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同学们好

这节课我们学习甲醇燃料发动机

甲醇

别名木醇 木精

甲基氢氧化物

甲醇纯品为无色透明

易燃 高度挥发性液体

甲醇和汽油主要理化参数

对比见表所示

从表中可以看出

与汽油相比

甲醇的理化特性具有如下特点

（1）甲醇的低热值约为汽油的45%

但由于甲醇的化学计量空燃比

小于汽油

其化学计量比混合气热值

与汽油相当

（2）甲醇的汽化潜热约为汽油的3倍

甲醇蒸发产生的冷却效应

会妨碍燃料在低温起动时完全汽化

使甲醇发动机冷起动性能恶化

（3）甲醇氧含量高

可以促进燃料的完全燃烧

有利于降低HC排放

（4）甲醇辛烷值高

抗爆能力强

可以通过增大发动机的压缩比

来提高热效率

改善燃油经济性

（5）甲醇的火焰传播速度

约为汽油的两倍

因此在汽油中掺入甲醇后

可以提高燃料的燃烧速率

（6）甲醇在最佳浓度时的

最小点火能量较低

比汽油易于点火

因而汽油中加入甲醇

有利于燃料点火

改善发动机的稳定性

从20世纪70年代开始

国际石油危机促使各国

积极寻找石油的替代燃料

美 日 德 加 法

巴西 瑞典 新西兰等国

积极开展了甲醇燃料汽车的

研究和试用

但到了20世纪90年代末

随着天然气价格的大幅度上升

欧美各国根据本国国情

如美国拥有丰富的玉米资源

巴西的甘蔗产量巨大

和欧洲的大麦产量过剩等

开始大力推广从这些生物质原料

制成的可再生燃料——乙醇

因此他们逐步放弃了

从成本昂贵的天然气制备甲醇

甲醇燃料的发展

在欧美各国进入了停滞阶段

由于甲醇的腐蚀性

和非常规排放等问题

日本也于21世纪初停止了

甲醇燃料的研发和推广工作

我国由于具有相对丰富的煤碳资源

煤制甲醇的成本低廉

早在20世纪80年代

就开始进行甲醇汽车的研发和应用

并在山西 陕西等一些地区

得到一定规模的推广应用

近年来

山西 陕西 四川 浙江等省

陆续颁布了

M5 M10 M15 M25 M30 M50等

不同比例甲醇汽油燃料的地方标准

如表所示

我国首个甲醇汽油的产品标准

《车用甲醇汽油（M85）》

于2009年12月1日起实施

M85国家标准的出台为甲醇

从化工产品向燃料转变

提供了合法依据。

2012年2月

工信部将山西 陕西和上海等两省一市

列入高比例甲醇汽车试点省市

2014年8月

甘肃省和贵州贵阳也被纳入

全国甲醇汽车试点省市

目前甲醇主要用于汽油机

按使用比例不同对汽油机的要求各异

使用低比例甲醇汽油M15以下的发动机

可以不作任何改变

仅在甲醇汽油中加入相应添加剂

即“油适应车”

其优点在于不需要增加成本，

而冷起动性能和加速性能

与汽油车没有明显区别

动力性和燃料消耗量基本相当

CO HC NOx排放有一定改善

需要关注燃油和润滑系统的

耐久性问题

使用高比例甲醇汽油M85以上的发动机

需要进行大的技术改造

和性能优化

即“车适应油”。

由于压缩比可以提高

因而其功率和热效率

都优于原汽油机

排放改善效果明显

但其冷起动和耐久性问题突出

使用中比例甲醇汽油时

不仅发动机需作适当改变和调整

而且还存在甲醇汽油的

互溶性 溶胀性 腐蚀性等问题

应用成本较高

因而中比例甲醇汽油应用很少

20世纪80年代

美国福特汽车公司开发了

一种甲醇灵活燃料汽车

可以使用任意比例掺混的

甲醇汽油混合燃料

这样就不会受到加油站限制

电控系统用燃料传感器

识别甲醇比例

据此提供发动机最佳运行参数

甲醇灵活燃料汽车

也是甲醇燃料应用的一种方式

目前还有一些甲醇

用于柴油机的研究在进行

但由于甲醇比乙醇更难与柴油混配

因而其供油方式

主要使用双燃料系统

即甲醇进气道喷射

柴油缸内喷射引燃

接下来我们对甲醇燃料

在汽油车上应用的关键问题进行探讨

1）互溶性

极性强的甲醇能溶于

极性强的溶剂如水中

但是却难溶于非极性溶剂如汽油中

甲醇的含水量

非芳烃含量和纯度等

均会影响甲醇与汽油的互溶性

当室温较低时

甲醇汽油往往会产生分层

影响燃料的正常使用

温度越高

甲醇与汽油的互溶性越好

在储存和使用甲醇汽油时

往往会从空气中吸收水分

水分含量达到一定程度时

便出现油水分层现象

添加液体高碳醇 丙酮 乙醚

酶类 苯类等成分的助溶剂

能够降低甲醇汽油的互溶点温度

提高它们的互溶性

2）气阻

当甲醇为纯物质时

甲醇本身的氢键会产生

强烈的自缔合作用

虽然甲醇本身的饱和蒸气压并不高

但是当它加入汽油后

甲醇分子之间的吸引倾向减弱

混合燃料的饱和蒸气压明显增加

导致气阻产生

当蒸气压较高的汽油与甲醇调配时

这种蒸气压的正调合效应

会使混合燃料的饱和蒸气压

超过汽油规格的要求

可以通过加入添加剂

来降低甲醇汽油的蒸汽压

解决甲醇汽油的气阻问题

3）腐蚀性

甲醇对锡 铜 铝 镁 锌等

金属材料都有腐蚀性

在发动机燃油供给系统中

会腐蚀镀铅锡合金

铅锌镁合金及黄铜等金属

而生成氢氧化物

含水甲醇还会使钢管

或薄钢板件腐蚀 生锈

腐蚀生成物易导致

燃油过滤器堵塞

和喷嘴的阻塞

而进入燃烧室内

则将影响发动机正常工作

加速润滑油氧化变质

同时甲醇及其燃烧产物

会腐蚀排气门座

进排气门 气门导管

活塞环 缸套等

加快发动机金属元件的磨损

使甲醇汽油发动机的性能大大降低

这是阻止甲醇应用的一大技术障碍

甲醇燃烧产物中的甲酸 硝酸等

在较低温度下

可与铁反应生成铁盐

而从零件表面剥落下来

新的裸露铁表面

又会进一步产生腐蚀

此外

由于甲醇蒸发潜热大

燃料容易气化不良

而流入气缸内壁生成液膜

冲刷了活塞

与气缸内壁面之间的润滑油膜

从而导致活塞与气缸壁之间磨损加大

甲醇还会渗入到机油中

使机油稀释

降低润滑油的润滑性能

解决甲醇腐蚀性方法

主要有三种途径

一是改变机件的材质

和热处理工艺

提高对甲醇腐蚀性的抵抗能力

二是使用甲醇发动机专用润滑油

其添加剂中的极性基团

会吸附到金属表面上去

减少发动机燃烧室相关部件的磨损

三是使用甲醇汽油专用的

金属防腐抑制剂

4）溶胀性

甲醇与橡胶有一定相溶性

某些橡胶件

塑料件受甲醇侵蚀后

会发生溶胀变形或脆裂的现象

使汽油泵的橡胶隔膜膨胀

而造成气密性不好

引起油路故障

有些接头也会因垫片胀坏而漏油

解决甲醇汽油

对橡胶件溶胀作用的方法

主要有两种

一是发动机燃油供应系统的部件

采用耐溶胀材料

如含氟橡胶 改质丁腈橡胶等

二是开发抗橡胶溶胀的燃料添加剂

使发动机无需更换橡胶件

就能解决甲醇汽油对橡胶的

溶胀性问题

5）冷起动

甲醇是一种低沸点的单组分物质

其汽化潜热约是汽油的3倍

在喷射雾化时会吸收大量热量

使进气道内的温度大幅下降

燃料的蒸发条件更加恶化

所以在冷起动时

只有少量的甲醇能够蒸发

混合气难以达到着火浓度下限

无法正常着火燃烧

提高甲醇发动机冷起动性能

需要从燃料和发动机

两个方面着手

现有的技术措施主要有

（1）对进气进行预热

提高进气温度

如利用排气余热

冷却水循环和陶瓷电阻片

加热进气管等进行预热

（2）在甲醇中掺入辅助起动燃料

如轻质烃 活性过氧化物

低沸点的乙醚等

（3）增大压缩比

提高起动转速

使压缩终点温度升高

（4）采用高能量火花塞

或者预热型火花塞

增大点火能量

（5）采用双燃料系统

冷起动用汽油

起动后切换到甲醇燃料

6）专用催化剂

中 高比例甲醇汽车

一般在行驶到一定里程后

尾气净化催化剂会出现

老化和中毒现象

转化效率迅速下降

甲醇和甲醛在冷起动

和稀薄燃烧时大幅度上升

因此

甲醇汽车尾气净化催化剂

除了要求具备较高的转化效率

较长的使用寿命

良好的快速起燃特性

耐热性和机械耐久性等性能之外

还应具有如下几个特征

（1）催化剂处理的对象

主要是甲醇 甲醛等

低分子量的含氧有机物

要求催化剂具有良好的

深度氧化性能

（2）甲醇燃料车的排气温度较低

要求催化剂应具有很好的低温活性

（3）尾气排放毒物少

增加了选择活性组分的范围

可选择一些抗毒性较差的

非金属作为甲醇专用催化剂

7）毒性和安全性

甲醇经过口

呼吸道和皮肤等途径

均可使人急性中毒

甲醇的急性毒作用带窄

急性中毒后果严重

易造成失明或死亡

甲醇对人体损害的

主要靶器官是中枢神经系统

视神经和视网膜

职业接触的空气中

甲醇最高允许浓度为50mg/m3

比汽油允许的浓度350mg/m3

要严格得多

因此一般会认为甲醇毒性大于汽油

甲醇研究和应用实践表明

中等毒性的甲醇

只要规范操作

不会造成人员使用安全的问题

甲醇既不是诱变性的

也不是致癌性的

甲醇泄入土壤或者进入空气后

也不可能持续存留

只要正确规范地使用甲醇燃料

甲醇对生态环境

和人体健康的危害不会大于汽油

8）非常规排放

一般认为

甲醇燃料汽车尾气中的

未燃甲醇和甲醛等

非常规排放浓度较高

对环境及人类健康的

潜在危害不容忽视

甲醇发动机的未燃甲醇排放

主要是来自于部分未燃甲醇

及燃油系统蒸发等

可以通过改善燃烧

同时控制曲轴箱排放

和燃油系统蒸发等办法

降低甲醇排放量

甲醇燃烧过程中生成的甲醛

是甲醇不完全氧化的中间产物

甲醛的生成受反应温度

和氧气浓度的影响

其产生与燃烧室内

火焰前低温反应

缸壁激冷以及排气系统中

甲醇的氧化有关

甲醛主要生成在发动机气缸

和尾气净化系统两个区域

在缸内由吸附效应和淬熄效应促成

而在尾气净化系统中NOx的氧化作用

和未燃甲醇的分步氧化

也会造成甲醛的生成

最近的研究结果表明

在发动机充分暖机条件下

常规汽油机三效催化剂

对甲醇汽油发动机排出的甲醇

和甲醛等非常规排放

有很高的转化效率

如图所示

随着甲醇比例的不断提高

从M10到M30

催化剂前的甲醇和甲醛浓度不断升高

但是经过三效催化剂后

各种比例甲醇汽油发动机的

甲醇和甲醛排放与纯汽油

处于同一个非常低的水平

但在冷起动过程中

由于催化剂尚未起燃

催化剂后的甲醇和甲醛排放

明显增加

需要采取类似汽油机

冷起动HC捕集

电加热等后处理技术

关于甲醇燃料发动机

就简单介绍到这里

同学们 再见