柴油机燃用甲醇总体技术方案设计开题报告

 2020-02-20 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.选题的目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1选题的目的及意义

随着石油能源枯竭的逼近,为了实现我国国民经济长期可持续发展,寻求内燃机石油产品替代燃料的工作正在进行。近年来,甲醇燃料作为传统燃油替代燃料之一越来越受到重视。

1.1.2甲醇理化特性

甲醇,化学方程式为CH3OH,是最简单的饱和一元醇。拥有所有液体燃料中最低的碳含量和最高的氢占比,甲醇在大气压下从-93℃-65℃间都是液态。甲醇作为一种在生活中各种领域都要使用到的基础化工材料,被广泛运用于建造材料、塑料包装和油漆涂塑等领域。同时也被作为一种运输燃料和氢燃料电池的载体。甲醇是一种液体燃料,自燃点比较高,为465℃,远高于93#汽油的自燃点(420℃)。甲醇与其他燃料物化特性对比如表1。

表1甲醇与其他燃料物化特性对比

名称

0号柴油

LNG

甲醇

物相

液体

低温液体

液体

密度(20℃)

/(kg/L)

0.83-0.86

0.442-0.474

/(-163℃)

0.792

黏度(20℃)

/(M Pa·s)

3.9

-

0.611

沸点/℃

180-370

-157--163

65

闪点/℃

lt;55

-218

12

自燃点/℃

200-220

540

465

着火界限体积分数/%

1.5-8.2

5-15

6.7-36

理论空燃比

/(kg·kg-1

14.6

17.4

6.4

溶解性

不溶于水

不溶于水

溶于水及有机溶剂

十六烷值

不低于45

0

3

辛烷值

20-30

130

111

含硫量%

gt;0.81

0

0

低热值

/(M J·kg-1)

42.8

50

19.7

汽化潜热

250-300kJ/kg

510.25kJ/m3

1101kJ/kg

甲醇是一种潜力巨大的燃料,从20世纪7O年代起,各国相继开展了甲醇燃料在发动机中的应用研究,取得了一些重要的研究成果和实用经验。甲醇作为燃料物化特性有如下几个特点:

1)甲醇的理论空燃比偏低,但单位量的甲醇/空气混合气热值与汽油和柴油混合气的热值相当,为甲醇在柴油机中的应用奠定了基础。

2)甲醇的汽化潜热大,是汽油的3.1倍、柴油的3.7倍。在形成混合气时,甲醇会降低进气温度,提高充气系数,降低压缩负功,一定程度上可以改善发动机的燃烧,提高热效率;且降低进气温度可以同时低NO和碳烟排放。这正是石油产品发动机尾气排放的致命弱点。但高汽化潜热产生的冷却效应对发动机低速、低负荷时的工作过程会产生不利的影响。

3)甲醇的沸点较低、分子量小和分子结构简单、着火界限宽,甲醇燃料中含氧量占50%。甲醇具有的这些特性,有利于燃空比的控制及其运用稀薄燃烧技术,混合气形成较快,且比较均匀,有利于完全燃烧,从而改善排放性能,特别有利于降低碳烟排放。研究表明,甲醇燃烧时碳粒浓度非常小,可以说是无烟,有利于提高柴油机的冒烟功率。

4)甲醇的辛烷值较高。发动机燃用甲醇燃料可适当提高压缩比,可以利用柴油机高压缩比的特点,提高热效率。

1.1.3甲醇作为燃料可行性

甲醇作为备受关注的替代能源之一,其作为替代能源具有以下可行性

1) 来源丰富,易加工获取。经测算,M15(15%甲醇和85%柴油)和M30甲醇柴油用助溶剂复配后,每吨分别可以节约成本10%和20%;同时,甲醇可以从煤、天然气、生物等原料中制取,凡是可以得到CO和氢气的原料都可以合成甲醇,生产甲醇的工艺也比较成熟。

2) 污染小。在CO和HC以及NOX排放方面,与柴油相比,加入甲醇富氧燃料,在发动机燃烧中可提高氧燃比,甲醇的黏度低,便于甲醇的扩散,对混合气形成更有利,使燃烧更充分,CO、CO2和总碳氢(THC)排放均有不同程度的降低。甲醇与液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)的污染物排放相当。LNG主要成分为甲烷,虽然无腐蚀,但存贮过程中因受热会不断汽化,如不及时使用将可能释放到大气中,天津渔船LNG项目存在停港释放问题加剧渔民经济负担和环境污染。此外在运输加注、使用过程中均存在泄漏的可能。虽然采用LNG在CO2和NOX的排放上有所减少,但使用LNG释放出的甲烷的危害是CO2的4倍、是NOX的298倍。另外,船舶使用LNG燃料所需的改动成本高。

3) 经济性好。我国的甲醇主要产自煤炭和焦炉气,生产甲醇的煤炭多为高硫、高灰分的劣质煤,因此国内甲醇的价格不足汽柴油的三分之一,具有很好的价格优势。甲醇的理论空燃比偏低,但单位量的甲醇/空气混合气热值与汽油和柴油混合气的热值相当。同时在甲醇燃料使用过程中,甲醇常温下为液态,方便运输和储存,安全性也比LNG和LPG高很多。甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热,燃料舱可以是整体式,也可以是独立式,设计和建造非常简单,成本大大降低。而对船东来说,船舶的改造成本要大幅降低,并且日常维护成本也降低。所以甲醇燃料在经济性方面具有相当的优势。

4) 使用性能好。由于汽化潜热高,可降低进气温度,低压缩负工提高充气效率,使最高燃烧温度低,发动机的NOX排放较低,并有利于提高柴油机的效率。国内目前已攻克甲醇的腐蚀性、高温气阻和冷起动等难题,动力性和排放特性都与燃油汽车水平基本一致。

1.2研究现状

1.2.1国内技术现状

国内甲醇在发动机发展主要掺烧、纯甲醇、甲醇燃料电池几种技术方案。

掺烧方案。将甲醇燃料与汽油或柴油按一定的比例进行混合,或采取一些措施,如添加助溶剂,双燃料喷射方式等,在发动机上实现掺混燃烧的方式。采用混合燃料燃烧甲醇时,只需要对原发动机做一些微小的改动就可以获得比较满意的效果,是甲醇应用在发动机上最简单也是最早的一种方法。甲醇/汽油混合燃料已被广泛研究并取得了一些成果,其中大多数集中在低比例(M5、M10、M15、M20、M30等)和高比例(M85)等不同掺混比例对发动机性能的影响方面。清华大学在多点电控喷射汽油机上应用不同比例的甲醇汽油进行了发动机台架试验。试验结果表明:在理论空燃比(14.5)附近,随着甲醇比例的增加,发动机有效热效率基本没有变化,燃油经济性也没有恶化。在发动机外特性工况,随着燃料中甲醇比例的增加,发动机外特性的转矩基本不变,动力性没有下降,同时循环波动率降低。催化剂前的CO、NOX、THC常规排放变化幅度很小,未燃甲醇,甲醛线性增大。在相同输出功率条件下,等效油耗值略有下降,在外特性下,等效油耗随着甲醇比例的增大略有降低。随着甲醇比例的增大,催化剂前的NOX和CO排放差别不大,THC排放逐渐降低;在化学计量空燃比附近,催化剂的转化效率很高。随着甲醇比例的增加,非常规排放中的未燃甲醇以及甲醛的排放逐渐增加,但经过三效催化剂后,达到与汽油相当水平的低排放。天津大学在电控汽油机上研究了不同比例的甲醇汽油对甲醇发动机性能的影响。研究结果表明:随甲醇比例和负荷的增大,燃油经济性总体上得到改善,在小负荷变化不明显,掺醇汽油在发动机的中、大负荷时节能效果良好,其中以M20和M30掺醇比例尤为突出。M85的HC、NOX、CO排放均下降,属于清洁燃料;M10、M20、M30的NOX排放上升,HC和CO排放下降。重庆工学院在一台电喷汽油机上燃用M85、M20和汽油进行了试验,研究了甲醇比例对电喷发动机性能的影响。研究结果表明:电喷发动机燃用M20时,动力性下降不大,对供油系统作了改进后,燃用M85时,动力性有明显的提高。燃用甲醇汽油混合燃料时,电喷发动机的燃料消耗率有所减少,明显改善了发动机的燃油经济性,提高了热效率。燃用低比例M20燃料时,NOX排放基本不变,CO排放明显降低,HC排放在大负荷时降低,在中、低负荷时基本不变;燃用M85燃料时,在所有工况,NOX、CO和HC排放均显著降低。西安交通大学在一台电喷汽油机上对比研究了燃用汽油和M10、M20对发动机的动力性和燃油经济性的影响。在转速较高时,外特性工况,甲醇汽油动力性较汽油机略高;在整个转速范围内甲醇汽油有效燃油消耗率低,有效热效率高。随着燃料中甲醇含量的增加,NOX排放基本保持不变,CO排放明显降低,但THC排放较高负荷时略有升高。西安交通大学后来还在一台TY1100型柴油机上进行了甲醇与柴油的双燃料喷射的台架实验。试验结果表明:随着甲醇质量分数的增加,着火滞燃期延长,且多变指数在发动机压缩过程中有规律的线性减小;当甲醇质量分数为62%时,在转速为1600r/min,100%负荷时,着火滞燃期较原发动机最大延长约1.5°CA;随着进气温度的升高,着火滞燃期明显缩短,且对着火滞燃期的影响增强;在所有试验工况下,随着转速升高,引燃柴油的喷油正时提前,着火滞燃期延长。在双燃料燃烧模式中,甲醇比例升高,CO和HC排放均有少量升高,但NOX和碳烟排放明显减少。天津大学在柴油机上应用甲醇的研究开始的比较早且取得了一系列成果。天津大学汪洋等人在柴油机上,釆用缸内直喷柴油,进气道喷甲醇,建立了甲醇/柴油双燃料发动机实验平台,研究了双燃料燃烧模式下发动机的燃烧、油耗及排放特点。天津大学的姚春德等人研究出一种柴油/甲醇组合燃烧方式,并应用于柴油机上。天津大学郑尊清、尧命发等人采用DME/甲醇双燃料进行了HCCI燃烧模式。HCCI发动机的燃烧范围可通过调整两种燃料的比例得到扩展,同时获得较低的NOX排放,实现甲醇高效清洁燃烧。综上所述,在混合燃料燃烧情况下,一方面,大家为了提高甲醇的替代比,另一方面大量试验研究也表明,高比例甲醇燃料有更高的热效率和更好的排放性能,因此很多学者研究了纯甲醇燃料燃烧对发动机性能的影响。

纯甲醇方案。大量研究表明,随着甲醇的掺混比例的提高,发动机动力性,经济性和排放都有所改善,因此越来越多的人研究纯甲醇在发动机上的应用。

天津大学的史绍熙等人早在1986年,对一台492QA型汽油机进行了改造,通过提高压缩比和改进燃烧室结构,燃用纯甲醇进行了发动机性能试验。试验结果表明:燃用纯甲醇,发动机功率和扭矩达到了原机水平,有效热效率最高达34.9%,较原机提高了32.7%且发动机运转稳定,性能良好。在外特性的整个转速范围内,按质量计的甲醇燃料消耗率是在原机燃用汽油时的1.51-1.69倍。天津大学汪洋等人在一台H4L95IJQ发动机上,采用高挤气面积比和高压缩比的燃烧室,研究了燃用甲醇对发动机的性能的影响。研究表明:发动机动力性、经济性和排放都得到明显改善,与原机相比,最大转矩提高了7.5%,标定功率提高了7%,且最大功率点油耗下降7.4%,NOX、THC和CO远低于GB14762.2(X)2规定的限值。太原东方发动机研究所和太原理工大学在495Q和JT468Q型汽油机上进行燃用汽油、M85、M100燃料的对比试验。以原汽油机上燃用甲醇燃料,提高了发动机的功率和转矩,降低燃油消耗率;通过提高压缩比,可以大幅提高功率与转矩,大幅度降低燃油消耗率;,怠速工况,燃用甲醇燃料时,CO和HC排放降低比较明显,提高压缩比后,排放改善效果更加明显。随后,太原理工大学对甲醇燃料汽车示范车队的道路运行情况进行了长期的跟踪研究。研究结果表明:通过优化点火时正时和空燃比,增大供油量,提高压缩比,甲醇汽车能获得良好的动力性;甲醇消耗率较同型号的汽油车有所增加,但是运营经济性高于汽油车。常规排放较同型号的汽油机低,HC降低76%,CO降低45%。上面的研究表明,纯甲醇应用在发动机上,可以通过提高发动机压缩比来获得更高的热效率,提高发动机经济性,因此在高压缩比发动机上应用纯甲醇燃料逐渐受到大家的关注。

除此之外,还有甲醇燃料电池方案。目前直接甲醇燃料电池技术还不是很成熟,许多的间接甲醇燃料电池受到关注。其中一种甲醇制氢用于发动机。甲醇制氢技术包括甲醇裂解、甲醇水蒸气重整和甲醇部分氧化三类。甲醇裂解技术是一项成熟的技术,在科研院所或工业上被广泛应用,通常是用来制备合成气,或通过进一步分离获得高纯CO和H2。针对甲醇制氢分布式加氢站的建设,国家发改委、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中明确提出,即到2030年实现加氢站现场制氢,包括天然气、氨气、甲醇、液态烃类等制氢,形成标准化的加氢站现场制氢模式并示范应用。另一方面,以丰田、现代为主力推的氢燃料电池路线(FCV)有氢气的“制、储、运、加”技术解决方案,进一步推进间接甲醇燃料电池方案的实施。

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开发的甲醇-柴油双燃料燃烧技术,已在陆上重型柴油机上得到了部分应用。为能在渔船上应用试验取得成功,将先在同型柴油机上进行甲醇燃料台架试验,进一步分析甲醇燃料使用的技术可行性。

1.2.2国外研究现状

国际海事组织(IMO)货物与集装箱分委会在今年将甲醇燃料船舶技术明确列为高优先项目,并于不久之前制定完成了《甲醇/乙醇燃料船舶安全临时导则》。这是国际上首份鼓励船舶使用甲醇/乙醇作为动力系统燃料的技术规范性文件。该导则将于今年11月在IMO海洋安全委员会(MSC)第100次会议审议,获通过后2019年有望正式发布实施。

2007年,Matthew J.Brusstar等人在一台压缩比为16.3:1,排量为4.5L、V型6缸柴油机改造的点燃式甲醇发动机上进行了试验,试验燃料采用M85甲醇汽油,研究了其对甲醇机的热效率和排放的影响。结果表明:甲醇发动机热效率较高的范围在平均有效压力为12bar~15bar之间,转速在1200r/min~1700r/min范围内,在这个范围内,甲醇发动机的热效率能维持在38%左右,最大甚至能超过40%,超过了改装之前柴油机在这个范围的热效率;同时,改装后的甲醇试验样机CO2和NOX排放较低,但HC排放较高,有待进一步优化。

M. B.Celik等人对单缸汽油机燃用纯甲醇和汽油在不同压缩比(6、8、10)下进行了研究,研究结果表明:压缩比提升到10时,甲醇发动机功率增加了14%,热效率增加了36%,CO、CO2、NOZ排放分别降低了37%、30%和22%;当压缩比为8时,发动机燃用甲醇不会引起爆震,但原来的汽油会爆震。M.K.Balki等人在单缸汽油机燃用汽油、甲醇,对比研究了压缩比(8.0、8.5、9.0、9.5)对发动机性能的影响。研究结果表明:燃用甲醇时,发动机的平均有效压力在压缩比为8.5时较燃用汽油高10.5%,提高了有效热效率约4.51%,但是燃油消耗率也升高30.22%;燃用甲醇时,平均有效压力在压缩比为9.5时达到最大;燃用汽油时,平均有效压力在压缩比为9.0时最大。

欧洲是船用甲醇燃料的研究和实践先锋,其中瑞典国家创新局陆续开展了一系列研究或试点项目,实现了甲醇燃料实船应用。MAN公司已于2013年开始进行甲醇燃料发动机的开发。

国外以甲醇作为燃料的常见船用主机主要有两种:二冲程迪塞尔循环主机或者四冲程稀燃奥拓循环主机。与LPG相同,目前只有MAN的ME-LGI系列是目前市面上唯一款两冲程的机器,现在多被用于甲醇运输船。瓦锡兰生产的四冲程机器已经被用于Stena Germanica的内陆客轮上。

在国外甲醇已成为船舶的替代燃料之一,科研项目与实船试点表明,甲醇用作船用燃料的安全性、环保性能够充分保证。使用甲醇燃料还有利于消化煤炭的过剩产能。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

本文主要针对甲醇燃料的物化特点进行介绍,根据其特点分析甲醇燃料作为替代能源的可行性。在此基础上,对国内外甲醇燃料发动机应用技术(包括甲醇燃料掺烧、纯甲醇燃料方案和甲醇燃料电池等)和现状进行深入分析。最后,针对Z6170柴油机提出燃用甲醇燃料总体技术方案,包括如何供给、点火和控制等,并对其中重要装置进行选型设计,对其关键技术进行分析。

目标:提出在船用柴油机Z6170上燃用甲醇的总体技术方案。

拟采用技术方案:原柴油机Z6170为直列机械式四冲程缸内直喷柴油机,为在在柴油机上燃油甲醇,初步柴油机Z6170上燃用甲醇总体技术方案如图1:

图1 初步柴油机Z6170上燃用甲醇总体技术方案

在Z6170柴油机上燃油甲醇,初步决定采用纯甲醇缸内直喷方案。储存罐中的甲醇经过控制阀、甲醇泵、滤清器、甲醇高压泵形成高压甲醇,其中甲醇供给系统管道采用双壁管防止泄露。高压甲醇通过甲醇喷射器(电磁阀)直接喷入缸内,甲醇喷射器在ECU的控制下根据不同负荷和转速调整开启时间,从而控制甲醇的喷入量。同时,ECU还通过监测高压甲醇的压力来确保甲醇的喷入量。当甲醇被喷入气缸之后,与加装在气缸盖的电加热塞接触,被处于通电的高温电热丝点燃。电加热塞在发动机运行过程中处于通电状态,利用热面进行助燃,使喷入的甲醇处于扩散燃烧。燃烧后的排气通过废气涡轮后从排气管排出。

同时,根据甲醇燃料的腐蚀性问题,在甲醇供给机一些关键部分,采用高耐醇性的材料。发动机上的材料主要包括橡胶、塑料和金属材料,甲醇对橡胶和塑料会产生一定的溶胀性,比如橡胶圈产生溶胀现象后,可能会导致燃料泄漏现象。同时,甲醇燃料对金属产生一定的腐蚀性。因此在一些与甲醇直接接触和容易产生泄露的地方(包括甲醇供给处管道等),需改用高耐醇性材料。

上述柴油机Z6170上燃用甲醇总体技术方案涉及的关键技术有:在原机上加装了一套电控系统以控制甲醇喷入量;高压甲醇缸内直喷;电加热塞助燃甲醇。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

2月27日-3月20日 完成柴油机上燃用甲醇燃料的总体技术方案调查、甲醇燃料物化特性、甲醇作为燃料的可行性分析、初步方案可行性分析、国内外研究现状及背景调查、开题报告撰写、柴油机上燃用甲醇燃料的总体技术方案初步方案提出(改装系统各部分原理、供给、点火、起动、后处理等)、修改和验证等

3月20日-4月30日 完成柴油机上燃用甲醇燃料的总体技术方案(供给、点火、控制、启动、后处理等)理论修改、验证、各系统(甲醇供给系统、电加热助燃、缸内燃烧优化、后处理及监测等)改装方案提出、验证和修改等

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4. 参考文献(12篇以上)

4.参考文献

[1]詹熳宁 靖佳超 娄春景.船舶未来新型替代能源[j].2018船舶智能能效技术国际高峰论坛#8194;论文集.

[2]罗涵.完善甲醇汽车技术的方向及技术方案[j].汽车节能 2011(1) 15-16.

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