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姚春德:甲醇柴油二元燃烧实现高效清洁压燃燃烧

来源:盖世汽车   阅读: 2019-09-02 08:45

8月30日~9月1日,“2019中国汽车产业发展(泰达)国际论坛”在天津滨海新区举行。本次论坛以“全面深化改革开放,发展壮大新动能”为主题,围绕未来政策动向、汽车新四化、深化改革和加强国内外品牌合作、自动驾驶和人工智能等前沿趋势、燃料电池重点难点问题等展开交流探讨。以下为天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任姚春德现场演讲实录:

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天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任 姚春德

各位专家、各位朋友,女士们、先生们,大家早上好!

非常感谢泰达论坛给我们这样一个交流的机会,刚刚方总已经给大家做介绍了,甲醇在近年来得到了比较重要的关注,特别是2012年工信部开展了甲醇汽车试点之后,甲醇已经作为在部分地方推广应用的替代燃料。

今天我想跟在座的各位专家汇报一下我们在这方面做的事。刚刚方总说了,能源问题非常大,不知道在座有没有关注过一个问题,5月27日前中石化的老总傅成玉说了一个非常重要的事,中国有可能会面临石油停供的危险。

依据是什么呢?一是伊朗的事,二是俄罗斯的油里面混了很多的氯化物,对输油管的腐蚀非常大,对炼油的装备腐蚀性也很大。面临这样的问题,中国有可能会面临石油停供的危险,我们现在70%多的油是从国外买的,压力非常大。我们这次的主题是节能减排,这是我们天津之眼,现在是秋天,这些年经过治理我们的空气质量得到了非常大的改观,可我们还是需要来改进我们的工作,主要的工作就是下面的这些车辆,包括柴油车、军车、货运车、船、军事机械。

我们现在的车不都是电动化了吗?全部是电动化的,还要关注内燃机车吗?国家考虑大概要保留一定比例的内燃机车,保证万一我们的电网出了故障内燃机车是可以顶上去的。回顾2018年的时候冰灾和2016年的时候厦门台风造成了高铁线停运,停运的高铁车全部是内燃机车拖出来的,所以国家需要有这方面的保障。

压燃式的发动机1898年发明了出来,氮氧化物和颗粒物的排放是非常难兼顾的事,原因很简单,柴油喷到空气里面着火和燃烧,必然会有过浓的区间和过稀的区域,会有控制的难题。玉柴在未来商用车方面采用的措施,归纳在这里,超高喷射压力250Mpa,采用柴油机用可变气门,在缸内做的。

机外有一大堆的技术,包括SCR系统,HCCI,高压和低压的排放,车用工况非常复杂,林博士刚刚也说了,虽然测试国六的排放标准只是一个非常小的关注区域,实际上我们在标定的时候需要考虑到各种工况,非常复杂的工况成本就会增加很多。

面临着非常复杂的挑战,违规是大家非常熟悉的,在淘宝上抨击过的节油利器SCR,违规使用的停用SCR装置。根据环保部门的检测,国六发动机如果不喷尿素的话氮氧化物超过40倍,如果带EGR氮氧化物就超过13倍。

我们能否找到一种新的办法呢?我们认为应该从燃料方面出发,就像一个人一样,一个人的身体健康如何,除了锻炼之外很重要的一方面就是饮食健康,我们认为柴油是造成今天柴油机控制里面困难的最主要的问题,因为是由10-22个碳组成的,如果甲醇的话就不同了,只有1个碳组成的,淡蓝色的火焰在日光下是看不到踪影的。

甲醇对于我们来说是一个非常巨大的化工产品,产能在2018年的时候达到9千万吨,产量接近7千万吨,有非常大的产量富裕,作为燃料我们在2018年作为汽油的整个消耗量是2.21亿吨左右。

甲醇作为燃料,甲醇是不是安全的?很多人会想到,我们曾经发生过有人误饮甲醇造成了对生命的威胁,如果我们把甲醇作为燃料看待的话,就像我们正常的对待汽油和柴油,就是很安全的,因为汽油和柴油,谁也不会拿柴油当做植物油炒菜用,因为我们深入灵魂地知道柴油是不能吃的。

1991年的时候美国能源部做过一个比较,低浓度的甲醇毒性要比汽油柴油低,高浓度的时候人处在这样的环境中与汽油的毒性差不多。甲醇的蒸汽压0.037,大约只有汽油的雷达蒸汽压一半左右,柴油也是一样的情况。压燃式发动机的应用带来了一些问题,归纳为三个难点,甲醇和柴油不互溶,十六焥值非常低,一般是在46以上,甲醇只有3。蒸汽压很低,很容易蒸发就饱和了,存在一定的腐蚀性,对某些橡胶和金属是有一定的腐蚀性。

直接把甲醇用在压燃机上是不可能的,我们作为国家重点研究实验室做了一些机理的研究,包括着火机理,通过同步测试实验台检测,当活性的柴油喷到甲醇混合剂里面,两个燃料怎么作用、怎么燃烧,我们做了这方面深入的研究,得到了一系列的结论,包括着火现象、包括火焰,发现甲醇的混合剂对柴油有一定的迟滞作用,比喷到空气中的柴油难着火,这边是非常亮,那边不亮,不亮的原因是因为不容易着火,不容易着火促成了柴油以均值的混合剂的形式出现在汽缸里面。追求高效的燃烧方式均值压燃,把碳烟减轻下来了。

我们阐明了着火的机理,反映了着火的途径,已经在公开的文献进行发表了。同时在发动机台架上做了大量的研究,纯柴油和双燃料(柴油和甲醇),红色的是甲醇和柴油一起燃烧,黑色的是纯柴油,双燃料燃烧时间晚,爆发压力比较高。热效率得到一定的改善,大概提升了2%。

为了把这样一个燃烧的方式运用到车上去,检查一下实际的运行效果,在卡车上得到了应用,在道路实践上不到1.5L的甲醇可以换得1L的柴油,柴油的热值是42.5,甲醇的热值是19.7,即46%的热值是甲醇和柴油之间的比较。对于直接替换的部分来说,效率大概提升了30%以上。

我们做了非常多的这方面学术上的工作,为了把它实用,提出了柴油和甲醇的组合燃烧技术,为什么提出这样一种东西呢?因为柴油非常容易启动,而甲醇不好启动,直接把它压燃,无法压燃。所以就用柴油来先把发动机启动起来,等到发动机全热了之后即暖车之后,再向柴油里面喷入甲醇形成混合剂,组合燃烧,因为是两种不同的模式燃烧起来的。英文是DMCC。

这种燃烧方式最大的特点是动态地精准匹配柴油和甲醇两种燃料的燃烧,完全智能化的。使用甲醇和柴油的智能化的燃烧,可以不用尿素达到国际化的智能排放,不用SCR就可以解决的难题。

这是基础的一些开发,按道理说这些工作不应该是我们教授来做,应该是企业来做,但是甲醇在初期的应用中还是有很多的企业对它并不认知,所以由我们先来做这方面的工作,可以把它做起来。已经在12个省2个市得到了应用,最远东边达到了黑龙江省佳木斯的同江市,西边是新疆阿克苏,北边是到内蒙古自治区的锡林郭勒,最南边有云南已经在运用。

在矿山、机车、轮船上都得到了一定程度的应用,来缓解目前颗粒物排放遇到的一些问题。

2013年我们和重汽合作当时可以达到国四的车,2018年斯堪尼亚提出来的双燃料的车,我刚刚得到消息,5月28日比利时搞了一个双燃料的车,在船用机的方面报告跟我们一样,二氧化氮的排放量会增加,传统的柴油机是90%-95%是一氧化碳,而柴油和甲醇在一起燃烧之后的结果是跟我们一样,我们的工作开始于2012年,我们的模式得到了他们的认可。

这是我们在船机上的应用情况,发动机不需要做很大的改动,只需要在进气系统方面加入了甲醇喷射系统,这是我们开发的满足双燃料的燃烧方式。

工信部在2012年开展了甲醇汽车的试点[42号文],2013年国办颁发的《关于加强内燃机工业节能减排的意见》,工信部等八部委今年下发的文件推动甲醇汽车的发展。

这是今年4月份我们到美国和美国能源部、环保部跟他们探讨交流甲醇作为一种燃料运用到重型车的情况,那位女士是美国能源部的,旁边的这位男士是美国环保部的,这是美国的一个最大的甲醇生产商希望能跟我们合作相关的工作。

谢谢大家!


(责任编辑:田野(男))

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