甲醇作为发动机与燃料电池燃料应用的比较开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.背景及意义 当今世界面临的两大难题为能源安全和环境污染。减少对传统能源的依赖，寻找可替代能源是当今国家发展的主要能源战略。中国资源结构为缺油、少气、富煤，石油对外依存度逐年攀升，2018年达到69.8%，汽车保有量超过 3.1×108辆，所以，实现能源自给、多元化以及保障能源安全迫在眉睫。而液态低碳 ch3oh来源广泛，没有硫化物和颗粒物排放，不仅可以通过高效环保的方法从煤炭、天然气等传统能源中制取，还可以通过安全、清洁的再生的生物质和co2加氢制取。随着co2合成ch3oh技术的突破，ch3oh生产中co2可以通过捕集工业排放获得，h2可从工业副产品中获得，合成过程利用可再生能源，这样不仅极大地减少了环境中co2的排放，还实现了可循环再生，是真正的绿色环保能源。目前，ch3oh作为具有前景的绿色能源，主要应用在两个方面：a) 作为内燃机燃料直接燃烧产生动力；b) 通过ch3oh制氢为燃料电池提供h2。下面就从 ch3oh 这两方面的发展与应用现状入手做简单综述。

1.1甲醇内燃机1.1.1 应用现状 ch3oh作为内燃机燃料具有高辛烷值、高层流火焰传播速度、高汽化潜热等优点，已经成为最具潜力的内燃机替代燃料。国内外的研究者对ch3oh 作为内燃机燃料在动力性、经济性和排放性方面的性能研究已经做了大量工作。在实际应用方面，各大汽车厂商和发动机企业也对ch3oh的应用进行了大量的研发与应用工作，特别是吉利汽车，不仅在乘用车上应用了 ch3oh 技术，在重卡上也搭载了甲醇内燃机，并已完成各项实验工作。吉利汽车自2005 年底启动研发工作，至今14年研发历程，突破了多项关键技术，开发了多项发明专利，积累了甲醇发动机、甲醇汽车的研发经验，开发完成了多款甲醇动力和甲醇汽车。吉利商用车自2014年成立就开始策划甲醇动力在商用车中的应用，2015年正式开发商用车甲醇发动机，历时4年，首款甲醇动力商用车已经小批量生产。在工信部5省市甲醇汽车试点项目中，吉利投入1008台，占试点车辆总数近90%；在冰岛市场测试运行项目中，吉利甲醇汽车运行近 3.5 年时间；在市场推广中，甲醇汽车累计推广应用近 2×104 台。2019 年3月，中国八部委联合发布 《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》（工信部联节〔2019〕61 号），这对中国甲醇燃料、甲醇汽车来说，是40多年发展史上一个重要的里程碑，具有十分重要的意义。1.1.2 甲醇作为燃料的主要技术现状1.1.2.1 甲醇作为si发动机燃料 甲醇作为点燃式发动机燃料的方案很多，主要为：（1）直接与汽油进行掺烧，在汽油中加入不同比例的甲醇燃料，如m15（甲醇体积占比15%）由于甲醇的物化性质，可以直接将这种混合燃料喷入气缸进行燃烧，此时需要对甲醇汽油分类，分别为低比例（m10以下）、中比例（m10~m80）和高比例（m80以上）。低比例甲醇汽油无需对发动机作任何改动，不增加成本。而中比例甲醇汽油在使用时则将对汽油机进行适当调整，使用时可以显著改善排放。高比例甲醇汽油则要求原机有较大改动和调整，会使发动机的动力性变差但燃烧效率显著提高。（2）使用纯甲醇燃料， 此时发动机需要加装专用的甲醇燃烧装置，采用紊流紧凑燃烧室和预热排气装置等措施；在正常运转中采用纯甲醇燃烧，在低温启动时要加入少量汽油。纯甲醇汽车对环境污染极小。（3）掺烧甲醇裂解气，用发动机的废气余热首先将甲醇汽化，然后在催化剂的作用下主要裂解成氢气和一氧化碳，最后送进气缸，用电火花点燃。

1.1.2.2甲醇作为ci发动机燃料 目前甲醇应用于柴油机主要是有甲醇和柴油的掺烧和纯甲醇在柴油机上燃烧两种模式。主要的应用思路是针对甲醇无法在柴油机上压燃提出解决策略。 a)甲醇和柴油的掺烧： （1）添加助溶剂，由于甲醇和柴油的物理化学性质,两者是很难溶在一起的如果在不采 取任何的措施的情况下。在燃料喷入发动机之前是通过压力混合或者是加入添加剂助溶的 方式将甲醇和柴油融合在一起,然后通过发动机的燃料供给系统把混合后的甲醇和柴油混 合燃料喷入柴油发动机气缸内,着火燃烧。 （2）微量柴油引燃法，柴油引燃法是指通过进气系统或供油系统向柴油机气缸内注入部分甲醇燃料,使其在气缸内形成部分混和可燃气体。通过喷油嘴将柴油喷入气缸然后压缩并引 燃甲醇燃料混合气。 （3）助燃法，甲醇应用于柴油发动机的自发着火是比较困难的,因此一些人认为,可以采取某些措施,以帮助甲醇着火燃烧,目前所采用的主要方式有火花助燃法、热表面助燃法、 电热塞助燃法、火花塞助燃法是指燃料在发动机社内喷射,形成不均匀混合气,依靠火花塞 来点燃可燃混合气,以传播火焰的方式燃烧。电热塞和热面助燃法也与火花塞助燃法类似 。 采用这些方法也可以燃烧纯甲醇 。 （4）直接压燃法。在柴油机上将甲醇直接压燃是非常困难的,这是因为甲醇的十六烷值非常低,所以采取辅助措施压燃甲醇石油必要的。我们通常采用的辅助措施主要有：添加十六烷值改进剂在甲醇燃料中；将压缩终了温度升高等。为了使压燃甲醇柴油混合燃料不再那么困难,要在采用的辅助措施的同时采取进气预热措施。针对上述几种方法,进气管喷射法和 表面活性剂法是目前应用的最多的两种方法。b)纯甲醇在柴油机上的燃烧： （1）十六烷值升高剂。因为甲醇的十六烷值很低,和柴油的理化性质差异较大,在柴油 机上直接燃用是比较困难。如果我们适当的提高发动机的压缩比,并在甲醇中添加适量的十六烷值增高剂,以达到和柴油相当的十六烷值,并且采取进气预热等方式,这样可以改善甲醇的着火性能,以此来实现甲醇在柴油机上直接压燃使用。这与甲醇柴油混合燃料直接压燃的方法类似。 （2）火花助燃。利用高能点火或者是多火花点火,可以在柴油机上燃用纯甲醇。像西安 交通大学开发的轴向分层燃烧系统等。考虑到甲醇的滞燃期较长,试验中适当提前甲醇的喷 射定时和火花点火提前交。发动机电热塞或热面点火燃用纯甲醇,可以认为是火花点火的一个特例,实际应用并不多。（3）火花点火甲醇氢富气。将甲醇改制成为氢富气,用电火花点火燃烧。为了提高发动机的功率水平，还可以再向燃烧室内喷入一定量的甲醇。1.1.3 甲醇燃料推广应用存在的问题 甲醇和柴油或汽油的混合燃料虽然存在着自己本身的优点,但同时在实际的应用中也存在着一些问题：（1）甲醇存在腐烛问题,对金属有较强的腐烛性,对非金属材料也有损坏作用,这些会给气门和气门座、喷油泵零件和高压油管、塑料橡胶件等带来了不利影响。 （2）甲醇与燃油的相容问题一直是困扰甲醇使用的关键问题,就当前的技术而言,乳化技术还不能很好地解决这一问题,其使用的助溶剂比例较大,在常温下易变质。（3）在甲醇作为代用燃料的研发、推广和应用过程中，其毒性一直深受人们的关注。甲醇确为一种有毒的化合物，可经过呼吸道、皮肤以及消化道进入到人体中，经消化道中毒的多为误饮。甲醇的毒性主要是体现在其会对人体的中枢神经系统、视神经和视网膜造成危害。 （4）甲醇在柴油机上燃烧后的非常规排放的研究不多,排气中含有甲酵、甲酸和未燃醇等非常规排放物,这些物质容易形成二次的污染,对环境构成了极大的威胁。 （5）关于在加速工况下甲醇燃烧对柴油机性能的影响相关的报道也很少,如：加速工况下甲醇的比例对柴油机的动力性、经济性和排放特性的影响。 （6）甲醇柴油机的喷油规律研究的成果较少。如：喷油压力、喷油时刻、喷油量对柴油机的燃烧特性、动力性、经济性、排放特性的影响。1.2甲醇燃料电池1.2.1应用现状ch3oh燃料不仅可以作为内燃机的替代燃料，还可以通过ch3oh重整制氢直接为燃料电池提供h2。由于氢燃料电池具有高效环保的优点，成为了车载动力最有前景的替代能源。曹湘洪院士在氢能开发与利用的关键问题中也提出，氢能是实现一次能源高效利用的最有效途径，是最清洁的二次能源，系统完整的技术支持是实现氢能开发利用的关键。因为ch3oh具有能量密度高、易存储、来源广泛、安全可靠以及可现场制氢等优点，是车载燃料电池理想的动力能源。甲醇燃料电池不仅可以应用于乘用车，也可以应用于物流车、大巴车、船舶等交通领域市场。国外对车载氢燃料电池技术已有多年的研发经验并陆续发布燃料电池车型，比如日本丰田的mirai车型、本田clarity，德国的奔驰车型，韩国现代的fcv，而美国加州是全球最大的燃料电池乘用车市场。国内最近开始关注氢燃料电池技术，中国自2002年开发第一款燃料电池车开始，现已经过十几年的技术更新，也正逐步接近世界先进水平。目前，上汽集团的乘用车荣威车型已投入市场，国内首款量产车型大通fcv80宽体轻客在2017年开启发售。现在以郑州宇通客车、北汽福田汽车为代表的商用车已经开发出来第三代燃料电池客车。东风特汽、中国重汽也将开发各自的燃料电池车。2017年10月中车株洲电力机车有限公司旗下的浙江中车电车有限公司在比利时科特赖克国际客车展览会上正式发布了全球首创的12米的甲醇自热重整制氢燃料电池 超级电容储能的城市客车。当前，国内外的氢燃料电池车都直接以h2为动力源，以ch3oh为动力源的燃料电池车型还比较少。国内各科研机构以及企业已经开展了有关甲醇燃料电池结构、材料、性能等各方面的研究作，各大车企和能源公司也开始研究甲醇燃料电池的应用。在商用车领域，2018年10月，由东风汽车公司开发的全球首批基于ch3oh重整氢燃料电池轻型卡车在昆山国际车展举行正式投入商业运营发布仪式。1.2.2甲醇制氢技术(1)甲醇分解制氢，该反应是合成气制甲醇的逆反应,合成甲醇的催化剂均可用作其分解催化剂,其中以铜基催化剂体系为主。文献介绍了一种负载型熔融盐催化剂,如cucl-kcl/sio2,即是将cucl、kcl混合熔化后负载到载体sio2上,该类催化剂对甲醇分解显示出较好的活性和选择性,且催化剂在受热时有较好的弹性形变,在高温下,反应速率加快,这一点作为车上供氢就显得非常重要。

2. 研究的基本内容与方案

本次研究将围绕甲醇在交通行业的应用展开探索，鉴于当前甲醇的应用技术主要为充当发动机燃料和充当燃料电池的间接动力源，研究的主要内容为： a)甲醇作为发动机燃料的各项技术及经济性和排放， b)甲醇作为燃料电池燃料的各项技术及经济性和排放， 总结以上两种技术途径的特点及比较。

目标是比较甲醇作为发动机与燃料电池燃料的不同，为甲醇燃料应用技术路线的选择决策提供参考。

本次研究将采用比较的措施，从前人实验结果中提取各项上述指标，并将所有结果归一化进行对比，综合考量经济性、动力性、排放性能三项指标，同时考虑可行性和安全性等必要因素，选出甲醇在交通领域的最佳使用方案。

3. 研究计划与安排

设计时间：2020年2月24日至2020年5月30日共16周答辩时间：2020年6月6日进度安排如下：时间安排第1-3周查阅文献、论文翻译第4周 完成译文及开题报告第5周 燃油、甲醇、电池等相关所需材料价格调研第6-7周甲醇作为发动机燃料与传统发动机的对比第8-9周甲醇作为燃料电池燃料与传统发动机的对比第10周 对两种方案进行对比并选出最优方案并完成初稿第11-12周修改完善论文第13-14周初稿交指导老师审阅，修改定稿，装订成册第15周 论文交评阅老师审阅第16周 毕业答辩

4. 参考文献（不低于12篇）

[1]张凡.甲醇汽油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究[d].清华大学,2010.

[2]曾丽丽.甲醇燃料在内燃机上的燃烧特性初步研究[d].天津大学,2012.

[3]朱清江.甲醇汽油使用性能与技术研究[d].长安大学,2006.