4现代制造技术与装备2017第1期总第242期甲醇燃料在点火式发动机上的研究进展 李权才张东辉
幼学纪事
(华北水利水电大学，郑州450045)
摘要：甲醇燃料作为一种新型车用清洁替代燃料，污染小、动力性强、制取来源丰富。开展煤基甲醇，以煤代油，比较适合我国缺油富煤这一基本国情。本文综述甲醇汽油在国内外的发展历程及在我国所具有的独有优 势，并指出甲醇汽油在发展过程中所遇到的技术难题。 关键词：曱醇汽油冷启动特性添加剂非常规排放特性
随着能源危机和大气污染的日益加剧，世界各国都在积 极寻求新型替代燃料，以缓解压力。2014年，我国机动车排 放污染物4547. 3万吨，其中氮氧化物（N C U 627. 8万吨，颗粒物（PM) 57. 4万吨，碳氢化合物（HC) 428. 4万吨，:.一 氧化碳（C0) 3433. 7万吨[1\数据显示，机动车污染己成为 我国空气污染的重要来源，是造成雾霾、光化学烟雾污染的 主要原因。此外，2015年我国进口原油为3.355亿吨，同比 上涨8.8%，创出历史新高，原油对外依存度首次突破60%, 远超警戒线[2]。开发新型替代燃料，节能减排，已迫在眉睫。
甲醇是最早被提出并被应用于市场的替代燃料。欧美 日等国早在20世纪中后期对甲醇汽油进行了大量研
宄，并 开发多款甲醇汽油发动机。尤其是灵活燃料发动机（FFV)，能够掺烧任意混合比例的甲醇汽油。但是，随着天然气制 甲醇成本升高，各国逐渐转向成本低廉的可再生生物质燃 2008北京 油画
由于我国“缺油、富煤、贫气”的资源分布，开发煤 基甲醇非常适合我国的基本国情，能够大力缓解能源危机 和大气污染所带来的压力。2006年，由国家发改委牵头、多部门联合共同完成的《中国替代能源研宄报告》指出，“根 据我国能源结构特点和醇醚替代燃料研宄示范成果，将煤 基甲醇和二甲醚作为今后20〜30年过渡性车用替代燃料，是基本可行的，对我国实施能源多元化和能源替代战略具 有积极意义。[3]”
本文综述国内外甲醇汽油的发展历程和研宄进展，简 述甲醇汽油在我国所具有的独特优势，指出甲醇汽油在应 用中所遇到的问题。
1国内外甲醇汽油的发展历程
1.1国外情况
20世纪中后期，欧美等国为应对石油危机积极开展新 能源试验研宄。醇类燃料因为其良好的燃烧特性，逐渐进 入人们的视野。甲醇由于其制备来源广泛、高富氧等特点，备受关注。H arrington等w人
最早对甲醇的燃烧特性及排 放特性进行了试验研究，为后人积累了大量经验。Bowman 等[5]人提出了第一个甲醇氧化的反应机理，高温条件下该 机理能很好地预测了甲醇的燃烧过程。随后，各国先后制 定了 M5〜M100的国家标准，并对此进行了大量的整车试 验研宄。奔驰、大众、福特等相继开发了多款甲醇汽油发 动机，并应用于公交车辆。美国福特公司为解决甲醇汽油 加注困难的问题，开发了灵活燃料汽车（FFV)，可燃用任 意比例掺混的甲醇汽油。截止到1995年，美国燃用M85甲醇汽油车辆己超过17000多辆。进入21世纪，天然气制甲 醇汽油成本大幅提高，其经济性不足使得欧美等国逐渐放 弃甲醇汽油，而转向其他成本低廉的可再生生物质燃料。甲醇汽油的应用研宄随之进入停滞状态。
1.2国内情况
国内对甲醇汽油的系统应用研究始于“六五”（1981- 1985)期间。四川等地通过对现有车辆发动机适当改造，进行了掺烧低比例甲醇汽油（M3、M5)的试验研究。山西 相关区域依托丰富的煤炭资源，大力发展煤基甲醇，并率 先在国内开展甲醇汽油（M15)与70#汽油的对比研宄。
1996年，“中国一号”的灵活燃料甲醇中巴车试制成功。2002年，山西省在国内最早编制出台了《车用燃料甲醇》《M5〜M15车用甲醇汽油》两个地方标准》2007年，国家 发改委明确提出，今后30〜50年，甲醇燃料将作为我国 车用能源的主要替代能源[6]。2009年，国家标准化管理委 员会陆续公布了
《车用燃料甲醇》和《车用甲醇汽油（M85)》两个国家标准。M85标准的出台，为高比例甲醇汽油从化工 产品向燃料转变提供了合法依据。目前，全国已有14个省 市地区发布36项相关地方标准。2015年，山西省晋中市高 比例甲醇汽车试点运营验收通过。试点运营期间，车辆总 行程达2129万公里，最大单车运营里程突破20万公里。采用企业与高校联合的模式，在国家政策的大力引导下，我国甲醇汽油的应用研宄己达到世界先进水平。
2甲醇汽油在我国所具有的独特优势
我国煤矿资源丰富，占世界总储量的15%，其中有 40%〜50%属于高硫高灰废煤。利用废煤制甲醇具有巨大的 经济潜力。2015年，我国甲醇产能约为6975万吨，相对同 期増长1.68%；产量约在3930万吨，增长6. 92%；进口约 为545万吨，全年表观消费4475万吨，进口量仅占总消费 量的12. 2%。对比石油66%的对外原油依存度，甲醇燃料能 够更好地保证能源安全。甲醇行业开工率仅为56. 3%。甲醇 行业产能普遍富余，大力推广甲醇燃料，为甲醇行业提供 了一个新的出路。表1为2016年甲醇行业新增产能情况。
据不完全统计，2016年我国甲醇行业将继续新增785 万吨的甲醇产能。届时，中国甲醇年生产能力将突破7500 多万吨，其中所有原料均直接或间接来自煤炭。
国际上，新型燃料还有乙醇、氢能源等。乙醇属生物 质燃料，需要从粮食制取。国家“十一五”期间明
确规定 “不与民争粮”，给乙醇燃料一当头棒喝，故乙醇燃料在 国内进展不大。氢能源制取成本高、运输困难、燃烧异常、
设计与研究
5
M 100)相比中低比例甲醇汽油，相溶性更好，更便于储存、 运输。同时，甲醇的强吸水性导致其会自动从空气中吸附 游离的水分，进一步加重分层现象。
为提高中低掺混比例甲醇汽油的稳定性，必须向其中 添加一种或多种助溶剂。常用的助溶剂有髙碳醇、丙酮、 乙醚、酯类、苯类等化合物。较好的助溶剂不仅能够扩大 混溶区间，而且能降低其相分离温度，使其在低温下不相 分离。实验表明：醇类作为助溶剂性能最好，其次是乙醚、 丙酮、醋酸甲酯等[7]。但是，助溶剂的加入会对发动机耐 久性及排放物造成一定影响，因此必须对其可靠性进行长 时间的试验研宄。国内助溶剂种类较多，但绝大多数未进 行可靠性分析，严重影响甲醇汽油的品质。长时间使用， 这必然会对发动机零部件造成一定的损害。此外，助溶剂 价格相对较高，一定情况下会降低甲醇汽油的经济性。3.2.2金属腐蚀抑制剂
甲醇汽油的腐蚀性主要体现在四点：一是甲醇受氧化 和燃烧生成的甲酸会腐蚀金属表面；二是未燃甲醇与润滑 油反应，导致其失去防护作用，会加快活塞与气缸的磨损； 三是甲醇汽油水分存在激活金属的酸腐蚀和电化学腐蚀； 四是无水甲醇汽油的活性硫化物引起的铜片腐蚀。甲醇汽 油的腐蚀性随掺混比例的升髙而变强[8]，如图2所示，大 大降低了发动机的使用寿命和动力性能。
1.6
1.4
^ 1.2poco电子杂志
f 1.0
^0.8集合的定义
M
0.6
葚輕
0.4 0.2
2025
10 15甲醇体积分数/ %
图
2
甲醇体积分数对金属的腐蚀度
张娟利等[9]人进行了低比例甲醇汽油对金属的腐蚀研 究，发现与93#汽油相比，低比例甲醇汽油对铜
、钢、铁、 错的腐蚀度更高，且随着甲醇比例升高呈上升趋势。其中， 铜片腐蚀度最大，钢片次之，铁片较小，铝片最小。同时， 考察四种缓蚀剂对金属片腐蚀的抑制作用，发现复配缓蚀 齐！J 对金属腐蚀的抑制作用最好。
国内对金属腐蚀抑制剂的筛选，多分为两步。首先通
易爆等缺点，目前还需要进一步研究。甲醇汽油技术方面 已基本具备推广能力，燃烧性能与汽油基本无异，且常规 排放更低，经济性更好。
表
1 2016年甲醇行业新增产能
地区企业名称产能/万吨
生产工艺西北中天合创360
煤炭西北神华新疆180煤炭西北神华宁煤100煤炭西北新疆新业60煤炭西北西北能源20煤炭华北山西孝义鹏飞30焦炉气华东安徽淮北临涣焦化
20焦炉气山东
山东阳煤
15
煤炭
利用我国煤炭资源丰富这一先天优势，大力发展甲醇 燃料具有现实可行性。未来，甲醇燃料必然会成为石油的 替代品之一。
3
甲醇汽油所面临的挑战
国内对甲醇汽油的研究与应用主要集中在三个方面： 冷启动性、添加剂及非常规排放特性。3.1冷启动
甲醇气化潜热为1109k J * kg'
约是汽油的3. 5倍，
且蒸气压偏低。低温情况下，甲醇气化吸收大量热量，使 混合气温度降低，难以达到可燃底限，造成
冷启动困难。 实验表明，甲醇含量低于30%，其冷启动性能与常规汽油无 异。甲醇汽油冷启动困难，主要出现在中高比例甲醇汽油 (M85、 M 100) 〇
国内外对甲醇汽油发动机冷启动困难主要从两个方面 着手。第一，燃料改性。在甲醇中加入助燃剂，提高其蒸气压 或对甲醇进行变性处理，以使其燃烧速度、气化热值接近 传统汽油。第二，改造发动机。预热进气，提髙进气温度； 提高压缩比和转速，使气缸温度升高；增大点火能量，进 行稀混合气燃烧。
为避免甲醇汽油发动机冷启动困难，国内外多采用双 燃料发动机。低温条件下，利用汽油来启动发动机，以此 改善甲醇汽油的冷启动性能。国内第一款以甲醇为燃料的 量产车型一一奇瑞旗云甲醇新型燃料车，就是双燃料汽车。 试验证明，它的各项性能指标均居国内领先水平，且兼具 经济、环保、可靠、安全等优势。3.2添加剂
甲醇汽油的关键核心是添加剂的技术水平和质量控制。 甲醇汽油复合添加剂主要包括助溶剂、金属腐蚀抑制剂以 及抗溶胀剂，直接影响甲醇汽油的抗水性、相溶性、腐蚀性、 溶胀性。3.2.1助溶剂
甲醇属强极性溶剂，而汽油属非极性溶剂。根据“相 似相溶”原理，甲醇难溶于汽油，且其相溶性随温度、掺 混比例变化而变化。如图1所示，当甲醇浓度小于40%时， 醇度越高，其相分离温度越高，越易分层，进而影响甲醇 汽油的正常使用；而当甲醇浓度大于40%时，醇度越高， 其相分离温度越低，
越不易分层。高掺混比例甲醇汽油（
M85、qiushi
6
现代制造技术与装备
2017第1期总第242期
过单因素试验筛选出单一的缓蚀剂，然后对筛选出的缓蚀 剂进行复配，以制得复合缓蚀剂。实验表明，缓蚀剂对金 属试片的缓蚀率可达80%左右。3.2.3抗溶胀剂
发动机多使用橡胶或塑料来密封发动机。而橡胶或塑 料类元器件与甲醇具有一定的相溶性，易发生溶胀作用， 进而破坏发动机的密封性。
目前，解决汽油对橡胶溶胀性方法有两种：一是使用 耐溶胀材料，如含氟橡胶、改质橡胶等；二是添加抗 溶胀剂。
同济大学王甘霖等[1°]人采用浸泡法就M 30甲醇汽油对 橡胶材料的溶胀性进行研宄。结果表明，非耐
油橡胶材料 (硅橡胶、三元乙丙橡胶）在甲醇汽油中的溶胀最为严重， 而、氢化、氟橡胶和氟硅橡胶等耐油橡胶在甲醇 汽油中的溶胀性较好。
穆世芳等[11]人测定了不同比例甲醇汽油（M 15、M 30、
M 60、M 85)有对5种橡胶材料的溶胀程度，发现不同比例
甲醇汽油对橡胶的溶胀性差异很大。高比例（>60%)甲醇 汽油中，硅橡胶抗溶胀性最好；低比例（< 60%)中， 胶抗溶胀性最好，而硅橡胶最差。
甲醇汽油添加剂为复合化合物，其物理性质直接影响 甲醇汽油的互溶性、抗腐蚀性、抗溶胀性等。此外，添加 剂还要考虑是否改变甲醇汽油的蒸气压、汽化潜热值，是 否会对发动的动力性、气动特性造成影响。因此，复合添 加剂的选配必须经过长时间整车运行验证，不可盲目推广， 以免对发动机造成永久性损坏。
3.3非常规排放特性
大量试验研究，掺醇汽油能够降低CO 、N 0X 、HC 等常规 排放物，但会大量排放非常规污染物，如未燃甲醇、甲醛等。清华大学张凡等人在普通汽油机燃用低掺混比例甲 醇汽油（M O , M 10, M 20, M 30)时的非常规排放进行对比分析… 结果发现，未燃甲醇和甲醛等非常规排放随掺混比例呈线 性增长，
但常规三效催化剂对非常规排放的转化效率较高， 使三效催化剂后非常规排放与汽油机处于同一水平。
浙江大学刘若飞等[13]人对汽油机掺醇燃烧甲醛排放及 后处理适应性进行研宄。试验结果表明，燃用低掺混甲醇 汽油时，三元催化剂在多数工况下对甲醛的催化转化效率 较高。燃用中高比例甲醇汽油时，转化率受工况影响较大； 低转速低负荷下，催化效率下降明显。
低比例甲醇汽油排放特性与汽油基本无异，但高比例 甲醇汽油产生的大量甲醛受催化剂限制，还存在卜•定缺陷。 接下来，可从甲醛的反应机理出发，从源头减少甲醛产生， 并开发新型专用催化剂，将甲醛催化氧化，进一步降低排放。 4结论甲醇汽油的开发符合我国国情，极大缓解能源危机与 环境污染所带来的压力。但是，现阶段甲醇汽油的推广还 需要国家与企业的共同努力。(1) 国家政策。化石能源的推广离不开国家政策的扶 持，需加快M 15甲醇汽油国家标准的制定。(2) 技术创新。设计新型甲醇汽油发动机，以更好地 适应M 85和M 100甲醇汽油，提高其经济性、动力性、排放特性；开发新型复合添加剂，综合提高低掺混比例甲醇汽
油（M 5、M 10、M 15、M 20)的相溶性、抗腐蚀性、抗溶胀性； 研发新型甲醇专用催化剂，降低甲醇、甲醛等非常规排放物。
(3)使用规范。甲醇汽油的制取、运输、储存、加注 过程，应规范使用，注意安全。
参考文献
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Research Progress and Prospects of Methanol Gasoline
英语教学反思案例LI Quancai,ZHANG Donghui
(North China University of Water Resources and Electric Power , Zhengzhou 450045)Abstract: As a new type of clean alternative fuel , methanol gasoline the production of a rich source of . Developing methanol based on coal and using coal instead of oil is suitable for the basic
national conditions of China 5 s lack and oil rich coal . This paper summarizes the development process of methanol gasoline at home and abroad , as well as its unique advan
tages in our country , and
points out the technical problems encountered in the development of methanol gasoline .
Key words ： methanol gasoline , cold start characteristics , additives , non-regulated emission characteristic
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