（载运工具运用工程专业论文）甲醇柴油燃料的实验研究.pdf

摘要 随着石油储量的减少及生态环境的恶化，能源危机和环境污染已经成为当今社会最 受人们关注的两大热点。而由于汽车保有量的不断增加，能源危机和环境污染的状况变 得更加严重。因此汽车替代燃料的发展也越来越多的受到重视。甲醇由于其清洁、高效、 经济且来源广泛，近些年来受到了人们的推崇。目前已在汽油机上得到了广泛的应用， 但是在柴油机上应用相对较少。本文在国内外研究的基础上，对甲醇柴油燃料的开发及 应用做了较为深入的研究。主要内容如下： 首先分析了发展甲醇柴油的优势所在，探讨了甲醇和柴油在物理化学及燃烧方面的 不同，并根据这些不同提出了甲醇应用在柴油机上的一些调整方法，主要包括燃料的改 质以及发动机为适合甲醇燃烧而进行的调整。 文章对甲醇柴油的互溶也进行了较为深入的研究。得出了表面活性剂复配更有利于 甲醇柴油的乳化，复配能够减少添加剂的用量且能够延长稳定时间。研究同时发现甲醇 柴油微乳化后添加助表面活性剂或水能有效的增加混合燃料的稳定时间。 在云内4 1 0 0 q b z l 柴油机上完成了甲醇柴油发动机性能实验台架的搭建，并完成发 动机的台架实验，研究发现发动机的动力性下降，经济性要好于柴油，排放方面c o 、 h c 以及碳烟在甲醇添加量较小时下降明显，而在添加量较大时下降不明显甚至可能出 现高于柴油的现象，而n o x 在小添加量排放增加，添加量变大时会减少。在添加甲醇 后c 0 2 排放减少，且随添加量增大而减少增多。 关键词：甲醇柴油，柴油机，乳化，动力性，经济性，排放性 a b s t r a c t w i t ho i lr e s e r v e sa n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i o n ，t h ee n e r g yc r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e c o m et h em o s tp o p u l a rc o n c e m e dh o ts p o r t sn o w a d a y s a n d b e c a u s eo ft h ed e c r e a s e o ft h ec a l t h a tc a u s e so i lr e d u c e da n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fa l t e r n a t i v ef u e le n g i n ec a u s e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s eo f i t sc l e a n ，e f f i c i e n t ， e c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea n de x t e n s i v es o u r c e ，m e t h a n o lg e t st h e p r a i s eh i g h l yo fp e o p l ei nr e c e n ty e a r s c u r r e n t l ym e t h a n o lh a sa l r e a d yw i d e l ya p p l i e dt o g a s o l i n ee n g i n e s ， b u tr e l a t i v e l yl e s st od i e s e le n g i n e b a s e do nt h er e s e a r c hh o m ea n d a b r o a d ，o ft h ed i e s e lf u e lm e t h a n o l ，t h ed e v e l o p m e n to ff u e lm e t h a n o la n da p p l i c a t i o no n e n g i n ea r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e r ，t h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo f t h et h e s i si sl i s t e da sf o l l o w ： f i r s t l y ，t h ea d v a n t a g eo fd e v e l o p m e n to fm e t h a n o ld i e s e li sa n a l y z e d ，t h e nt h ed i f f e r e n c e i nc h e m i c a la n dp h y s i c a la n dc o m b u s t i o na s p e c t sb e t w e e nm e t h a n o la n dd i e s e li sd i s c u s s e d ， a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sf o ra p p l i c a t i o no fm e t h a n o li n d i e s e le n g i n ea r ep u tf o r w a r d ， i n c l u d i n gf u e lm o d i f i c a t i o na n dt h et r a n s f o r m a t i o no fe n g i n e t of i tf o rm e t h a n o lf u e l t h es o l u b i l i t yo fm e t h a n o la n dd i e s e li sf u r t h e rr e s e a r c hi nt h ea r t i c l e t h em i x i n go fs u r f a c t a n ti sm o r ec o n d u c i v et ot h ee m u l s i o no fm e t h a n o la n dd i e s e l ，t h e r e s u l t si sb e t t e rt h a ns i n g l ee m u l s i f i e rf r o ma d d i t i v ea m o u n to rf r o ms t a b l et i m e w h a ti s m o r e ， a d d i n gc o s u r f a c t a n to rw a t e rc a i lb e a e rh e l p st h ed i e s e lf u e le m u l s i f y t h i sp a p e ri sb a s e do nc o n s t r u c t i n gam e t h a n o ld i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c ew i t ht e s t b e n c h ， c o m p l e t e dd u a l f u e le n g i n et e s to nt h ec l o u d s4 10 0 q b z ld i e s e le n g i n e t h ea r t i c l e m a i n l ys t u d i e dt h ep o w e rp e r f o r m a n c ed e c r e a s e dw h i l et h ee c o n o m yi sb e t t e r e m i s s i o n sl i k ec o ，h c ，s m o k ew h e nt h ea m o u n to fm e t h a n o la d d i t i v e si ss m a l l ， d e c r e a s e de v i d e n t l y ，b u tn o xe m i s s i o ni n c r e a s e s ；o nt h ec o n t r a r y ，w h e nt h ea m o u n to f m e t h a n o la d d i t i v e si sm o r e ，t h e r ei sn oo b v i o u sd r o pi ne m i s s i o n sa n de v e nh i g h e rt h a n d i e s e l ，w h e nt h e r ei sab i ga m o u n to fm e t h a n o li nm e t h a n o ld i e s e l ，n o xe m i s s i o n sw i l l d r o p ；e m i s s i o n so fc 0 2w i l lr e d u c ew i t hm e t h a n o l si n c r e a s i n g k e y w o r d s ：m e t h a n o ld i e s e l ，d i e s e le n g i n e ，e m u l s i f i c a t i o n ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ， e c o n o m yp e r f o r m a n c e ， e m i s s i o np e r f o r m a n c e i i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 1 1 1 节约石油资源 能源是人类生存和发展的最重要因素之一，从上世纪开始，能源短缺及能源结构的 不合理问题就已经引起了国内外的普遍关注。能源问题已经成为经济可持续发展的主要 瓶颈，并严重影响国家的战略安全。 汽车已成为人类必不可少的交通工具，成为一个国家现代化程度的重要标志之一。 随着我国经济的迅速发展，汽车保有量也在高速的增长，据国家统计局最新发布资料显 示截至2 0 0 8 年末，全国民用汽车保有量达到6 4 6 7 万辆，比2 0 0 7 年末增长1 3 5 ，2 0 0 9 年中国的已经成为全球最大的汽车生产国【l 】。清华大学著名教授欧阳明高在2 0 1 0 年3 月7 日接受人民网采访时介绍说：“预计2 0 2 0 年我国将成为世界上最大的汽车制造国， 汽车保有量将达到2 亿辆左右【列。 石油是汽车的主要燃料，属于不可再生资源。我国的石油已经越来越多地依赖进口。 随着汽车保有量的逐步增加，石油需求强劲，对能源供给挑战也更加严峻。从1 9 9 3 年 开始我国就进入了石油净进口国行列，进口量与日俱增。2 0 0 8 年，进口原油1 7 8 9 亿吨， 比2 0 0 7 年增长9 6 3 1 。2 0 0 9 进口原油2 0 4 亿吨，预计中国原油产量到2 0 2 0 年至多能 达2 0 亿吨，届时石油消费量将达4 5 亿6 1 亿吨，缺口多达2 5 亿 - - 4 3 亿吨。石油 的对外高依存度已经成为一个十分严重的战略问题。 石油替代产品要求产量大、成规模、原料充分。甲醇是一种易燃易挥发的无色透明 液体，其燃烧性能与正在使用的石油燃料极为相似，可以部分甚至完全替代石油。目前 我国有2 0 0 多家的甲醇生产企业，甲醇生产增长速度很快，2 0 0 2 , - - , 2 0 0 9 年八年间甲醇 产能年均增长在两位数，2 0 0 9 年我国甲醇产能已达到2 3 5 0 万吨【4 1 ，目前甲醇生产企业 逐年增长，产量也不断增加，预计到2 0 1 0 年总产能将达到2 6 0 0 万吨 - - 3 0 6 0 万吨年【5 j 。 一旦将甲醇应用于汽车，必将给国家和社会带来巨大的好处。 1 1 2 减少汽车污染物排放，保护环境 汽车燃烧石油燃料排出的气体中含有大量的有害气体，对人类、动物、植物等构成 了很严重的危害。随着汽车保有量的增加，汽车排放的有害物质已经成为环境污染的主 要来源。节能减排是我国长期的战略选择，通过控制高耗能高污染行业的增长速度，推 第一章绪论 动我国经济增长方式由目前的粗放、能源消耗偏高、环保欠账较多向资源节约、环境清 洁方向转变。2 0 0 6 年全国节能降耗目标实施以来，仅有北京市完成了目标任务。国家 发改委确定的2 0 0 6 年、2 0 0 7 年节能目标均没有达到，环保形势不容小觑。中央已经下 决心改变经济快速增长消耗大量能源资源和污染物长期超标排放的局面，节能减排工作 力度必将持续加大。 甲醇燃烧后主要形成水和二氧化碳，是典型的清洁替代燃料。而且很快自然降解， 即便发生泄漏问题也不会对环境造成很大的污染。甲醇作为汽车燃料推广应用能减少汽 车的有害排放，有利于改善空气污染状况，保护环境。 1 1 3 降低汽车运输成本，促进经济发展 近几年来国际油价大幅度上涨，尤其是2 0 0 8 年油价飙升至1 3 0 多美元每桶，进入 2 0 0 9 年油价虽有所下降，但是价格仍然偏高，由于石油属于不可再生资源，总有一天 石油将会枯竭。成品油价格的大幅度上涨造成汽车运输成本加大，流通物资的价格也必 然上涨，其影响面非常巨大。目前汽柴油的价格大约在7 0 0 0 元吨左右，而甲醇的价格 在2 5 0 0 元吨左右，尽管甲醇的热值较低，汽油、柴油、甲醇的低热值分别约为 4 2 5 0 0 k j k g 、4 2 7 0 0 k j k g 、1 9 7 0 0 k j k g ，甲醇的低热值分别为汽、柴油的4 6 2 和4 6 1 。 如果汽车分别以汽油、柴油、甲醇为燃料发放出同样的热量其燃料消耗率的比值应该是 1 ：2 1 6 和1 ：2 1 7 ，因此汽车燃用甲醇较之于汽、柴油的百公里油耗增大是必然的。但 是由于甲醇价格很低，仅为汽柴油的大约3 0 左右，尽管燃烧量为汽柴油的两倍多，但 是仍然可以节省三分之一的成本，而且油价有持续增长的趋势，而甲醇生产来源广泛， 价格增长必然缓慢，因此从长远看其成本必然要更低。因此汽车燃用甲醇后必然将大幅 度的降低运输成本，促进经济发展。 1 1 4 提高资源利用率，符合国家产业政策 2 0 0 9 年1 月1 4 日，中国国务院常务会议原则通过了汽车产业调整振兴规划，决定 实施新能源汽车发展战略。年底在西安举行的汽车新能源发展论坛上一致认为甲醇是目 前最理想的新能源，加快甲醇汽车的产业化进程，符合我国的产业化政策和可持续发展 战略以及我国经济结构调整方向。长安大学起草的车用燃料甲醇国家标准已颁布实 施，同时陕西省、河南省、以及四川省等也都制定了相关的甲醇标准，各个标准的制定 充分说明了各级政府对于发展甲醇汽车的重视。 发展甲醇，加快甲醇汽车产业化进程，有利于提高能源使用率，有利于使经济增长 2 长安人学硕士学位论文 向高效、节能方向转变，符合我国的产业政策和可持续发展战略，符合建设节约型社会 的要求。 1 2 国内外甲醇研究开发概况 1 2 1 国外甲醇研究开发状况 为了面对日益严格的环保要求，加之2 0 世纪7 0 年代出现了两次石油危机，各国先 后开始了甲醇燃料的研发工作。尤其以德国、日本、加拿大、瑞典以及巴西等国家的研 究开发较为深入。1 9 7 6 年在瑞典召开了第一届国际甲醇会议，会议上普遍认为在内燃 机燃烧和排放上甲醇比石油燃料更具优势6 7 ，羽。 美国政府非常重视甲醇燃料的开发、应用，也是在研发过程中投资规模最大、行车 范围最广的国家之一。加州于1 9 7 8 年就首先开始了甲醇汽车的应用实验。2 0 世纪8 0 年代中期，福特公司成功建成了m 8 5 灵活燃料汽车( f f v ) 生产线【9 1 ，并投入了大批量生 产。时任美国副总统的老布什亲自抓了甲醇替代燃料的推广应用工作，组织专家经过三 年的调查研究，写出了“世界上最清洁的发动机燃料是甲醇 的对策咨文，明确甲醇是 汽车代用燃料发展的主攻方向，随后，甲醇在美国得到了迅速的发展。到1 9 9 9 年有甲 醇加油站3 0 多个【1 0 】。 在欧洲，瑞典于1 9 7 5 年首先成立了国家级的瑞典甲醇开发公司( s m a b ) 。同时德国 也开始研制甲醇发动机，并与1 9 7 9 年制定了用于醇类燃料的研究规划，并在全国主要大、 中城市建立了甲醇汽车加油站，在全国范围内形成了甲醇供应网络。到目前为止德国是 发展甲醇汽车最有成效的国家之一。据统计，目前，瑞典、新西兰、意大利都已开始广 泛推广使用甲醇燃料1 l 】。 日本也与2 0 世纪8 0 年代后期开始了甲醇汽车的研究工作。巴西也是较早的开发 应用甲醇燃料的国家之一，现已发展成为甲醇市场最大的地区【1 3 j ，特别是近些年来，随 着节能环保的日渐突出，巴西国内消费者又开始热衷于购买甲醇汽车。2 0 0 1 年9 月当 月就售出了1 3 9 4 辆，到2 0 0 4 年巴西甲醇汽车的保有量达到了4 0 0 万辆左右【1 4 1 。 1 2 2 国内甲醇研究开发状况 随着我国经济建设的稳步发展，能源燃料的供需矛盾也日趋加剧，替代燃料因此也 引起了广泛重视。由于甲醇独特的优势，以及在政府相关部门的大力支持下，经过多年 的努力，我国甲醇的研究开发取得了巨大成就。我国甲醇的开发研究起步较早，早在 3 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代初就有少数的大专院校、科研部门以及汽车企业开始了甲醇的研究开发 工作，并取得了一定的进展【1 5 】。“六五 、七五”、“八五”期间，国家组织了大量 的人力物力开展了甲醇燃料的研究工作，取得了比较满意的效果【l6 1 。我国科学院生态环 境研究中心与1 9 8 9 年1 月至1 9 9 0 年7 月对甲醇燃料轿车进行了台架实验和道路模拟道 路实验，实验效果良好【1 。7 1 。 1 9 9 6 年，山西云冈汽车集团、中科院工程物理研究所与福特公司合作研制成功了 甲醇灵活燃料汽车。同年5 月2 7 日，国家科委签发了由中美合作研究的在中国山西省 实施f f v 计划的可行性研究，该研究表明，在我国富煤省区重点发展煤制甲醇将是我 国替代燃料的重要选择 1 8 】。1 9 9 7 年，国家经贸委正式批准在山西省实施国家甲醇汽车 示范工程【1 7 】。到2 0 0 8 年底，山西省共有较大规模的甲醇燃料调配企业6 家，在山西省 及周边省市累计销售甲醇汽油6 0 0 0 0 余吨，变性甲醇1 2 0 0 0 余吨，云冈集团为国内一些 省市改装甲醇燃料汽车超过1 0 0 0 辆【2 9 1 。同时山西省还制定了m 3 5 和m 7 0 8 5 甲醇地方 标准【1 9 】。 近期还有许多企业及科研院所也在积极开展甲醇的应用研究，北京腾飞时代科技开 发有限公司、漯河石化公司、长安大学等企业及大专院校科研单位也在积极开发甲醇的 应用技术【2 0 1 。江苏省、云南省、山东省、黑龙江省和天津市等地也都相继开展了甲醇发 动机的实验研究工作【2 1 1 。 陕西省委、省政府也高度重视甲醇燃料汽车产业化的发展。2 0 0 4 年7 月，陕西省 质量技术监督局颁布实施了由长安大学负责起草主编的d b 6 1 t 3 5 2 2 0 0 4 车用m 1 5 甲 醇汽油、d b 6 1 t 3 5 3 2 0 0 4 车用m 2 5 甲醇汽油、d b 6 1 t 3 5 1 2 0 0 4 车用燃料甲醇 等地方标准，2 0 0 5 年7 月，陕西省政府第十七次常务会议将甲醇燃料产业的发展正式 提到了议事日程，并成立了“陕西省甲醇汽、柴油试点工作办公室”，全面协调陕西省 甲醇汽油燃料的推广应用。目前，延安市、宝鸡市的甲醇汽油燃料汽车已经运行，西安 市的甲醇公交车辆也将开通【2 2 1 。 1 3 我国发展甲醇的可行性分析 1 3 1 甲醇的技术性能 甲醇是一种新型的替代能源，在产品性能和实际应用方面都具有很大的优势，相对 于石油燃料甲醇分子量小、沸点低、雾化性能好、燃烧充分，可以大大改善发动机的燃 烧性能，减少积碳的产生，大大减少发动机气缸及活塞表面的磨损，延长发动机的使用 4 长安大学硕士学位论文 寿命。由于甲醇是含氧燃料，在发动机内能够更加充分的燃烧，降低了尾气中c o 和 h c 的排放量，同时甲醇本身含氧减少了空气的使用量，使进入发动机内的n 2 含量减少， 尾气中的n o x 排放也得到降低，因此甲醇能有效的控制汽车对大气的污染【1 9 1 。 1 3 2 甲醇的经济性 甲醇是一种非常有前途的车用代用燃料。甲醇可以利用煤炭、天然气、煤层气、生 物资源和分类垃圾制取，作为汽车燃料可以部分甚至完全替代汽油。我国煤炭含量非常 丰富，在生产、利用甲醇方面具有天然优势。煤质甲醇的生产成本每吨约1 0 0 0 元人民 币，目前市场销售价为每吨2 5 0 0 元左右。目前，全国的甲醇生产量在8 0 01 0 0 0 万吨， 预计在2 - - 3 年内国内甲醇生产能力可达1 5 0 0 - - 2 0 0 0 万吨，如果达到每年替代1 2 0 0 万 吨石油，则可为国家节约外汇约1 0 0 多亿美元【2 3 1 。再从甲醇的使用看，理论上1 8 吨甲 醇相应于1 吨汽油，而实际中甲醇汽油辛烷值高、爆发力强，实际消耗1 4 吨相当于1 吨汽油，按目前汽油价7 3 1 7 元吨，甲醇2 3 0 0 元吨，每消耗1 吨甲醇可比汽油降低成 本2 9 2 6 元。甲醇作为发动机燃料在经济方面具有独特的优势。 1 3 3 国家支持甲醇的发展 我国甲醇发展之所以取得今天的成就，与政府的大力支持分不开。从“六五 开始 政府不仅在政策方面给予甲醇支持，而且在人力、物力和资金方面也给予了重点扶持， 为甲醇这一系统工程的进一步实施创造了良好条件。特别是在“九五 末期，由国家经 贸委立项并由山西佳新能源化工实业有限公司承担的国家甲醇汽车实验示范项目， 己于2 0 0 1 年通过了由国家经贸委组织的专家评审，将我国的甲醇工作进程推向了一个 新阶段2 2 1 。 为了加快我国甲醇的发展步伐，促进我国替代能源计划的稳妥有序的实施，国家有 关部门多次专门组织汽车、化工及科研等单位的专家对目前我国甲醇研发中存在的问题 和今后进一步改进方案进行了广泛的论证与探讨。目前，有关部门工在组织协调各有关 部门及研发单位进行选点，部署更大范围甲醇的示范及推广工作口2 1 。 从能源及燃料的整体结构上来看，无论将甲醇作为过渡性混合燃料，还是成为将来 燃料电池的重要原料，均具有较好的发展前景，为适应我国缺油少气富煤的国情调整和 改善能源结构，促进我国经济发展将会起到积极的作用。因此国家也从各个方面进行了 大力的支持，甲醇也势必会得到巨大的发展。 1 3 4 甲醇的市场前景 5 第一章绪论 随着我国甲醇示范规划的成熟及推广工作的进行，未来甲醇的消费量将显著增加。 根据我国汽车工业发展报告，2 0 0 8 年我国汽车保有量达到6 4 6 7 万辆，2 0 2 0 年前将成为 世界上最大的汽车制造国，汽车保有量也将达到1 5 亿辆左右【2 j 。如果全国4 0 范围内 推广m 5 甲醇汽油，其消费量将达到1 8 0 万t 左右。另外，m 8 5 1 0 0 甲醇汽油发动机及 汽车的开发工作也在推进，如果能在部分地区进行示范试应用，5 年后将推广达到2 左右的应用范围，其年消费量也将超过2 0 0 万t 。综上所述，近年来甲醇车用燃料己经 引起了广泛的关注，使得甲醇在甲醇总体消费中的比例将超过3 0 ，是国内甲醇最大 的潜在市场。 1 4 本文研究的主要内容 由上面的分析我们可以得出结论，发展甲醇替代燃料有着广阔的前景。但是要想将 甲醇应用于柴油机，却存在着许多问题。甲醇的汽化潜热值大，十六烷值以及自燃温度、 热值都很低，同时甲醇对金属及塑料有溶胀腐蚀作用。同时柴油机的燃油供给系统也有 很多地方不适合甲醇的燃烧。因此本文从分析甲醇和柴油燃料的各种性能着手，对目前 广泛应用的各种柴油机燃料供给系统进行了研究，并针对适合甲醇燃料燃烧的调整方案 进行了初步的探讨，同时对甲醇柴油的互溶进行了比较深入的研究。最后根据针对云内 4 1 0 0 q b z l 发动机进行了具体的调整，并进行了台架实验，对柴油机掺烧甲醇的动力性、 经济性和排放性进行了较为深入的研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章甲醇柴油燃料性能及甲醇应用于柴油机的主要途径 2 1 甲醇与柴油燃料性能比较 甲醇是被公认的清洁燃料，研究甲醇的动力性、经济性以及排放性等指标与其理化 性质和燃烧特性是分不开的。影响内燃机的各种性质除了机械本身的因素外都和燃料在 气缸内燃烧有关，所以要分析它们的性能就不得不首先分析甲醇、柴油的燃料特性性， 只有这样才能使甲醇更加理想的应用于柴油机，达到节能减排、适合国家政策的需要。 2 1 1 化学成分 甲醇又叫木精，轻质、无色、略有臭味、低污染，能与水无限互溶。只含有一个c 原子，没有c = c 键，含有5 0 的氧，是一种排气清洁的含氧燃料。甲醇的分子式是 c h 3 0 h ，不含c = c 键，其来源广泛，可以从煤、木材、天然气、植物秸秆，城市可燃 垃圾等物质中提炼或者合成。 “ 柴油是碳氢化合物的混合物，称作烃类燃料。甲醇是烃基( h c ) 与羟基( o h ) 组成 的化合物，这就从本质上决定了甲醇可以作为内燃机的替代燃料，甲醇含氧的羟基是甲 醇与烃类燃料存在差异的根本原因【2 4 】。表2 1 2 5 1 列出了甲醇和柴油的相关参数比较。 表2 1甲醇和柴油相关参数比较 名称含碳原子数 含氢 含碳， 含氧觞( c h ) m( h c ) a 分子量 甲醇 l1 2 53 7 55 02 9 8 043 2 0 4 柴油1 0 2 61 2 1 3 58 6 8 8 o 6 4 7 2 l 1 8 51 9 0 2 0 0 表2 1 表明，甲醇与柴油相比，含氢量大致相同，含碳量却远小于柴油，所以柴油 的碳氢质量比( c h ) m 要比甲醇大很多，氢碳分子数比( h c ) a 比甲醇小得多。柴油 属于非含氧燃料，燃料几乎不含氧，因此燃烧过程中无自供氧效应，而甲醇属含氧燃料， 含有5 0 的氧，燃烧过程中有自供氧效应。甲醇高的含氧量导致甲醇热值了的降低，但 同时甲醇燃烧时所需空气量也减少，两者共同使得甲醇理论混合气热值与柴油差距不 大。因为甲醇具有较高的含氧量和含氢量，甲醇发动机的排气中产生较多的h 2 0 及较 少的c o 。由于甲醇燃烧产生的水分较多，在发动机启动、暖机及缸内温度不高时，容 易在缸壁上形成冷凝物，促进酸性物质的生成及磨损的增加。 2 1 2 物理化学性质 7 第二章甲醇柴油的应用现状 表2 2 【2 5 j 为甲醇柴油的部分物化特性比较，由表2 2 可以看出柴油的密度略高于甲 醇，其汽化潜热值却明显低于甲醇，柴油的汽化潜热约为甲醇的四分之一，甲醇高的汽 化潜热值使得甲醇气化吸收大量燃烧室的热量，降低混合气温度，温度降低有利于提高 发动机的热效率，降低n o x 的排放量，尤其是在大负荷下可以大大改善发动机的性能。 理论空燃比混合气完全绝热蒸发时，柴油混合气温度大约下降2 0 ，而甲醇混合气却 下降约1 2 2 ，然而实际上由于发动机周围管壁较热，发动机温度较高，混合气温度并 不会下降这么多1 2 6 l 。与此同时甲醇高的汽化潜热值使得发动机启动较为困难，尤其是低 温情况下，主要原因是导致压缩终点缸内温度较低，加长了混合气着火前的滞燃期。但 是另一方面却可以降低压缩功，有利于提高压缩比。 表2 2甲醇和柴油部分物化特性比较 燃料 密度( 2 0 c ) 沸点黏度( 2 0 )汽化潜热 闪点( 闭)十六烷凝点自燃温度 蝇lm p a sm j l ( g 值c n 甲醇 0 7 9 26 4 50 6 1 l1 0 8 81 1 1 239 7 84 7 0 柴油0 8 2 0 8 61 8 0 - 4 1 03 0 - - 8 0o 2 86 5 8 84 5 - - 6 51 0 1 02 7 0 3 5 0 甲醇的沸点比柴油要低很多，说明甲醇蒸发快，这有助于燃油空气混合气的快速形 成，利于完全燃烧，此外甲醇的凝点比柴油低得多，所以在环境温度低时无需担心出现 油路堵塞现象。甲醇的黏度比柴油低，因此其破碎和雾化程度也更好，这对于以喷射方 式供给燃料的内燃机有利。 闪点是有关安全防火的一个重要指标。闪点越低则着火危险性越大。由表2 2 甲醇 的闪点低于柴油，为1 1 - - - 1 2 ，属易燃燃料，因此运输及保管过程中要注意防火。 柴油机的着火性能受很多因素的影响，最主要的是燃料的十六烷值及自燃温度。其 中十六烷值是衡量柴油机中着火延迟期的最主要指标。十六烷值越高在柴油机中压燃着 火越快，十六烷值越低其压燃着火就越慢。由表2 2 可以看出，甲醇的十六烷值仅为3 ， 为柴油的二十分之一左右。按照国家标准柴油机要想获得比较稳定的燃烧则要求十六烷 值在4 0 以上，由此可以看出甲醇在压燃式发动机上的着火性能很差。自燃温度是影响 压燃式发动机着火性能的另外一个主要因素，它是指在不存在火花和火焰的条件下，在 一定的标准容器中燃料自行燃烧的最低温度。自燃温度越高，在柴油机上越难燃烧，由 表2 2 可以看出，甲醇的自燃温度要比柴油高一倍以上，从另一方面也反映了甲醇在柴 油机上差的燃烧性能。但是由于发动机受热表面的几何形状等均影响自燃温度，所以在 发动机上往往不直接应用这个参数，而是采用十六烷值来表示燃料的自燃性能。汽化潜 8 长安大学硕上学位论文 热值也会影响发动机着火性能，气化潜热值是指常压下单位质量的物质在一定温度下由 液态转换成气态所需的热量。 表2 3 1 2 5 】给出了甲醇和柴油燃料的质量、体积低热值以及理论混合气质量、体积热 值的比较。由表中可以看出，甲醇的质量及体积低热值都只有柴油质量低热值的4 6 左右，这就表明要达到相同的功率输出如果内燃机消耗甲醇的质量或者体积要比柴油高 出一倍以上。虽然甲醇的质量以及体积低热值较低，甲醇在其理论空燃比下形成的混合 气质量热值却仅柴油略小，而理论混合气体积低热值要高于柴油，这表明柴油发动机燃 用甲醇在理论混合气下并不会导致较大的发动机功率的降低，甚至还有可能增加发动机 的功率输出，这主要是因为发动机每工作循环发出的功实际上是由每工作循环气缸内理 论混合气热值转化而来的，也就是说，尽管甲醇的质量及体积低热值比柴油要低，但只 要每循环我们多加燃料，发动机燃用甲醇时依然可以发出与燃用柴油时同样甚至更大的 功率。 表2 3甲醇与柴油的几种热值比较 燃质量低热值体积低热值理论混合气质量低热值理论混合气体积低热值 料 ( m j k g ) ( m j l ) ( m j k g ) ( m j m 3 ) 甲醇1 9 9 21 5 7 32 6 63 7 5 柴油 4 2 5 4 2 83 4 8 5 3 6 8 12 8 9 2 9l3 5 4 - - 3 5 6 2 1 3 毒性及环境安全性 甲醇作为内燃机的代用燃料，其毒性一直以来都是人们关注的热点问题。一般认为， 甲醇是有毒性有机化合物，可经过呼吸道、消化道和皮肤接触方式进入人体，破坏人的 神经及视觉系统，甲醇口服量是5 0 1 0 0 m l 可令人致死。但是人们吞服汽、柴油或者生 活在浓度较高的汽油、柴油、天然气及液化石油气环境中同样严重损害人体健康【2 7 1 。几 种燃料的最小允许浓度t l v 和可检测到的气味浓度见表2 4 。 美国能源部对几种发动机燃料的危害性，在他们的理化性质基础上进行了相对的比 较。1 代表危害性低，7 代表危害性高，结果如表2 5 所示。 由表2 4 和表2 5 得甲醇的毒性以及对人体的健康及环境危害性并不是最大的。由 于柴油的组成较复杂，尾气排放中含有可能致癌的苯、丁二烯及多环芳香烃等多种成分， 有些烃类成分在光化学烟雾生成中具有较大活性作用，燃烧后形成的碳烟微粒也会附着 许多致癌物，相比而言甲醇是单一化合物，不是致癌物。其生物降解过程比柴油要迅速 得岁2 引。由此可见，甲醇的综合环保性能要优于柴油。因此，甲醇毒性及对人体健康和 9 第二章甲醇柴油的应用现状 环境的危害性并不比柴油严重。 表2 4 几种燃料的最小浓度t i 和可检测到的气味浓度 燃料气味界限1 0 6 t l v 1 0 6 汽油低 2 0 0 柴油( 雾状)低 3 m g m 3 甲醇5 0 2 0 0 0 2 0 0 乙醇1 0 3 5 01 0 0 0 bo 7 25 0 甲苯0 2 5 2 8 0 苯l - - 55 表2 5 几种发动机燃料相对危害性的比较0 2 4 i 危害性柴油汽油甲醇液化石油气 泄漏 1 3 25 蒸发 l324 释放到环境中 6534 释放到室内 1243 自燃 56 4 3 火花点燃 l23 可燃性 l253 突发爆燃 6512 火焰的热辐射 76l5 对健康的影响 5764 总共 3 44 12 83 6 中科院工程热物理研究所曾专门对甲醇中毒机理进行了立项研究【2 9 1 ，实验研究结果 表明，即便是那些长期接触甲醇的人群，只要遵守操作规范，其健康就不会受到不良影 响。同时发现那些从事甲醇汽车实验和研究工作2 0 多年的人员，以及驾驶甲醇汽车的 司机，都未发现健康异常。我国生产甲醇大小企业上百家，也有着已有数十年的生产历 史，经过调查也未发现甲醇厂工人有甲醇职业病。山西省在甲醇汽车试运行过程中，曾 经连续数年委托有关医院对甲醇产业链的所有工作人员进行定期体检，同样没有发现因 1 0 长安大学硕士学位论文 甲醇引起的健康异常和职业病【3 0 】。 在水中，甲醇的生物降解过程特别的迅速。甲醇在水中的滞留时间以几小时计算， 而柴油的滞留时间则以年来进行计算。据估算，把1 0 0 0 0 吨甲醇泄漏到海中，泄露后1 小时后甲醇的浓度仅仅为0 3 6 ，接下来的浓度会变得更低。在几天内，微生物会通过 生物降解处理掉所有稀释的甲醇。但是若发生柴油泄漏事件，由于柴油与水不溶，它们 将会大面积的覆盖在水的表面，而且相当不容易被驱散到环境中去，极有可能导致生态 灾难【3 1 1 。从这一点分析，水上运输甲醇或者船用柴油机使用甲醇，发生泄漏事件对生态 环境的危害要比石油轻得多。 综合上述分析，只要我们运用合理，强化安全观念，甲醇绝对是一种安全的燃料。 2 1 4 腐蚀溶胀性 甲醇对某些橡胶、塑料部件以及金属有一定的腐蚀或溶胀作用，发动机燃料供给系 许多部件都是由橡胶、塑料材料制成，而绝大部分材料都是金属材料，因此甲醇的腐蚀 溶胀性也是一个很严重的问题。 甲醇在生产过程中一般会含有酸性物质，加之甲醇本身的吸水性使之在储存过程中 会吸收一定量的水分，同时甲醇受空气的氧化或细菌发酵也会产生少量的有机酸，甲醇 在燃烧过程中也会产生一些甲醛、甲酸等，这些因素都会对发动机造成较为严重的腐蚀 和磨损【3 2 】。另外，由于甲醇的蒸发潜热大，有时会汽化不良而流入气缸壁，造成发动机 零部件的摩擦磨损。大量的研究结果表明，甲醇对汽车油箱的铅锡镀层有腐蚀作用，如 果甲醇中含水则对钢板及焊接钢管也会产生腐蚀，对一些铜、锌、铝等金属及其合金同 样也具有一定的腐蚀作用【3 2 1 。 而对于柴油来说同样也存在着腐蚀溶胀性，只不过在近百年的发展过程中已经积累 了大量的经验，这种作用的危害也已经降到了最小。但是甲醇的腐蚀溶胀作用并不是不 能解决的，甲醇生产已有上百年的历史，生产甲醇的厂家也已经积累的大量的经验，因 此我们可以将甲醇生产企业储存甲醇的材料应用于甲醇汽车上。而且目前也有很多厂家 专门对此进行了立项研究，也取得了很多成果。 2 1 5 燃烧特性 - 直喷式柴油机燃用甲醇后的有效热效率并不会下降，相同温度下的滞燃期甲醇要远 大于柴油，且随温度上升显著下降。着火后，甲醇不像柴油那样喷雾被火焰包围，加之 滞燃期长，所以甲醇的喷雾体积及空气卷吸量都比柴油大，尤其是在在高温下，甲醇比 第二章甲醇柴油的应用现状 柴油放热率峰值要高，燃烧持续期也更短。因此在低散热和高强化发动机中燃用甲醇更 具优势。而且燃烧后几乎为零烟度排放【3 3 】。 表2 6 甲醇和柴油部分燃烧特性的比较 燃料 理论空燃着火温度着火极限最大火焰传播速分子变更系数 比( k g k g ) 度( m s ) 甲醇 6 54 7 06 7 3 6o 5 21 0 6 l 柴油1 4 72 7 0 3 5 01 0 3 1 0 6 表2 6 为甲醇和柴油部分燃烧特性。可以看出甲醇着火温度要比柴油高，这是甲醇 相对柴油不易压燃的原因之一。但着火界限甲醇很宽，因此甲醇能在较宽的范围内工作， 稀燃性能好，运转工况有较大的自由度，这对于降低油耗及排气净化工作有利。如果发 动机在更宽的混合气浓度范围内工作，就能使燃烧更加充分，可以明显改善排放和降低 油耗。 由于甲醇本身含有5 0 的氧，因此其理论空燃比必然比柴油小得多，同样甲醇的含 碳量也比柴油少，这也是燃用甲醇c o 排放少的原因之一。 由于柴油机为气缸内多点式自发压缩着火，因此不能用火焰传播速度来描述燃烧速 度。 分子变更系数反映燃料在燃烧前后工质物质的量的变更程度。内燃机燃烧前后对 比，其工质的物质的量是增加的，这对内燃机提高热效率有利。甲醇和柴油的分子变更 系数大致相当，因而对热效率的影响也相近。 综上所述，甲醇属于含氧燃料燃烧特性好，在燃烧中能自供氧，燃烧较充分、速度 较快，可以显著降低排放，属于清洁燃料。因此甲醇完全可以替代柴油成为压缩式发动 机的燃料。 2 2 目前甲醇应用柴油机的主要途径 目前甲醇应用于柴油机主要途径有如下几种： ( 1 ) 表面活性剂法 如果不采取任何措施甲醇和柴油很难溶在一起，表面活性剂法指的采用表面活性剂 将甲醇和柴油首先溶在一起，然后是经喷油泵、喷油器喷入气缸内进行燃烧。采用这种 方法不需要对发动机进行大的改动就可以直接燃用甲醇柴油。采用该种方法的困难在于 使用表面活性剂后稳定期不长，容易产生分层且用量较大、价格较高。而且甲醇掺入量 1 2 长安大学硕士学位论文 过高时会导致滞燃期加长，发动机冷起动困难，工作粗暴，醛类及h c 排放增加，由于 甲醇的十六烷值较低导致混合燃料十六烷值同样较低不利于发动机的燃烧，因此一般情 况下需要增加十六烷值添加剂，但是由于其多是硝基化合物，对碳烟和n o x 排放又十 分不利【3 4 1 。 ( 2 ) 助燃法 甲醇应用于柴油机自发着火比较困难，因此有人就想到借助某些措施来辅助甲醇着 火燃烧，目前采取的主要措施有火花助燃法【3 卯、热面助燃法【3 6 1 和电热塞助燃法【3 7 1 等， 火花塞助燃法是指燃料在发动机缸内喷射，形成不均匀混合气，靠火花塞点燃可燃混合 气，以火焰传播方式燃烧。电热塞和热面助燃法也与火花塞法类似。火花塞法和电热塞 法结构图分别如图2 1 和2 2 所示。采用这些方法甚至可以燃用纯甲醇。但是对发动机 调整较大，要预留出火花塞或者电热塞的位置，结构复杂，成本高；而且由于甲醇对火 花塞、电热塞、热面激冷作用，导致结构寿命短，可靠性差；在低负荷甚至会出现失火 现象，h c 、c o 排放浓度较高。 驴潮 泫 l ， j 。 吨 电熊褒 嗡静器 图2 1 火花塞点燃式图图2 2电热塞加热式 ( 3 ) 柴油引燃法 柴油引燃法是指通过供油系统或进气系统向发动机气缸内输入部分甲醇，先在在气 缸内形成部分预混混合气。然后用喷入柴油引燃甲醇混合气。柴油引燃法可以分为：化 醇器、法【3 8 1 、缸内双喷射法【3 9 1 、进气管喷射法 4 0 1 等。 化醇器类似于汽油机的化油器，在柴油机进气管安装经过调整的化油器，通过改变 节气门的开度来控制进入气缸的甲醇的量。这种方法调整简单，但低负荷时的起动性、 排放性及经济性都较差；且进气节流损失较大，尤其是在高负荷时，甲醇喷入过多会导 致滞燃期过长，发动机工作粗暴，天气冷时还会导致化醇器喉口处结冰【3 8 1 。 缸内双喷射法是指在气缸上安装两个喷油器，一只喷甲醇、一只喷柴油，由柴油引 燃甲醇，结构如图2 3 所示，由于气缸盖上需要安装有两个喷油器，导致结构复杂，而 1 3 第二章甲醇柴油的应用现状 且由于甲醇几乎无润滑功能使得高压供醇偶件容易腐蚀 磨损，研究也表明的碳烟、油耗、h c 和c o 都增加例。 进口进气管喷射法类似于现在的汽油电喷技术，是指 在进气管安装低压喷醇器，在进气管内喷醇形成预混合 嚼 图2 3 缸内双喷射法 气，以后过程和化醇器法相同。采用进气管喷射法尤其是如果采用电控法可以避免精确 喷入发动机的甲醇的量，有效避免化醇器法的节流损失。缺点是在小负荷时醛类和h c 排放会增加，冷启动性能也较差。 ( 4 ) 直接压燃法 由于甲醇的十六烷值较低，如果不采取措施很难在柴油机上直接压燃甲醇，如果我 们适当的提高发动机的压缩比并在甲醇中添加十六烷值改进剂，并采取进气预热等方式 就可以直接压燃甲醇燃料。不足之处在于添加十六烷值改进剂会使得n o x 排放过高， 加之增加发动机的压缩比或者进气预热都会导致成本较高。因此在实际应用中困难很 大。 以上几种方法目前应用比较多的就是表面活性剂法和进气管喷射法。 2 3 本章小结 本章主要首先对甲醇与柴油两种燃料的化学成分、物理化学性质、毒性及环境安全 性、腐蚀溶胀性及燃烧特性进行了比较和分析，经过分析得出结论甲醇相对于柴油含氧 量高，含氢量相对较高，更加容易完全燃烧且排放性能较好；尽管甲醇的热值相对较低， 但是理论混合气热值并没有下降多少，因此从理论上动力性下降并不明显，甲醇的毒性 较低，腐蚀溶胀性也不不难解决；甲醇的燃烧特性也较好；不足之处在于甲醇的十六烷 值较低，不利于柴油机的燃烧，闪电也较低要注意防火。 本章还对目前甲醇柴油应用的现状进行了分析，目前应用较多的是表面活性剂法和 柴油引燃法。 1 4 长安大