我国甲醇燃料在车用发动机上的应用

李瑞娜

摘 要：随着我国能源紧缺和环境安全问题日益严重，寻找内燃机的清洁替代能源成为研究热点。我国甲醇由煤炭制取，可以和汽油相混形成各种比例的甲醇汽油，或与柴油按一定比例相混形成甲醇/柴油混合燃料，也可以通过气道喷射、缸内直喷的方式，替代汽油或柴油，应用于各种机动车，是具有前景的内燃机替代燃料。

中图分类号：TE626.2      文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）10-221-002

随着汽车工业的迅速发展，我国已经成为世界机动车产销第一大国，据中国政府网数据显示[1]，2020年我国汽车销售量达到2523万辆，全国机动车保有量已达到3.7亿量。内燃机是我国机动车的主要动力，消耗了大量的石油燃料。2020年我国原油表观消费量近7亿吨，石油对外依存度达到73%。2020年，我国机动车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为772万吨、189万吨、636万吨和7万吨。面对节能减排的迫切需求，发展清洁代用燃料对减少我国对进口原油的依赖和减轻环境污染具有重要的意义。

面对节能减排的迫切需求，发展清洁代用燃料对减少我国对进口原油的依赖和减轻环境污染具有重要的意义。柴油机的清洁替代燃料主要有气体燃料、醇类燃料、醚类燃料、生物柴油和F-T柴油等。我国煤炭资源丰富，可供利用的储量约占世界煤炭储量的11.67%，位居世界第三。甲醇主要是由煤制取，煤制甲醇是我国化工行业中的成熟产业，生产工艺简单，投资和生产成本低，特别是可以用劣质高硫煤和焦炉气回收制取甲醇。2020年，我国甲醇的产能达到了9100万吨，已经成为全球最大的甲醇生产和消费大国，但甲醇产量只有6357万吨，甲醇的产能利用率水平偏低。李琼玖研究员等人认为，煤炭直接用于发电的平均热能效率约为30%，而煤制甲醇，在内燃机燃用的热能效率可达70%～80%，污染物排放也更低[2]。煤制甲醇具有含氧量高、汽化潜热高的优点，可以在稀混合状态下燃烧，有效提高柴油机的热效率，降低排气颗粒污染物。美国乔治·A·奥拉经过长期研究得出结论：“甲醇经济”使人类不再依赖于日益减少的石油和天然气[3]。

1.甲醇的制取

甲醇分子式为CH3OH，含有一个C是饱和的一元醇，结构最简单，是目前发动机的优质替代燃料。

国外甲醇以天然气为原料生产的甲醇占92%，以煤为原料生产的甲醇2.3%，因此国外公司的甲醇技术均集中于天然气制甲醇。我国是煤丰富的国家，甲醇原料采用天然气和煤的较多。产量几乎各占一半。生产工艺有单产甲醇和联产甲醇两种。联产甲醇除在合成氨装置联产甲醇外，还可利用化工厂尾气或结合城市煤气联产甲醇。我国甲醇以煤为原料，采用焦化工艺，以焦炉煤气转化成合成气制取。煤制甲醇是热化学过程，是通过煤气化过程产生合成气后，再经过合成制备成甲醇，可以分为造气、净化、合成、精馏四个部分。

煤制甲醇合成过程中的主反应方程式如下：

副反应为：

2.甲醇理化特性

甲醇和生物柴油分别为醇类和酯类燃料，理化特性与柴油不同。甲醇和生物柴油在柴油机上燃用，需要首先考察燃料的理化特性。表1列出了0#柴油、汽油和甲醇的理化特性参数。从表1可以看出，甲醇的密度、辛烷值等与汽油较为接近，而甲醇的理化特性与柴油差异较大，主要表现在氧含量、气化潜热、十六烷值、低热值等。

3.甲醇在汽油机上的应用

与汽油相比，甲醇的辛烷值为112，高于汽油辛烷值92。因此，甲醇作为汽油机代用燃料的抗爆性优于汽油，在汽油机上使用可以提高压缩比，有利于提高汽油机的动力性和经济性。甲醇燃料在汽油机上使用，经历了从低比例掺烧（M15甲醇占15%）逐渐到高比例（M85～M100）掺烧的过程。荷兰首先提出了灵活性燃料汽车（FFV）的概念，采用的燃料主要是甲醇、汽油以及汽油和甲醇的混合燃料。1973年美国麻省理工大学的Tomas Reed提出将甲醇掺混到汽油中燃烧，比例为3%，可以改善发动机的怠速和小负荷排放;1981年福特公司生产的40辆专门燃用M100的甲醇汽车开始运行。1985年日本在通产省成立了“甲醇汽车普及机构”，1993年日本汽车研究所在大型公共汽车和载货车上使用M85、M100燃料，加速了甲醇汽车的推广应用。

我国最早从70年代初就开始重视甲醇燃料作为汽车的代用燃料，并将甲醇汽车技术开发列为国家科技重点攻关项目，分别对低比例燃用甲醇燃料和高比例燃用甲醇燃料开展系统试验研究。自2012年起，工信部先后在山西、上海、陕西、贵州、甘肃等5省市中的10个城市进行甲醇汽车试点，对甲醇汽车进行科学系统地验证，共投入运营甲醇汽车1024辆，总运行里程超过1.84亿公里，单车最高行驶超过35万公里，建设甲醇燃料加注站20座，累计消耗甲醇燃料超过2.4万吨。自2018年起，甲醇汽车产品公告已取消区域限制，可在全国范围内推广运行。2018年年底，西安的M100以纯甲醇为燃料的出租车正式上线。2019年3月国家工信部、公安部、交通运输部等八部门联合发布《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》，以甲醇为车用清洁燃料进一步得到了推广。至2019年5月，已有1万辆在运营。届时，西安甲醇汽车存量超过西安所有的特斯拉，蔚来，小鹏、威马等所有电动车数目总和。在经济性方面，甲醇燃料的费用要比普通汽油燃料经济性強，也受到了很多出租车朋友的喜爱。

4.甲醇在柴油机上的应用

甲醇燃料不仅可以在汽油机上应用，在柴油机上的研究也同样得到了重视。与柴油相比，甲醇含氧量高，汽化潜热大，但十六烷值为5，远低于柴油的十六烷值45。因此，甲醇的自燃温度高不易在柴油机上直接压燃。而柴油机燃用甲醇主要是采用电控喷射法和乳化法。电控喷射法主要包括缸内双喷射、进气道喷射和助燃法等。缸内双喷射是在气缸盖上安装两个喷油嘴，甲醇和柴油都采用高压喷射的方式喷入柴油机缸内。进气道喷射是采用电控喷射的技术，在进气道上安装甲醇喷射系统和所需要的传感器，甲醇进入气缸后形成均质混合气，并由柴油引燃。乳化法是将甲醇与柴油机燃料以乳化或微乳化的形式混合均匀，通过喷油器喷入到燃烧室。采用乳化法燃用甲醇时，无需改变柴油机结构，就可以燃用部分甲醇燃料，但通常需要考虑燃料互溶性的问题，配制过程中可能需要添加适量的助溶剂。表1给出了柴油机燃用甲醇/生物柴油混合燃料时，柴油机功率的数据[4]。从表中可以看出，与柴油机燃用生物柴油相比，添加小比例的甲醇时，柴油机功率变化不大。

天津大学姚春德等人[5]提出了甲醇/柴油的组合燃烧模式（DMCC），通过在进气歧管喷射甲醇，缸内喷射柴油引燃的组合燃烧系统，可以在柴油机上使用甲醇燃料，如图2所示。可以看出，采用组合燃烧模式，不仅可以实现部分替代柴油的目的，还可以有效提高柴油机缸内最大爆发压力。目前，甲醇/柴油组合燃烧方式已经进行了道路试验，山东久泰能源公司、上海煤焦化公司、山西佳新能源公司分别采用甲醇/柴油组合燃烧方式进行了试验[6]，为甲醇大比例替代柴油提供了一种新的途径。

柴油掺混甲醇的应用也处于逐步推广应用阶段。发动机燃用甲醇燃料也面临着甲醇对橡胶、塑胶及有色金属部件的腐蚀、溶胀性问题。甲醇在柴油机上燃烧还会产生醛、酮类等挥发性非常规污染物，这些挥发性非常规污染物在大气环境下受到紫外线的照射时，会与氮氧化物反应形成臭氧，臭氧和其他氧化物通过光化学反应、气/粒转化等过程生成二次有机气溶胶，是大气中PM形成的来源[7]。甲醛、丙酮、2-丁酮等化合物对人体呼气道有刺激作用，对环境和人体健康有一定的影响。

煤制甲醇是我国化工行业中的成熟产业，我国甲醇的年产能高，但产能利用率低。甲醇作为内燃机替代燃料，不仅可以在汽油机上直接掺混使用，也可以在柴油机上以掺混、进气道喷射、缸内直喷等方式应用。推广甲醇燃料作为内燃机的替代燃料，不仅可以有效缓解能源压力，还有助于降低内燃机的排放污染物。

基金项目：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题（K2020-12）;江苏省自然科学基金项目（BK20200910）;江苏省教育厅自然科学研究项目（20KJB470015）

参考文献：

[1]中国政府网[EB/OL] http：//www.gov.cn/

[2]李琼玖，申同贺，孟仲林，等.中国发展煤炭清洁转化制甲醇是替代石油能源的最佳选择[J]中外能源，2006，11（4）：1-8

[3] Olah G A， Goeppert A， Prakash G K S. Beyond oil and gas： the methanol economy[M] Wiley-VCH， 2009

[4]王忠，安玉光，侯乐福，等.柴油机燃用甲醇—生物柴油混合燃料的性能与排放研究[J]车用发动机，2011，（1）：30-33

[5]姚春德，程传辉，段峰，等.柴油/甲醇的組合燃烧对废气涡轮增压柴油机排放的影响研究[J]内燃机学报，2005，23（2）：119-123

[6]姚春德，王辉，姚安仁，等.DMCC技术在高速船用柴油机上的应用研究[J]哈尔滨工程大学学报，2021，42（1）：112-118.

[7]陈天增，葛艳丽，刘永春，等.我国机动车排放VOCs及其大气环境影响[J]环境科学，2018，39（2）：0478-15