用創(chuàng)新技術(shù)打好治污攻堅(jiān)戰(zhàn)
——記柴油甲醇組合燃燒技術(shù)的發(fā)明人姚春德教授

文／本刊記者 王 郁 夏 靜

大氣污染治理必須抓住源頭。根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》，未來北京的大氣污染治理工作首先要完成新一輪PM2.5源解析，通過源解析的結(jié)果，增強(qiáng)治理的針對性。此外，北京還將重點(diǎn)治理氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物，今年將重點(diǎn)治理重型柴油車和揚(yáng)塵污染。在今年兩會上，李克強(qiáng)總理在政府工作報告中指出，在2018年要堅(jiān)決打好污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)，專門提出“開展柴油貨車超標(biāo)排放專項(xiàng)治理”。

為什么柴油車會成為污染形成的罪魁禍?zhǔn)啄兀恐饕遣裼蛙嚬ぷ魈匦运鶝Q定的。柴油車與點(diǎn)燃式汽油車不同，不需要點(diǎn)火，是將吸進(jìn)發(fā)動機(jī)的空氣壓縮至一定的高溫，然后直接往氣缸里噴進(jìn)柴油自燃，產(chǎn)生高溫高壓對外做功。因?yàn)閴嚎s比高，而且柴油是在熱空氣中擴(kuò)散燃燒，因此，柴油車的熱效率也比汽油機(jī)要高。正由于柴油車高熱效率、工作可靠，所以，柴油車總工作在一些條件艱苦、需要出大氣力的場所，比如長途運(yùn)貨卡車、各種建設(shè)工地的工程機(jī)械、在田間辛苦勞作的農(nóng)業(yè)機(jī)械、在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路機(jī)車以及國防裝備等等。因此，柴油動力是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的主要動力。但是，正因?yàn)椴裼蜋C(jī)的壓燃、擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)，所以燃燒過程中就會產(chǎn)生兩個主要的排放物，一是氮氧化物NOx，是構(gòu)成硝酸鹽的主要成分，另一是炭煙，是排氣中顆粒物的主要成分，也是PM2.5來源之一。由于NOx和PM兩者的生成機(jī)理恰好是一對此消彼長的關(guān)系，因此給排放治理帶來的很大的難度。

目前治理柴油機(jī)這兩個排放物的方法主要采用國外的分頭治理技術(shù)，即缸內(nèi)消除炭煙PM，排氣中消除NOx。消除炭煙就需要多進(jìn)空氣保證使燃油充分燃燒，結(jié)果便使NOx大量生成，為了消除NOx便借助專門裝置往排氣中噴尿素，在催化劑幫助下，尿素中的氨氣與NOx反應(yīng)，將其還原成無害的氮?dú)狻Ｈ绻欧欧ㄒ?guī)進(jìn)一步嚴(yán)格，氣缸內(nèi)不能完全消除炭煙，則需要在排氣系統(tǒng)加裝炭煙過濾器，簡稱DPF將炭煙進(jìn)行過濾。一段時間后再往排氣管中噴柴油以將DPF上積聚的炭煙燒掉。上述這種治理在我國的柴油機(jī)普遍采用。但是，無論是噴尿素消除NOx，還是排氣系統(tǒng)加裝DPF過濾炭煙，無疑都增加了發(fā)動機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用。因此，在實(shí)際運(yùn)行中以上裝置常常被停用，因而造成柴油車的NOx和PM排放很高，其中又以NOx為高的局面。

有沒有辦法既能消除NOx和PM，而且又能讓用戶主動參與治理排放呢？這是內(nèi)燃機(jī)乃至機(jī)動車行業(yè)的普遍關(guān)心，并且一直追求的答案。

天津大學(xué)姚春德教授對解決以上問題給出了明確的答案，采用清潔燃料甲醇與柴油摻燒，可以解決柴油車的排放！與柴油是含有10-22碳原子的混和物不同，甲醇是只含有一個碳原子的單一化合物，含有一個氧原子，燃燒清潔。自上世紀(jì)初甲醇可以人工生產(chǎn)以來，一直作為化工原料使用，上世紀(jì)70年代末因?yàn)槿虺霈F(xiàn)的石油危機(jī)，人們開始考慮將其應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)作為石油的替代燃料。因?yàn)榧状嫉奶匦耘c汽油接近，所以很快得到應(yīng)用。但甲醇在柴油機(jī)上應(yīng)用時仍存在難壓燃、蒸發(fā)性差、與柴油不互溶等問題。姚春德針對以上問題，2002年提出了柴油/甲醇組合燃燒技術(shù)，為解決上述問題取得突破性進(jìn)展，并在實(shí)際中得到大量應(yīng)用。

為什么要采用甲醇做燃料，主要考慮到甲醇的生產(chǎn)原料豐富，煤炭、天然氣、焦?fàn)t氣，生物質(zhì)甚至是二氧化碳都可以，另外，甲醇具有高汽化潛熱、含氧以及單碳的性質(zhì)，燃燒速度快，燃燒清潔。采用甲醇與柴油共燃的方式，不僅是對傳統(tǒng)柴油機(jī)單一燃料壓燃方式技術(shù)突破，而且可以減少石油消耗，推進(jìn)低碳燃料的應(yīng)用。姚春德不但提出切實(shí)可行的柴油甲醇組合燃燒技術(shù)，還為此創(chuàng)建了柴油/甲醇二元燃料燃燒理論。

柴油/甲醇組合燃燒技術(shù)，建立了甲醇噴射精準(zhǔn)控制及其與柴油燃料全工況耦合標(biāo)定體系。發(fā)明了精準(zhǔn)控制甲醇噴射并與柴油協(xié)同工作的電控系統(tǒng)，建立了全自主雙燃料發(fā)動機(jī)耦合標(biāo)定體系，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)動力性提高10%，燃料經(jīng)濟(jì)性改善20%，甲醇對柴油替代率超過30%，創(chuàng)造了無需尿素輔助且符合國V（歐V）排放標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)路線。姚春德團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)明的甲醇瞬間高均勻空間分布的噴射裝置克服了甲醇蒸發(fā)性差的缺陷，闡明了甲醇霧化機(jī)理。其高噴射壓力、多孔數(shù)小孔徑、組合貫穿距的噴醇器，可使甲醇在進(jìn)氣管空間內(nèi)瞬間形成均勻分布的液霧，提升了柴油/甲醇雙燃料發(fā)動機(jī)的動力性和加速性響應(yīng)。該技術(shù)被授權(quán)發(fā)明專利，獲2015年度中國專利優(yōu)秀獎。

該項(xiàng)目于2012年開展了甲醇車試點(diǎn)工作，采用該技術(shù)的車輛在陜西榆林地區(qū)進(jìn)行了長達(dá)2年多的運(yùn)行。此外，該技術(shù)還在全國14省市的百余輛重型柴油車上進(jìn)行了應(yīng)用。雙燃料車運(yùn)行期間，不僅充分起到了改善尾氣排放、減少柴油消耗的效果，也為各使用單位帶來了經(jīng)濟(jì)效益。

“我們有理由相信，2018年在國家的大力支持下，大力推廣應(yīng)用柴油/甲醇組合技術(shù)，一定可以實(shí)現(xiàn)對柴油車排放的治理，打勝這場空氣污染治理的攻堅(jiān)戰(zhàn)！”姚春德信心滿滿。