，2001.

[4]罗向阳，李居强，陆希炜，等.一种热超导体裂解醇制氢的内燃机全代燃动力装置及方法[P].中国专利：CN105275596A，2016-01-27.

[5]蒋炎坤，汪勤稳，张浩浩.一种利用发动机余热的醇-氢动力系统[P].中国专利：CN106246416B，2019-01-29.

[6]梅梓晗.不同裂解气掺烧比的醇氢发动机性能研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[7]济南汽车检测中心，中国环境科学研究院，淄博柴油机总公司，等.GB 15097—2016，船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2018.

[8]中国环境科学研究院.GB3847-2018，柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）[S].北京：中国环境科学出版社，2019.

[9]石来华，曹文明，刘波.共轨柴油机燃烧纯生物柴油的试验研究[J].客车技术与研究，2015（1）：58-61.

[10]潘雪伟，平银生，丁贤华.二甲醚均质压燃、柴油补燃混合燃烧模式的试验研究[J].内燃机工程，2006（01）：34-37.