甲醇熱裂解規(guī)律及其在點火式發(fā)動機上應(yīng)用研究.pdf

1、隨著我國社會與經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車保有量逐年大幅增加，給能源和環(huán)境帶來了巨大的壓力和挑戰(zhàn)。節(jié)能和減排成為不可回避的問題。為此，尋找切實可行的石油代用燃料成為解決問題的根本所在。多年研究表明，在眾多的替代燃料中，甲醇是最具有應(yīng)用前景的燃料之一。
　　液態(tài)甲醇直接作為點火式發(fā)動機燃料存在消耗量大，不易啟動，燃燒效率低，排放差等問題。為解決上述問題，有學者提出了甲醇新型燃燒方式：利用發(fā)動機廢氣余熱以及催化劑的催化，裂解甲醇成為甲醇裂解混

2、合氣，然后送入發(fā)動機氣缸內(nèi)作為發(fā)動機的燃料。這種方式由于利用了發(fā)動機廢氣余熱，大幅度提高甲醇燃料的經(jīng)濟性，但是該方法自提出后，研究工作基本上都是在化油器式發(fā)動機上，或者采用裂解氣和汽油混合摻燒方式進行。為了了解甲醇裂解氣在現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電噴發(fā)動機上應(yīng)用，本研究采用廢氣余熱裂解甲醇，產(chǎn)生裂解氣后直接作為發(fā)動機燃料。具體做法是，首先采用純汽油啟動，等待廢氣能夠產(chǎn)生足夠的甲醇裂解氣后再轉(zhuǎn)換成完全甲醇裂解氣模式。以上工作在前期研究中獲得很好的結(jié)

3、果。為了深入了解廢氣余熱對甲醇的裂解規(guī)律，本研究在前期工作基礎(chǔ)上，進一步系統(tǒng)研究了不同催化劑及催化器結(jié)構(gòu)對甲醇裂解氣作為發(fā)動機燃料應(yīng)用的效果。另外還對甲醇受熱裂解的基本規(guī)律開展了深入的研究。
　　研究中采用銅基/鈀基兩種不同催化劑在高溫下催化甲醇，將其裂解成為混合氣體。該氣體主要成分為氫氣和未裂解的甲醇蒸汽，其成分比例隨著溫度的變化而改變。為了能夠深入了解裂解氣成分比例隨溫度變化的特性，本研究搭建了甲醇裂解成分測試臺架并且采用氣相

4、色譜儀對成分進行了檢測與分析。研究結(jié)果顯示：甲醇裂解混合氣主要含有氫氣和未裂解的甲醇氣體，此外還存在部分一氧化碳、甲烷、水等化合物。銅基催化劑和鈀基催化劑兩種不同類型的催化劑對裂解混合氣成分以及各成分含量有著較大的影響。在銅基催化劑催化作用下，H2體積分數(shù)峰值出現(xiàn)在環(huán)境溫度較高區(qū)域；CO和CH4的體積分數(shù)在所有測試工況下都處于一較低水平，其數(shù)值均小于3.0％；在環(huán)境溫度為250℃時水蒸氣體積分數(shù)最高，隨著溫度的升高，水蒸氣體積分數(shù)急劇減

5、少，大部分試驗研究測試點測得的體積分數(shù)均低于5%；甲醇蒸汽體積分數(shù)在環(huán)境溫度在400～450℃出現(xiàn)最小值，最小值接近4%。而在鈀基催化劑催化作用下，H2體積分數(shù)峰值明顯有兩個區(qū)域，分別是300℃和500℃的溫度區(qū)域；CO和CH4的體積分數(shù)也都比較低；水蒸氣體積分數(shù)峰值出現(xiàn)在350℃；甲醇蒸汽體積分數(shù)在環(huán)境溫度300℃和450～500℃時出現(xiàn)極小值。
　　在上述實驗成果基礎(chǔ)之上，采用銅基/鈀基兩種不同催化劑裂解氣作為燃料在點火式發(fā)動

6、機上進行了發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、缸內(nèi)燃燒特性以及排放性能等性能研究。研究結(jié)果顯示：銅基/鈀基裂解氣應(yīng)用于點火式發(fā)動機上的動力性能夠達到原汽油機的95%以上；甲醇裂解氣發(fā)動機的當量燃料消耗率明顯好于原汽油機，下降了24%左右；銅基、鈀基催化劑裂解氣缸內(nèi)最大燃燒壓力分別增加為6.2%-14.3%和10.5%-21.5%。同時，裂解氣放熱率也高于汽油，鈀基催化劑裂解氣的放熱率最高。裂解氣的循環(huán)變動率較之汽油略有增加。裂解氣的快速燃期較汽油縮短

7、，銅基和鈀基催化劑裂解氣縮短幅度分別高達4.8%和7.1%；在僅用前級后處理催化轉(zhuǎn)化器條件下，裂解氣發(fā)動機 HC和CO排放僅為原機10%左右，NOX排放為20%左右。與銅基催化劑相比，鈀基催化劑裂解氣發(fā)動機的性能更好，而且其催化裂解效率、可靠性、催化劑附著性等方面均優(yōu)于前者。
　　本研究通過對甲醇裂解氣成分隨著溫度變化而變化的特性研究以及甲醇裂解氣作為點火式發(fā)動機燃料的發(fā)動機性能研究，為甲醇在內(nèi)燃機上高效清潔燃燒提供了清晰的技術(shù)路