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    COMMON PROBLEMS

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    柴油木醇二元燃烧实现了压燃发动机的一次跨越式发展

    以柴油机如何扬长避短为基本思考基础,以降低柴油机燃料消耗,减少有害物质排放为目标,姚春德教授潜心近20年,另辟蹊径,从燃料角度入手提出了柴油机的柴油木醇二元燃料燃烧理论。经过产学研组织的工程实践验证,经过国家组织的木醇汽车试点运行验证,这一理论取得了值得信任的结论和令人信服的结果。

    在现今国家基础设施建设以及现代交通物流运输中,重型载货车起到了不可或缺的作用,其配套动力柴油机在短时期内尚未见到可信赖的替代动力,因此解决柴油机的节能减排问题,就是解决重型载货车的排放控制问题,也是我们今天打好蓝天保卫战的重中之重。如何以创新研发的视角,从产品技术到制造质量一致性控制上,做好这一工作?姚春德教授团队创新研发的柴油木醇二元燃烧技术,为我们探索了一条技术层面的新路。

    面对国六排放标准,产业的技术准备和产品储备工作已经全面展开,在看不清楚柴油机替代动力的诞生和来临之际,在必须负责任地实现国六排放标准要求之时,推荐应用柴油木醇二元燃烧技术,实现国六排放标准要求,我认为是一个创新的和可行的选项。

    作为工信部、发改委和科技部木醇汽车试点专家组副组长,姚春德教授对木醇燃料在船舶(船艇)、铁路机车以及其他非道路移动机械装备上的应用方面,还有许多建树和正在推进的运行项目,希望这些领域也能同木醇汽车一样,为国家的节能减排有所贡献。

    ——三部委木醇汽车试点工作专家组秘书长 魏安力

    2018年6月24日,中共中央、国务院发布《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》,以最高规格文件布局碧水、蓝天、净土保卫战。

    往前一个月,5月18-19日在北京召开的全国生态环境保护大会上,习近平总书记出席并强调“要把解决突出生态环境问题作为民生优先领域。坚决打赢蓝天保卫战是重中之重……”;“污染防治攻坚战时间紧、任务重、难度大,是一场大仗、硬仗、苦战...”;李克强总理提出要抓住重点区域重点领域,突出加强工业、燃煤、机动车“三大污染源”治理,坚决打赢蓝天保卫战”。

    作为人类当前经济发展不可或缺的重要交通工具,柴油车既是能源消耗的主体装备,也是空气污染的重要移动源。2018年政府工作报告中指出,要坚决打好污染治理攻坚战,专门提出“开展柴油货车超标排放专项治理”。一时间,各地纷纷打响了治理柴油车污染的战役,有的淘汰国三车,有的要求国三柴油车加装颗粒捕捉器(DPF),有的要求加快国五甚至国六车市场投放的进程,有的要求进一步加严各种监管措施、加大惩罚力度等等,各种措施不一而足。

    柴油车排放治理为什么这样难?

    治理污染,是全体公民的共识,然而,上述的一些治理措施却在一些柴油车用户那里引起了强烈的反弹和抵触。为什么好事却在实施中存在如此大的困难?

    主要原因是以下几个方面。

    第一柴油机的高排放由其工作特性决定。 与点燃式汽油车不同,压燃方式的柴油车是将吸进发动机的空气压缩至一定的高温,然后直接往气缸里喷进柴油使其自燃,产生高温高压对外做功。柴油机的压燃、扩散燃烧的特点,使其具有独特的低转速大扭矩特性,被重载车辆优选为配套动力。但燃烧过程中就会产生两种主要的排放物——氮氧化物NOx(构成硝酸盐的主要成分)和炭烟(排气中颗粒物的主要成分,也是PM2.5来源之一)。由于NOx和PM两者的生成机理恰好是一对此消彼长的关系,给排放治理带来很大难度。

    第二柴油车的排放治理与用户利益不一致。 以柴油机为优选配套动力的载重车、工程机械、特种工程车辆等是生产资料,拥有者或操作者利用其是为了获取经济效益,因而要求他们在使用柴油车挣钱的同时,还要负起相应的减排社会责任,实际中很难做到。

    目前,技术上治理柴油车排放的主要方法是利用后处理装置消除排放中的氮氧化物和颗粒物。前者采用尿素为还原剂,用选择性还原的办法(SCR)将NOx还原成无害氮气和水,后者使用往废气里喷柴油燃烧掉在DPF上过滤的炭烟,称为再生。

    根据使用经验,国四车的尿素消耗量为相应柴油消耗量的5%左右,国五将达到7%,国六会达到11%。而DPF再生需要的额外柴油量为5%左右。按目前的尿素价格4元/升计算,如果一辆国四柴油车年行驶公里数为10万,百公里油耗40升,那么一年消耗4万升燃油,相应的尿素消耗为2000升,费用为8000元;假如是国五车,尿素费用为1.12万元;国六则为1.76万元。对于依靠跑公里数生存的人群来说,这笔费用还是很可观的。这还没有计入DPF再生产生的额外柴油费用。

    由于排放治理的费用需要用户支出,让用户自觉负起减排的社会职责在客观上存在很大困难,国内外此类情况皆如此。因此,治理柴油车的排放需要探寻另外更适合国内情况的方法。

    治理柴油车污染的新视角:

    从燃料着手

    柴油机在发明之初就以其高热效率受到世人关注。历经120年发展,柴油机以其优异的经济性、可靠性和动力性成为交通运输、工农业机械、船舶和国防等领域不可或缺的动力装置,在国民经济中发挥重要作用。通过不断的技术发展,柴油机自身的结构和性能也日臻完善。当今的柴油机,增压后的压力可达到4倍甚至以上的大气压,燃油喷射压力超过250MPa,气缸压力接近甚至达到30MPa,平均有效压力达到3MPa,升功率超过100kW,有效热效率接近甚至超过50%。

    但是,随着排放法规的日益严格,后处理装置日渐复杂,正在逐步抵消柴油机的高效优势。近几十年来,围绕压燃式柴油机的高效清洁燃烧,业内提出了很多技术方案,比如均质压燃(HCCI)或预混合压燃(PCCI)、低温燃烧(LTC)等等,采用具有多次喷射能力的喷油技术如高压共轨,大幅增加喷射压力、减小喷孔直径,采用多级增压、废气再循环等等技术,使柴油机的热效率和排放品质得到很大的提高。然而,由于柴油是多碳组成的碳氢化合物,并含有环烷烃、多环芳香烃等复杂大分子,面对越来越严格的排放法规,单纯依靠机内净化依旧难以胜任。尽管均质压燃HCCI提供了机内净化的理想方案,然而要均质就需要早喷射,而早喷柴油易自燃失控,如避免自燃则又无法均质,压燃式柴油机在高效清洁上遇到两头受堵的困窘局面。柴油机废气中NOx和颗粒物分属不同性质的物质,前者要还原,后者要氧化,在排气过程中要做到同时消除,导致尾气净化的后处理装置越来越复杂,使用成本越来越高。

    柴油机既是燃料能源的转换机构,排放又因燃料燃烧而生,探索从燃料入手,使柴油机进一步发挥其高经济性和可靠性的优势,应该是解决柴油机当前面临的两难境地的正确途径。

    多年来,由燃料入手来改善柴油机的燃烧,业界也已经做了大量的研究工作。在众多研究中,天然气和木醇这两种低碳的燃料受到格外的关注。

    天然气的特性,如常规条件下是气体、自燃温度高、易点燃等,使其已经得到较为广泛的应用。然而,我国的天然气资源不足,进口依赖性高,特别是在当前“以气代煤”,进一步扩大应用规模净化空气的大环境下,资源难以得到保障。

    利用木醇来改进和替代柴油成为理想的选择。木醇含氧、高汽化潜热、单一碳原子、无碳碳结合键,如果充分发挥其燃烧速度快、不产生炭烟的优势,辅助柴油一起燃烧,那就既可以保持其高效的特点,又可以实现低碳、清洁的无炭烟排放,让柴油机在其传统领域继续发挥重要作用。

    然而,木醇与柴油不互溶、自身蒸发性不良而且自燃温度远高于柴油等特性,使木醇与柴油一起压燃在工程上的实现成为国际上一大难题。上世纪80年代起,行业便开始了这方面的努力,但因无法解决冷启动和木醇与柴油实时的匹配燃烧,在工程上一直没有得到应用。

    突破传统

    首开压燃式发动机多种燃料燃烧新篇章

    针对木醇在压燃式发动机上的应用难点,天津大学于2002年起,经过十余年潜心研究,提出了柴油木醇组合燃烧(DMCC)技术,即以柴油启动,木醇定时定量通过喷进进气管形成混合气进入气缸,两者在气缸内一起燃烧。

    该技术的提出,解决了木醇冷启动困难、与柴油不互溶以及自身蒸发性不良的难题,实现了木醇在压燃式发动机上的成功应用,突破了柴油机自发明以来仅以单一燃料工作的历史,首开了压燃式发动机采用多种燃料燃烧的新的篇章。

    该技术开创了新的、不需要尿素还原就可满足国IV和国V排放法规要求(国VI正在研发中)的技术路线。目前,已有多种型号的重型柴油机安装该技术进行了验证和应用。2014年起,在工业和信息化部组织的木醇汽车试点中,柴油木醇组合燃烧技术应用于柴油车上在陕西榆林进行了为时2年的试验运行,分别于2016年和2017年通过了陕西省地方和工信部组织的专家验收;于2015年通过工业和信息化部组织的专家鉴定,被认定为具有国际领先水平;2016年,获得机械工业科技进步一等奖。

    在该技术的研发过程中,针对柴油木醇两种不同性质燃料的一起燃烧,天津大学自行制造了可以观察两种燃料同时着火和燃烧,以及两者相互作用的定容燃烧装置,利用激光多普勒粒度仪、高速摄像等先进技术,研究了木醇在不同环境中的雾化特性、木醇混合气对柴油的着火的影响。在发动机台架上,利用富立哀变换排气成分检测仪、紫外光粒度检测仪以及透光式和吸光式烟度计,研究了进气温度、冷却液温度、木醇的喷射位置对木醇替代柴油并与其共同燃烧时的性能、排放品质;采用多气缸压力测量方法,研究分析了木醇掺烧柴油后的燃烧特性,分析了能量平衡关系以及两种燃料一起燃烧的安全运行区域等;基于研究提出并建立了柴油木醇二元燃料燃烧理论。

    柴油木醇二元燃料燃烧理论的提出,不仅证明通过利用燃料来改善燃烧和排放的可行性,而且实验结果表明,多种燃料共燃,各自发挥自身长处,可为压燃式发动机高效清洁建立坚实的基础和新的技术途径。

    在持之以恒的多年艰苦努力中,研发团队发表了数十篇论文,被引用近2000次,高被引文章有3篇以上;获得了十余件发明专利和二十余件实用新型专利。除此之外,针对具有一定腐蚀性的木醇,还开发了各种涉醇部件如木醇泵、控制线束、木醇液位计、木醇输醇管、专用滤清器等,特别是研发了木醇高效雾化的喷射系统,全面解决了木醇作为燃料应用的各类工程化的问题。以上,为木醇辅助柴油实现清洁燃烧应用铺平了道路。

    木醇辅助柴油的二元燃料燃烧技术也已经在多个方面得到验证和应用。从2005年开始在第一辆在用中巴车上进行试用,获得了在不同路况上应用的要求;到2009年通过在重卡上的应用获得了高速路况的使用情况;进而到分别在内蒙和新疆的矿区应用;以及在贵州省的矿区规模应用,积累了大量矿车的应用数据和宝贵经验。此外,在港口集装箱重卡和装载机等的试验运行,均取得了很好的应用经验。用户使用普遍反映,木醇助燃后,动力性明显改善,烟度等排放大幅减少。

    柴油/木醇二元燃料燃烧方式从燃料角度实现了对柴油机的清洁燃烧,突破了压燃式单一燃料的传统模式,为压燃式发动机保持既高效又清洁的特性开创了新的未来。

    木醇辅助柴油

    为压燃发动机开辟新的未来

    我国的资源特色是“缺油少气,相对富煤”。木醇可以用高硫劣质煤炭、焦炉气等生产,不仅资源丰富,而且有利于资源的综合利用。

    在柴油/木醇二元燃料燃烧方式中,木醇可以50%左右替代柴油参加燃烧,不但解决了单一燃料柴油机存在的排气中NOx和PM排放此消彼长的矛盾,更重要的是大量木醇替代柴油,对于缓解不断增长的石油对外依存度压力也极为有利。

    我国木醇生产技术成熟,木醇产能充裕、产量巨大,早已成为全球最大的生产国,每年产能数千万吨,完全具备规模替代柴油的能力。木醇与柴油有较大的价差,使用木醇不但清洁排放,还有利于降低柴油车的运行成本。

    据采用柴油/木醇二元燃料燃烧方式的用户反映,与原柴油机相比,燃料费用一般可以降低10%-20%,极大鼓励了用户使用木醇的积极性,客观做到了用户利益与减排要求的一致,为全社会推广柴油车的节能减排铺平了道路,为坚决打好蓝天保卫战提供了切实的技术保证。

    压燃式发动机在交通运输、工农业机械、国防等方面是不可或缺的动力装置,每年消耗柴油量巨大,仅在2016年便达到1.7亿吨,给能源安全带来很大压力。另外,随着蓝天治理工程的逐步开展,不但车用柴油机,其他工农业机械、船舶等也需要同时治理。柴油/木醇二元燃料燃烧方式,完全适用于对上述动力装置的木醇化改造。如果以30%木醇替代柴油,则每年可以减少柴油消耗数千万吨。对于保障国家能源安全,减少排气中有害物排放的作用可见一斑。

    柴油/木醇二元燃料的低碳燃烧,革新了传统压燃式发动机单一燃料模式的燃烧,开辟了符合我国资源特色的、新的压燃式发动机清洁燃烧之路。我们相信,在国家政策的正确支持和引导下,木醇作为一种新型能源,必将在柴油机的节能减排方面绽放出耀眼的光彩。

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