甲醇作柴油机替代燃料的研究现状与展望

吴继盛，吴家正，刘洪运

(同济大学 机械与能源工程学院，上海 200092)

随着交通运输业的快速发展和工程机械动力装备需求的不断提升，为了解决化石能源紧缺和环境污染问题，寻求清洁可再生能源已成为人们迫切的需求[1]。作为诸多替代燃料之一的甲醇凭借着来源广泛、用途多样的特点在近年来吸引了大量的关注[2]。甲醇相比于传统化石燃料有着鲜明的特点。比如，辛烷值高，抗爆震性好，可以适当加大发动机压缩比以提高发动机性能、降低油耗；汽化潜热大，在发动机内燃烧时温度更低，有利于减少热损失和降低NOx排放[3]。但是，甲醇十六烷值低，在压燃式发动机上难以直接压着火，需要其他的辅助手段帮助其着火燃烧[4]；甲醇的高着火浓度下限、低蒸汽压力、高汽化潜热都使得以甲醇为燃料的发动机冷启动困难，容易产生甲醛及未燃甲醇排放[5]。尽管在内燃机上燃用甲醇还存在着诸多问题需解决，但甲醇仍然被认为是最具潜力的替代燃料之一。

柴油机具有热效率高、扭矩大、污染排放少及可靠性高等特点，在柴油机上燃用甲醇可以获得更佳的节能减排效果。目前，在柴油机上燃用甲醇仍存在诸多技术难点亟需克服，本研究旨在对柴油机燃用甲醇技术领域的研究现状进行分析总结，提出未来的研究方向，对我国发展甲醇替代燃料有一定的参考价值。

1 甲醇燃料介绍

1.1 甲醇的来源

甲醇原料来源广泛，生产工艺成熟，主要通过煤化工和天然气合成，主要来源包括煤炭、天然气、煤层气及生物质等。我国用于生产甲醇的煤炭大多是含硫量高的劣质煤，生产成本低，同时在生产过程中可以脱硫，有利于保护环境，还可以得到硫磺、尿素等副产品。

1.2 甲醇的理化性质

表1是甲醇与汽油、柴油的部分物性参数对比，可以发现，甲醇汽化潜热是柴油的四倍，蒸发过程会吸收更多热量，降低缸内平均温度；甲醇自燃温度高，难以直接压燃，需要采取辅助手段帮助甲醇着火；甲醇分子量小，化学结构简单，碳氢比低，同时自身含氧，因此更容易完全燃烧，有利于减少CO和HC排放，并且在柴油机上燃用甲醇理论上可以完全不产生碳烟。

表1 甲醇与柴油的理化性质对比

1.3 甲醇燃料面临的问题

目前，甲醇用作内燃机替代燃料仍然有着诸多难以避免的问题，包括甲醇本身具有毒性、对非金属材料有腐蚀或溶胀作用、甲醇汽车冷启动困难以及非常规排放对环境的污染等。

(1)甲醇具有较高的汽化潜热和较低的饱和蒸汽压，当汽车冷启动时，甲醇蒸发困难，混合气燃料浓度低，造成发动机冷启动困难。此外，高汽化潜热也使得甲醇蒸发会吸收大量热量，不利于发动机低转速、低负荷时的工作过程。

(2)甲醇具有腐蚀性，在作为车用替代燃料时会对油箱、燃油泵、油路等金属零部件产生腐蚀作用。甲醇也会对润滑油造成腐蚀，比如未燃甲醇会沿气缸壁流入曲轴箱，一方面对稀释了润滑油膜，加剧运动部件间的磨损，另一方面甲醇燃烧产生的甲醛、甲酸等燃烧产物会与润滑油发生反应，对润滑油寿命产生很大影响。此外甲醇对塑料、橡胶等非金属部件也有溶胀作用。

(3)甲醇本身有一定毒性，除误食外，吸入高浓度的甲醇蒸汽和经皮肤吸收的甲醇液体一样可以引起中毒，造成的不良影响主要是失明或死亡。但是通过加强管控，在规范操作条件下，可以有效控制其危害性[6]。

(4)相比于传统内燃机，甲醇发动机会产生非常规排放，包括未燃甲醇、甲醛等，这类污染物对环境和人体都有一定的危害。

2 柴油机燃用甲醇技术

2.1 柴油甲醇双直喷技术

柴油甲醇双直喷技术采用高压喷射的方法将甲醇作为主要燃料喷入压燃式发动机燃烧室内，用另一喷射系统喷射少量柴油作为引燃燃料[7]，双喷射系统示意图见图1。

图1 双喷射系统试验机[8] 注：1-第一喷射泵;2-第二喷射器;3-第一高压管;4-第一喷射器;5-第二高压管;6-第一燃料管;7-第一燃料箱;8-第二喷射泵;9-第二燃料箱;10-第二燃料管;11-驱动轮;12-齿形带。

吉林大学的方显忠等[8]针对直喷压燃式发动机用双喷射系统燃用柴油甲醇时的性能和排放展开了试验研究，发现甲醇发动机与原柴油机相比，烟度下降最大可达66%，NOx排放下降60%～70%左右，但CO和HC排放上升较多。该作者还比较了这套系统下燃用甲醇和乙醇的性能差异，认为燃用乙醇的发动机燃油经济性要更好，但是污染物排放均高于燃用甲醇[9]。

这种方法解决了甲醇难以压燃的问题，并且可以精确调控两种燃料的喷射量。缺点是部分污染排放物浓度较高；双直喷系统结构复杂，在现有柴油机上改造难度大、成本高，难以实施推广。近年来对柴油甲醇双直喷技术的研究逐渐稀少，研究重心转向其他操作成本低、易实现的柴油机燃用甲醇技术方向上。

2.2 甲醇与柴油掺混燃烧技术

常见的甲醇与柴油掺混形式有甲醇柴油和乳化柴油，两种掺混燃料均是由柴油、甲醇、添加剂按照一定比例经过严格的流程调配而成[10-11]。国内外均对柴油甲醇掺混技术进行过研究，结果表明利用乳化柴油替代普通柴油燃烧，可以有效降低NO和PM的排放，同时燃烧情况有所改善，发动机的热效率得到了提高，动力性、经济型和排放指标均有所提高[12-15]。

饶海生等[16]在D1110柴油机上燃用微乳化甲醇柴油，发现在不对发动机作参数调整的情况下，动力性和燃油消耗率对燃用纯柴油无明显差异，NOx、CO和碳烟排放均明显下降。

Soni等[17-18]通过数值模拟的方法研究了甲醇掺混比、涡流比、废气再循环法和掺水法对排放的影响，发现当甲醇在柴油中占比从10%提高到30%，NO、CO和HC排放分别显著降低了65%、68%和56%，同时也指出在燃料中掺入适量的水有利于降低NO、碳烟、CO和HC排放。

从现有的研究结果来看，甲醇柴油掺混燃料有着改善燃烧特性，降低污染物排放等优势，但缺点是难以长期保存，目前稳定性好的甲醇柴油可以保存4个月不分层，而乳化柴油保存时间更短，而掺混比也不高，一方面现有技术下提高掺混比会影响混合燃料的稳定性，另一方面甲醇占比的提高会使发动启动性能变差，特别是低负荷工况下污染物排放增多[19]。

2.3 柴油甲醇组合燃烧技术

天津大学的姚春德等[20-21]柴油甲醇组合燃烧技术(DMCC)，其系统原理图如图2所示。其特点是根据发动机工况特性分段使用甲醇，即启动时或低负荷下燃用纯柴油，中高负荷时采用进气道喷射甲醇，并在气缸内喷射柴油以引燃甲醇均质混合气，甲醇和柴油量由专用电控系统调控。

图2 DMCC发动机系统原理图

魏立江等[22]在一台6缸带有涡轮增压中间冷却的柴油机上研究了高甲醇掺混比柴油机的燃烧及排放特性，发现随着甲醇掺混比例的增加，HC、CO、甲醛和NO2的排放明显上升，而NOx和Soot的比例显著减少，在经过三元催化器之后，HC、CO和甲醛的排放均大大降低。

陈超等[23]在DMCC模式下，通过调整喷射时刻和排气背压并结合废气再循环(EGR)技术可以拓展高负荷下的甲醇最大替代率，替代率最高可达66%～75%，同时NOx和Soot排放均大幅度降低。

Prashant等[24]发现这种组合燃烧方式可以同时减少柴油机碳烟和降低NOx排放，并且也避免了低负荷下燃用醇类燃料的高醛类污染物排放的问题。

Suresh等[25]在双燃料发动机基础上增加了电热塞，并研究了甲醇燃料模式下发动机性能、排放和燃烧特性。结果表明，发动机在低负荷下性能得到了改善，HC、CO和颗粒物排放分别减少了69%，50%和9%。

柴油甲醇组合燃烧技术克服了甲醇稀混合气在柴油机上难以直接压燃的技术障碍，但是在中低负荷下主要燃料仍然是柴油，甲醇替代率有限。

2.4 甲醇均质充量压燃

均质充量压燃(HCCI)采用均质混合气的方式，在上止点附近将混合气压缩着火，这种燃烧方式具有传统汽油机均质混合气的特点，又有传统柴油机压缩着火的特点，具有热效率高、NOx排放低等优点。国内通常运用双燃料法、废气再循环的方法控制甲醇HCCI燃烧，由于缺少直接控制着火时刻的手段，HCCI着火时刻的控制比由火花塞跳火时刻确定的汽油机着火和由喷油时刻控制的柴油机着火时刻困难的多[26-28]。

在目前的技术条件下，HCCI燃烧很难实现全工况运行：在发动机负荷较高时，均质混合气会在缸内各处同时发生着火，燃烧速率非常快，压力升高率容易过高，使得发动机发生爆震的可能性增加；在发动机负荷较低时，混合气浓度低，缸内平均温度低，难以保证燃烧的稳定进行，怠速及冷启动等工况下容易发生“失火”[29]。因此关于甲醇HCCI发动机的研究多局限于实验室中，未能发展到进行试点或道路试验中。

2.5 火花塞点燃式直喷甲醇发动机

火花塞点燃式直喷甲醇发动机在缸内加装火花塞来辅助甲醇着火，其优势在于可以调整点火时刻来调控甲醇的燃烧过程。

洪斌等[30]将Phase110柴油机改造为高压缩比火花塞点燃式甲醇发动机，研究EGR阀开度、点火提前角和混合气浓度等参数对发动机油耗的影响规律。经优化后与原机进行性能对比试验，发现高压缩比甲醇发动机的动力性超过原柴油机，高速工况下热效率高于原柴油机。

而冷启动性差是火花塞点燃式直喷甲醇发动机面临的主要问题。Li等[31]在点燃式甲醇发动机上试验研究了环境温度和喷油量对冷启动时的发动机的燃烧特性及HC排放的影响，发现环境温度对甲醇发动机的冷启动能力影响最大，其次是每循环喷射的甲醇量。当环境温度低于16 ℃时，即使使用大量的甲醇在低喷射压力下喷射，没有辅助启动辅助装置也无法可靠地启动甲醇发动机。该作者也进一步研究了进气预热对冷启动特性的影响，认为进气预热和甲醇燃料预热都不能保证甲醇燃料发动机在冷起动过程中的可靠燃烧，但电阻丝和电热塞都能做到[32]。

宫长明等[33-34]通过数值模拟研究了冷启动阶段下进气温度、对混合气形成、燃烧过程及非常规排放的影响，发现提高进气温度到20 ℃有利于改善甲醇燃烧，但进一步提高进气温度并不能达到更佳的效果。此外，该作者还对一台1130直喷式柴油机进行了改进并加装了火花塞后燃用M100甲醇燃料，试验研究了不同转数下整个负荷工况内分层稀薄燃烧对性能、燃烧及排放的影响，发现直喷点燃式甲醇发动机分层稀薄燃烧在大负荷下经济性和排放性都比较好，但小负荷时的经济性和排放性较差[35]。

2.6 电热塞助燃式直喷甲醇发动机

与火花塞相比，电热塞能有效改善发动机的冷启动性，Li等[36]通过对一台压缩比为15.5的单缸柴油机和一个静态燃烧弹的实验研究，探讨了电热塞助燃时柴油成功着火的原因，认为电热塞是通过将局部温度提高到413 ℃以上来使柴油着火。Yao等[37]也通过实验探讨了电热塞辅助对柴油机的影响，认为电热塞辅助燃烧过程的本质是提高了缸内局部温度，并且也有引燃混合气的作用。根据该原理，电热塞被应用于柴油机燃用高自燃温度燃料，比如天然气[38-40]、醇类燃料[41-42]等，以克服着火困难、冷启动性差的问题。

甲醇自燃温度高，造成甲醇发动机对电热塞温度要求较高，Kusaka等[43]研究了电热塞助燃式甲醇发动机的着火及燃烧特性并指出电热塞温度必须保持在900 ℃以上才能避免低负荷下发生失火现象。因此，早期也有人专门针对电热塞温度展开过研究，希望通过采用新材料或表面催化涂层方法来得到满足要求的电热塞[44-45]。目前，随着电热塞技术的进步，电热塞材料从金属转变为氮化硅陶瓷，电热塞预热温度相应地从900 ℃提高到了1 300 ℃以上[46-49]，使得电热塞能够满足甲醇发动机对着火燃烧的温度需求。

杨名华等[50]对双缸柴油机上直喷压燃方式燃烧纯甲醇的燃烧特性进行了研究。根据甲醇燃料汽化潜热大、自燃温度高等特点，采用提高压缩比和进气加热等措施，成功地使纯甲醇在直喷压燃方式下获得了稳定运转，并且能有效地降低柴油机的NOx排放，燃油经济性与原机相当。

王晋等[51]通过在1115单缸柴油机上加装电热塞、增大压缩比和喷油泵直径，实现了柴油机燃用纯甲醇燃料，试验后发现甲醇发动机的动力性和经济性均优于原柴油机，并且NOx排放平均降低45%，高负荷下HC和CO排放平均降低70%，但中低负荷下高于原机。

高聪慧等[52]通过电热塞助燃法，在ZS1115单缸柴油机上实现了M100纯甲醇的扩散燃烧通过改变供油提前角，研究了不同供油提前角对甲醇发动机燃烧过程及排放的影响。研究表明：随着供油提前角的增大,最大爆发压力和压力升高率增大，燃烧放热始点提前，放热峰值增大，且出现相位提前。供油提前角的变化对CO排放影响不大，对HC及NOx排放影响明显，增大供油提前角，HC排放增多而NOx排放减少。

3 总结与展望

本文结合国内外研究现状，综述了柴油机燃用甲醇燃料的诸多技术手段，并分析了其性能与排放特性，指出了应用过程中的难点和发展前景，为甲醇作内燃机替代燃料研究领域提供思路与方法。结果表明，柴油机燃用甲醇后动力性、燃油经济性及排放特性都能有所提高，柴油机Soot和NOx排放均得到了显著改善。但柴油机燃用甲醇也存在一些问题，包括冷启动性差，低负荷下甲醛及甲醇等非常规污染物排放较高、燃油经济性较差，甲醇对金属及非金属有腐蚀性等问题。针对目前柴油机燃用甲醇技术所面临的各种问题，开展以下几方面的研究对进一步完善现有柴油机燃用甲醇技术、促进甲醇在柴油机上的实际应用是十分有利的：

(1)排放物生成机理及控制方法。除了常规污染物以外，甲醛与未燃甲醇等非常规污染物排放的研究也非常重要。解决柴油机燃用甲醇时的排放问题，特别使冷启动或低负荷运行时的高污染物排放问题。

(2)对甲醇反应机理的研究，包括对甲醇与其他燃料混合燃烧和纯甲醇燃烧机理的研究。明确甲醇燃烧特点，以帮助解决柴油机燃用甲醇时冷启动难、着火不稳定等问题。

(3)甲醇添加剂的研究，通过掺加添加剂来改变甲醇燃烧特性和物理特性，减小柴油机燃用甲醇的难度，提高甲醇替代燃料的适用性。