甲醇代用燃料在乘用車上的應(yīng)用展望

袁海馬，黃昌瑞，王雷，張治國，張磊

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甲醇代用燃料在乘用車上的應(yīng)用展望

袁海馬，黃昌瑞，王雷，張治國，張磊

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

文章簡要介紹了國內(nèi)外甲醇代用燃料在汽車上應(yīng)用的歷程，從甲醇燃料特性以及在汽車上應(yīng)用的優(yōu)缺點進(jìn)行論述。當(dāng)前，國內(nèi)在大力推進(jìn)甲醇代用燃料的應(yīng)用，部分省市正在進(jìn)行甲醇汽車的試點工作，但甲醇代用燃料在乘用車上的應(yīng)用仍存在一定的局限性。

甲醇；代用燃料；乘用車；應(yīng)用展望

前言

近十年來，我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)汽車保有量急劇增加，帶動國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的同時，也加劇了石油資源的消耗量。海關(guān)總署最新數(shù)據(jù)顯示，2018年11月份中國原油進(jìn)口量為4287.2萬噸，前11個月原油進(jìn)口量為4.18億噸，同比增長8.4%。隨著原油進(jìn)口量持續(xù)增加，原油對外依存度已從去年的67.4%，增長至72.3%。圖1顯示我國每年進(jìn)口石油量占國內(nèi)總需求量的占比逐年增加。

石油是關(guān)系到民眾衣食住行的重要資源，也是國家重要的戰(zhàn)略物資，保障石油供給對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全都具有重要意義。對于我國石油過度依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，我國一方面在提升石油的轉(zhuǎn)化率，另一方面通過節(jié)能汽車開發(fā)措施提升能源效率、開發(fā)代用燃料部分替代石油產(chǎn)品。

圖1 進(jìn)口石油占國內(nèi)總需求量的比例

1 甲醇代用燃料汽車應(yīng)用

1.1 國外應(yīng)用情況

甲醇燃料在上世紀(jì)七十年代起開始在汽車上進(jìn)行應(yīng)用，推動力為石油危機(jī)，石油價格暴漲，各國考慮國家的能源安全和外匯平衡，紛紛研究石油的代用資源。醇類和醚類產(chǎn)品常溫下為液體，其理化特性與汽油、柴油具有相似性，并且可以通過有機(jī)質(zhì)、煤或天然氣等資源來制取。

甲醇代用燃料應(yīng)用以美國為代表，在上世紀(jì)八十年代，即使石油價格已經(jīng)下降，美國仍然立法推廣甲醇汽車，主要考慮因素是甲醇汽車的污染物排放較低可以改善空氣質(zhì)量，甲醇代用燃料得到一定規(guī)模的應(yīng)用。甲醇汽車技術(shù)已經(jīng)完全成熟。但是由于石油公司出于自身利益考慮，減少甲醇燃料的基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)，減少加注站，致使甲醇汽車使用便利性降低，用戶不愿意用，逐漸失去應(yīng)用市場。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

我國能源基本情況是“貧油、少氣、富煤”，石油對外依存度高，在上世紀(jì)八九十年代我國也進(jìn)行了甲醇代用燃料的相關(guān)研究，主要方向為甲醇與汽油參混，先后將M15(甲醇占15%)汽油、M85(甲醇占85%)汽油研究列為技術(shù)攻關(guān)項目，并在山西、四川、重慶等地投入數(shù)百輛汽車進(jìn)行試運營。

進(jìn)入新世紀(jì)以后，天津大學(xué)、吉利汽車、陜汽等高校及企業(yè)加大甲醇汽車研究投入，2004年在山西省展開甲醇燃料的試驗示范推廣工作，并于2009年推出《車用燃料甲醇》和《車用甲醇汽油（M85）》標(biāo)準(zhǔn)。

自2012年起，逐步在山西、上海、陜西、甘肅、貴州五省十市開展甲醇汽車試點工作。至2018年，完成1024輛不同車型，分布在不同海拔地區(qū)的示范運行，累計總行駛1.84億公里，取得階段性研究成果，其中乘用車方面以城市出租車為主。

2 甲醇燃料特性及優(yōu)缺點

2.1 甲醇燃料特性

常溫下，甲醇具有刺激性氣味，易溶于水，易揮發(fā)的無色透明液體?；瘜W(xué)上，其分子式為CH4O，是結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇，結(jié)構(gòu)中不含C-C鍵，含氧量達(dá)50%。甲醇的理化特性與汽油有一定的相似性，主要差異在低熱值、汽化潛熱、燃燒速率等方面。表1為甲醇、乙醇及汽油的主要參數(shù)對比。

表1 燃料參數(shù)表

2.2 甲醇燃料的應(yīng)用優(yōu)缺點分析

由于我國的乘用車主要采用火花塞點火的汽油機(jī)，因此本文基于汽油機(jī)應(yīng)用來進(jìn)行甲醇燃料優(yōu)缺點的分析。

從理化特性及相關(guān)研究報告分析，甲醇燃料主要由以下優(yōu)點：

1）辛烷值比其汽油高，因此可以適度增大發(fā)動機(jī)的壓縮比，提高發(fā)動機(jī)的熱效率。

2）汽油潛熱比汽油大很多，在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷工況下可以降低燃燒室的溫度，降低爆震傾向，有助于提升發(fā)動機(jī)的動力性。

3）甲醇是含氧燃料，燃燒速度比汽油快，發(fā)動機(jī)工作過程中燃燒持續(xù)期短，通過火花塞點火提前角的優(yōu)化調(diào)整，可進(jìn)一步提升熱效率。

4）含碳量比汽油低，而且分子中含氧，在燃燒室中可以進(jìn)行更充分的燃燒，減少尾氣中CH、CO及顆粒物的排放。

因此，甲醇燃料與汽油相比，在發(fā)動機(jī)動力性、油耗、排放三個方面均有提升的潛力。

乘用車的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，汽油在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，經(jīng)過了長期的驗證優(yōu)化，技術(shù)成熟可靠。與此相比，甲醇燃料存在幾個缺陷：

1）甲醇存在一定的毒性，產(chǎn)品泄露或應(yīng)用不當(dāng)，可能對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生較大影響。另外與汽油相比，甲醇燃燒后的尾氣常規(guī)排放較低，但是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的甲醛和甲酸等非常規(guī)碳?xì)浠衔镙^多。

2）甲醇及燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的甲醛、甲酸等對有色金屬具有較強(qiáng)的腐蝕作用，可造成燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)零部件的損壞，縮短發(fā)動機(jī)壽命。針對甲醇代用燃料，需要對燃料泵、噴油器、氣門座圈、活塞環(huán)等零件的材質(zhì)和處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3）甲醇沸點為65℃，比乙醇低，比汽油的綜合沸點低較多，因此在夏季高溫環(huán)境下在燃料管路中發(fā)生氣阻的傾向性更大。另外，甲醇的汽化潛熱是汽油的三倍，在氣道或燃燒室中氣化過程會吸收大量的熱量，使氣道及燃燒室的溫度降低，低溫環(huán)境下，發(fā)動機(jī)起動困難。因此，甲醇燃料在夏季高溫地區(qū)及冬季低溫區(qū)域均存在應(yīng)用的局限性。

4）甲醇熱值僅為汽油的一半，實際燃料替代比為2.2左右，即2.2千克甲醇燃燒產(chǎn)生的熱量與1千克汽油產(chǎn)生相當(dāng)。如果采用相同容積的燃料箱，同款汽車，甲醇燃料與汽油相比，汽車的續(xù)航里程大幅縮短。

2.3 我國甲醇燃料的產(chǎn)量及價格分析

甲醇的制備方法根據(jù)所采用原料不同可分為天然氣制甲醇、煤炭制甲醇、焦?fàn)t氣制甲醇、化肥聯(lián)醇制甲醇和再生原料制甲醇。我國由于煤炭資源相對豐富，現(xiàn)有甲醇生產(chǎn)企業(yè)200多家，以煤炭為主要原料的廠家占到70%，其他以天然氣、焦?fàn)t氣、渣油等為原料，原料來源豐富。

由于甲醇規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)量大，在價格上與乙醇、汽油相比，具有有明顯優(yōu)勢。如圖2所示為金投網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年1至5月份甲醇價格為3000元/噸左右，而乙醇和92#汽油分別超過5000元/噸和7000元/噸。

圖2 燃料價格走勢

在考慮與汽油等效熱值的燃料替代比，甲醇替代比為2.2，乙醇替代比為1.6。圖3顯示，與一噸汽油相同熱值的條件下，乙醇價格超過了92#汽油，而甲醇仍有一定的價格優(yōu)勢。

圖3 等效熱值的燃料價格走勢

3 甲醇燃料的應(yīng)用展望

我國的甲醇產(chǎn)能占世界甲醇總產(chǎn)能的60%左右，制造甲醇的原料豐富，如果在乘用車上得以大范圍推廣，將會極大緩解對進(jìn)口石油資源的依賴。

工信部自2012年起，陸續(xù)在山西、上海、陜西、甘肅、貴州五省十市開展甲醇汽車試點工作，其中乘用車主要以出租車為主。從技術(shù)、產(chǎn)品、市場、安全、經(jīng)濟(jì)性等多方面對甲醇燃料的可行性進(jìn)行論證。試點結(jié)果證明甲醇燃料具有市場推廣的價值，試點過程也推動了我國甲醇汽車和甲醇燃料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

然而，我國幅員遼闊，地理位置跨度大，不同地區(qū)四季的環(huán)境溫度差異顯著，基于甲醇燃料的幾個缺陷考慮，大范圍推廣甲醇燃料具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在技術(shù)未取得突破性進(jìn)展之前，可以預(yù)見的乘用車應(yīng)用市場為環(huán)境溫度適宜、甲醇加注配套設(shè)施較完善的局部地區(qū)，針對運行路線相對固定、行駛里程可控的車輛應(yīng)用，如城市出租車、物流車、市政專用車等。

[1] 中國報告大廳,中國石油資源現(xiàn)狀,2017.12.

[2] 朱清江.甲醇汽油使用性能與技術(shù)研究.長安大學(xué).2006.

[3] 江立永.點燃式甲醇燃料發(fā)動機(jī)的燃.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,1994 .

[4] 林開云.甲醇汽油燃燒特性模擬分析研究.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報. 2004.

Prospects for methanol alternative fuel apply to passenger vehicles

Yuan Haima, Huang Changrui, Wang Lei, Zhang Zhiguo, Zhang Lei

( Brilliance Automobile Engineering Research Institute, Powertrain Design Section, Liaoning Shenyang 110141 )

This paper briefly introduces the application of methanol alternative fuel in automobiles, in domestic and foreign markets, and discusses the fuel characteristics of methanol and the advantages and disadvantages of its application in automobiles. Some domestic institutions are vigorously promoting the application of methanol alternative fuel. Some provinces and cities in China are conducting pilot projects for methanol vehicles, but the application of methanol alterna -tive fuel on passenger vehicles still has some limitations.

methanol; alternative fuel; passenger vehicle; prospect

U469.7

B

1671-7988(2019)07-32-03

袁海馬，就職于華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處。

U469.7

B

1671-7988(2019)07-32-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.010