張江華 檀昌雅

摘要：本研究利用發(fā)動機(jī)高溫尾氣加熱醇?xì)浞磻?yīng)釜使其中的甲醇裂解形成醇?xì)淙剂?，以替代原機(jī)30%的柴油消耗，然后對發(fā)動機(jī)的外特性、油耗率、碳煙排放特性進(jìn)行了對比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：醇?xì)淙剂显诖安裼蜋C(jī)上使用時，與純柴油相比動力性相當(dāng)，燃油成本降低了21.21%，碳煙排放降低了34.37%。

Abstract： In this study， methanol in methanol hydrogen reactor was heated by high temperature exhaust gas of engine to form methanol hydrogen fuel to replace 30% of diesel consumption of original engine. Then， the external characteristics， fuel consumption rate and soot emission characteristics of the engine were compared. The test results show that： when alcohol hydrogen fuel is used in marine diesel engine， compared with pure diesel oil， the fuel cost is reduced by 21.21%， and the soot emission is reduced by 34.37%.

關(guān)鍵詞：醇?xì)淙剂?柴油機(jī);甲醇蒸汽;扭矩;油耗;碳煙排放

Key words： methanol hydrogen fuel;diesel engine;methanol steam;torque;fuel consumption;soot emission

中圖分類號：TK428.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0018-02

0? 引言

隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)石油儲備資源不足的問題已經(jīng)充分體現(xiàn)，大力推廣替代能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)成為趨勢。與其他替代能源相比，以煤制取甲醇的技術(shù)工藝成熟，在資源、產(chǎn)能、運(yùn)輸、燃燒排放好等方面，甲醇作為替代燃料最為合適[1]。

氫氣是現(xiàn)階段最清潔的能源，然而氫氣能量密度低、不易儲存，導(dǎo)致氫氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展舉步維艱。而甲醇（CH3OH）作為含氫量最多的燃料，被人們稱作“液體氫”[2]。根據(jù)反應(yīng)式（1）所示，甲醇通過催化劑的作用裂解成為一氧化碳（CO）和氫氣（H2），與柴油混合形成醇?xì)浠旌先剂献⑷氚l(fā)動機(jī)，解決了氫氣燃燒溫度高和回火的問題[3]。因此醇?xì)淙剂辖Y(jié)合了甲醇和氫氣的優(yōu)點(diǎn)，推廣使用可大大降低燃料成本及污染物排放。

1? 工作原理

如圖1所示，利用發(fā)動機(jī)高溫尾氣加熱醇?xì)浞磻?yīng)釜中的催化劑至裂解溫度后（裂解溫度：200～500℃），噴入醇?xì)浞磻?yīng)釜中的液體甲醇經(jīng)過高溫形成甲醇蒸汽與催化劑進(jìn)行反應(yīng)生成含有一定比例H2和CO的甲醇裂解氣，通過輸送管路進(jìn)行過濾、冷卻，儲存在緩沖罐中，當(dāng)裂解氣達(dá)到設(shè)定的工作壓力后，電控系統(tǒng)根據(jù)工況條件將醇?xì)淙剂蠂娙脒M(jìn)氣歧管中，與缸內(nèi)直噴的柴油形成雙燃料實(shí)現(xiàn)醇?xì)淙剂蠈Σ裼偷牟糠痔娲鶾4-5]，根據(jù)文獻(xiàn)[6]確定燃油替代率為30%。

2? 方法與設(shè)備

試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[7-8]進(jìn)行，本次試驗(yàn)選用的是濰柴WP6.240柴油發(fā)動機(jī)作為動力驅(qū)動的商用旅游船舶作為試驗(yàn)對象，WP6.240發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示。

3? 甲醇替代柴油的優(yōu)勢

3.1 外特性試驗(yàn)

根據(jù)圖2分析可知：燃用醇?xì)淙剂吓c純柴油的動力特性相當(dāng)，恢復(fù)了原機(jī)功率，具備了試驗(yàn)的必要條件。醇?xì)淙剂现屑状颊羝紵俣瓤?、分子含氧改善了燃燒效率，氫氣的加入提高了發(fā)動機(jī)的扭矩，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)功率和扭矩有所提升，醇?xì)淙剂系膬?yōu)點(diǎn)也得到了充分體現(xiàn)。高轉(zhuǎn)速時由于進(jìn)氣量的增加需要的醇?xì)淙剂陷^多，裂解反應(yīng)時間減少，裂解效率下降，導(dǎo)致扭矩下降，可以通過優(yōu)化醇?xì)浞磻?yīng)釜加以改善。

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

按照熱值計(jì)算，理論上2.1噸甲醇相當(dāng)于1噸柴油，醇?xì)淙剂现袣錃獾臒嶂蹈?，燃燒速度快，有更小的淬熄距離，因此試驗(yàn)時的燃油要比小于理論值。如圖3所示扭矩為160N各轉(zhuǎn)速工況下的油耗數(shù)據(jù)分析，醇?xì)涞娜加拖牧渴羌儾裼偷?.05倍左右[9]。按目前甲醇1700元/噸，柴油5800元/噸，每消耗1噸甲醇可降低成本1230元，燃油成本降低了21.21%，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了很大的改善。

3.3 碳煙排放

結(jié)合圖4轉(zhuǎn)速為1600r/min各扭矩工況下的碳煙排放數(shù)據(jù)分析可知，醇?xì)淙剂显诘拓?fù)荷時碳煙的排放量與純柴油相當(dāng)，但伴隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的逐漸增大，碳煙排放降低的百分比也隨著增大，較之純柴油能夠明顯改善柴油發(fā)動機(jī)的碳煙排放[10]，與純柴油燃料相比碳煙值平均降低了34.37%。

碳煙排放的降低主要從兩個方面進(jìn)行分析：一方面是由于少量未裂解甲醇蒸汽在氣缸內(nèi)形成混合氣的速度較快且混合均勻，沸點(diǎn)比柴油低，著火極限寬且自身含氧，有利于醇?xì)淙剂系耐耆紵⑶以谙嗤呐ぞ叵?，摻燒醇?xì)淙剂闲∮诩儾裼瓦\(yùn)行時噴入的柴油油耗量，替代燃燒效果好，因此產(chǎn)生的碳煙排放也會相應(yīng)的減少;另一方面是由于醇?xì)淙剂掀瘽摕彷^大，在形成混合氣時，未裂解的甲醇具有高汽化潛熱值使得甲醇?xì)饣瘯r吸收了燃燒室大量的熱量，降低了混合氣的進(jìn)氣溫度，從而提高了發(fā)動機(jī)的充氣系數(shù)，在一定程度上可以改善發(fā)動機(jī)的燃燒，提高發(fā)動機(jī)熱效率[1]。醇?xì)淙剂现袣錃獾募尤?，改善了后期噴入柴油的擴(kuò)散燃燒，有利于降低發(fā)動機(jī)的排放排放。

4? 結(jié)語

外特性方面，醇?xì)淙剂匣謴?fù)了原機(jī)功率，在各個測試點(diǎn)各有高低，但相差不大，經(jīng)濟(jì)性方面，醇?xì)涞挠秃穆适遣裼偷?.05倍左右，甲醇的價格低廉且為再生資源，因此經(jīng)濟(jì)價值巨大。

醇?xì)淙剂吓c純柴油相比碳煙值平均降低了34.37%，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)排放好的優(yōu)勢。摻燒的甲醇，解決了氫氣發(fā)動機(jī)的回火和能量密度不足的問題，采用甲醇作為基礎(chǔ)原料，隨制隨用，回避了氫氣儲存的難題及安全隱患。

國內(nèi)在代用燃料方面作了很多研究工作，但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的產(chǎn)品還比較少。醇?xì)淙剂蠈谴安裼蜋C(jī)非常有前景的替代燃料，提高醇?xì)淙剂系奶娲适菍?shí)現(xiàn)能源持續(xù)發(fā)展的重要途徑，也將是進(jìn)一步研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭一璇，史強(qiáng).甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究[J].科教導(dǎo)刊，2015（007）：157.

[2]翁凌霄.甲醇裂解氣—甲醇混合燃料對汽油發(fā)動機(jī)性能影響研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（19）：44-45，51.

[3]楊振中.氫燃料發(fā)動機(jī)燃燒與優(yōu)化控制[D].杭州：浙江大學(xué)，2001.

[4]羅向陽，李居強(qiáng)，陸希煒，等.一種熱超導(dǎo)體裂解醇制氫的內(nèi)燃機(jī)全代燃動力裝置及方法[P].中國專利：CN105275596A，2016-01-27.

[5]蔣炎坤，汪勤穩(wěn)，張浩浩.一種利用發(fā)動機(jī)余熱的醇-氫動力系統(tǒng)[P].中國專利：CN106246416B，2019-01-29.

[6]梅梓晗.不同裂解氣摻燒比的醇?xì)浒l(fā)動機(jī)性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[7]濟(jì)南汽車檢測中心，中國環(huán)境科學(xué)研究院，淄博柴油機(jī)總公司，等.GB 15097—2016，船舶發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2018.

[8]中國環(huán)境科學(xué)研究院.GB3847-2018，柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2019.

[9]石來華，曹文明，劉波.共軌柴油機(jī)燃燒純生物柴油的試驗(yàn)研究[J].客車技術(shù)與研究，2015（1）：58-61.

[10]潘雪偉，平銀生，丁賢華.二甲醚均質(zhì)壓燃、柴油補(bǔ)燃混合燃燒模式的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2006（01）：34-37.