柴油機醇類燃油燃燒技術創新探討

摘 要：在生態環境保護戰略深入推進的背景下，高效清潔的醇類燃油，可減少柴油機燃燒生成的大量氮氧化物與碳煙，成為汽車工業領域未來發展的主要方向和重點目標。基于此，本文結合高壓縮比單缸柴油發電機的實際情況，簡要分析了醇類燃油的特性后，從混合燃燒技術、助燃技術與直接燃燒技術三個維度出發，重點闡述了柴油機醇類燃油創新應用要點，旨在促進汽車柴油機的高效清潔燃燒，以期為從業人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：柴油機 醇類燃油 燃燒技術 創新應用

隨著社會經濟的不斷發展，城市化進程的日益加快，我國汽車保有量逐年呈遞增趨勢，截至2024年6月，全國汽車保有量達到4.4億輛，其中汽車保有量接近3.5億輛，新能源汽車439.7萬輛，因此在未來一段時間內，燃油車仍然占據著汽車市場的主導地位，使得柴油機因燃燒造成的生態問題也愈發嚴重，大量有毒有害物質，如一氧化碳、顆粒物、碳氫化合物等，不僅會影響到人類身體健康與生態環境，還會干擾到經濟產業的正常發展。因此，本文深入研究將高效清潔醇類燃油，創新應用到汽車柴油機中的有效措施，對于我國汽車制造行業以及生態環境的可持續發展，具有深遠意義。

1 項目概況

現階段，化石能源在全球能源結構中仍然占據著主導地位，盡管各國正在加速推進能源轉型，但在短時間內，無法改變化石能源的主導地位，因此醇類燃油燃燒技術在汽車柴油機中的應用研究，屬于新興內容。為保證汽車運行的安全性與穩定性，充分發揮醇類燃油燃燒技術的作用和價值，需要采取試驗論證的方式，探究科學應用醇類燃油的有效措施。本研究的試驗對象為高壓縮比單缸柴油發動機，具體情況，詳見表1[1]。

2 醇類燃油特性分析

2.1 甲醇

甲醇是一種無色透明液體，具有易燃、易揮發、氣味刺激等特點，熔點與沸點分別為-97.8℃、64.5-64.7℃，相對密度與蒸汽密度分別為0.79、1.1，能夠與乙醇等有機溶劑混溶到一起，含氧量高達50%，因此將甲醇當作燃油燃料應用到汽車燃油機中，相較于其他液體燃料，排氣要更加清潔，如表2所示。

通過對表2的觀察和分析可知，相較于汽油，甲醇的密度要更高，但比柴油和重油低，且具備沸點低、蒸發速度快的特點，當空氣與甲醇蒸汽接觸后，二者會快速混合到一起后，這種混合氣體為燃料的完全燃燒創造了有利條件。同時，甲醇的運動黏度要低于柴油與重油，在供給甲醇燃料的過程中，采用噴射的技術模式，能夠為燃料的充分燃燒創造有利條件。但還需要注意的是，甲醇的氣化潛熱較高，在幾種液體燃料中占據首位，在氣化過程中，會對燃燒室、進氣系統中的熱量進行吸收，導致混合氣的溫度下降，在這種情況下，混合氣體的燃燒溫度較低，會給動力裝置的運行效率，造成不良影響。因此，在使用甲醇燃料的過程中，要優化技術操作，充分凸顯出甲醇燃油的優點，減少不良影響。

現有的研究成果表明，將5%甲醇與生物柴油混合到一起，無需任何添加劑，應用到柴油機內，就可減少燃料內顆粒的含量，改善柴油機的燃燒性能與排放性能，因此甲醇燃油燃燒技術未來發展的主要方向，就是與其他燃料進行混合，再科學應用到汽車的柴油機內，實現對柴油機綜合性能的有效優化[2]。

2.2 乙醇

通過對乙醇燃油的分析和研究可知，這種醇類燃料與汽油的理化性質較為接近，如表3所示。

通過對表3的觀察和分析可知，乙醇與汽油在燃燒性質、理化性質上有許多相似點，但部分性能之間也存在較大的差異，利用乙醇替代汽油作為柴油機燃料的優點，主要體現在三個維度：一是乙醇的含氧量較高，使得燃柴油機的內氧也隨之升高，能夠在最大程度上保證燃燒的充分性，實現節能環保的目標；二是科學應用乙醇，可有效改善柴油機的性能，相較于常規的汽車，燃用E10車用乙醇汽油的汽車，HC、CO以及NOx等物質的排放量顯著下降；三是乙醇最大的優勢就是可再生，加強對乙醇的研發應用，可緩解我國化石能源短缺的局面，加快能源結構的轉型升級步伐。

利用乙醇替代汽油作為燃油機的燃料，也存在一定的缺點，表現在兩方面，一方面是乙醇的氣化潛熱要高于常規的液體燃油，會影響到汽車的經濟性與動力性，當氣溫較低時，可能會出現啟動困難的情況。另一方面是當乙醇發生燃燒反應后，就會生成乙酸等物質，這類物質的腐蝕性較強，隨著時間的不斷推移，發動機的腐蝕與磨損問題也會更加嚴重。因此，如何解決乙醇燃油存在的氣化潛熱高、腐蝕性較強等缺點，是醇類燃油燃燒技術未來發展的重點目標。

總體而言，甲醇與乙醇等醇類燃油，在燃燒性能與排放性能上展現出了較強的優勢和作用，但相較于常規液體汽油，也存在諸多欠缺和不足，因此，為實現對醇類燃油的有效應用，需要深入分析各種燃燒技術的應用方法，并通過實例分析的方式，驗證燃燒技術是否具備科學性與可行性，為醇類燃油的高質量應用夯實理論基礎[3]。

3 柴油機醇類燃油燃燒技術創新應用要點

3.1 混合燃燒技術

混合燃燒技術指的是將醇類燃油與傳統燃油，按照一定的比例，混合到一起后，再通過柴油機供油系統，將混合燃油噴射到氣缸內部進行燃燒，這種燃燒技術具有操作簡單、方便的特點，但對環境溫度也提出了較高的要求，在溫度較低的情況下，難以保證混合的均勻性，一旦混合不均，生成積炭、積垢等物質，就會給發動機造成磨損和傷害。

現階段，混合燃燒技術的形式主要有三種，分別是直接混合燃燒技術、共存混合燃燒技術以及預先混合燃燒技術，不同技術的工作原理與操作形式存在較大的差異性，以預先混合燃燒技術為例，為減少對發動機的影響，先按照既定比例，將醇類燃料與傳統燃油均勻混合到一起，再注入燃油箱內部，該技術的混合質量和效果較強，但對供油系統的性能提出了特殊的要求，需要改裝供油系統，并引進綜合性能較強的混合設備。在實際應用混合燃燒技術的過程中，需要提前制備混合油樣，再對油樣的粘溫特性、低溫性能以及互溶性等進行檢測，確保混合燃油的各方面性能符合技術規范，不存在比例失衡或者混合不均等問題，以粘溫特性為例，在檢測這一性能的過程中，可利用公式（1）：

在公式（1）中，F代表的是兩個平行液層之間的摩擦力大小；S與η分別代表的是摩擦面面積、流體動力黏度；dv/dx代表的是兩個平行液層之間的速度梯度；v代表的是運動黏度。若混合燃油的黏度不足，就會給供油量、霧化質量等因素造成影響。因此，要重視混合燃料黏度的檢測，為燃料供給系統的穩定可靠運行夯實基礎，確保燃燒完全充分[4]。

3.2 助燃技術

柴油機醇類燃油助燃技術主要就是篩選、應用合適的助燃劑，彌補醇類燃油本身存在的不足，常見的助燃劑有醇類、酯類、脂肪酸、胺類等，不同類型的助燃劑，在功能作用與工作原理等方面差異較大，如表4所示。

在實際應用助燃技術的過程中，要科學選擇合適的助燃劑，并按照一定的比例，加入醇類燃油中，促進柴油機安全穩定運行。同時，還要對混合后的醇類燃油進行性能檢測，其中十六烷值能夠反映出醇類燃油的燃燒性能是否符合技術要求。在檢測十六烷值的過程中，可利用公式（2）：

在公式（2）中，CN代表的是混合燃油的十六烷值；CN1、CN2與CN3分別代表的是乙醇、助燃劑與柴油的十六烷值；a代表的是乙醇在混合燃油中的占比；b代表的是助燃劑在混合燃料中的占比。

通過對公式（2）的合理運用可知，乙醇體積分數與十六烷值之間呈負相關，在混合燃油中，乙醇的占比每上升10%-15%，燃油的十六烷值就會降低4.2-5.2左右，導致燃油的燃燒性能不佳。但將胺類、酯類以及脂肪酸類等，以合適的比例，加入醇類燃油內，可在很大程度上，提高十六烷值，助力于醇類燃油的充分燃燒。

3.3 直接燃燒技術

直接燃燒技術指的是將純甲醇或者乙醇，作為唯一燃料應用到柴油機中進行直接燃燒，相較于混合燃油，這種燃油的熱效率與排放性能要更強，但需要改動柴油機，否則就會造成甲醇柴油分層問題。在實際改造柴油機的過程中，要將重點放在兩個維度，一個是提高柴油機的壓縮比，如公式（3）所示：

在公式（3）中，ε代表的是柴油機壓縮比；Va與Vc分別代表的是氣缸總溶劑、燃燒室溶劑，通過對柴油機的深入分析可知，壓縮比直接關系到動力性能、經濟性能與使用年限，因此為進一步強化輸油泵的供油性能，要適當增加柴油機的壓縮比，提高柴油機的抗腐蝕性能與抗溶脹性能。

另一方面是醇類燃油普遍存在氣化潛熱較高的問題，引發冷啟動現象。對此，為解決冷啟動問題，在應用直接燃燒技術時，應在啟動這一環節使用汽油，等待一段時間，確定發電機的熱機保持正常的狀態后，再將汽油切換成甲醇燃油進行直接燃燒。

4 柴油機醇類燃油燃燒技術實際應用——以混合燃燒技術為例

本研究在高壓縮比單缸柴油發動機中采用混合燃燒技術，將乙醇、正丙醇、正丁醇作為柴油添加劑，其中三者的比例均設置為20%，而柴油的比例控制為80%，即E20——20%乙醇+80%柴油；Pr20——20%正丙醇+80%柴油；Bu20——20%正丁醇+80%柴油；D100——純柴。了解上述燃油在柴油機上的實際應用效果，最終的試驗論證結果，如下所述：

①優化改進EGR率：EGR率的含義如公式（4）所示。

在公式（4）中B代表的是再循環廢氣量；A代表的是吸入氣缸的進氣總量。在EGR率＜30%的情況下，混合燃燒的含氧量明顯降低，但隨著EGR率的不斷上升，混合燃料的CA50也隨之上升。并且在EGR率較低的技術條件下，NOx等物質的排放量也會升高。但若EGR率過高，會埋下風險隱患，極易造成乙醇點燃風險。對此，在應用混合燃燒技術的過程中，技術人員需要將EGR率控制在合理范圍內，合適的EGR率，不僅能夠有效降低CO、THC、NOx以及SOOT等物質的排放量，還能夠保持良好的熱效率，為柴油機的高效穩定運行提供有力的支撐。

②改進轉速與噴油量：當四種試驗油的轉速處于相同狀態時，混合燃油的噴油量與燃燒持續期之間呈正相關，即當噴油量有所增加，燃燒持續時間也會隨之增加，并且CA50也會展現出上升的狀態。在轉速不同的技術條件下，試驗油樣的燃燒持續期呈現出了滯后的狀態，且轉速越高，滯后越明顯，其中滯后最大的是D100，依次為Bu20、Pr20、E20。當噴油量為40mg時，混合燃油的熱效率明顯升高，但若＞40mg，熱效率就會下降。對此，在應用混合燃燒技術時，要控制好轉速與噴油量[5]。

具體而言，柴油機醇類燃油燃燒技術的應用涉及一系列復雜且煩瑣的內容，不同技術的功能原理的差異較大，對柴油機燃燒性能、排放性能的影響也不同。對此，技術人員要立足于專業的角度，對醇類燃油燃燒技術進行優化和改進，最大程度上凸顯出醇類燃油，在高效、清潔、綠色等方面的優勢作用，減少化石能源的應用，為生態環境保護工程的加快推進提供助力，促進社會經濟與生態環境之間的和諧穩定發展。

5 結論

綜上所述，在化石能源日益短缺的背景下，醇類燃料替代化石能源應用到柴油機內，是汽車行業未來發展的主要趨勢。本研究綜合探討醇類燃料的理化性質后，提出創新應用醇類燃油燃燒技術的有效措施，最終的試驗論證結果表明，結合柴油機的內部結構與功能作用，選擇合適燃燒技術后，應用醇類燃油，能夠提高系統的燃燒性能與排放性能，減少對生態環境的不良影響，為社會經濟的長效健康發展，注入源源不斷的動力。

基金項目：廣西高校中青年基礎能力提升資助項目（KY2016YB611）。

參考文獻：

[1]任現沖，高海波，游伏兵，等.醇類混合燃料發動機運行參數優化[J].大連海事大學學報，2022，48（03）：72-79.

[2]張吉光，趙涌，王健，等.醇類燃料對燃油系統材料性能的影響分析[J].上海塑料，2021，49（06）：62-68.

[3]黃粉蓮，門炳翰，佘超杰，等.甲醇-柴油反應活性控制壓燃發動機排放特性與經濟性預測及優化[J].車用發動機，2024（01）：76-85.

[4]黃會超，劉學淵.柴油機燃用生物柴油混合燃油的研究現狀及展望[J].農業裝備技術，2023，49（01）：7-9+22.

[5]張宗喜，張營華，李昊.柴油甲醇正丁醇混合燃料對柴油機排放性能的影響[J].內燃機工程，2020，41（03）：35-41+48.