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【汽车与环境】天津大学姚春德:内燃机多元化燃料技术

盖世直播 2019-09-22 08:09:38
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为天津大学教授姚春德演讲内容实录:

汽车与环境,多元化燃料技术

天津大学教授姚春德

首先非常感谢会议的主办方,感谢徐总的邀请有这样的机会给大家分享一下我们在内燃机多元化燃料方面做的一些工作,今天上午和刚刚我们听几位专家的报告,都对内燃机的未来产生了非常大的担心,因为各种不同的声音从媒体里面出来,我对内燃机是非常有信心的,为什么呢?因为我觉得内燃机至少在我们可预见的将来是不可替代的,虽然说现在电动车有500多万辆,但是跟已经有2亿多辆总的汽车保有量相比只占非常小的比例。所以我们还是要谈谈内燃机将来应该怎么做?刚刚李总已经讲了一汽发展的考虑,说了很多。但是他讲的内燃机主要是点燃式发动机,我这里讲的是压燃式。

主要内容,一个是燃料的多元化是国家的需求,第二个多元化燃料的现状,第三个甲醇是新兴的燃料,第四个甲醇燃料应用现状和展望。

多元化燃料这个是我们现在面临一个非常大的需求,我们每年买沙特大量的石油,占进口量的17%,现在沙特遇到问题,出口量大减,从这个非常大的石油的进口渠道买油成问题了。大家可能注意到在今年的5月29号前中石化的老总傅成玉他说了中国面临短期石油断供的可能性,今天我们就看到这么一个非常大的现实情况

一种燃料,主要的就是围绕它可燃性、能量密度、供应体系的完善价格等等,这些东西实际上就是市场,只有同时满足这样一些东西才能称得上是燃料,虽然我们也做了非常多的研究,比如说乙醇、氢气等等这些,但是目前还不能作为燃料,因为不符合燃料所有的性能,输运、供应、价格低廉。我们知道氢气50-60块一公斤谁都用得起,所以暂时不用担心这些事情。

哪些燃料可以作为满足低碳的需求呢?天然气和甲醇,天然气我们知道一个碳四个氢,甲醇是一个碳四个氢多了一个氧,为什么这么看呢?我们看这样的计算公式,如果以柴油来算,柴油是一个多碳的从10-22个碳,我们用12个碳代表它,一份柴油燃烧需要31.5份氧气,放出了12个二氧化碳,一公斤柴油放出3.16公斤的二氧化碳,这个是柴油。如果是甲烷呢?甲烷是2.75,对于甲醇是1.375,很显然谁高谁低?科学的计算道理就是在这里。

天然气作为气体燃料在我们国家这些年发展的还是非常快速的,我们知道很多城市的出租车都是用天然气来做驱动的,在司空见惯的捷达车后面有一个加气罐,在北方见得非常多,南方有一些天然气有充足气源的地方,像武汉这些地方都可以见到,还有大卡车,现在全国有7000多个加气站,一年可以替代的石油是1500多万吨,现在一年大概是2.7亿吨左右的石油消耗量,1500万的燃油被天然气替代,量非常大。

现在路上看到大卡车的车头后面有非常高的气罐就是天然气。天然气的应用方式很多,主要是点燃式,压燃式也做了很多的尝试,比如说潍柴等等,用的高压喷射HPDI,柴油天然气双燃料燃烧。图上这个喷嘴是可以同时喷两种燃料,一个喷的是柴油,另外一个是喷天然气,但是这种燃料燃烧方式非常的复杂,所以到目前为止也没有看到有产品大量的投放市场,做了一些实验,但是天然气作燃料,我们还是一直在寻着向高效燃烧的方向发展。

今天我们看到在船上的集装箱用的柴油和天然气的燃烧方式,由德国曼恩开发的燃烧系统,大型的船机上面用这两种燃料燃烧方式比较多。

今天我们讲另外一种方面就是醇类,低碳里面的醇也是非常重要的,在国外也是用得非常多,但是主要用的是乙醇。我们知道世界上用乙醇最多的两个国家一个是美国,一年是3500万吨,另一个是巴西。我们知道巴西的人口不多,甘蔗的供应是非常充足的,所以他的车就是大量使用酒精作燃料,有用100%的酒精,也有用汽油和酒精汽油,多种燃料在他们国家是大行其道,我们国内有一些自主品牌直接出口到巴西的汽车也是按照这个做的,满足乙醇汽油的使用条件。

国内在本世纪初,那个时候曾经推广过乙醇汽油,但是后来考虑到资源上面的问题,只是在非常有限的几个地区,包括东北三省,河北和江苏,安徽这样的一些地方使用,2017年的时候15个部委发布了政策,要求2020年实现乙醇汽油的全覆盖,但是这个声音发出来之后,具体落实很难的。现在我们国家的粮食只有85%是自己的,剩下的就是靠买,我们怎么可能买那么多的粮食,发酵成酒精做汽车燃料?这个绝对做不到,所以这个话提出来了之后已经2年多了,真正的很难实施,到现在明年再有几个月就是2020年了,国家根本就没有那么多的乙醇的量。我们现在每年消耗1.2亿吨左右的汽油,如果10%的话需要1200万吨,目前我们实际的乙醇的产量不超过300万吨,所以这种不大可能。

另外要讲的就是中国特有的甲醇,甲醇这种燃料的分子结构中间一个碳,周边有4个氢带一个氧,燃烧的时候会有淡蓝色的火焰,日光下面甲醇燃烧的时候是看不到燃烧踪迹的,常温常压下是液体,运输不存在任何的困难,加注运输和普通的汽油完全一样,更主要的是中国是最大的甲醇生产国,全球的产能和产量的55%在中国,我们中国生产的甲醇主要是靠煤炭,因为我们是一个缺油少气富煤的国家,现在的水平生产一吨甲醇需要1.5吨的煤炭,如果说拿煤炭制油需要4.5吨的煤炭,从这个意义上来说用甲醇作燃料,很符合国家能源综合利用的。中国这些年来甲醇产量每年都有将近2位数的速度在增长。去年2018年,我们的甲醇产能是8400多万吨,产量已经有6700多万吨,这个都是非常大的数。

我们都知道,推广甲醇是2012年的时候工信部就发布了42号文,在四省一市开始了甲醇汽车试点,经过5年有1024辆车参加了试点工作,结果非常好,在今年3月19号又有发改委、工信部、科技部等8个部委在部分地区推广甲醇汽车的指导意见,我们知道为什么国家这个层面要这么做?就是因为我们能源不安全,我们要找到符合我国能源资源特点的替代能源,用能源多元化缓解我们这个能源安全的压力。

甲醇作为燃料,首先我们关心的是不是安全?这是1991年的时候美国能源部做的比较,他的比较得出来的结论是,在低浓度的时候甲醇的毒性比汽油的毒性小,高浓度的时候差不多,然后把这个浓度的毒性按照1-10列了等级,吸入浓度甲醇和汽油比,甲醇是3,汽油是10。同样的都是气体时甲醇的毒性只有汽油的30%。

但是口服这一块甲醇是比较有害的,甲醇是8,汽油只有3,也就是说因为甲醇就跟平时的水一样,可能容易被人误饮,我们国家曾经出现过误饮甲醇而死亡的事故。我们要清楚甲醇是燃料不可能作为饮料,一定要有这个意识,这些年的教育普及中国没有发生第二起误饮甲醇,因为大家很清楚这个是化工原料。

为什么低浓度下面毒性很低呢?我们看看蒸汽压数据,甲醇是0.037汽油是0.05-0.09,跟柴油相比同样20℃下面,甲醇是12.9,柴油是37.1,就是说甲醇无论是汽油还是跟柴油相比蒸发性都是不及的。

这个是全球甲醇协会做的2016-2021年全球甲醇产能估计的数据。现在看来已经超过了他的预计。当时他们预计我们是8000万吨,但是去年就已经接近9000万吨的产能。

我们国家有200多家企业可以生产甲醇,除了北京、广州、西藏这些地区,包括上海、天津都是有甲醇的,上海有120万吨的甲醇产量,天津有80万吨的甲醇,而且非常可贵的是甲醇是一种碳中性的燃料,二氧化碳可以生产甲醇。现在图上看到的装置就是加拿大Methanex公司在冰岛建的装置,采用二氧化碳加氢转化成甲醇的技术,2012年便达到产4080吨,日本三井化学株式会社2009年建成首套100吨每年二氧化碳的产量。

当然,从密度、闪点来看,密度是0.793的甲醇,跟柴油和汽油的相比是处于中间的。甲醇的热值较低,汽油和柴油超过42,甲醇只有20。从自燃温度来看,跟汽油差不多,但是比柴油高很多,我们今天讲的就是甲醇在内燃机上怎么样应用?

这个是点燃式的结果,工信部的甲醇汽车试点在2018年1月份已经结束了。但是,现在在西安、贵阳两个地区各自分别都有将近1万辆的甲醇燃料的出租车,烧的是纯甲醇,这两个城市里面都有将近30个甲醇加油站满足供应,当时参加试点的城市一共有10个城市。

我今天跟大家分享的是,在压燃式发动机怎么把甲醇用上去?因为柴油动力在高速公路运输、船舶机车等等是主要的动力方式,是压燃,怎么样用甲醇来做?就采用了一个方法是DMCC的方法,这种方法是启动的时候用纯柴油,等到发动机机温上来之后喷甲醇让甲醇的混合气和柴油一起燃烧,这个就是DMCC的模式,跟传统的柴油机相比不同的地方就是加了一套甲醇的喷射系统,多了甲醇的单元,这样就解决了甲醇不容易压燃而且不容易冷启动的问题,克服了甲醇和柴油不相容以及甲醇蒸发性差的困难。DMCC就可以很好的利用甲醇到压燃发动机上去,这个是我们做的工作。

同时我们自己为了满足甲醇和柴油在一起燃烧的方式,完全靠自己力量开发了一套甲醇的控制系统,可以动态实时精准在工作中配比甲醇和柴油的量。因为甲醇是有一定腐蚀性的,对橡胶和某些金属有一定的腐蚀性,所以开发了专门的一套甲醇的部件,这样一种燃烧方式之后有什么样的好处呢?

第一个可以回收发动机的能量,这个我们可以看到下面这条虚线是所对应的发动机的进气温度,从原来的50℃了甲醇之后,从50℃降到15℃,降低了35℃,这个非常厉害,大幅度降低了进气温度,同时把空气量减少了3.5。这两个曲线是表示减少了散热,左边的图是横坐标的0代表没有甲醇,这边就是掺了50%的甲醇,散热水泵的进出口冷却的温度差从原来的9.3℃降到了7.3℃,降低了2℃,也就是到了冷却液里面的散热量减少,再看看排气温度从730℃的排气温度降到630℃,排气温度降低,能量损失就减小了。

甲醇在汽油机上运行的结果,甲醇车是15.3升100公里,同类的汽油车也是他们9.5升,相当于1.61甲醇换一个汽油,也就是说燃烧的效率提高了26%,从二氧化碳排放上面讲减少了25%,这也是甲醇在燃烧上面的一个好处。

重汽的发动机,浅蓝色得最低油耗是195g/kWh,降到178g/kWh,热效率达到了47.6%。通过这种燃烧方式,在氮氧化物的生成区就很小,从热量的利用上,增加了有效功的输出,从重卡车的道路实验发动机的热效率提高30%左右。

这个是在实际的霍林格勒煤矿做的实验结果,同样的情况下,甲醇对柴油的替代是达到了将近40%,但是我们要看到的,在被替掉的40%柴油上用多少甲醇换呢?基本上是1L的甲醇换1L的柴油,如果单单就40%的比例来说,热效率提高了50%。另外在无锡做的实验结果,原车消耗柴油23升,双燃料后柴油消耗13.68升,换下来的柴油需要的甲醇量是1.03倍,也基本是1个甲醇换一个柴油。甲醇和柴油燃烧的方式上面已经彻底改变了柴油机冒黑烟效率不高的缺陷。甲醇使用了之后,从排放的后处理,特别是关注的非常规排放,甲醛的排放从监测的结果上面是完全可以满足的

我们在重型车上面可以看到,采用甲醇和柴油燃烧可以打破NOx和PM的trade-off关系,纵坐标是氮氧化物减少颗粒物基本不增加,我们在不喷尿素的条件下可以完全达到国5的排放法规,现在正在做国6的标定,虽然结果还没有完全出来,但是现在的结果显示我们用一台2.8升的发动机,可以把油耗降低10%,氮氧化物能够满足现在国6的排放标准,烟度只有原来排放的十分之一,所以效果非常好,不需要喷尿素这个是非常关键的。

这个是我们在潍柴做的实验结果,他们给我们出的报告,因为甲醛的排放国家没有标准,我们拿加州的标准做的比较,国5标准,在潍柴做的实验和在天津大学做的实验,在天津大做的实验是0.029,潍柴这个是0.076,按照美国他们在加州对柴油的排放标准是0.13都是可以满足需要的。

我们做的重卡已经参加了工信部的试点,有200辆车在全国各地做了运行。因为讲到的是内燃机,不光是车,除了在车上做,在机车上面也能做,现在正在装火车头再过一两个月火车头上运行就可以看到,这个是去年12月22号在南通装的一条渔船用的发动机都是国产的,燃料用的是船用柴油,烟度降低了70%,这个就是解决了采用船用柴油机用船油冒烟比较严重的问题,可以说用甲醇燃烧非常好地解决了柴油机的排放问题。

国际上非常关注了,去年的汉诺威重卡车展有7升到16升的斯堪尼亚重卡车是用的甲醇为燃料。国际上现在已经有7艘采用柴油甲醇双燃料的5万吨运输船在运行,正在开发的还有11艘,韩国日本都在做这样的工作。

我们觉得动力的多元化和能源的多元化一定是我们国家未来发展的必然选择,甲醇对环境很友好也容易运输,适合内燃动力的使用特点会得到充分的发挥,谢谢大家!

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