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柴油/甲醇组合燃烧技术研究——天津大学姚春德教授

2018-04-27

柴油机具有热效率高和燃油经济性高的优点,广泛地应用于国民经济的各个领域,但柴油车排放的高氮氧化物和颗粒物却给环境带来了不利的影响。并且随着我国石油对外依存度的逐年增加,我国的能源安全也面临着巨大压力。因此,减少柴油消耗、寻找更清洁的燃料和燃烧方式是节能与环保的重要需求。甲醇因具有产能高、低碳含氧、燃烧清洁等特点成为柴油较为理想的替代燃料,但甲醇在柴油机上应用时仍存在难压燃、蒸发性差、与柴油不互溶等问题。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任姚春德教授针对上述问题开展了一系列研究,提出了柴油/甲醇组合燃烧技术,在实际应用中取得了突破性进展。

一、柴油/甲醇组合燃烧技术研究

在国家自然科学基金和国家863计划项目的支持下,姚春德教授进行了柴油/甲醇组合燃烧新方式的研究。在同一台发动机上根据性能与工况的要求,采用最优的燃烧方式:在启动、暖车及小负荷工作时,发动机仅以纯柴油模式工作,避免醛类物质生成;在中高负荷时在进气道喷入部分甲醇燃料,利用甲醇高汽化潜热特性,在形成均质预混合气过程中大量吸热,降低进气温度,进而降低燃烧温度,减少氮氧化物排放;利用甲醇燃料含氧特性,加快燃烧,减少颗粒物生成,实现同时降低氮氧化物和颗粒物排放的目标。

经过十余年的努力与钻研,该技术日趋成熟,解决了甲醇在柴油机应用上面临的一系列问题。首先,甲醇的十六烷值仅为柴油的1/16,汽化潜热为柴油的4.3倍,自燃温度为柴油的2倍以上,导致甲醇在柴油机上难以直接压燃。而柴油/甲醇组合燃烧技术创新性地采用柴油启动,将甲醇与柴油分开供应,由柴油引燃从进气道喷入的甲醇混合气,很好地解决了甲醇难压燃的技术难题。姚春德教授还创建了柴油/甲醇二元燃料燃烧理论,并出版专著《柴油/甲醇二元燃料燃烧理论与实践》,进一步完善了内燃机的燃烧理论研究。

二、甲醇喷射精准控制和柴油燃料全工况耦合标定体系研究

在研究过程中,姚春德教授团队还建立了甲醇喷射精准控制及其与柴油燃料全工况耦合标定体系。发明了精准控制甲醇喷射并与柴油协同工作的电控系统,建立了全自主双燃料发动机耦合标定体系,实现发动机动力性提高10%,燃料经济性改善20%,甲醇对柴油替代率超过30%,创造了无需尿素辅助且符合国V(欧V)排放标准的新技术路线。

姚春德教授发明的甲醇瞬间高均匀空间分布的喷射装置克服了甲醇蒸发性差的缺陷,阐明了甲醇雾化机理。发明了高喷射压力、多孔数小孔径、组合贯穿距的喷醇器,可使甲醇在进气管空间内瞬间形成均匀分布的液雾,提升了柴油/甲醇双燃料发动机的动力性和加速性响应。“组合贯穿距的喷醇方法及装置”获得国家发明专利(专利号:ZL201210442270.9),并荣获2015年度中国专利优秀奖。

为解决甲醇对各部件以及管路的腐蚀性问题,姚春德教授带领团队研究了甲醇对泵、液位计等关键部件的腐蚀机理,发明了直流无刷耐醇泵、干簧管式甲醇液位计、滤清器和限压阀以及耐醇胶管等高可靠、长寿命的涉醇专用部件。

三、柴油/甲醇组合燃烧技术推广应用

柴油/甲醇组合燃烧技术不仅在发动机台架上完成了调试,而且在实车上进行了应用与推广。该项目于2012年开展了甲醇车试点工作,采用该技术的车辆在陕西榆林地区进行了长达2年多的运行。此外,该技术还在全国14省市的百余辆重型柴油车上进行了应用。双燃料车运行期间,不仅充分起到了改善尾气排放、减少柴油消耗的效果,也为各使用单位带来了经济效益。柴油/甲醇双燃料车辆加速冒烟情况明显改善,动力性增强,其怠速爬坡性能及固定档加速性能均优于原车纯柴油运行模式。该技术与原发动机结构相兼容,易推广,能大幅度替代柴油消耗,节省运营费用,得到了广泛认可。

姚春德教授认为,我国甲醇产能富余(可以由焦炉煤气等原料生产),生产成本低廉,用甲醇替代柴油机中的部分柴油,不仅替代了宝贵的石油,有效减少了资源的浪费,同时甲醇在燃烧中十分清洁,减少了排气中颗粒物含量,避免了环境污染,对我国汽车工业实现可持续发展、减轻石油短缺带来的危机、保障国家能源安全等方面均具有重大意义。

专家简介

姚春德,天津大学教授,博士生导师。内燃机燃烧学国家重点实验室副主任,中国工程热物理学会副理事长,中国汽车工程学会理事、特聘专家,中国内燃机工业学会专家组副组长。曾获2012年度天津市“五一”劳动奖章、2011年度天津教育系统“教工先锋岗”、2009年度天津市“师德先进个人”等荣誉称号。他提出的“柴油/甲醇组合燃烧技术”获2016年度中国机械工业科学技术一等奖、2016年度中国物流与采购联合会科技发明二等奖以及2014年度中国港口协会科学技术二等奖。