柴油机燃用甲醇柴油的研究现状

柴油机燃用甲醇柴油的研究现状
摘要:本文对柴油机燃用甲醇的技术采取的几种主要方法做了详细的叙述,其中包括乳化法、双喷射法、助燃法和压燃法,并指出甲醇在使用中存在的一些问题。

关键词:甲醇-柴油燃用技术柴油机
随着经济的发展,石油后备资源不足的问题已充分显现,石油类燃料的大量消耗及其造成的大气污染是运输动力急需解决的问题,解决办法是用代用燃料部分代替传统燃料,开发煤制燃料是解决此问题的一条重要途径。

甲醇替代柴油应成为替代燃料发展的重点,从甲醇的特点和现阶段柴油机燃用甲醇柴油的研究可以看出甲醇在作为以后的替代环保型燃料上已经具有相当大的物性优势和科学研究进展上的优势。

1 甲醇的特点
在现有替代能源中,与柴油相比,同时具有资源广泛性、易获得性、方便输运性、费用可接受性的唯有甲醇。

甲醇资源丰富,价格适宜,且具有良好的燃料性能。

使用甲醇代替柴油有利于能源多元化,有利于节能减排,促进燃料能源结构调整,提高发动机高原动力。

与汽油柴油相比甲醇具有和汽油柴油相近的物理性质但也有自身的理化性质的优越性。

甲醇的沸点比柴油低,混合气形成较快,且比较均匀,有利于完全燃烧。

除此之外,由于甲醇汽化潜热较大,形成混合气时会降低进气温度,从而提高充气系数,在一定程度上可改善发动机的燃烧,提高热效率,降低进气温度也可以抑制NOX和碳烟的形成。

甲醇在作为替代燃料的同时还有自身的不足之处,例如:甲醇作为柴油机代用燃料的最大困难是其十六烷值太低,自燃温度高,难以靠压燃方式着火。

甲醇的润滑性较差,易导致燃料供给系统磨损,对气缸等燃耗容器的使用寿命有所削减。

2 柴油机燃用甲醇燃料的研究现状之燃用技术
现阶段研究显示对柴油机燃用甲醇的技术主要采取如下几种方法。

2.1 乳化法
2.1.1 普通乳化
乳化法是将柴油与甲醇燃料进行均匀乳化混合,然后以与纯柴油一样的喷入方式喷入柴油机进行燃烧,这种普通乳化制备方法需要在制备过程中添加助溶剂并使用超声波振动。

不需要对发动机结构进行改造,也无需添加任何辅助装置。

但所需的乳化剂较昂贵会因此增加成本。

乳化液稳定性方面:温度和助溶剂对甲醇柴油混合燃料的稳定性
有很大影响,通过对混合燃料进行临界互溶温度测试[1],可以得出掺混甲醇比例、助溶剂比例与临界互溶温度之间的关系,最终发现在甲醇柴油混合燃料中加入一定的助溶剂可以制备稳定的替代燃料。

燃油的粘度影响方面:燃油的粘度会对供油系统的润滑和燃油的雾化效果产生影响。

吴东垠和仝丽娟等人采用旋转黏度计分别测量了当乳化剂和分散相的质量分数变化时,乳化剂和分散相的质量分数均对乳化液黏度有影响,但是乳化剂含量对乳化液黏度的影响要小于分散相含量的影响。

2.1.2 微乳化
应用微乳化理论可以制备均匀稳定的甲醇柴油混合燃料,方法是向甲醇柴油中添加表面活性剂(如油酸)[2],或是向甲醇柴油中添加微乳化剂(异丁醇、大豆油等),微乳化不同于普通乳化,这种方法不需要添加助溶剂也不需要使用超声波振动。

微乳化液稳定性方面:微乳化甲醇柴油的稳定性受组分和温度的影响较大。

宋印东、袁银男等人研究了微乳化甲醇柴油混合燃料的稳定性,测定了不同组分质量分数对微乳化甲醇柴油的分层时间和分层温度的影响[3],研究得出各组分质量分数达到相应比例后可使甲醇柴油稳定保存一年,油酸、乙酸乙酯、异丁醇分层温度(70 ℃左右)比含水甲醇柴油更高(50 ℃)。

甲醇含量对燃烧和排放特性的影响方面:在甲醇和柴油混合制备
乳化液过程中,甲醇含量对混合液特性起重要作用,同时,甲醇含量对混合燃料的燃烧特性也具有较大影响,刘亚哲在使用高压共轨增压发动机研究甲醇柴油混合燃料的燃烧和排放特性时[4],发现在发动机转速不变的情况下增加混合燃料中甲醇的含量后,发动机的最高燃烧压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度都会逐渐升高。

2.2 双喷射法
此方法可以通过喷射甲醇降低燃烧室和壁面的温度,大幅降低NOX排放,两个喷嘴都是缸内直喷,可以各自控制调节喷射量,方便准确。

但是缸内双喷射法也有很大缺陷,因为需要对柴油机进行改造,在其内部同时安装两套喷嘴使结构复杂,且工作压力大,易使系统部件磨损严重,寿命较短。

首先,关注进气道喷射甲醇对发动机性能及排放的影响。

研究进气道喷甲醇对增压中冷柴油机性能的影响[5],研究表明用甲醇代替柴油,在低负荷时可以降低缸内最高爆发压力,随着负荷的增大,燃烧压力峰值升高但升幅很小。

在排放方面,极大降低了NOX的排放,降幅高达72%,但是HC、CO排放增加。

其次,引燃油量的变化也会对发动机的性能及排放产生较大影响。

邹洪波,王利军,刘圣华研究了引燃油量对柴油引燃甲醇双燃料发动机性能和排放的影响[6],方法是在TY1100型直喷柴油机上使用不同比例的引燃柴油,结果表明,引燃柴油比例为28.9%～48.2%时发动
机可获得较好的经济性,与原发动机相比,双燃料发动机碳烟排放大幅下降,NOX排放降低,但HC和CO排放增加。

2.3 助燃法
借助某些外源措施来辅助甲醇燃料的燃烧,主要是采用电火花助燃法,用高能点火和火花点火,实现在柴油机上燃用纯甲醇。

此方法需对发动机进行改装,增加电热塞或火花塞,过程复杂。

2.4 压燃法
虽然采用助燃法可以实现甲醇在发动机p甲醇与柴油双燃料组合燃烧大幅度提高了柴油机燃料效率。

利用甲醇与柴油双燃料燃烧,既提高燃料效率,有效的减少NOx和PM的排放,又能减少温室气体的排放量。

参考文献
[1] 魏远文,田文,韩志强.甲醇与柴油互溶性试验研究[J].车用发动机,2007(167):88-91.
[2] 谢洁,王锡斌,卢红兵,等.柴油-甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性研究[J].内燃机工程,2004,25(2):1-5.
[3] 宋印东,袁银男.微乳化甲醇柴油的稳定性研究[J].内燃机工程,2012,33(5):36-40.
[4] 刘亚哲.甲醇-柴油混合燃料在共轨发动机上的燃烧和排放特性研究[J].车用发动机,2012(200):37-41.
[5] 史伟奇,王铁.进气道喷甲醇对增压中冷柴油机性能的影响[J].车用发动机,2012(203):46-50.
[6] 邹洪波,王利军,刘圣华.引燃柴油量对甲醇-柴油双燃料发动机性能和排放的影响[J].内燃机学报,2007,25(5):422-427.。