柴油機(jī)醇類燃油燃燒技術(shù)創(chuàng)新探討

摘 要：在生態(tài)環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略深入推進(jìn)的背景下，高效清潔的醇類燃油，可減少柴油機(jī)燃燒生成的大量氮氧化物與碳煙，成為汽車工業(yè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的主要方向和重點(diǎn)目標(biāo)?；诖耍疚慕Y(jié)合高壓縮比單缸柴油發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況，簡(jiǎn)要分析了醇類燃油的特性后，從混合燃燒技術(shù)、助燃技術(shù)與直接燃燒技術(shù)三個(gè)維度出發(fā)，重點(diǎn)闡述了柴油機(jī)醇類燃油創(chuàng)新應(yīng)用要點(diǎn)，旨在促進(jìn)汽車柴油機(jī)的高效清潔燃燒，以期為從業(yè)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 醇類燃油 燃燒技術(shù) 創(chuàng)新應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的日益加快，我國(guó)汽車保有量逐年呈遞增趨勢(shì)，截至2024年6月，全國(guó)汽車保有量達(dá)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(wàn)輛，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，燃油車仍然占據(jù)著汽車市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，使得柴油機(jī)因燃燒造成的生態(tài)問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，大量有毒有害物質(zhì)，如一氧化碳、顆粒物、碳?xì)浠衔锏龋粌H會(huì)影響到人類身體健康與生態(tài)環(huán)境，還會(huì)干擾到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的正常發(fā)展。因此，本文深入研究將高效清潔醇類燃油，創(chuàng)新應(yīng)用到汽車柴油機(jī)中的有效措施，對(duì)于我國(guó)汽車制造行業(yè)以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，具有深遠(yuǎn)意義。

1 項(xiàng)目概況

現(xiàn)階段，化石能源在全球能源結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，盡管各國(guó)正在加速推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，但在短時(shí)間內(nèi)，無(wú)法改變化石能源的主導(dǎo)地位，因此醇類燃油燃燒技術(shù)在汽車柴油機(jī)中的應(yīng)用研究，屬于新興內(nèi)容。為保證汽車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，充分發(fā)揮醇類燃油燃燒技術(shù)的作用和價(jià)值，需要采取試驗(yàn)論證的方式，探究科學(xué)應(yīng)用醇類燃油的有效措施。本研究的試驗(yàn)對(duì)象為高壓縮比單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具體情況，詳見(jiàn)表1[1]。

2 醇類燃油特性分析

2.1 甲醇

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

通過(guò)對(duì)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(diǎn)低、蒸發(fā)速度快的特點(diǎn)，當(dāng)空氣與甲醇蒸汽接觸后，二者會(huì)快速混合到一起后，這種混合氣體為燃料的完全燃燒創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，甲醇的運(yùn)動(dòng)黏度要低于柴油與重油，在供給甲醇燃料的過(guò)程中，采用噴射的技術(shù)模式，能夠?yàn)槿剂系某浞秩紵齽?chuàng)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(jù)首位，在氣化過(guò)程中，會(huì)對(duì)燃燒室、進(jìn)氣系統(tǒng)中的熱量進(jìn)行吸收，導(dǎo)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(huì)給動(dòng)力裝置的運(yùn)行效率，造成不良影響。因此，在使用甲醇燃料的過(guò)程中，要優(yōu)化技術(shù)操作，充分凸顯出甲醇燃油的優(yōu)點(diǎn)，減少不良影響。

現(xiàn)有的研究成果表明，將5%甲醇與生物柴油混合到一起，無(wú)需任何添加劑，應(yīng)用到柴油機(jī)內(nèi)，就可減少燃料內(nèi)顆粒的含量，改善柴油機(jī)的燃燒性能與排放性能，因此甲醇燃油燃燒技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向，就是與其他燃料進(jìn)行混合，再科學(xué)應(yīng)用到汽車的柴油機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)綜合性能的有效優(yōu)化[2]。

2.2 乙醇

通過(guò)對(duì)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(zhì)較為接近，如表3所示。

通過(guò)對(duì)表3的觀察和分析可知，乙醇與汽油在燃燒性質(zhì)、理化性質(zhì)上有許多相似點(diǎn)，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(jī)燃料的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在三個(gè)維度：一是乙醇的含氧量較高，使得燃柴油機(jī)的內(nèi)氧也隨之升高，能夠在最大程度上保證燃燒的充分性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)；二是科學(xué)應(yīng)用乙醇，可有效改善柴油機(jī)的性能，相較于常規(guī)的汽車，燃用E10車用乙醇汽油的汽車，HC、CO以及NOx等物質(zhì)的排放量顯著下降；三是乙醇最大的優(yōu)勢(shì)就是可再生，加強(qiáng)對(duì)乙醇的研發(fā)應(yīng)用，可緩解我國(guó)化石能源短缺的局面，加快能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐。

利用乙醇替代汽油作為燃油機(jī)的燃料，也存在一定的缺點(diǎn)，表現(xiàn)在兩方面，一方面是乙醇的氣化潛熱要高于常規(guī)的液體燃油，會(huì)影響到汽車的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性，當(dāng)氣溫較低時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難的情況。另一方面是當(dāng)乙醇發(fā)生燃燒反應(yīng)后，就會(huì)生成乙酸等物質(zhì)，這類物質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，隨著時(shí)間的不斷推移，發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕與磨損問(wèn)題也會(huì)更加嚴(yán)重。因此，如何解決乙醇燃油存在的氣化潛熱高、腐蝕性較強(qiáng)等缺點(diǎn)，是醇類燃油燃燒技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)。

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(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和作用，但相較于常規(guī)液體汽油，也存在諸多欠缺和不足，因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)醇類燃油的有效應(yīng)用，需要深入分析各種燃燒技術(shù)的應(yīng)用方法，并通過(guò)實(shí)例分析的方式，驗(yàn)證燃燒技術(shù)是否具備科學(xué)性與可行性，為醇類燃油的高質(zhì)量應(yīng)用夯實(shí)理論基礎(chǔ)[3]。

3 柴油機(jī)醇類燃油燃燒技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 混合燃燒技術(shù)

混合燃燒技術(shù)指的是將醇類燃油與傳統(tǒng)燃油，按照一定的比例，混合到一起后，再通過(guò)柴油機(jī)供油系統(tǒng)，將混合燃油噴射到氣缸內(nèi)部進(jìn)行燃燒，這種燃燒技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，但對(duì)環(huán)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(zhì)，就會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)造成磨損和傷害。

現(xiàn)階段，混合燃燒技術(shù)的形式主要有三種，分別是直接混合燃燒技術(shù)、共存混合燃燒技術(shù)以及預(yù)先混合燃燒技術(shù)，不同技術(shù)的工作原理與操作形式存在較大的差異性，以預(yù)先混合燃燒技術(shù)為例，為減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，先按照既定比例，將醇類燃料與傳統(tǒng)燃油均勻混合到一起，再注入燃油箱內(nèi)部，該技術(shù)的混合質(zhì)量和效果較強(qiáng)，但對(duì)供油系統(tǒng)的性能提出了特殊的要求，需要改裝供油系統(tǒng)，并引進(jìn)綜合性能較強(qiáng)的混合設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用混合燃燒技術(shù)的過(guò)程中，需要提前制備混合油樣，再對(duì)油樣的粘溫特性、低溫性能以及互溶性等進(jìn)行檢測(cè)，確?；旌先加偷母鞣矫嫘阅芊霞夹g(shù)規(guī)范，不存在比例失衡或者混合不均等問(wèn)題，以粘溫特性為例，在檢測(cè)這一性能的過(guò)程中，可利用公式（1）：

在公式（1）中，F(xiàn)代表的是兩個(gè)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(dòng)力黏度；dv/dx代表的是兩個(gè)平行液層之間的速度梯度；v代表的是運(yùn)動(dòng)黏度。若混合燃油的黏度不足，就會(huì)給供油量、霧化質(zhì)量等因素造成影響。因此，要重視混合燃料黏度的檢測(cè)，為燃料供給系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)，確保燃燒完全充分[4]。

3.2 助燃技術(shù)

柴油機(jī)醇類燃油助燃技術(shù)主要就是篩選、應(yīng)用合適的助燃劑，彌補(bǔ)醇類燃油本身存在的不足，常見(jiàn)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(shí)際應(yīng)用助燃技術(shù)的過(guò)程中，要科學(xué)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(jìn)柴油機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，還要對(duì)混合后的醇類燃油進(jìn)行性能檢測(cè)，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(shù)要求。在檢測(cè)十六烷值的過(guò)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(guò)對(duì)公式（2）的合理運(yùn)用可知，乙醇體積分?jǐn)?shù)與十六烷值之間呈負(fù)相關(guān)，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(huì)降低4.2-5.2左右，導(dǎo)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(nèi)，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(shù)

直接燃燒技術(shù)指的是將純甲醇或者乙醇，作為唯一燃料應(yīng)用到柴油機(jī)中進(jìn)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(qiáng)，但需要改動(dòng)柴油機(jī)，否則就會(huì)造成甲醇柴油分層問(wèn)題。在實(shí)際改造柴油機(jī)的過(guò)程中，要將重點(diǎn)放在兩個(gè)維度，一個(gè)是提高柴油機(jī)的壓縮比，如公式（3）所示：

在公式（3）中，ε代表的是柴油機(jī)壓縮比；Va與Vc分別代表的是氣缸總?cè)軇⑷紵胰軇?，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)的深入分析可知，壓縮比直接關(guān)系到動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能與使用年限，因此為進(jìn)一步強(qiáng)化輸油泵的供油性能，要適當(dāng)增加柴油機(jī)的壓縮比，提高柴油機(jī)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(wèn)題，引發(fā)冷啟動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)此，為解決冷啟動(dòng)問(wèn)題，在應(yīng)用直接燃燒技術(shù)時(shí)，應(yīng)在啟動(dòng)這一環(huán)節(jié)使用汽油，等待一段時(shí)間，確定發(fā)電機(jī)的熱機(jī)保持正常的狀態(tài)后，再將汽油切換成甲醇燃油進(jìn)行直接燃燒。

4 柴油機(jī)醇類燃油燃燒技術(shù)實(shí)際應(yīng)用——以混合燃燒技術(shù)為例

本研究在高壓縮比單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中采用混合燃燒技術(shù)，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(shè)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(jī)上的實(shí)際應(yīng)用效果，最終的試驗(yàn)論證結(jié)果，如下所述：

①優(yōu)化改進(jìn)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(huán)廢氣量；A代表的是吸入氣缸的進(jìn)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(shù)條件下，NOx等物質(zhì)的排放量也會(huì)升高。但若EGR率過(guò)高，會(huì)埋下風(fēng)險(xiǎn)隱患，極易造成乙醇點(diǎn)燃風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，在應(yīng)用混合燃燒技術(shù)的過(guò)程中，技術(shù)人員需要將EGR率控制在合理范圍內(nèi)，合適的EGR率，不僅能夠有效降低CO、THC、NOx以及SOOT等物質(zhì)的排放量，還能夠保持良好的熱效率，為柴油機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的支撐。

②改進(jìn)轉(zhuǎn)速與噴油量：當(dāng)四種試驗(yàn)油的轉(zhuǎn)速處于相同狀態(tài)時(shí)，混合燃油的噴油量與燃燒持續(xù)期之間呈正相關(guān)，即當(dāng)噴油量有所增加，燃燒持續(xù)時(shí)間也會(huì)隨之增加，并且CA50也會(huì)展現(xiàn)出上升的狀態(tài)。在轉(zhuǎn)速不同的技術(shù)條件下，試驗(yàn)油樣的燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)出了滯后的狀態(tài)，且轉(zhuǎn)速越高，滯后越明顯，其中滯后最大的是D100，依次為Bu20、Pr20、E20。當(dāng)噴油量為40mg時(shí)，混合燃油的熱效率明顯升高，但若＞40mg，熱效率就會(huì)下降。對(duì)此，在應(yīng)用混合燃燒技術(shù)時(shí)，要控制好轉(zhuǎn)速與噴油量[5]。

具體而言，柴油機(jī)醇類燃油燃燒技術(shù)的應(yīng)用涉及一系列復(fù)雜且煩瑣的內(nèi)容，不同技術(shù)的功能原理的差異較大，對(duì)柴油機(jī)燃燒性能、排放性能的影響也不同。對(duì)此，技術(shù)人員要立足于專業(yè)的角度，對(duì)醇類燃油燃燒技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最大程度上凸顯出醇類燃油，在高效、清潔、綠色等方面的優(yōu)勢(shì)作用，減少化石能源的應(yīng)用，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程的加快推進(jìn)提供助力，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間的和諧穩(wěn)定發(fā)展。

5 結(jié)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(yīng)用到柴油機(jī)內(nèi)，是汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。本研究綜合探討醇類燃料的理化性質(zhì)后，提出創(chuàng)新應(yīng)用醇類燃油燃燒技術(shù)的有效措施，最終的試驗(yàn)論證結(jié)果表明，結(jié)合柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能作用，選擇合適燃燒技術(shù)后，應(yīng)用醇類燃油，能夠提高系統(tǒng)的燃燒性能與排放性能，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)效健康發(fā)展，注入源源不斷的動(dòng)力。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年基礎(chǔ)能力提升資助項(xiàng)目（KY2016YB611）。

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