甲醇发动机的排放研究

甲醇发动机的排放研究
作者：韩文杰刘书萍赵洪旺
来源：《科技与创新》2016年第15期
摘要：机动车尾气排放中的有害物质PM和NOX是大气污染的主要成分。

介绍了柴油、汽油和甲醇发动机在尾气排放处理方面采取的技术，并分析了甲醇燃料的理化特性。

研究发现，在PM和NOX的处理上，甲醇发动机比较柴油机、汽油机更具优势。

一汽靖烨发动机有限公司在甲醇机尾气处理方面进行了一些研究，并取得了一些成效。

关键词：甲醇发动机；颗粒物；柴油机；机油机
中图分类号：TK46 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.15.109
1 PM2.5及其危害
PM，英文全称为Particulate Matter（颗粒物）。

科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒物的含量，该值越高，则表明空气污染越严重。

颗粒物的成分很复杂，主要取决于其来源，一般分为自然源和人为源两种，危害较大的为后者。

人为源又包括固定源和流动源。

其中，固定源包括各种燃料燃烧源，比如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等工业生产、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘；流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。

研究表明，颗粒物的直径越小对人体健康的危害越大。

1997年，世界银行预计有5万中国人因空气污染而过早死亡。

在这份报告中发现，中国的空气污染导致城市居民的寿命缩短了18年。

2013-10-17，世界卫生组织下属国际癌症研究机构发布报告，首次指认PM2.5会使人类致癌，并视其为普遍和主要的环境致癌物。

2 柴油机的排放及处理技术
柴油机排气的主要有害污染物有PM、NOX、HC和CO，其中，对环境影响较大且较难处理的为PM和NOX。

柴油机尾气处理技术主要包括机内净化和机外净化。

所谓“机内净化”，是指改善燃烧，抑制PM、NOX、HC和CO以及醛类、多环芳烃等排放污染物生成的技术，改善燃烧的方法有燃料喷射时期控制、燃料高压喷射、燃料喷射率控制、燃烧室形状优化、废气再循环等；机外净化是指对发动机排出的物质在进入大气前进行处理，进一步减少PM、NOX、HC和CO以及醛类、多环芳烃等排放污染物的技术。

从燃烧角度解决柴油机微粒排放的方式已经接近极限。

目前，PM和NOX排放的大幅度降低是在采用了几乎所有的现代柴油车技术（比如高压共轨等）的基础上取得的。

在没有新技术出现的情况下，仅仅靠对已有技术的改进和优化来进一步减少PM和NOX的排放已较为困难，但柴油车的排放法规仍然会不断严格。

对于越来越严格的排放法规，柴油车的PM和NOX排放要想达标，仅仅依靠机内净化技术是不够的。

目前，被证明效果较好的机外净化技术为“DOC”+“DPF”+“SCR”。

3 甲醇燃料的特性
甲醇燃料的特性如表1所示。

4 甲醇发动机的尾气处理
甲醇燃料的辛烷值约为110，十六烷值约为3，自燃温度高达455 ℃，与汽油的 427 ℃比较接近，比柴油的200～220 ℃高得多。

因此，甲醇机与汽油机类似，二者均为点燃式发动机，采用的是电控闭环控制+三元催化器的技术路线，可满足现行排放标准。

三元催化器的工作原理为：当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOX三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应。

其中，CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体，HC化合物在高温下氧化成H2O和CO2；NOX 还原成氮气和氧气。

三种有害气体变成无害气体，从而汽车尾气得以净化。

经过研究证明，三元催化器是减少这些排放物的最有效的方法。

目前，所有汽油发动机和甲醇发动机都采用电控控制+三元催化器的技术路线，使发动机始终处于理论空燃比
（14.7∶1）状态，排放效果较好。

5 CA6SH-ME4甲醇发动机尾气排放测试
2012年，为了参加工信部组织的“两省一市”甲醇汽车试点工作，一汽在CA6SH-E3汽油发动机的基础上研发了CA6SH-ME4甲醇发动机。

为了充分发挥甲醇燃料气化潜热大、燃烧速度快等优点，降低油耗和减少尾气排放，首先对主机进行了全新设计，主要内容如下：①压缩比从7.4∶1提高到了11∶1；②进排气同侧优化为进、排气异侧；③缸盖材质铸铁改为铸铝，优化了燃烧室；④优化了水冷却系统；⑤强化了曲轴。

上述措施不仅提高了发动机的性能，而且还保证了发动机的可靠性。

采用多点电喷技术，走电控闭环控制+特制的甲醇催化器的技术路线，可保证该机的排放达到GB 14762—2008和工信部节（2012）42号文规定的排放要求。

CA6SH-ME4甲醇发动机的检验结论如图1所示，CA6SH-ME4甲醇发动机的排放测试结果图2所示。

2014-03，我们又按《柴油机排放测试标准》（GB 17691—2005）对CA6SH-ME4甲醇发动机进行了颗粒物排放测试。

CA6SH-ME4甲醇发动机颗粒物排放测试检验结论如图3所示，CA6SH-ME4甲醇发动机颗粒物排放测试检验结果如图4所示。

6 排放对比分析
从CA6SH-ME甲醇发动机的排放测试结果可看出，甲醇发动机不需采用特殊的DPF、SCR等措施，仅需采用闭环控制+三元催化器的技术路线便可满足国四、国五排放标准。

由于甲醇燃料具有的特殊优势，所起，其比汽油、柴油更容易满足更高排放标准。

甲醇与汽油相比，有以下优势（采取相同的技术条件）；①甲醇燃料仅有1个C分子，分子链较短，且燃料本身含氧，颗粒排放低于汽油；②甲醇气化潜热大，约为汽油的3～4倍，可降低进气温度和可燃混合气的温度和排气温度，利于提高发动机热效率和减少NOX的排放；③甲醇燃烧速度快，可缩小点火提前角，从而减少HC、CO、NOX等有害物的排放，尤其是利于较少NOX的排放。

甲醇与柴油相比，有以下优势：①甲醇燃料仅有1个C分子，分子链较短，且燃料本身含氧，甲醇机颗粒排放量要低于柴油机。

②甲醇采用均质燃烧，燃料能与空气充分混合；虽然柴油机采用稀燃技术，但实际上仍存在局部缺氧环境，为不完全燃烧。

③甲醇发动机可采用电控闭环控制+三元催化器的技术路线，利于NOX的机外处理；柴油机采用稀燃技术，无法用三元催化器机外处理NOX，只能采用SCR路线还原处理NOX。

④甲醇发动机的后处理技术成熟且成本低，柴油机的后处理技术复杂且成本高。

7 结论
甲醇发动机的技术已经比较成熟，不仅可研发适用于乘用车的中小型甲醇发动机，也可研发替代柴油机的中、重型甲醇发动机。

在排放方面，尤其是在颗粒物排放方面，其优于汽油机，更优于柴油机。

甲醇可替代汽油、柴油，这样不仅能节省外汇，保障我国能源的安全，还能减少排放，保护环境。

〔编辑：张思楠〕。