陳如建

(臨沂恒昌焦化股份有限公司，山東 臨沂 276132)

引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的整體提升，中國的能源消費需求迅速增加。中國剩余的可回收石油儲備僅占世界總儲量的2%。另外，預(yù)備生產(chǎn)比例僅占世界平均水平的37%[1]。國內(nèi)石油資源在規(guī)?；蚩沙掷m(xù)供應(yīng)方面無法保證國內(nèi)所有能源需求。此外，中國對外國原油的依賴度持續(xù)上升，2007年越過了50%的警戒線，此后逐年升高。2018年，中國進口原油4.6億 t，對外國原油的依賴度攀升至70%，2020年，中國進口原油量高達5.6億 t，對外依賴度高達73.5%。我國目前巨大的能源供給系統(tǒng)仍依賴于外國的石油資源。由石油產(chǎn)品如汽油和柴油供應(yīng)燃料的車輛是中國的主要石油消費者[2-3]。

1 甲醇燃料的詳細動力學(xué)模型研究

基于實驗研究，數(shù)值模擬分析了發(fā)動機內(nèi)甲醇燃料的燃燒和釋放。為了模擬和預(yù)測甲醇汽油發(fā)動機的燃燒/排出性能，除了建立發(fā)動機加工過程的數(shù)值模型之外，還需要深入理解甲醇和汽油的氧化反應(yīng)過程。建立了甲醇汽油混合燃料氧化反應(yīng)的詳細動力學(xué)模型[4]。1970年代，美國為了建立甲醇氧化的詳細動力學(xué)模型，使用了穩(wěn)定反應(yīng)器、預(yù)混合層流量等實驗數(shù)據(jù)。關(guān)于中國甲醇氧化的動力學(xué)模型的研究目前還很少。該模型的主要目的是獲得適用于特定溫度、壓力、燃料空氣當(dāng)量比和其他參數(shù)的甲醇氧化的簡化動力學(xué)模型。然而，甲醇-汽油混合的氧化反應(yīng)的詳細動力學(xué)模型在國內(nèi)外幾乎沒有涉及。國外關(guān)于甲醇和甲醇汽油引擎和車輛的研究主要集中在20世紀(jì)八九十年代。在21世紀(jì)，研究基本進入停滯期。但是，隨著從氣化器到電子控制噴射的燃料供給系統(tǒng)的變更，汽油引擎的技術(shù)發(fā)生了很大的變化。因此，海外甲醇燃料的研究經(jīng)驗僅限標(biāo)準(zhǔn)值。這主要體現(xiàn)在最近的電子控制汽油發(fā)動機中甲醇燃料的應(yīng)用方面，特別是國內(nèi)對甲醇和甲醇汽油的研究更注重發(fā)動機的性能、經(jīng)濟性、燃燒性和常規(guī)排放特性。關(guān)于釋放特性的研究很少。此外，傳統(tǒng)的發(fā)光測量方法通常是氣相層析成像或高速液體層析成像，并且采樣方法是氣相直接捕獲或固相吸附，并且生成衍生物樣品。系統(tǒng)和綜合評估甲醇汽油發(fā)動機的非常規(guī)排放水平是困難的，特別是需要評估三元催化劑之后的釋放水平；未燃燒甲醇三元催化劑的轉(zhuǎn)換效率[5-6]?，F(xiàn)有的EFI汽油發(fā)動機直接使用低濃度甲醇汽油混合燃料時，甲醛和其他非常規(guī)排放。同時，隨著里程的增加，催化劑會老化或中毒，轉(zhuǎn)換效率降低。因此，有必要研究甲醇壽命對催化劑壽命和催化活性的影響。到目前為止，根據(jù)我國甲醇溫度的特性和空燃比特性，沒有關(guān)于甲醇汽油對非常規(guī)排放成分的催化轉(zhuǎn)換性能的實驗研究。另外，國內(nèi)外還沒有報道甲醇汽油對快速老化法催化壽命的影響；甲醇和甲醇汽油發(fā)動機的冷啟動研究主要關(guān)注燃燒特性和常規(guī)排放特性。對冷啟動過程中瞬態(tài)非常規(guī)排放的研究很少見；結(jié)合甲醇循環(huán)混合的氧化反應(yīng)速度模型和發(fā)動機循環(huán)加工過程模型，對火花點燃甲醇汽油發(fā)動機的燃燒和釋放進行了模擬。

2 甲醇汽油燃燒與排放特性的研究

研究了在超低溫狀態(tài)下甲醇和空氣混合物的燃燒特性。分析了空燃比、初始溫度和壓力對最大燃燒壓力的影響。在噴霧蒸發(fā)過程中，發(fā)動機汽缸內(nèi)的溫度降低。在發(fā)火周期較長后，甲醇火焰具有快速傳播速度、高散熱率和高壓上升率以及短時間快燃燒周期。當(dāng)發(fā)動機以高速、高負荷、高交換比運行時，由于氣流和高溫干擾較大，點火延遲周期變短。甲醇的燃燒速度在提高燃燒效率，減少傳熱損失，使汽缸內(nèi)最大壓力和最大散熱率比汽油最大的高速燃燒期間是更加高速的。另一方面，以低速、低負荷、低渦比運轉(zhuǎn)時，甲醇蒸發(fā)的潛熱的影響成為主角，在低于汽油的汽缸中獲得最大壓力和散熱率。與汽油相比，不同種類的甲醇、汽油的比例在不同的工作條件下是不同的。需要進一步研究。大連理工大學(xué)對465 Q四缸汽油機進行了M85燃料的試驗研究。轉(zhuǎn)速在3 500 r/min以上時，HC和CO的排放均好于原機，而NOx的排放略差于原機。

太原東方發(fā)動機研究所和太原理工大學(xué)分別對汽油、M85和M100汽油分別進行了495Q和JT468 Q汽油機的對比試驗。結(jié)果表明，使用甲醇后，發(fā)動機怠速時CO和HC排放顯著降低；隨著壓縮比的增大，發(fā)射性能得到明顯改善，常規(guī)排放比同類型汽油機低，CO降低45%，HC降低76%。在北京工業(yè)大學(xué)汽車轉(zhuǎn)鼓試驗臺上，研究了工業(yè)甲醇燃燒后符合國家Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的汽油車常規(guī)污染物的排放特性。結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)下，甲醇車的CO、HC和NOx排放均低于汽油車。其中，CO和HC排放顯著降低。因為甲醇的氧含量可以促進燃料的完全燃燒，甲醇汽油發(fā)動機和車輛的CO和HC排放一般比汽油車的低。而NOx排放的結(jié)果與發(fā)動機、車輛的行駛狀態(tài)和校準(zhǔn)有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

1) 由于試驗發(fā)動機的局限性，在進一步的研究中，將采用更先進的甲醇專用發(fā)動機和甲醇專用催化劑，研究高比例甲醇汽油對催化劑前后發(fā)動機非常規(guī)排放水平的影響。高比例甲醇汽油和純甲醇發(fā)動機及汽車的冷起動性能也是下一步研究的重點。

2) 由于運行時間的限制，采用了不能完全模擬火花點火器發(fā)射的準(zhǔn)維循環(huán)工作模型。在今后的研究中，使用多維cfd的點火和燃燒模型，結(jié)合甲醇汽油氧化反應(yīng)的詳細動力學(xué)模型，綜合模擬了傳統(tǒng)發(fā)動機的排氣。