醇氢燃料在甲醇发动机上的试验研究

张江华, 檀昌雅

1.南昌工学院 新能源车辆学院，江西 南昌 330108；2.淮北师范大学 信息学院，安徽 淮北 235000

0 引言

我国的制氢技术主要有甲醇裂解制氢、电解水制氢、天然气重整制氢等，甲醇裂解制氢工艺具有回收效率高、操作简单的特点，博得越来越多青睐。浙江大学对氢内燃机的研究较早，针对氢内燃机存在的问题提出燃烧改进方案，开发了基于模糊控制的氢燃料燃烧模型[1]；北京理工大学、浙江大学、天津大学等都进行了内燃机燃烧过程中加入部分氢气改善内燃机燃烧过程的研究，但氢气能量密度低、不易储存，发动机需专门设计，在一定程度上制约了氢气发动机的发展。

甲醇(CH3OH)作为含氢最多的液体燃料，被称作“液体氢”。复合喷射发动机技术能够同时进行进气道甲醇裂解气喷射和缸内甲醇喷射，2种喷射的燃料混合形成“醇氢燃料”燃烧[2]。甲醇作为发动机燃料，解决了氢气能量密度低、燃烧温度高和回火的问题，且无需专门设计即可将普通的发动机简单地改造为“准氢气发动机”[3-4]，具有十分广阔的应用前景。

1 工作原理

甲醇通过催化剂的作用可以裂解为CO和H2，化学反应式

图1 醇氢燃料工作原理示意图

甲醇发动机应用醇氢燃料的工作原理如图1所示，发动机产生的高温尾气将裂解装置中的催化剂加热至裂解温度(裂解温度为300～400 ℃，温度由高温尾气换向阀调节控制)，油箱中的液体甲醇通过甲醇喷油嘴进入裂解器，高温形成的甲醇蒸气与裂解器中的催化剂反应生成含有CO和H2的裂解气[5]。裂解气通过管路储存在缓冲罐中，在缓冲罐中冷却析出未裂解液体甲醇，当缓冲罐中的裂解气达到一定压力后，由电子控制单元(eletronic controrl unit,ECU)根据工况控制醇氢燃料喷油共轨，同时把甲醇裂解气喷入发动机进气歧管中，裂解气与原机喷油共轨喷射的甲醇生成混合燃料以供发动机燃烧使用。

2 试验方法

2.1 试验依据、方法及设备

选用某公司生产的JLC-4M18甲醇发动机作为试验对象，试验方法及发动机排放标准符合文献[6-7]的要求。JLC-4M18甲醇发动机的参数如表1所示。

表1 JLC-4M18甲醇发动机参数

试验系统主要设备包括CW260-1800/7500电涡流测功机、FST2C采集控制系统、油门控制器等。发动机通过安装有橡胶减振块的花键传动机构与测功机相连，减小了扭振和轴向窜动。

过量空气系数和排放测量应用7100D-EGR排放仪，CO和CO2测量采用不分光红外分析的方法，CH4测量采用HFID&CH4cutter方法，总碳氢化合物(total hydrocarbons,THC)测量采用HFID方法,NO测量采用HCLD/湿式真空型，O2测量采用MPD分析仪，所有的测量误差线性度为≤±1%FS，测试前仪器均以标准气体为基准进行校准[8]。表2为试验主要仪器设备型号。

表2 主要仪器设备及型号及型号

2.2 试验燃油

在同一台JLC-4M18甲醇发动机上分别使用汽油、甲醇、醇氢燃料进行试验，在相同试验条件下测试外特性、油耗、排气温度和污染物排放，进行数据对比分析。

3 试验结果对比分析

3.1 催化剂

根据反应式(1)生成的裂解气中，H2和CO的体积分数分别为66.7%和33.3%，其中H2为主要成分[9]，但实际上催化剂的裂解温度不稳定，甲醇蒸气未完全经过催化剂催化就已经进入缓冲罐，利用发动机排气温度不能将甲醇100%裂解。催化剂的选用与温度控制尤为重要，根据催化剂活性、选择性、稳定性等技术指标以及裂解装置的工作温度范围挑选的3种符合条件的优质催化剂如图2所示。

a)1# b)2# c)3# 图2 符合条件的3种催化剂

催化剂1#采用黑色圆柱体(Φ5 mm×6 mm)的活性炭作为载体，催化剂1#抗压强度大、温度范围宽，使用前催化剂要进行还原；催化剂2#采用灰色球体(Φ3～Φ4 mm)的氧化铝作为载体，催化反应接触面积大、抗压强度低、温度范围宽，使用前催化剂要进行还原；催化剂3#采用褐色球体(Φ5～Φ6 mm)的氧化铝作为载体，与催化剂2#相比提高了抗压强度和裂解起始温度，属于高温催化剂，使用时不需要进行还原操作。催化剂测试条件如表3所示。测试前要将1#和2#催化剂进行还原，3种催化剂的试验数据如表4所示。

表3 催化剂测试条件

表4 催化剂试验数据

不同工况下的试验结果表明：在相同的测试条件下，催化剂1#的工作温度、平均抗压强度和转化率最适合作为试验的催化剂。使用催化剂1#裂解的甲醇裂解气进行掺烧时，发动机运行最平稳，且发动机的工作效率最高、尾气排放最低，因此本研究中采用催化剂1#作为试验材料。

3.2 外特性

根据试验要求，将醇氢燃料发动机动力特性分别与甲醇和汽油燃料发动机进行对比。

图3 发动机外特性曲线

醇氢、甲醇和汽油燃料发动机外特性曲线如图3所示。

由图3可知:发动机扭矩随转速的增加而增大，转速超过3500 r/min后汽油发动机扭矩下降。醇氢燃料发动机的扭矩基本与甲醇相当，大部分工况下甲醇、醇氢燃料发动机的扭矩都大于汽油机的扭矩[10]。使用醇氢燃料的发动机扭矩与甲醇、汽油相比分别提高了0.5%、5.6%，说明在外特性工况下燃用醇氢燃料时发动机的动力性明显改善，甲醇含氢，具有燃烧范围宽、速度快的优点，有助于改善燃烧，提高燃烧效率。

3.3 燃油消耗率

试验时发动机拖动电涡流测功机负载，负载大小可调。保持发动机的转速恒定，调节电涡流测功机，改变发动机的输出扭矩，记录不同输出扭矩对应的油耗。扭矩为40、80、120、160 N·m 4种不同工况下燃用不同燃料的发动机燃油消耗率曲线如图4所示(图中油耗比为燃用不同燃料的燃油消耗率之比)。由图4可知，扭矩为40、80、120、160 N·m 4种工况下发动机的燃油消耗率变化不大，趋于稳定状态，转速为3000～4000 r/min时，燃油消耗率随着转速的增加呈微增的趋势。试验数据表明：汽油机的油耗率最低，扭矩为40 N·m时，甲醇发动机的平均燃油消耗率为汽油的2.3倍，醇氢发动机的平均燃油消耗率为汽油的1.97倍，这是由于负荷较低时节气门开度小，进气量少，导致燃油混合气中含氧量较低，燃烧不充分[11]。在扭矩为80、120、160 N·m时甲醇发动机的燃油消耗率平均为汽油的2倍，醇氢发动机的燃油消耗率平均为汽油的1.74倍。文献[12]的研究表明，甲醇燃料消耗量与汽油燃料消耗量的比值即替代比小于且接近于当量比2.17，由于甲醇在发动机中燃烧的速度是汽油的2倍，缸内压力峰值出现的比汽油更早，效率更高。试验的消耗量小于理论值，各工况下醇氢燃料发动机的平均燃油消耗率是甲醇的0.7～0.8倍，是汽油的1.50～1.74倍；甲醇价格低廉，为再生资源，具有较高的经济价值。醇氢燃料中氢气的热值更高，燃烧的速度是汽油的7倍，淬熄距离更小，醇氢燃料在发动机内燃烧更充分、效率更高。

图4 不同燃料发动机燃油消耗率曲线

3.4 排气温度

发动机工质的燃烧过程是一个多变过程，排气温度过高时润滑油的黏度降低，造成润滑不良形成积炭，导致进气温度升高。醇氢燃料中的甲醇裂解气由高温尾气加热裂解装置制取，排气温度的变化直接影响醇氢燃料的质量和稳定性，温度过低影响甲醇裂解，温度过高则导致催化剂失效，因此要保证裂解装置工作在最佳的裂解温度范围。

不同扭矩工况下燃用不同燃料的发动机排气温度曲线如图5所示。

图5 不同燃料发动机排气温度曲线

使用醇氢燃料时发动机的排气温度与甲醇、汽油相比分别降低了3%、14%。由图5a)可知，扭矩为40 N·m工况使用醇氢和甲醇燃料的发动机排气温度略低于汽油机，最大温差不超过35 ℃；由图5b)、5c)、5d)可知，醇氢、甲醇燃料的发动机排气温度均小于汽油机的排气温度，扭矩为120、160 N·m工况下醇氢、甲醇燃料的发动机排气温度明显下降，与汽油机相比平均排气温度下降了106 ℃。

裂解装置(反应釜)温度随着发动机转速的增加而升高，通过控制高温尾气换向阀(如图1所示)，能够保证裂解装置工作在最佳的裂解温度范围(300～400 ℃)，为醇氢动力系统提供了优质、稳定的裂解气。由图5可知，转速为1000 r/min时，裂解装置温度在350 ℃以下，尽管转化率较低，但低速时醇氢燃料裂解气的需求少，因此并不影响醇氢燃料的正常供给。

3.5 污染物排放

3.5.1 CO排放

不同扭矩工况下燃用不同燃料的发动机CO排放曲线如图6所示。转速为2500～3500 r/min时甲醇燃料发动机的CO排放呈轻微上升趋势，这是由于甲醇表面着火温度低，比汽油更倾向于早燃，在高负荷、高转速下燃烧室中高温炽热点引起了混合气的燃烧，属于不正常的燃烧，因此导致CO排放增加[13]。

图6 不同燃料发动机CO排放曲线

由图6可知，各工况下醇氢燃料发动机的CO排放最低，平均CO排放比燃烧甲醇、汽油燃料发动机的平均CO排放分别降低了53%、77%。醇氢燃料由于掺烧了甲醇裂解气，起到着火改善剂的功效，不仅避免早燃，还解决了甲醇冷启动困难的难题，转速为1000～3000 r/min时，醇氢燃料发动机的CO排放较为稳定；但在转速为3000～4000 r/min时CO排放出现轻微上升趋势，原因为醇氢燃料供给不稳定造成混合气稀薄、燃烧不完全，同时甲醇裂解气中含有大量的CO，醇氢燃料从进气歧管吸入，在压缩过程中一部分燃料会沉积在活塞与气缸壁缝隙中，未能充分燃烧就被从气缸中排出[14]。

3.5.2 THC排放

不同扭矩工况燃用不同燃料的发动机THC排放曲线如图7所示。

图7 不同燃料发动机THC排放曲线

由图7可知，燃用醇氢燃料发动机的THC排放大幅度降低，比甲醇、汽油燃料发动机的THC排放在各工况下平均分别降低了46%、68%，说明发动机中醇氢燃料燃烧充分，燃烧的效率高，随着负荷的增加，醇氢燃料发动机的THC排放未有明显的增加[15]；甲醇燃料发动机的THC排放随着转速和负荷增加而降低，这是由于甲醇燃料含氧，燃料燃烧充分，降低了THC排放；转速为2000～2500 r/min，汽油机的THC排放出现上升趋势，这是由于JLC-4M18甲醇发动机是基于甲醇燃料设计，此工况甲醇发动机ECU设计的燃油过浓，造成燃烧不充分，导致THC排放增加。

3.5.3 NOx排放

不同扭矩工况下燃用不同燃料的发动机NOx排放曲线如图8所示。

由图8可知，醇氢燃料发动机的NOx排放较低，各工况下醇氢燃料发动机的平均NOx排放比甲醇、汽油发动机分别降低了68%、72%。燃用醇氢燃料时，随着负荷的逐渐增大，NOx排放增加的幅度较小；转速为3500～4000 r/min，扭矩为40、80、120 N·m工况下燃用甲醇燃料发动机的NOx排放呈轻微下降趋势，原因为发动机采用了稀薄燃烧技术，此工况甲醇发动机ECU设计的燃油较少，提高了燃烧效率、降低了排放。NOx的生成主要受发动机气缸内的最高燃烧温度(含局部温度)控制。甲醇汽化潜热(1109 kJ/kg)约为汽油汽化潜热(310 kJ/kg)的3.7倍[16]，汽化过程中要吸收大量的热，掺烧醇氢燃料，相当于减少预混燃烧的燃料，同时添加了着火改善剂，提高了燃料的着火性能，缩短了滞燃期，因此初步分析NOx排放较低的主要原因是缸内最高燃烧温度较低。

图8 不同燃料发动机NOx排放曲线

4 结论

1)燃用醇氢燃料、甲醇和汽油的发动机外特性试验对比显示，醇氢燃料和甲醇发动机的动力性能优于汽油机，醇氢燃料和甲醇发动机的动力性能接近，但总体上醇氢燃料优于甲醇。

2)与汽油相比较，甲醇发动机的燃油消耗率约为汽油的2倍。醇氢燃料发动机的燃油消耗率约为汽油的1.74倍，但是甲醇价格低廉且为再生资源，因此甲醇的经济性更好。

3)使用醇氢燃料的发动机比使用甲醇燃料发动机的CO、THC、NOx分别降低了53%、46%、68%，比汽油机分别降低了77%、68%、72%。

4)醇氢燃料发动机体现了氢气发动机排放好的优势；掺烧甲醇解决了氢气发动机回火和H2能量密度不足的问题，醇氢燃料随制随用，没有H2储存的难题。