甲醇發(fā)動機的排放研究

韓文杰+劉書萍+趙洪旺

摘 要：機動車尾氣排放中的有害物質(zhì)PM和NOX是大氣污染的主要成分。介紹了柴油、汽油和甲醇發(fā)動機在尾氣排放處理方面采取的技術(shù)，并分析了甲醇燃料的理化特性。研究發(fā)現(xiàn)，在PM和NOX的處理上，甲醇發(fā)動機比較柴油機、汽油機更具優(yōu)勢。一汽靖燁發(fā)動機有限公司在甲醇機尾氣處理方面進行了一些研究，并取得了一些成效。

關(guān)鍵詞：甲醇發(fā)動機；顆粒物；柴油機；機油機

中圖分類號：TK46 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.109

1 PM2.5及其危害

PM，英文全稱為Particulate Matter（顆粒物）。科學(xué)家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒物的含量，該值越高，則表明空氣污染越嚴(yán)重。顆粒物的成分很復(fù)雜，主要取決于其來源，一般分為自然源和人為源兩種，危害較大的為后者。人為源又包括固定源和流動源。其中，固定源包括各種燃料燃燒源，比如發(fā)電、冶金、石油、化學(xué)、紡織印染等工業(yè)生產(chǎn)、供熱、烹調(diào)過程中燃煤與燃氣或燃油排放的煙塵；流動源主要是各類交通工具在運行過程中使用燃料時向大氣中排放的尾氣。研究表明，顆粒物的直徑越小對人體健康的危害越大。

1997年，世界銀行預(yù)計有5萬中國人因空氣污染而過早死亡。在這份報告中發(fā)現(xiàn)，中國的空氣污染導(dǎo)致城市居民的壽命縮短了18年。

2013-10-17，世界衛(wèi)生組織下屬國際癌癥研究機構(gòu)發(fā)布報告，首次指認(rèn)PM2.5會使人類致癌，并視其為普遍和主要的環(huán)境致癌物。

2 柴油機的排放及處理技術(shù)

柴油機排氣的主要有害污染物有PM、NOX、HC和CO，其中，對環(huán)境影響較大且較難處理的為PM和NOX。柴油機尾氣處理技術(shù)主要包括機內(nèi)凈化和機外凈化。所謂“機內(nèi)凈化”，是指改善燃燒，抑制PM、NOX、HC和CO以及醛類、多環(huán)芳烴等排放污染物生成的技術(shù)，改善燃燒的方法有燃料噴射時期控制、燃料高壓噴射、燃料噴射率控制、燃燒室形狀優(yōu)化、廢氣再循環(huán)等；機外凈化是指對發(fā)動機排出的物質(zhì)在進入大氣前進行處理，進一步減少PM、NOX、HC和CO以及醛類、多環(huán)芳烴等排放污染物的技術(shù)。

從燃燒角度解決柴油機微粒排放的方式已經(jīng)接近極限。目前，PM和NOX排放的大幅度降低是在采用了幾乎所有的現(xiàn)代柴油車技術(shù)（比如高壓共軌等）的基礎(chǔ)上取得的。在沒有新技術(shù)出現(xiàn)的情況下，僅僅靠對已有技術(shù)的改進和優(yōu)化來進一步減少PM和NOX的排放已較為困難，但柴油車的排放法規(guī)仍然會不斷嚴(yán)格。對于越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油車的PM和NOX排放要想達標(biāo)，僅僅依靠機內(nèi)凈化技術(shù)是不夠的。目前，被證明效果較好的機外凈化技術(shù)為“DOC”+“DPF”+“SCR”。

3 甲醇燃料的特性

甲醇燃料的特性如表1所示。

4 甲醇發(fā)動機的尾氣處理

甲醇燃料的辛烷值約為110，十六烷值約為3，自燃溫度高達455 ℃，與汽油的 427 ℃比較接近，比柴油的200～220 ℃高得多。因此，甲醇機與汽油機類似，二者均為點燃式發(fā)動機，采用的是電控閉環(huán)控制+三元催化器的技術(shù)路線，可滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。

三元催化器的工作原理為：當(dāng)高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時，三元催化器中的凈化劑將增強CO、HC和NOX三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學(xué)反應(yīng)。其中，CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體，HC化合物在高溫下氧化成H2O和CO2；NOX還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，從而汽車尾氣得以凈化。

經(jīng)過研究證明，三元催化器是減少這些排放物的最有效的方法。目前，所有汽油發(fā)動機和甲醇發(fā)動機都采用電控控制+三元催化器的技術(shù)路線，使發(fā)動機始終處于理論空燃比（14.7∶1）狀態(tài)，排放效果較好。

5 CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機尾氣排放測試

2012年，為了參加工信部組織的“兩省一市”甲醇汽車試點工作，一汽在CA6SH-E3汽油發(fā)動機的基礎(chǔ)上研發(fā)了CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機。為了充分發(fā)揮甲醇燃料氣化潛熱大、燃燒速度快等優(yōu)點，降低油耗和減少尾氣排放，首先對主機進行了全新設(shè)計，主要內(nèi)容如下：①壓縮比從7.4∶1提高到了11∶1；②進排氣同側(cè)優(yōu)化為進、排氣異側(cè)；③缸蓋材質(zhì)鑄鐵改為鑄鋁，優(yōu)化了燃燒室；④優(yōu)化了水冷卻系統(tǒng)；⑤強化了曲軸。上述措施不僅提高了發(fā)動機的性能，而且還保證了發(fā)動機的可靠性。

采用多點電噴技術(shù)，走電控閉環(huán)控制+特制的甲醇催化器的技術(shù)路線，可保證該機的排放達到GB 14762—2008和工信部節(jié)（2012）42號文規(guī)定的排放要求。CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機的檢驗結(jié)論如圖1所示，CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機的排放測試結(jié)果圖2所示。

2014-03，我們又按《柴油機排放測試標(biāo)準(zhǔn)》（GB 17691—2005）對CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機進行了顆粒物排放測試。CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機顆粒物排放測試檢驗結(jié)論如圖3所示，CA6SH-ME4甲醇發(fā)動機顆粒物排放測試檢驗結(jié)果如圖4所示。

6 排放對比分析

從CA6SH-ME甲醇發(fā)動機的排放測試結(jié)果可看出，甲醇發(fā)動機不需采用特殊的DPF、SCR等措施，僅需采用閉環(huán)控制+三元催化器的技術(shù)路線便可滿足國四、國五排放標(biāo)準(zhǔn)。由于甲醇燃料具有的特殊優(yōu)勢，所起，其比汽油、柴油更容易滿足更高排放標(biāo)準(zhǔn)。

甲醇與汽油相比，有以下優(yōu)勢（采取相同的技術(shù)條件）；①甲醇燃料僅有1個C分子，分子鏈較短，且燃料本身含氧，顆粒排放低于汽油；②甲醇氣化潛熱大，約為汽油的3～4倍，可降低進氣溫度和可燃混合氣的溫度和排氣溫度，利于提高發(fā)動機熱效率和減少NOX的排放；③甲醇燃燒速度快，可縮小點火提前角，從而減少HC、CO、NOX等有害物的排放，尤其是利于較少NOX的排放。

甲醇與柴油相比，有以下優(yōu)勢：①甲醇燃料僅有1個C分子，分子鏈較短，且燃料本身含氧，甲醇機顆粒排放量要低于柴油機。②甲醇采用均質(zhì)燃燒，燃料能與空氣充分混合；雖然柴油機采用稀燃技術(shù)，但實際上仍存在局部缺氧環(huán)境，為不完全燃燒。③甲醇發(fā)動機可采用電控閉環(huán)控制+三元催化器的技術(shù)路線，利于NOX的機外處理；柴油機采用稀燃技術(shù)，無法用三元催化器機外處理NOX，只能采用SCR路線還原處理NOX。④甲醇發(fā)動機的后處理技術(shù)成熟且成本低，柴油機的后處理技術(shù)復(fù)雜且成本高。

7 結(jié)論

甲醇發(fā)動機的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不僅可研發(fā)適用于乘用車的中小型甲醇發(fā)動機，也可研發(fā)替代柴油機的中、重型甲醇發(fā)動機。在排放方面，尤其是在顆粒物排放方面，其優(yōu)于汽油機，更優(yōu)于柴油機。甲醇可替代汽油、柴油，這樣不僅能節(jié)省外匯，保障我國能源的安全，還能減少排放，保護環(huán)境。

〔編輯：張思楠〕