陈如建

(临沂恒昌焦化股份有限公司，山东 临沂 276132)

引 言

随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的整体提升，中国的能源消费需求迅速增加。中国剩余的可回收石油储备仅占世界总储量的2%。另外，预备生产比例仅占世界平均水平的37%[1]。国内石油资源在规模或可持续供应方面无法保证国内所有能源需求。此外，中国对外国原油的依赖度持续上升，2007年越过了50%的警戒线，此后逐年升高。2018年，中国进口原油4.6亿 t，对外国原油的依赖度攀升至70%，2020年，中国进口原油量高达5.6亿 t，对外依赖度高达73.5%。我国目前巨大的能源供给系统仍依赖于外国的石油资源。由石油产品如汽油和柴油供应燃料的车辆是中国的主要石油消费者[2-3]。

1 甲醇燃料的详细动力学模型研究

基于实验研究，数值模拟分析了发动机内甲醇燃料的燃烧和释放。为了模拟和预测甲醇汽油发动机的燃烧/排出性能，除了建立发动机加工过程的数值模型之外，还需要深入理解甲醇和汽油的氧化反应过程。建立了甲醇汽油混合燃料氧化反应的详细动力学模型[4]。1970年代，美国为了建立甲醇氧化的详细动力学模型，使用了稳定反应器、预混合层流量等实验数据。关于中国甲醇氧化的动力学模型的研究目前还很少。该模型的主要目的是获得适用于特定温度、压力、燃料空气当量比和其他参数的甲醇氧化的简化动力学模型。然而，甲醇-汽油混合的氧化反应的详细动力学模型在国内外几乎没有涉及。国外关于甲醇和甲醇汽油引擎和车辆的研究主要集中在20世纪八九十年代。在21世纪，研究基本进入停滞期。但是，随着从气化器到电子控制喷射的燃料供给系统的变更，汽油引擎的技术发生了很大的变化。因此，海外甲醇燃料的研究经验仅限标准值。这主要体现在最近的电子控制汽油发动机中甲醇燃料的应用方面，特别是国内对甲醇和甲醇汽油的研究更注重发动机的性能、经济性、燃烧性和常规排放特性。关于释放特性的研究很少。此外，传统的发光测量方法通常是气相层析成像或高速液体层析成像，并且采样方法是气相直接捕获或固相吸附，并且生成衍生物样品。系统和综合评估甲醇汽油发动机的非常规排放水平是困难的，特别是需要评估三元催化剂之后的释放水平；未燃烧甲醇三元催化剂的转换效率[5-6]。现有的EFI汽油发动机直接使用低浓度甲醇汽油混合燃料时，甲醛和其他非常规排放。同时，随着里程的增加，催化剂会老化或中毒，转换效率降低。因此，有必要研究甲醇寿命对催化剂寿命和催化活性的影响。到目前为止，根据我国甲醇温度的特性和空燃比特性，没有关于甲醇汽油对非常规排放成分的催化转换性能的实验研究。另外，国内外还没有报道甲醇汽油对快速老化法催化寿命的影响；甲醇和甲醇汽油发动机的冷启动研究主要关注燃烧特性和常规排放特性。对冷启动过程中瞬态非常规排放的研究很少见；结合甲醇循环混合的氧化反应速度模型和发动机循环加工过程模型，对火花点燃甲醇汽油发动机的燃烧和释放进行了模拟。

2 甲醇汽油燃烧与排放特性的研究

研究了在超低温状态下甲醇和空气混合物的燃烧特性。分析了空燃比、初始温度和压力对最大燃烧压力的影响。在喷雾蒸发过程中，发动机汽缸内的温度降低。在发火周期较长后，甲醇火焰具有快速传播速度、高散热率和高压上升率以及短时间快燃烧周期。当发动机以高速、高负荷、高交换比运行时，由于气流和高温干扰较大，点火延迟周期变短。甲醇的燃烧速度在提高燃烧效率，减少传热损失，使汽缸内最大压力和最大散热率比汽油最大的高速燃烧期间是更加高速的。另一方面，以低速、低负荷、低涡比运转时，甲醇蒸发的潜热的影响成为主角，在低于汽油的汽缸中获得最大压力和散热率。与汽油相比，不同种类的甲醇、汽油的比例在不同的工作条件下是不同的。需要进一步研究。大连理工大学对465 Q四缸汽油机进行了M85燃料的试验研究。转速在3 500 r/min以上时，HC和CO的排放均好于原机，而NOx的排放略差于原机。

太原东方发动机研究所和太原理工大学分别对汽油、M85和M100汽油分别进行了495Q和JT468 Q汽油机的对比试验。结果表明，使用甲醇后，发动机怠速时CO和HC排放显着降低；随着压缩比的增大，发射性能得到明显改善，常规排放比同类型汽油机低，CO降低45%，HC降低76%。在北京工业大学汽车转鼓试验台上，研究了工业甲醇燃烧后符合国家Ⅲ排放标准的汽油车常规污染物的排放特性。结果表明，在NEDC循环下，甲醇车的CO、HC和NOx排放均低于汽油车。其中，CO和HC排放显着降低。因为甲醇的氧含量可以促进燃料的完全燃烧，甲醇汽油发动机和车辆的CO和HC排放一般比汽油车的低。而NOx排放的结果与发动机、车辆的行驶状态和校准有关。

3 总结与展望

1) 由于试验发动机的局限性，在进一步的研究中，将采用更先进的甲醇专用发动机和甲醇专用催化剂，研究高比例甲醇汽油对催化剂前后发动机非常规排放水平的影响。高比例甲醇汽油和纯甲醇发动机及汽车的冷起动性能也是下一步研究的重点。

2) 由于运行时间的限制，采用了不能完全模拟火花点火器发射的准维循环工作模型。在今后的研究中，使用多维cfd的点火和燃烧模型，结合甲醇汽油氧化反应的详细动力学模型，综合模拟了传统发动机的排气。