論天燃?xì)?柴油及雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)

論天燃?xì)?柴油及雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)（金恒信達(dá)科技協(xié)會(huì)任一虎匯編）2012/06/07雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)摘要：簡(jiǎn)要介紹了氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是緩解能源危機(jī)和降低摘要有害物排放，按使用燃料的特點(diǎn)可分為單一燃料、兩用燃料和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是氣體燃料使用的主要方式。綜述了國(guó)內(nèi)外雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀。目前國(guó)內(nèi)外天然氣--柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)狀況及其技術(shù)特點(diǎn)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已成為目前柴油機(jī)燃用清潔氣體燃料以使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲得到改善的技術(shù)方案之一。通過(guò)對(duì)天然氣品質(zhì)、天然氣對(duì)柴油的替代率、熱效率及排放等問(wèn)題的分析和探討，提出了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的方向和建議。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由于其良好的排放性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，而成為目前研究的熱點(diǎn)。綜述了天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)外的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了天然氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣供給形式及特點(diǎn)，LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)解析。分析了天然氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)目前研究所存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和發(fā)展前景。當(dāng)前一種順序噴射、稀燃、全電控天燃?xì)?-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，電控噴氣技術(shù)、微噴技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)乃是天燃?xì)?柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。綜述了甲醇-柴油燃料的發(fā)展概況，介紹了甲醇-柴油的乳化和節(jié)能環(huán)保機(jī)理，以及近年來(lái)燃料配方的研究進(jìn)展，其中微乳化甲醇-柴油與普通柴油相比，具有燃燒性能好、能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)甲醇-柴油的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:關(guān)鍵詞1LPG-dieseldualfuelengineoptimizationAbstract:ThisarticlebyreducingthecompressionratioforasolutiontotheLPGdieseldualfuelengineknockathighloadconditionsaseriousproblem,focusesontheanalysisofthedualfuelengineatdifferentcompressionratioofmaximumcombustionpressure.Force,themaximumrateofpressurerise,pressureandcombustionheatreleaserateofcyclicvariation,andasabasisforoptimizationofadualfuel.Feedtheenginecompressionratio.Inaddition,intheoptimalcompressionratiooffuelignitionunderafullloadofdifferentsmokeemission.Dischargetest.Theresultsshowedthat:reducethecompressionratio,dual-fuelenginemaximumcombustionpressureandmaximumpressure.Greatlyreducethepowerrateincrease,whilesmallerchangesinthepressurecycle,buttheignitiondelayperiod,thecombustiondurationis.Willincrease.Optimized,thatwhenthecompressionratioof14.5,ZHll05WLPGasfuelforadieselengine.Dualfueloilaftertheheavyloadconditionswithoutseriousdetonation,thepressurechangeinrelativelysmallcirculation,andtheeconomyisgood,Thermalefficiencytobesignificant.Anotherdual-fuelenginefullloadsmokeemissionsthandieseldecreasedsignificantly,andthedoped.Burnedthanthehigher,moresignificantlyreducethesmoke.However,toomuchblendingratioalsoresultedindecreaseddynamic.optimizedcompressionratiosmokeKeywords:dualfuelengine引言我國(guó)的大氣污染狀況日趨嚴(yán)重，其中最重要的污染源之一是汽車(chē)尾氣，降低汽車(chē)尾氣排放刻不容緩。在目前的技術(shù)條件及資源、經(jīng)濟(jì)條件下，改善汽車(chē)尾氣排放最現(xiàn)實(shí)有效的方法是對(duì)其進(jìn)行燃?xì)饧夹g(shù)改造。對(duì)于用途廣泛的柴油汽車(chē)，采用雙燃料技術(shù)是收效最快、費(fèi)用最低的方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，由于柴油微引燃技術(shù)的出現(xiàn)，使得雙燃料汽車(chē)的排放指標(biāo)可以達(dá)到火花點(diǎn)火、電控噴射、三元催化、閉環(huán)反饋單燃料燃?xì)馄?chē)所能達(dá)到的排放水平，而同時(shí)保持其在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性方面的優(yōu)勢(shì)，是一種理想的高效低污染發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。雖然目前我國(guó)的天然氣加氣站還沒(méi)有得到普及，但雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有恢復(fù)原柴油機(jī)工作的特點(diǎn)，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等具有潛在的優(yōu)勢(shì)，因而，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也成為國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。為了解決由發(fā)動(dòng)機(jī)排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題和日益嚴(yán)峻的能源問(wèn)題，世界各國(guó)在制定各種嚴(yán)格的車(chē)輛排放法規(guī)來(lái)規(guī)范汽車(chē)的生產(chǎn)和使用的同時(shí)，開(kāi)始大力發(fā)展代用燃料汽車(chē)。由于天然氣在資源、成本、環(huán)保等方面具有優(yōu)勢(shì)，天然氣汽車(chē)迅速發(fā)展起來(lái)，汽車(chē)改裝、天然氣儲(chǔ)存及加氣站的全套技術(shù)也日趨成熟。近年來(lái)，我國(guó)天然氣汽車(chē)研究和開(kāi)發(fā)也迅速興起。然而由于天然氣著火溫度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮過(guò)程中缸內(nèi)氣體溫度達(dá)不到其自燃點(diǎn)，因此必須依靠電火花點(diǎn)火，或者先噴入少量柴油，柴油自燃再引燃天然氣。按照點(diǎn)火方式的不同，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可分為火花塞點(diǎn)火的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油引燃的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油引燃的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是以天然氣作為主燃料，以少量柴油來(lái)引燃；而天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上改裝的既可以燃用天然氣（以少量柴油引燃）又可以用柴油作為單一燃料的一種發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī))。目前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)因其具有使用燃料靈活、碳煙排放少、發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)小、改動(dòng)成本低等特點(diǎn)而具有良好的推廣前景。第1章實(shí)現(xiàn)雙燃料改造可行緒論大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，柴油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙燃料工作，技術(shù)改造可行，功率能達(dá)到原柴油機(jī)的水平，但還存在一些需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)的方面。將柴油機(jī)改為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該達(dá)到以下目標(biāo)：1.發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)?。?.與原機(jī)相比，動(dòng)力性保持不變或略有提高，排放指標(biāo)應(yīng)有大幅度的改善；3.具有良好的安全性和可靠性。目前，大多數(shù)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃油量由原來(lái)的機(jī)械式噴油泵控制，只增加一套供氣系統(tǒng)，而不必對(duì)柴油機(jī)做很大的改動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)雙燃料運(yùn)行。怠速工況一般在柴油單燃料狀態(tài)運(yùn)行，中小負(fù)荷工況天然氣替代柴油的比例較小，而在高負(fù)荷工況天然氣在所消耗的燃料總量中可達(dá)到較大比例。烏克蘭科學(xué)院天然氣研究所和基輔汽車(chē)公路研究所研制的雙燃料汽車(chē)采用由柴油機(jī)改裝成的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。天然氣與柴油采用聯(lián)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)表明天然氣替代了45%的柴油。新西蘭T.F.S.公司及荷蘭TNO公司開(kāi)發(fā)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃油量的調(diào)節(jié)采用電控油泵齒條方法，而KAMAZ采用機(jī)械控制加電磁鐵限位。國(guó)內(nèi)一般是對(duì)齒條作有級(jí)限位。為了提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣替代柴油的比例!有的柴油機(jī)在原有的輸油管路與噴油器之間增加一小型高壓油泵（點(diǎn)火油泵）控制點(diǎn)火用的少量柴油，可大大提高控制精度，點(diǎn)火油量可減少至柴油運(yùn)行時(shí)全負(fù)荷噴油量的1%。點(diǎn)火油泵和主噴油泵的進(jìn)油口連接在同一輸油管路上，兩油泵的出油口分別與噴油器的兩個(gè)進(jìn)油口相連，噴油器兩個(gè)進(jìn)油口內(nèi)部均設(shè)有單向閥，防止由主噴油泵和點(diǎn)火油泵供入噴油器的高壓燃油倒流。雙燃料運(yùn)行狀態(tài)下，氣體燃料的導(dǎo)入量決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大小，而工作于純柴油運(yùn)行方式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大小由主噴油泵的噴油量決定。美國(guó)CleanAirPartner公司與加拿大阿爾伯達(dá)州卡爾加里市代用燃料系統(tǒng)(AFS)公司聯(lián)營(yíng),共同開(kāi)發(fā)出多點(diǎn)噴射的雙燃料控制系統(tǒng),并應(yīng)用在10.3卡特彼勒3176B重型發(fā)動(dòng)機(jī)上。在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比不變的情況下，兩種燃料均采用電子控制，使燃用的天然氣可達(dá)燃料總量的60%~90%，發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)需要能轉(zhuǎn)換為100%燃用柴油。美國(guó)BKM公司研制了具有先進(jìn)水平的微引燃雙燃料系統(tǒng),用接近1%的引燃柴油為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需要的點(diǎn)火能量。這一系統(tǒng)的核心是采用電控液壓泵噴嘴控制點(diǎn)火油量及天然氣多點(diǎn)電子控制順序噴射裝置和專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)軟件。這一系統(tǒng)為降低小負(fù)荷時(shí)的未燃HC排放及提高天然氣替代柴油的百分率,采用了斷缸、增壓空氣旁路、廢氣再循環(huán)及優(yōu)化引燃油的噴射正時(shí)等措施，從而在所有工況范圍內(nèi)使天然氣在所消耗的燃料總量中超過(guò)了95%。DDC6V-92TV增壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油天然氣電子泵噴嘴。天然氣噴射壓力在14MPa以上。電子泵噴嘴對(duì)燃料的調(diào)節(jié)和控制更為精確。第2章雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及排放特性雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀近年來(lái)的研究熱點(diǎn)是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及排放特性、燃燒模型、稀燃技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、油氣電子調(diào)節(jié)與控制、控制排放的缸內(nèi)燃燒技術(shù)、機(jī)外催化技術(shù)和廢氣再循環(huán)技術(shù)等。Shui等人提出了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理，Tetsuya和Said等人對(duì)天然氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震極限和爆震機(jī)理進(jìn)行了研究；Mohamed對(duì)柴油機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲進(jìn)行了對(duì)比研究，在相同運(yùn)行參數(shù)下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲低于原機(jī)；David等人研究了天然氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)；Takuji、Yusaf和Naris等人通過(guò)試驗(yàn)研究了天然氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放特性，探討了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，Naris等人。列還對(duì)增壓式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Mohanan和Sudhird。等人探討了氣體燃料入口溫度、引燃油量替代率、噴油提前角等參數(shù)對(duì)LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的影響，Papagiannakis等人。對(duì)直噴式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和污染物形成機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究；AbdAlia、Gamal和Tomita等人通過(guò)試驗(yàn)和利用數(shù)學(xué)模型研究了廢氣再循環(huán)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中各工況廢氣再循環(huán)率對(duì)動(dòng)力性及排放性能的影響，Tomita還提出了將廢氣再循環(huán)和增大噴油提前角相結(jié)合的方法；Stan91．maier等人利用HCCI技術(shù)，降低了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中低負(fù)荷工況的排放并改善了經(jīng)濟(jì)性，Bengtsson等人利用燃燒反應(yīng)區(qū)的離子電流反饋信號(hào)對(duì)采用HCCI技術(shù)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的研究。吉林大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)分析了柴油和天然氣的復(fù)合燃燒特性和規(guī)律，指出了天然氣-柴油雙燃料燃燒的主要特征和存在的主要問(wèn)題。清華大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)著重研究了引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。天津大學(xué)利用開(kāi)發(fā)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒放熱規(guī)律計(jì)算軟件分析了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特陛，并發(fā)現(xiàn)控制雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)著火始點(diǎn)是控制缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和NOx排放的關(guān)鍵；通過(guò)增置天然氣多點(diǎn)順序噴射系統(tǒng)和比例電磁鐵及電控系統(tǒng)，將斯太爾WD615．64增壓非中冷柴油機(jī)改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，NOx和顆粒排放6能達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。在自然吸氣、混合器混合直列式6缸天然氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中證實(shí)采用進(jìn)氣節(jié)流和廢氣再循環(huán)等措施可有效降低HC和CO的排放。在與大連柴油機(jī)廠合作中，采用混合器混合和機(jī)械控制柴油量及進(jìn)氣管壓力調(diào)節(jié)控制天然氣量的方法將廢氣渦輪增壓直噴式柴油機(jī)改裝為CA6113BN-01柴汪VCNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣替代率在50％左右，此后，又進(jìn)一步利用空一空中冷方案研究了中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)增壓雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。長(zhǎng)安大學(xué)將一臺(tái)4缸增壓直噴式索菲姆柴油機(jī)改裝為L(zhǎng)PG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，引燃柴油由原柴油機(jī)的供給系統(tǒng)提供，氣體燃料由電子控制的混合器吸人，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了原機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和排放性能，并進(jìn)行了汽車(chē)道路試驗(yàn)，還利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)對(duì)柴油與LPG-柴油混合噴霧特性進(jìn)行了對(duì)比研究。西安交通大學(xué)將斯太爾WD615．型增壓直噴式柴油機(jī)改裝為天然氣-柴油64雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)得出適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度和合適的進(jìn)氣節(jié)流可降低CO和HC排放，低負(fù)荷工況采用停缸技術(shù)可改善雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放Ⅲ。北京交通大學(xué)研發(fā)了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣電控噴射系統(tǒng)，并在試驗(yàn)中與原機(jī)和混合器雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能進(jìn)行了對(duì)比。北京工業(yè)大學(xué)將車(chē)用X6130柴油機(jī)改裝為天然氣／柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，替代率可超過(guò)70％，同時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率并沒(méi)有降低|。武漢理工大學(xué)將D6114型增壓柴油機(jī)改裝成單點(diǎn)電控的柴油／CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力性與原機(jī)相當(dāng)，常用工況天然氣替代率為50％左右。浙江大學(xué)將490Q型柴油機(jī)改裝成柴油-LPG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)對(duì)比了原機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲等性能指標(biāo)，針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由純柴油工況向雙燃料工況切換過(guò)程時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)現(xiàn)象，改進(jìn)了油氣切換過(guò)程的控制模型，實(shí)現(xiàn)了油氣切換的平穩(wěn)過(guò)渡。江蘇大學(xué)將LR6105型柴油機(jī)改裝為電控多點(diǎn)順序噴射LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)正在開(kāi)展生物制氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。北京理工大學(xué)將北京內(nèi)燃機(jī)廠生產(chǎn)的F6L912Q型風(fēng)冷柴油機(jī)改裝為電子控制多點(diǎn)順序噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，排放指標(biāo)除HC外均可達(dá)到歐三標(biāo)準(zhǔn)。今后研究方向由上可知，為使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)更加完善，尚需作進(jìn)一步的研究，解決一些實(shí)際問(wèn)題：1．目前，國(guó)產(chǎn)雙燃料供氣裝置缺少配套產(chǎn)品，性能優(yōu)良的雙燃料供氣裝置的引進(jìn)、開(kāi)發(fā)和研制是我國(guó)今后面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。同時(shí)應(yīng)保證天然氣具有優(yōu)良的品質(zhì)（如CH含量應(yīng)保證在95%,N2、2、2S等廢氣成分比例應(yīng)嚴(yán)格控制）COH。2．進(jìn)行雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒規(guī)律和燃燒特性的研究，側(cè)重稀薄燃燒技術(shù)的應(yīng)用研究，特別是中、小負(fù)荷工況的燃燒惡化問(wèn)題。3．針對(duì)13工況排放試驗(yàn)中某些排放物和某些工況排放量略高的問(wèn)題，特別是HC排放量高的問(wèn)題，研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)排放物的形成規(guī)律及其控制，包括缸內(nèi)燃燒技術(shù)及機(jī)外催化技術(shù)。對(duì)于HC、CO采取缸內(nèi)充分燃燒，同時(shí)選擇新型有效的催化劑實(shí)施機(jī)外處理的技術(shù)方案。為降低HC、CO排放，同時(shí)也限制全負(fù)荷工況的NOx排放，可試用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)。4．采用電控技術(shù)，特別是電控噴氣和噴油技術(shù)，將是徹底解決雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、替代率、熱效率和排放問(wèn)題的較佳方案。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控技術(shù)后，駕駛員操作與原柴油機(jī)一樣方便，過(guò)程不會(huì)復(fù)雜化。電控單元采集油門(mén)踏板位置、轉(zhuǎn)速及其他信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)所需天然氣量和引燃柴油量，使每一工況的天然氣替代率均達(dá)到最佳值，有效地控制燃燒，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的每一工況的性能均達(dá)到最佳。國(guó)外采用電控噴氣技術(shù)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)排放量已達(dá)到較低的數(shù)量指標(biāo)，并完全在“歐洲四號(hào)標(biāo)準(zhǔn)”排放限值以下，也有的僅是HC還略高于原柴油機(jī)燃燒工況。8氣體燃料柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究綜述燃料-柴油雙燃料第3章氣體燃料柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究綜述3.1氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)定義以可燃?xì)怏w為燃料的內(nèi)燃機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。天然氣、石油氣、煤氣、甲烷、氫氣、沼氣和生物制氣等多種氣體均可作為氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。1860年lenior制成世界上最早的以煤氣為燃料的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，表明人們?cè)谑褂靡后w燃料之前，就通過(guò)實(shí)踐證明了各種成分的可燃?xì)怏w同樣可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。1908年，我國(guó)上海均和安機(jī)器廠制造出了我國(guó)首臺(tái)以煤氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)。20世紀(jì)30年代，在意大利、俄羅斯、荷蘭等天然氣儲(chǔ)存和產(chǎn)量較大的國(guó)家中開(kāi)始發(fā)展壓縮天然氣(CNG，CompressedNaturalGas)和液化石油氣(LPG，LiquefiedPetroleumGas)汽車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)異?；钴S，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用技術(shù)、燃燒機(jī)理和燃燒過(guò)程優(yōu)化成為研究的熱點(diǎn)。巨大的市場(chǎng)前景還吸引了GM、Deutz、Benz、Honda、Detorit，Toyota，Caterpillar、Cummins等眾多知名的發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)制造廠商都參與到此領(lǐng)域的研究。3.2氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)使用氣體燃料除了能替代石油燃料緩解能源危機(jī)，降低石油燃料對(duì)環(huán)境造成的污染外還具有以下特點(diǎn)：（1）由于氣體燃料的使用，使得氣缸內(nèi)積碳減少，減小發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，從而延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命；（2）與使用液體燃料不同，不需要精密的噴油設(shè)備或霧化裝置；（3）能與空氣很好的混合，各缸問(wèn)分配較均勻，并能進(jìn)行較充分的燃燒，有利于組織稀混合氣的燃燒；（4）形成混合氣時(shí)，氣體燃料占有一定的體積，減小了進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有不利的影響；（5）由于氣體燃料的成分、氣量及壓力不穩(wěn)定。需對(duì)混合氣的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。3.3氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)按其使用燃料的特點(diǎn)分為：（1）單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)門(mén)針對(duì)一種氣體燃料的特性而設(shè)計(jì)制造的專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)，可以最大限度的發(fā)揮氣體燃料的優(yōu)勢(shì)，多用于氣源供應(yīng)充足的固定場(chǎng)所，如油田電站，氣源供應(yīng)穩(wěn)定的城市公交車(chē)輛，中大型生物制氣發(fā)電站等。（2）兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)兼顧液體燃料與氣體燃料的特點(diǎn)，即可單獨(dú)使用液體燃料也可單獨(dú)使用氣體燃料。兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以方便的由現(xiàn)有的火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而實(shí)現(xiàn)，例如汽油-LPG或汽油-CNG等，這對(duì)于氣體燃料供氣系統(tǒng)未形成網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)使用兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。（3）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以同時(shí)使用氣體燃料與液體燃料，例如柴油-CNG，柴油-LPG和柴油-生物制氣等。這種發(fā)動(dòng)機(jī)以少量的柴油引燃進(jìn)入氣缸的氣體燃料。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)按其混合物的著火方式可分為兩類(lèi)：a.點(diǎn)燃式單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，由點(diǎn)火系統(tǒng)的火花塞點(diǎn)燃。在將柴油機(jī)改裝為單一氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要增加點(diǎn)火系統(tǒng)，并同時(shí)降低壓縮比，避免氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。b.壓燃式可燃?xì)馀c空氣進(jìn)入氣缸后在壓縮階段均勻混合，混合氣依靠噴入氣缸的少量柴油自燃放出的熱量引燃。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)工況按比例調(diào)節(jié)引燃油量和進(jìn)氣量，也可單獨(dú)使用柴油。與點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，壓燃式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，保持了柴油機(jī)的高壓縮比，熱效率高，燃料經(jīng)濟(jì)性好；第二，引燃柴油所釋放的能量大大高于火花點(diǎn)火的能量，有利于保證氣體燃料著火穩(wěn)定，避免失火，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變動(dòng)也較點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)??；第三，引燃柴油可形成多個(gè)點(diǎn)火源，加快氣體燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高?dòng)力性能夠在較寬的空燃比范圍內(nèi)工作，可實(shí)現(xiàn)較稀薄的燃燒；第四，柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)小，各部件與原機(jī)型之間具有良好的互換性，從而降低了制造和配套成本，使用和維修比較方便；第五，可雙燃料運(yùn)行，也可在氣體燃料成本較高或短缺時(shí)純柴油工作。3.4天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展3.4.1天然氣品質(zhì)問(wèn)題天然氣品質(zhì)（氣質(zhì)）對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有很大的影響。柴油機(jī)進(jìn)行雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改造后，在其標(biāo)定功率達(dá)到原柴油機(jī)指標(biāo)的前提下，對(duì)于含有95%甲烷的天然氣，多數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的天然氣替代柴油比率可達(dá)到90%以上，最低也達(dá)80%。對(duì)于氣質(zhì)好的天然氣，其替代率在80%"以上時(shí)，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)比原柴油機(jī)有較大幅度提高，可較大幅度提高低速高負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性能。對(duì)于氣質(zhì)條件較差的天然氣，無(wú)法保證較高的替代率，從而使標(biāo)定工況和低速高負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性下降。3.4.2天然氣的替代率問(wèn)題天然氣對(duì)柴油的替代率是衡量雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。只有提高替代率，才能充分發(fā)揮天然氣燃料的顯著優(yōu)點(diǎn)。但替代率的提高受到燃燒性能、工作穩(wěn)定性、排放等一系列問(wèn)題的制約。原因是天然氣-空氣的混合氣濃度過(guò)稀，必須加大引燃柴油量比例。隨著負(fù)荷的增加，混合氣中天然氣量越來(lái)越多，即混合氣濃度增大，使燃燒更快捷和充分，用相對(duì)較少的引燃柴油即可達(dá)到穩(wěn)定燃燒，替代率也隨之增大。但混合氣的濃度不能太大，適當(dāng)濃度的混合氣只需少量的引燃柴油點(diǎn)燃就可達(dá)到穩(wěn)定燃燒，而過(guò)稀或過(guò)濃的混合氣都需要更多的柴油引燃。因此合理的替代率應(yīng)該是：在怠速時(shí)僅以柴油作為燃料，中小負(fù)荷時(shí)替代率較小，而在高負(fù)荷時(shí)替代率可達(dá)到較大值。因此，協(xié)調(diào)控制天然氣量、空氣量和柴油量，使每一工況下的天然氣對(duì)柴油的替代率都達(dá)到最佳，從而實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最佳的燃燒性能是今后必須解決的重要問(wèn)題。3.5LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化研究3.5.1柴油機(jī)燃用液化石油氣問(wèn)題的提出汽車(chē)是現(xiàn)代社會(huì)必不可少的交通運(yùn)輸工具，也是人類(lèi)文明的重要標(biāo)志之一，而能源與環(huán)保始終是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的重要問(wèn)題。1973年中東戰(zhàn)爭(zhēng)觸發(fā)了許多國(guó)家早己潛在的石油危機(jī)，人們逐漸意識(shí)到石油資源終將減少直至枯竭;據(jù)資料介紹，截止1994年1月1日，世界石油探明儲(chǔ)量為9991.2億桶(約1440億11噸)，如果按現(xiàn)在全世界石油的日需求量6500萬(wàn)桶再加上增長(zhǎng)的150萬(wàn)桶計(jì)算，預(yù)計(jì)2035年之前地球上的石油資源將會(huì)消耗殆盡。因此，開(kāi)發(fā)代用燃料已經(jīng)成為解決石油危機(jī)的主要途徑。傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)以汽油、柴油作為燃料，必然也受到了石油危機(jī)的困擾，找尋汽油、柴油以外的汽車(chē)燃料已經(jīng)成為重要的研究方向。與此同時(shí)，隨著世界汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今世界汽車(chē)保有量達(dá)到6億多輛。按現(xiàn)在的速度計(jì)算，預(yù)計(jì)到2030年，世界汽車(chē)保有量將增至10億輛，汽車(chē)引起的污染問(wèn)題將日益嚴(yán)重。隨著汽車(chē)柴油機(jī)化的發(fā)展趨勢(shì)，柴油汽車(chē)所占比例不斷增加，柴油機(jī)排放問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)排放中的CO、HC及NOx含量較少，但碳煙排放要明顯高于汽油機(jī)。碳煙顆粒具有很強(qiáng)的吸附力，對(duì)人體的呼吸器官危害極大，可以導(dǎo)致慢性肺病并有致癌作用。因此，降低柴油機(jī)碳煙排放已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)急待解決的問(wèn)題。目前為止，柴油機(jī)燃用液化石油氣是緩解石油資源緊缺，降低柴油機(jī)碳煙排放較為有效的方法之一。3.5.2液化石油氣的特點(diǎn)液化石油氣(LiquefiedPetroleumGas,簡(jiǎn)稱(chēng)LPG)是油氣田開(kāi)采和煉油廠加工過(guò)程中的一種副產(chǎn)品，亦可以煤為原料制取。LPG主要是含有三個(gè)或四個(gè)碳原子的烴類(lèi)如丙烷(C3H3)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)等。石油氣在常溫常壓下以氣態(tài)形態(tài)存在，且臨界溫度高而臨界壓力較低，適當(dāng)加壓或在不太低的溫度下，即可成為便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)囊后w。汽油、柴油、天然氣、石油氣的理化特性列于表1-1中。分子式液相密度kg／l沸點(diǎn)（℃）自燃點(diǎn)（℃）可燃范圍體積比，％低熱值(MJ／kg)汽油C5~C11的烴類(lèi)0.71~0.7430~2202601.3~7.643.9柴油C11~C19的烴類(lèi)0.83180~370200~3001.5~8.242.5天然氣CH40.42-161.57005~1549.8石油氣C3~C4的烴類(lèi)0.54-0.5400~4501.7~9.745.312理論空燃比【質(zhì)量比】混合氣熱值（MJ／m?）辛烷值RON十六烷值14.814.516.7515.463.84900~103.79―40~553.39120―3.66100~110―表1-1LPG具有以下幾方面的顯著特點(diǎn):1.資源豐富LPG是石油提煉及油氣生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，以往這些副產(chǎn)品是作為廢物點(diǎn)燃后排放到大氣中的。如今除做家用燃料外，還可滿足車(chē)用燃料的需要。在我國(guó)，LPG作為代石油車(chē)用燃料具有更重要的意義:改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)，對(duì)石油的需求量不斷增加，而我國(guó)石油工業(yè)的增長(zhǎng)近期只能維持在2%左右，滿足不了日益增長(zhǎng)的需求;從1993年起，我國(guó)已由石油出口國(guó)變?yōu)槭瓦M(jìn)口國(guó)，因此使用LPG作為車(chē)用燃料對(duì)于緩解我國(guó)石油資源緊缺的狀況具有重要意義。我國(guó)在新疆、四川、陜西、內(nèi)蒙及陜北相繼發(fā)現(xiàn)大的氣田，儲(chǔ)量均達(dá)到幾十億至幾百億立方米，保證了LPG的來(lái)源。2.燃料經(jīng)濟(jì)性好LPG霧化汽化性能好，進(jìn)入氣缸內(nèi)不存在任何霧狀顆粒，是完全的氣態(tài)。完全汽化有利于燃料分子與氧氣分子的充分接觸，使燃燒速率及燃燒完全度提高;同時(shí)液化石油氣的低熱值為45.3MJlkg，比柴油的低熱值42.5M放g要高，這意味著即使按相同的熱效率，做同樣的功，所需的LPG也比柴油的耗量少。3.延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命由于LPG與空氣混合充分，燃燒完全，燃燒室內(nèi)積碳極少，保養(yǎng)時(shí)清理積碳作業(yè)量較少。進(jìn)氣通道和氣缸內(nèi)無(wú)燃料及燃燒產(chǎn)物冷凝物，因而氣缸壁和活塞表面的油膜不會(huì)被沖刷，機(jī)油盤(pán)內(nèi)機(jī)油不會(huì)被稀釋?zhuān)瑥亩梢詼p少氣缸和活塞組零件的磨損，提高其壽命。同時(shí)可延長(zhǎng)機(jī)油使用期限，減少機(jī)油耗量。4.有害污染物排放少與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)排放中的CO、HC及Nox含量較少，但碳煙排放量13明顯高于汽油機(jī).柴油機(jī)摻燒LPG后，CO、HC及Nox排放均有一定降低，同時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)煙度有顯著的降低。LPG中不含鉛，故鉛化物的排放為零。因此LPG在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家被視為“清潔燃料”而倍受人們的青睞。5.具有良好的安全性LPG的自燃溫度在400~450℃，比汽油、柴油的自燃溫度要高得多。當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞、翻車(chē)事故時(shí)，LPG在容器中激烈震蕩，磨擦后溫度升高到自燃點(diǎn)起火爆炸的可能性較柴油少得多;同時(shí)LPG遇明火的爆炸極限較柴油的爆炸極限高，因此LPG相對(duì)柴油更不易著火、爆炸。同時(shí)LPG儲(chǔ)氣瓶制造要求嚴(yán)格，只要按照我國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的有關(guān)規(guī)定制造生產(chǎn)的儲(chǔ)氣瓶均可保證良好的安全性。6.較天然氣使用方便、成本低目前全世界廣泛應(yīng)用的代用燃料是LPG和天然氣(NaturalGas)。LPG與壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)相比具有儲(chǔ)運(yùn)性能好的優(yōu)點(diǎn)。石油氣在常溫15℃下，只需0.SMPa的壓力即可液化，而CNG的貯存壓力一般在20~30MPa之間，LNG則需在3.5.3國(guó)內(nèi)外液化石油氣研究及應(yīng)用現(xiàn)狀美國(guó)是一個(gè)汽車(chē)大國(guó)，全世界4.4億輛轎車(chē)中大約有1/3在美國(guó)。目前，美國(guó)50%的石油依靠進(jìn)口，到2010年將超過(guò)75%;為了解決能源緊缺和環(huán)保問(wèn)題，從90年代開(kāi)始，美國(guó)政府制訂了一系列政策法規(guī)，大力發(fā)展天然氣、液化石油氣汽車(chē)，其中最具影響力的是1992年頒布的《能源政策法》《能源政策法》規(guī)。定，聯(lián)邦政府、州政府以及燃料提供者的車(chē)隊(duì)必須為天然氣、液化石油氣等代用燃料汽車(chē)的使用做出表率，分階段實(shí)施代用燃料計(jì)劃。與此同時(shí)，聯(lián)邦政府和州政府還特別頒布了一系列政策和措施，鼓勵(lì)使用天然氣和液化石油氣作為車(chē)用燃14料，其中包括免征代用燃料銷(xiāo)售稅，代用燃料價(jià)格優(yōu)惠，購(gòu)代用燃料汽車(chē)退稅、抵免稅等。這一系列配套政策已初見(jiàn)成效，美國(guó)現(xiàn)有CNG汽車(chē)4.9萬(wàn)輛，加氣站1100座:LPG汽車(chē)170萬(wàn)輛，已占轎車(chē)總數(shù)的1.3%，建成1250座液化石油氣站，年耗量可達(dá)97萬(wàn)噸。荷蘭國(guó)家雖小，但使用液化石油氣作為車(chē)用清潔燃料己有40多年的歷史，其液化石油氣的加工能力也相當(dāng)高。目前，荷蘭己具有世界上最成熟的液化石油氣汽車(chē)市場(chǎng)，其液化石油氣轎車(chē)數(shù)量已占轎車(chē)總數(shù)的8%。亞洲的代用燃料汽車(chē)主要是液化石油氣汽車(chē)，它是世界上最大的液化石油氣汽車(chē)市場(chǎng)，與歐美液化石油氣汽車(chē)以私人轎車(chē)為主的情況不同的是亞洲主要是以出租車(chē)為主。日本是一個(gè)比較典型的例子，眾所周知，日本是一個(gè)礦物燃料嚴(yán)重不足的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。日本于1959年開(kāi)始研究LPG汽車(chē)，1964年日產(chǎn)株式會(huì)社生產(chǎn)出第一輛LPG汽車(chē)。目前日本已擁有30萬(wàn)輛液化石油氣汽車(chē)，其中20萬(wàn)輛是出租車(chē)。我國(guó)代用燃料汽車(chē)起步較晚，近年來(lái)一些地區(qū)尤其是天然氣、液化石油氣產(chǎn)區(qū)，已先后改裝10000多輛天然氣或液化石油氣汽車(chē)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止1998年底，已有液化石油汽車(chē)7000多輛，加氣站33座。我國(guó)代用燃料汽車(chē)雖然有一定的數(shù)量，但按比例還不到全國(guó)汽車(chē)保有量的千分之一，無(wú)論從絕對(duì)值還是相對(duì)值來(lái)看都很小。國(guó)外對(duì)LPG的使用研究已相當(dāng)成熟，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家首先完成了LPG燃料的單缸機(jī)和多缸機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)，并進(jìn)行了道路試驗(yàn)。據(jù)資料介紹，日本采用高壓油管內(nèi)混入LPG的方法在柴油機(jī)上做了一些燃燒特性研究，得到如下結(jié)論:燃用混入LPG的柴油時(shí)，盡管發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲有所增大，但是煙度及熱消耗率均有改善;隨著LPG混入量的增大，煙度、CO排放以及熱消耗率均得到改善，但發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲有增大傾向。目前，國(guó)內(nèi)許多高等院校、科研院所在消化吸收國(guó)外LPG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的同時(shí)，積極開(kāi)展了多項(xiàng)技術(shù)研究，做了許多有益的嘗試，獲得了一些初步研究成果。浙江大學(xué)在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組上使用液化石油氣，將柴油機(jī)改裝成LP壓柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，得出如下結(jié)論:發(fā)電機(jī)組負(fù)荷小于50%時(shí)，雙燃料發(fā)電機(jī)組的燃料消耗率大于柴油發(fā)電機(jī)組的燃料消耗率，而負(fù)荷大于50%時(shí)則相反;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)15的排溫低于純柴油排溫;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大到80%后，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，繼續(xù)增大負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，將壓縮比降至14，仍未能消除爆震現(xiàn)象。另外，福建農(nóng)業(yè)大學(xué)也使用LPG在渦流室柴油機(jī)上作雙燃料運(yùn)行試驗(yàn)研究，得出與浙江大學(xué)基本相同的結(jié)論。其中如何使LPG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下消除爆震現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，是今后探索和解決的問(wèn)題。第4章液體燃料-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展4.1甲醇-柴油研究及發(fā)展趨勢(shì)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需要日趨增大。柴油作為大功率內(nèi)燃機(jī)的主要燃料，常有供不應(yīng)求局面出現(xiàn)。雖然國(guó)際原油價(jià)格近期暫時(shí)回落，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，原油資源總有枯竭。而且柴油機(jī)尾氣中顆粒物、氮氧化合物和碳?xì)浠衔锏暮亢芨?，污染環(huán)境，嚴(yán)重?fù)p害人體健康，因此研究開(kāi)發(fā)清潔可再生能源是國(guó)家立項(xiàng)研究的重要課題。醇類(lèi)燃料作為重要的可再生燃料是近年來(lái)人們研究的最大熱點(diǎn)，其中甲醇燃料由于可由煤、天然氣直接轉(zhuǎn)化得到尤受人們重視。甲醇與汽油和柴油的比較接近，具有燃燒性能良好、熱效率高、比能耗低、排放的顆粒物和氮氧化物(NOX)含量低、來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)環(huán)保局認(rèn)為：“采用甲醇燃料是實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)境的最有效的方法”。我國(guó)具有豐富的煤炭資源，山西省于2002年10月確定太原、陽(yáng)泉、臨汾、榆次等4個(gè)城市為甲醇-柴油產(chǎn)業(yè)試點(diǎn)城市，老軍營(yíng)加油站、漪汾街加油站和新華街加油站進(jìn)行車(chē)用甲醇-柴油的試點(diǎn)銷(xiāo)售。甲醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用主要方法有乳化液法、混合燃料法、熏蒸法、雙燃料噴射系統(tǒng)法。乳化燃料的歷史較長(zhǎng)，20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)柴油-水乳化燃料進(jìn)行廣泛研究，但是由于甲醇和柴油極性上的巨大差異，要實(shí)現(xiàn)甲醇與柴油的溶解，形成穩(wěn)定均勻的混合燃料，必須在原有的甲醇-柴油體系中加入一定比例的表面活性劑、助溶劑，使兩者能夠充分混溶，并保持穩(wěn)定。該混合燃料不僅價(jià)格低廉，解決了柴油短缺的問(wèn)題，而且燃燒后廢氣的排放也大幅度減少，可以作為一種清潔能源，替代現(xiàn)有的柴油直接用于民用和工業(yè)生產(chǎn)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。4.2甲醇-柴油的乳化及節(jié)能、環(huán)保機(jī)理4.2.1甲醇-柴油的乳化機(jī)理甲醇與柴油是兩種不相溶的液體，他們之間要以均勻的混合物存在，只有制成均勻的乳化液。乳化液是一種多相體系，在高速剪切力的作用下，甲醇以珠狀均勻地分散在柴油中，形成油包水型的乳化液，但這種狀態(tài)是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定17體系，因此，為了得到較穩(wěn)定的乳化液，必須在體系中加入表面活性劑，以改變兩種液體的界面張力形成穩(wěn)定的乳液結(jié)構(gòu)。4.2.2甲醇-柴油的節(jié)能、環(huán)保機(jī)理1.節(jié)能機(jī)理乳化油作為燃料，在節(jié)能方面目前公認(rèn)的機(jī)理為微爆理論。①微爆作用，對(duì)于油包水型的微乳液，由于甲醇的沸點(diǎn)低于燃油沸點(diǎn)(130℃以上)，當(dāng)油表面燃燒時(shí),內(nèi)部甲醇受熱并汽化,體積急劇膨脹,產(chǎn)生的巨大壓力使油滴爆破，油滴進(jìn)一步微粒化，形成“二次霧化”，油和空氣的接觸面積大幅度增加，提高了燃燒效率，達(dá)到節(jié)能的效果。②加速燃燒反應(yīng)，甲醇在汽化過(guò)程中，分子中的OH基團(tuán)活性大大增強(qiáng)，一氧化碳盡可能完全燃燒。相當(dāng)于“水煤氣反應(yīng)”，從而加速燃油裂解所形成焦炭的燃燒，抑制了煙塵的生成。2.環(huán)保機(jī)理一般柴油機(jī)中產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏闹饕蚴腔旌喜痪鶆?，及燃燒不良所致一氧化碳是一種不完全燃燒產(chǎn)物，生成柴油機(jī)碳煙，概括地說(shuō)是由烴類(lèi)燃料在高溫缺氧條件下裂解生成的。乳化柴油能發(fā)生“二次霧化”，其霧化質(zhì)量是任何柴油機(jī)噴嘴都難以達(dá)到的，它使柴油分子與高溫空氣的混合更均勻，燃燒環(huán)境的改善能顯著減少煙塵排放。氮氧化合物是柴油機(jī)的主要污染物，其生成過(guò)程在溫度大于1600℃的條件下，進(jìn)一步氧化生成?？梢?jiàn)溫度、氧濃度在生成過(guò)程中起著重要作用，一般認(rèn)為，當(dāng)溫度高于4.3傳統(tǒng)甲醇-柴油燃料和存在的問(wèn)題4.3.1傳統(tǒng)甲醇-柴油的研究情況傳統(tǒng)的甲醇-柴油燃料，以柴油為主要原料，在表面活性劑和助溶劑的作用下，加入一定比例的甲醇，得到均質(zhì)的白色或黃色乳狀液,此項(xiàng)技術(shù)，在國(guó)外起步較早，至今已取得較大進(jìn)展。近幾年來(lái)，由于我國(guó)能源問(wèn)題的凸顯，甲醇-柴油的研究發(fā)展迅速，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出許多種甲醇-柴油配方，有多項(xiàng)科研成果和發(fā)明專(zhuān)利產(chǎn)生，并正在向?qū)嵱没褪袌?chǎng)化的方向前進(jìn)，例如楚宜民等研制的甲醇-柴油混合燃料，在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下，把甲醇、柴油、OP乳化劑、其他助18劑按體積比15:80:2.5:2.5混合,混合燃料平均節(jié)油率達(dá)9.5%，在中、高負(fù)荷下節(jié)油率平均達(dá)12.4%。在中、高負(fù)荷范圍內(nèi)燃用混合燃料的煙度均低于燃用柴油時(shí)，下降達(dá)25.6%，NOx的排放值顯著降低。還有，通常會(huì)加入一定量的助溶劑，比如中碳醇、基礎(chǔ)油等，合適的助表面活性劑可以調(diào)節(jié)微乳液的HLB值、分子排列參數(shù)、表面活性劑單分子膜的粘彈性，進(jìn)一步降低界面張力，從而可大大提高表面活性劑的增溶能力，加入甲醇的比例最高可達(dá)到50%以上，形成的乳化液穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)，低溫下不會(huì)出現(xiàn)分層。并研究了復(fù)合乳化劑的HLB值、乳化溫度、極性添加物、混合方式、乳化時(shí)間、甲醇純度等對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響。如與其它乳化技術(shù)比較，超聲波乳化可使液滴分散細(xì)而分布窄，分散效果好，增加乳液的穩(wěn)定性。再經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出復(fù)合表面活性劑的值在2.8～3.3時(shí)，所制得的甲醇-柴油乳狀液穩(wěn)定性最好。4.3.2傳統(tǒng)甲醇-柴油存在的問(wèn)題目前，甲醇-柴油在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用仍存在一些有待攻克的技術(shù)問(wèn)題，如：甲醇加入柴油后的混融和分層問(wèn)題，甲醇燃燒不充分產(chǎn)生甲醛的問(wèn)題，如何使甲醇大比例加入的問(wèn)題，甲醇-柴油的動(dòng)力下降和速度沖擊問(wèn)題，應(yīng)用中甲醇-柴油對(duì)油路及氣缸金屬部分的腐蝕問(wèn)題、以及對(duì)橡塑件的腐蝕和溶脹問(wèn)題等。另外，甲醇-柴油中，雖然甲醇非常廉價(jià)易得，但表面活性劑和助溶劑用量較大，而且價(jià)格昂貴，這就造成甲醇-柴油的成本較高，降低了甲醇-柴油的實(shí)用價(jià)值。所以尋求價(jià)格低廉、乳化效率高的表面活性劑，仍然是函待解決的問(wèn)題。4.4微乳化甲醇-柴油的優(yōu)勢(shì)及研究進(jìn)展4.4.1微乳燃油的形成機(jī)理及優(yōu)勢(shì)微乳液是由油、甲醇或水、表面活性劑、助表面活性劑組成，其粒徑約為10～100nm。微乳狀液之所以能形