醇氫燃料在船舶柴油機上的應用試驗研究

張江華 檀昌雅

摘要：本研究利用發(fā)動機高溫尾氣加熱醇氫反應釜使其中的甲醇裂解形成醇氫燃料，以替代原機30%的柴油消耗，然后對發(fā)動機的外特性、油耗率、碳煙排放特性進行了對比試驗研究。試驗結果表明：醇氫燃料在船舶柴油機上使用時，與純柴油相比動力性相當，燃油成本降低了21.21%，碳煙排放降低了34.37%。

Abstract： In this study， methanol in methanol hydrogen reactor was heated by high temperature exhaust gas of engine to form methanol hydrogen fuel to replace 30% of diesel consumption of original engine. Then， the external characteristics， fuel consumption rate and soot emission characteristics of the engine were compared. The test results show that： when alcohol hydrogen fuel is used in marine diesel engine， compared with pure diesel oil， the fuel cost is reduced by 21.21%， and the soot emission is reduced by 34.37%.

關鍵詞：醇氫燃料;柴油機;甲醇蒸汽;扭矩;油耗;碳煙排放

Key words： methanol hydrogen fuel;diesel engine;methanol steam;torque;fuel consumption;soot emission

中圖分類號：TK428.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0018-02

0? 引言

隨著科技的發(fā)展，國內石油儲備資源不足的問題已經(jīng)充分體現(xiàn)，大力推廣替代能源，調整能源結構成為趨勢。與其他替代能源相比，以煤制取甲醇的技術工藝成熟，在資源、產(chǎn)能、運輸、燃燒排放好等方面，甲醇作為替代燃料最為合適[1]。

氫氣是現(xiàn)階段最清潔的能源，然而氫氣能量密度低、不易儲存，導致氫氣發(fā)動機的發(fā)展舉步維艱。而甲醇（CH3OH）作為含氫量最多的燃料，被人們稱作“液體氫”[2]。根據(jù)反應式（1）所示，甲醇通過催化劑的作用裂解成為一氧化碳（CO）和氫氣（H2），與柴油混合形成醇氫混合燃料注入發(fā)動機，解決了氫氣燃燒溫度高和回火的問題[3]。因此醇氫燃料結合了甲醇和氫氣的優(yōu)點，推廣使用可大大降低燃料成本及污染物排放。

1? 工作原理

如圖1所示，利用發(fā)動機高溫尾氣加熱醇氫反應釜中的催化劑至裂解溫度后（裂解溫度：200～500℃），噴入醇氫反應釜中的液體甲醇經(jīng)過高溫形成甲醇蒸汽與催化劑進行反應生成含有一定比例H2和CO的甲醇裂解氣，通過輸送管路進行過濾、冷卻，儲存在緩沖罐中，當裂解氣達到設定的工作壓力后，電控系統(tǒng)根據(jù)工況條件將醇氫燃料噴入進氣歧管中，與缸內直噴的柴油形成雙燃料實現(xiàn)醇氫燃料對柴油的部分替代[4-5]，根據(jù)文獻[6]確定燃油替代率為30%。

2? 方法與設備

試驗方法參照文獻[7-8]進行，本次試驗選用的是濰柴WP6.240柴油發(fā)動機作為動力驅動的商用旅游船舶作為試驗對象，WP6.240發(fā)動機參數(shù)如表1所示。

3? 甲醇替代柴油的優(yōu)勢

3.1 外特性試驗

根據(jù)圖2分析可知：燃用醇氫燃料與純柴油的動力特性相當，恢復了原機功率，具備了試驗的必要條件。醇氫燃料中甲醇蒸汽燃燒速度快、分子含氧改善了燃燒效率，氫氣的加入提高了發(fā)動機的扭矩，在低轉速范圍內功率和扭矩有所提升，醇氫燃料的優(yōu)點也得到了充分體現(xiàn)。高轉速時由于進氣量的增加需要的醇氫燃料較多，裂解反應時間減少，裂解效率下降，導致扭矩下降，可以通過優(yōu)化醇氫反應釜加以改善。

3.2 燃油經(jīng)濟性

按照熱值計算，理論上2.1噸甲醇相當于1噸柴油，醇氫燃料中氫氣的熱值高，燃燒速度快，有更小的淬熄距離，因此試驗時的燃油要比小于理論值。如圖3所示扭矩為160N各轉速工況下的油耗數(shù)據(jù)分析，醇氫的燃油消耗量是純柴油的1.05倍左右[9]。按目前甲醇1700元/噸，柴油5800元/噸，每消耗1噸甲醇可降低成本1230元，燃油成本降低了21.21%，燃油經(jīng)濟性得到了很大的改善。

3.3 碳煙排放

結合圖4轉速為1600r/min各扭矩工況下的碳煙排放數(shù)據(jù)分析可知，醇氫燃料在低負荷時碳煙的排放量與純柴油相當，但伴隨著發(fā)動機負荷的逐漸增大，碳煙排放降低的百分比也隨著增大，較之純柴油能夠明顯改善柴油發(fā)動機的碳煙排放[10]，與純柴油燃料相比碳煙值平均降低了34.37%。

碳煙排放的降低主要從兩個方面進行分析：一方面是由于少量未裂解甲醇蒸汽在氣缸內形成混合氣的速度較快且混合均勻，沸點比柴油低，著火極限寬且自身含氧，有利于醇氫燃料的完全燃燒，并且在相同的扭矩下，摻燒醇氫燃料小于純柴油運行時噴入的柴油油耗量，替代燃燒效果好，因此產(chǎn)生的碳煙排放也會相應的減少;另一方面是由于醇氫燃料汽化潛熱較大，在形成混合氣時，未裂解的甲醇具有高汽化潛熱值使得甲醇氣化時吸收了燃燒室大量的熱量，降低了混合氣的進氣溫度，從而提高了發(fā)動機的充氣系數(shù)，在一定程度上可以改善發(fā)動機的燃燒，提高發(fā)動機熱效率[1]。醇氫燃料中氫氣的加入，改善了后期噴入柴油的擴散燃燒，有利于降低發(fā)動機的排放排放。

4? 結語

外特性方面，醇氫燃料恢復了原機功率，在各個測試點各有高低，但相差不大，經(jīng)濟性方面，醇氫的油耗率是柴油的1.05倍左右，甲醇的價格低廉且為再生資源，因此經(jīng)濟價值巨大。

醇氫燃料與純柴油相比碳煙值平均降低了34.37%，實現(xiàn)了柴油機排放好的優(yōu)勢。摻燒的甲醇，解決了氫氣發(fā)動機的回火和能量密度不足的問題，采用甲醇作為基礎原料，隨制隨用，回避了氫氣儲存的難題及安全隱患。

國內在代用燃料方面作了很多研究工作，但能夠實際應用的產(chǎn)品還比較少。醇氫燃料將會是船舶柴油機非常有前景的替代燃料，提高醇氫燃料的替代率是實現(xiàn)能源持續(xù)發(fā)展的重要途徑，也將是進一步研究的方向。

參考文獻：

[1]郭一璇，史強.甲醇在柴油機上的應用研究[J].科教導刊，2015（007）：157.

[2]翁凌霄.甲醇裂解氣—甲醇混合燃料對汽油發(fā)動機性能影響研究[J].南方農(nóng)機，2018，49（19）：44-45，51.

[3]楊振中.氫燃料發(fā)動機燃燒與優(yōu)化控制[D].杭州：浙江大學，2001.

[4]羅向陽，李居強，陸希煒，等.一種熱超導體裂解醇制氫的內燃機全代燃動力裝置及方法[P].中國專利：CN105275596A，2016-01-27.

[5]蔣炎坤，汪勤穩(wěn)，張浩浩.一種利用發(fā)動機余熱的醇-氫動力系統(tǒng)[P].中國專利：CN106246416B，2019-01-29.

[6]梅梓晗.不同裂解氣摻燒比的醇氫發(fā)動機性能研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[7]濟南汽車檢測中心，中國環(huán)境科學研究院，淄博柴油機總公司，等.GB 15097—2016，船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2018.

[8]中國環(huán)境科學研究院.GB3847-2018，柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2019.

[9]石來華，曹文明，劉波.共軌柴油機燃燒純生物柴油的試驗研究[J].客車技術與研究，2015（1）：58-61.

[10]潘雪偉，平銀生，丁賢華.二甲醚均質壓燃、柴油補燃混合燃燒模式的試驗研究[J].內燃機工程，2006（01）：34-37.