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甲醇汽车行业发展与建议
时间:2020-09-03 14:02:10

天津大学 姚安仁

一、甲醇行业发展概述

美国甲醇研究会根据甲醇的物理化学特性,仔细分析了大规模使用甲醇时,对周围环境例如地表水、地下水和空气等的影响。根据美国环保局1994年毒物排放清单(toxics release inventory,TRI)年报中指出,1992年工业化学品向环境的排放量,甲醇已名列第三。这些甲醇主要来源于胶黏剂制造厂、汽油辛烷值增强剂甲基叔丁醚(MTBE)生产、造纸行业和其他化工产业。空气中的甲醇易发生光氧化过程,半衰期为3~30天。水中的甲醇通过挥发进入空气中,减小了甲醇的浓度,且发生生物降解,土壤中的甲醇也易于发生生物降解。

总体来说,燃料甲醇发生火灾的安全性是要比燃料汽油好,正由于燃料甲醇的这种火灾安全的特点,在运输、存储、添加以及使用过程中,由于火灾造成的人员伤亡、财产损失等要比燃料汽油小得多。

20世纪70年代初发生的石油危机严重影响了很多国家的经济发展,从此掀起了对能源现状、前景及替代燃料研究、开发的热潮。

我国的煤炭资源相当丰富,而且相对集中,煤化工产业发展较快,煤制甲醇产能富余。因此早在“七五”期间我国原国家科委就组织以中国科学院工程热物理研究所为首的甲醇发动机技术攻关协调组,将国产492汽油机改为M90甲醇发动机,进行了大量的试验研究工作。后来我国与德国合作,对德国大众公司的桑塔纳甲醇发动机及整车进行了全面的试验研究,并对大众公司的多种燃料汽车发动机进行了性能测试。1994年又与美国福特公司合作,共同开发小排量1.3L灵活燃料发动机及汽车。

目前在我国部分甲醇产能较大的地区,如山西、陕西等地已经初具产业化条件,主要应用方式是与汽油掺混使用,如掺15%甲醇的M15等。国家于2009年发布了M85的甲醇燃料标准,目前每年实际应用于掺混的甲醇燃料量超过300万吨。

近些年国内部分汽车企业纷纷投入了甲醇汽车的研发。

1)上海华普汽车有限公司于2005年底立项开展甲醇燃料轿车的研发工作,选择海尚MA、海域380等3种车型和JL479M1.5升发动机,以M100甲醇作为燃料,对发动机燃料供给系统、电喷系统、排气系统、电器系统等进行了系统开发,于2006年10月完成了M100甲醇轿车功能样车试制工作。2007年10月,完成了甲醇燃料轿车工装样车的研发工作。2008年,上海华普汽车对甲醇发动机及整车分别进行了高寒高原高温地区发动机强化耐久、整车道路可靠性和排放试验,试验足迹遍布我国东北、西北、西南等各省区,累计试验里程近100万公里。“三高”试验标定结果是:在气温分别40°C、海拔4000米以上的条件下,甲醇燃料汽车冷态起动正常,动力性能及驾驶性能良好。发动机强化耐久试验标定结果是:燃烧、润滑状况极佳,经精密测量分析,各关键运动部件的摩擦、磨损均在正常范围。整车道路可靠性试验标定结果是:性能优越、动力性好,最高车速160km/h,一档起步加速至100km/h所需时间为15.8s(汽油为16.2s),替代比1.6以下,经济优势显著。排放试验标定结果是:常规排放为国四标准限值的30%以下。甲醛排放0.8mg/km,相当于美国加州排放标准的1/10。

到目前为止,上海华普汽车已研发出1.5升JL479QAJ和1.8升JL481QJ两种发动机,可搭配SMA7152MF和SMA7182MF两种车型,是国内唯一一家按照新车开发流程和现行汽车行业标准,进行甲醇燃料汽车规范化开发的汽车企业,也是最早完成产业化,具备小批量生产能力的汽车企业。

2)奇瑞汽车有限公司于2005年10月开始启动甲醇汽车项目,选择1.6升SQR480发动机和旗云牌轿车进行整车使用M100、M85、M15和纯汽油多比例甲醇车开发,完成了燃料系统材料耐醇性、整车冷起动、燃油泵耐久性等的考核工作,完成了发动机耐醇零部件、专用润滑油、冷却系统、曲轴箱系统、压缩比的定型等开发工作。并于2007年3月,将13辆甲醇燃料车送山西太原进行试运行,同年6月经专家组评议认为:奇瑞甲醇车动力性、经济性、冷起动、驾驶性等方面达到并优于原汽油车。

2008年5月奇瑞公司为了满足国家排放法规的要求(国三+OBD),启动了SQR477甲醇发动机项目,由于具备了甲醇发动机开发经验,477发动机很快完成了开发,7月发动机设计冻结并生产3台样机,10月顺利完成2轮50小时超速试验、1轮500小时额定功率试验;477发动机动力性、经济性、排放性能均优于原机。经过大量试验表明,常规排放:使用M85-M100甲醇车与原汽油车相比,平均CO降低26%,HC降低43%,NOX降低47%;使用M15甲醇车和原汽油车相比,平均CO降低23%,HC降低28.5%,NOX降低10%。非常规排放:催化前甲醇机甲醛排放量是汽油机的2倍多,催化后甲醛排放甲醇机小于汽油机。甲醇机动力性:M85-M100可提高10—15%,M15两机相当。

截至目前,奇瑞公司在甲醇项目上已投入近3000万的资金,开发两款发动机及新旗云甲醇车,逐步拓宽其他车型;将形成年产甲醇发动机5万台和年产整车3万辆的生产能力。

3)一汽靖烨发动机有限公司2008年开始在CA6101B6汽油发动机基础上研制开发了CA68H-ME3(100)甲醇发动机,并于2008年8月成功搭载在一汽解放汽车有限公司CA3160自卸车上。同年6月启动了在一汽锡柴6DF2-24柴油发动机基础上研制开发CA6SF-24M大马力甲醇发动机项目,该项目将原柴油机的燃油喷射系统进行了适当改装,同时增加了一套点火装置,使用火花塞点燃甲醇进行工作,2009年10月,在原悍威84自卸车的基础上搭配该型甲醇机,开发、试制CA3313PZMB1T4EJ自卸车,并于2010年3月完成整车试制工作,整备后发运至山西煤矿进行道路试验。同时,一汽靖烨发动机有限公司于2009年在CA4102汽油发动机基础上,又开发了一款CA4SH-ME3甲醇发动机,至此,一汽靖烨发动机有限公司具备了3款甲醇发动机,分别适合轻、中、重型客车和卡车使用。

我国开展甲醇汽车研发和应用取得了大量的技术成果和宝贵经验,形成了一定的规模。“十一五”以来,甲醇作为车用替代燃料逐步发展,《车用甲醇汽油(M85)》和《车用燃料甲醇》两项国家标准颁布实施,甲醇汽车开发、试验等活动取得积极成果。2012年有国家工业和信息化部开展甲醇汽车试点。陕西、山西、甘肃、贵州和上海的十个城市参加试点工作。共有32款列入工信部管理公告的车辆,类型包括乘用车、厢式车、重卡车。在国家层面全面、系统对甲醇汽车的性能、对人员和环境的影响等进行考核。

4)甲醇燃料的相关政策

工业和信息化部在对相关研究实验结果进行充分研究和评估后认为,组织开展甲醇汽车试点运行的条件已经基本具备。因此,2012年2月工业和信息化部针对甲醇汽车特点和产业发展现状,颁布了《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》,积极稳妥地推进高比例甲醇汽车试点工作,希望通过试点评估验证甲醇汽车的技术和安全性,促进甲醇汽车产业健康发展。同样,国务院办公厅印发的《意见》中也要求积极开展汽油/甲醇双燃料点燃式内燃机、柴油/甲醇双燃料压燃式内燃机的应用试点工作。可见不论是国家还是企业都在积极推动甲醇替代燃料的产业化应用,在我国目前的能源形势下,甲醇等替代燃料将会迎来一个快速发展期。

表1 2000年以来国家级省市甲醇汽车及燃料重点政策

二、我国甲醇汽车技术进展

1、甲醇在点燃式发动机上的应用方式

甲醇在发动机上的应用,按照发动机的类型主要分为两个大的方向,即在点燃式发动机上的应用和在压燃式发动机上的应用。由于甲醇的性质易于在点燃式发动机上使用,因此在点燃式发动机上应用甲醇开始的时间较早,而且技术路线相对统一和成熟。而由于甲醇的十六烷值很低,使其在压燃式发动机上的应用困难重重,技术路线也各有差异。

甲醇在点燃式发动机上的应用有多种实现方式。

1)甲醇汽油掺混燃烧方式

甲醇与汽油掺混就是将甲醇与汽油按照一定的比例混合,并通过助溶剂的作用,形成稳定的不分层的混合燃料,而后在各加油站供应。通常选用的助溶剂有醇类、苯、酯类、乙醚、丙酮、甲基叔丁基醚及杂醇等。体积分数为10%以下的低比例甲醇汽油可与汽油一样使用,发动机不用作任何改动,不仅不会影响汽油机的动力性,还可以改善汽油机的经济性,并降低排放。当汽车燃用甲醇体积分数约为10%-20%的中比例甲醇汽油,如M15时,对发动机的点火提前角和喷油量基本不需调整。燃用高比例甲醇汽油,如M85时,必须对发动机进行优化调整,如喷油量、改进燃烧室的结构设计、大幅度提高压缩比,以能充分发挥甲醇燃料的优良特性,使发动机的动力性、热效率(燃料经济性)和排放性都比原汽油机有大幅度改善。采用甲醇汽油运行的发动机,由于带有三效催化转化器,所以排放品质与汽油燃料没有差别。

采用甲醇汽油掺混燃烧方法,汽车只需要一个油箱,而且还可以方便地利用现有供油设备建立分配供应系统,投资相对较少。该方法的主要缺点是甲醇的掺烧比例不能改变,在储运过程中需要注意甲醇汽油分层问题,对于燃用高比例甲醇汽油的车辆还存在冷起动的问题,另外,发动机采用甲醇汽油作燃料时,所有涉醇部件务必选用耐甲醇腐蚀的材料。

2)纯甲醇点燃应用的方式

纯甲醇燃烧是指发动机正常工作时以纯甲醇作为其唯一燃料的应用方式,这种方式热效率和排放都优于原汽油机,而且能够避免甲醇汽油的分层问题。使用纯甲醇燃烧方式,应对发动机进行必要的改动,主要包括:(1)提高压缩比,以充分发挥甲醇辛烷值高的优势,压缩比提高后,宜采用冷型火花塞;(2)加大输油泵的供油能力,以避免气阻;(3)加大燃料箱,以保证必要的续航里程;(4)改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性等;(5)用附加供油系统或加强预热等措施,改善冷起动性能。

目前为了解决纯甲醇燃烧冷起动问题,已经投入使用的方式为发动机起动时采用汽油,当发动机热机正常运转以后切换至纯甲醇燃烧方式运行。但是需要在车上另外安装一个用于存放冷起动用汽油的副油箱,布置稍显复杂。

国内的吉利汽车公司已经正式出产此种燃烧方式的乘用车,并参加工信部试点,是试点的主力车型。目前此种车型大量生产并装备于出租车,在贵州省和陕西省大量应用。于2016年出口到冰岛国进行试验运行。

3)改质甲醇燃烧应用方式

甲醇改质是利用发动机排气的余热将甲醇裂解成为H2和CO,然后再输往发动机燃烧。甲醇的改质需要借助催化剂的作用,吸收排气的余热来进行,有效回收了一部分排气热量,有利于热效率的提高;甲醇改质气的混合气形成质量好,燃烧完全度高,CO和HC排放少,由于采用稀混合气,燃烧温度低,NOX的排放浓度也较低。

因发动机的排气温度随工况而变化,甲醇改质气的成分又随发动机的排气温度而变化,因此工况不同,所提供的甲醇改质气的成分也就不同,对于复杂多变的道路工况而言,瞬态控制具有一定的难度。另外,甲醇的改质受到催化剂的诸多限制,而且成本较高,因此,还没有出现实际应用的范例。

2、甲醇在压燃式发动机上的应用

压燃式发动机的热效率高,燃油经济性优于火花点火式发动机,推广压燃式发动机燃用甲醇燃料,在节约柴油和降低大气污染上具有现实意义。一方面,汽车数量的增加,对柴油的需求量也逐年增加,而炼油厂产出的柴油与汽油的比例受原油本身组成和工艺流程的约束不可能大幅度增加。2008年以来我国频频出现了柴油供应紧缺的现象,甚至出现“柴油荒”;另一方面,大量试验表明,在压燃式发动机中掺烧甲醇燃料,能大幅降低排气中的碳烟,同时NOX的排放也能得到降低。

据美国统计,美国小客车与轻型车是以火花点火式发动机为主,公路上车辆只有约3%是用压燃式发动机,但1997年NOX总排量的25%以上是来自压燃式发动机,压燃式发动机排出的碳烟微粒是火花点火式发动机的100~200倍,约占碳烟微粒的45%。

因此,在高热效率的压燃式发动机上使用清洁高效的醇燃料,不但可以减少柴油的消耗,缓解石油供应的紧张,减少CO2排放,而且还可以改善压燃式发动机的排放,发挥醇类清洁燃料的优点。但是,醇类燃料的理化性质与柴油相比,十六烷值低(不到柴油的十六分之一)、自燃温度高、汽化潜热大、粘度低、润滑性差、难与柴油相溶,不能简单地使用现有的供油设备直接在压燃式发动机上掺烧或使用纯醇燃料。在压燃式发动机中使用掺烧醇类燃料或直接使用纯醇燃料比在火花点火式发动机中难度大,技术也相对复杂。因此,甲醇尽管作为燃料已经较为广泛地应用在点燃式发动机上,但在压燃式发动机尚未见到有商业使用的报道。

由于醇类燃料在理化性质上与汽油及柴油有差异,要在压燃式内燃机中燃用甲醇燃料,就要对发动机的结构作些变动或对燃料供应系统自身做较大改变。但是,由于用作商用车的压燃式发动机量大面广,而且耗油量多,尝试在压燃式发动机中掺烧甲醇的研究工作一直在进行中。集中起来,压燃式发动机上使用甲醇燃料主要包括下文提到的几种方式。

1)乳化法

柴油掺醇燃料可采用乳化的方法配置。乳化燃料的历史较长:20世纪40年代出现;20世纪60年代开始对柴油-水乳化燃料进行广泛研究;20世纪90年代,国内外学者开始研究柴油-甲醇-水乳化燃料。甲醇-柴油乳化燃料是通过添加乳化剂的方式在机械力的作用下使甲醇以分散相的形式分散在柴油中,形成一种多相体系的油包水型溶液。

甲醇和柴油是两个不相溶的相,混合在一起产生两相的表面张力,加入具有亲水和亲油两重性质的乳化剂,吸附在界面上降低了表面张力,并在机械力的作用下提高了甲醇的稳定性,因此为了提高甲醇柴油的稳定性,必须选择合适的乳化剂(表面活性剂)和乳化设备。另外,乳化柴油燃料都使发动机热效率有所提高,同时降低了微粒排放,但也引发功率下降和缸套生锈腐蚀等问题[1]。

2)助燃法

甲醇十六烷值低,不能在压燃式发动机中直接压燃着火,如果在甲醇中加入适量的十六烷值改进剂,使甲醇的十六烷值达到与柴油相当的数值,则可以使甲醇在压燃式发动机中直接燃烧。但是,由于着火助燃剂添加后的着火时刻难以控制,仅在研究中采用。

借助某些措施来辅助醇燃料着火燃烧,主要有火花助燃法、热面助燃法和电热塞助燃法。但是,缸盖上不仅要安装喷嘴,还要预留出火花塞等的位置,结构复杂;火花塞、电热塞、热面受醇的激冷作用,寿命短,可靠性差;低负荷会有失火现象发生,HC、CO 排放差。甲醇发动机的压缩比高,因此最大爆发压力比原来的压燃式发动机高,同时未燃用甲醇及甲醛的排放也比较高,特别是冷起动及暖机阶段,因此需要采用电加热的催化器以降低甲醛的排放。尽管采用高压缩比,但在低负荷及部分负荷时,缸内甲醇混合气的温度仍较低,使滞燃期延长,燃烧过程结束过晚,使比能耗比较高。

因此在起动及暖机阶段,如果采用电热塞或者排气再循环使进入缸内空气温度升高,则需要向甲醇提供较多的热量使其汽化,以缩短滞燃期,降低比油耗。甲醇直接压燃式发动机压缩比的范围为16:1~ 20:1,较高的压缩比有利于甲醇的汽化,但也造成爆发压力高,会使甲醇“早燃”或“爆燃”。

3)柴油引燃法

通过进气系统或供油系统向压燃式发动机气缸内输入部分醇燃料,在气缸内形成部分预混可燃气体。然后用喷嘴喷入柴油引燃醇燃料混合气。引燃法可以分为:缸内双喷射法和进气管喷射法等。

缸内双喷射法在气缸上安装两只高压喷嘴,一只喷柴油、一只喷醇,柴油引燃醇。它的优点是可以使用含水的甲醇。缺点是改动气缸盖较为复杂,成本高。气缸盖上安装两只高压喷嘴,还要安装电热塞,结构复杂。高压供给醇的系统偶件磨损严重。该种方法的甲醇替代率以体积计可以达到90%以上,能使用粗甲醇,压燃式发动机的PM排放大幅下降,NOX排放也能改善,但THC和CO排放比原压燃式发动机增加,而动力性和经济性保持不变。

双燃料法,又称反应受控压縮点火(RCCI)法。甲醇以低压从进气管喷进,气化后进入气缸,和随后喷进的柴油一起燃烧。国内外对此都有研究。2004年天津大学提出柴油/甲醇组合燃烧的概念。该技术核心是:在同一台发动机上,按照发动机最优性能需要而采用不同的燃烧模式。具体实施是:在起动、暖车及小负荷工作时,发动机以纯柴油工作实现扩散燃烧,而在中高负荷时,在压燃式发动机进气管喷射部分醇燃料,与进气形成均质混合气进入气缸,由柴油引燃实现准均质混合气燃烧,以此实现高效清洁燃烧。

这种甲醇/柴油的双燃烧方式,与以往不同的是,甲醇喷到进气道时是通过压力雾化,其喷射量和喷射时刻完全受电控系统所控制。甲醇在进气压缩过程形成比较均匀的预混混合气,在上止点前喷入适量柴油对进入气缸的甲醇进行引燃,这实际上组成了预混压燃甲醇/柴油双燃料发动机。

由电控系统管理的甲醇/柴油双燃料发动机,在通过了动力性、经济性、排放特性的台架试验和整车路况试验后,表明该系统完全可以应用到压燃式发动机上,具有良好的应用前景。发动机中高负荷的动力性、经济性和排放性与燃用纯柴油相比,得到了不同程度的改善。压燃式发动机排气中的颗粒和碳烟大幅下降,而且NOX的排放也有所改善。通过氧化后处理,可大幅降低因掺烧甲醇导致的HC、CO和PM的增加量,使双燃料发动机的这些排放达到燃烧纯柴油的水平。该技术装备的重型卡车参加工信部组织的甲醇汽车试点,与2017年7月通过工信部组织的专家验收。获得高度评价。

3、国内外技术差距比较分析

1)甲醇动力国内外应用技术比较

我国甲醇汽车目前采用的技术路线主要是两种。一是进气道喷进汽油,由火花塞点燃起动发动机,待发动机整机温度达到甲醇蒸发温度后,由进气道喷进甲醇,再由火花塞点燃甲醇混合气工作。另一种是柴油直接压燃起动,待发动机整机温度达到甲醇蒸发温度后,由进气道喷进甲醇,气化后进入气缸由随后喷进的柴油一起燃烧。上述两种方式,分别应用于乘用车和重型商用车。前者应用于点燃式乘用车和商用车,后者用于压燃式商用车。

国际上仅见德国的曼(MAN)公司和瓦锡兰公司采用柴油引燃甲醇的双燃料方式。2018年斯堪尼亚(Scania)出品甲醇商用车。我国甲醇汽车技术无论是应用规模还是类型都居于世界前列,领先于国际水平。

2)甲醇在发动机上的应用技术

根据甲醇汽车试点的结果和目前运行结果比较,甲醇汽车的百公里消耗甲醇为15升左右,与同类机型的汽油车相比,经济性大约提高20-30%。以西安运行的出租车燃料费用比较,当地的甲醇为1.9元/升(有当地政府补贴),甲醇出租车的公里费用约为0.32元,汽油为0.54元。贵阳市甲醇价格2.9元/升,燃料费用支出要高西安水平,但与当地汽油相比,还是节约20-30%。由吉利公司出品的甲醇重卡需要消耗甲醇105-120升/100公里。

重卡采用天津大学甲醇/柴油双燃料技术,在实际应用中,甲醇对柴油的可以平均达到50%以上。替换一升柴油所需要的甲醇平均仅为1.5升,燃料效率可以提高的20%以上。

甲醇系含氧燃料,汽化潜热分别是汽油的2.5倍和4.3倍。在日光下燃烧时不可见,暗处可见淡蓝色火焰。如果燃烧不完全,会有少量醛类物质产生。由于甲醇的清洁特性,1973年美国麻省理工大学大学汤姆斯.瑞德教授在《科学》上撰文,建议在汽油中加入适量的甲醇以减轻汽油机怠速时未燃碳氢和一氧化碳的排放。上世纪90年代,美国在加州开展甲醇汽车示范时曾就甲醛排放制定限值要求。随后,针对排放的升级又对排放限值做了调整。至2012年之后,该法案中关于甲醛的限值便没有再做变化。美国加州关于甲醛的排放标准见图2.1。

图2.1 2005及后续型式点燃式重载发动机排放限值

该标准针对各类重型点燃式发动机提出相应的甲醛要求,其中对于甲醇燃料发动机自2005年-2007年甲醛排放限值0.05g/bhp/hr(见上述标准中注解D),其他点燃式发动机甲醛排放限值,同时段为分别对应超低排放(ULEV)超超低排放(SULEV)分别为0.05 g/bhp.hr 和0.025 g/bhp.hr ,2008年以后为0.01 g/bhp.hr。我国对重型点燃式发动机除了甲醇发动机外,其他任何燃料发动机对甲醛排放没有设置限值要求。

美国加州对甲醇燃料发动机的甲醛排放限值要求1993-1995年规定为0.1 g/bhp.hr,1996年以后规定甲醛排放限值统一为0.05 g/bhp.hr,见图2.2。

图2.2 1993年以后点燃式甲醇发动机甲醛排放限值

基于以上限值为参考依据,考虑到技术的进步,我国工信部2012年甲醇汽车试点中确定甲醇燃料发动机的甲醛排放限值为乘用车为10mg/km,重型商用车为50mg/kWh,比美国相应限值低了1.35倍。

关于压燃式的柴油甲醇二元燃料燃烧方式的甲醛排放,由于全球并无此类同样的燃烧类型,试点时制定甲醛排放限值时一是根据实际试验的结果,二是参照美国加州对于超低排放柴油机的要求。采纳了的数值25mg/kWh,比美国加州要求的限值0.025g/bhp.hr要严1.35倍。

目前工信部等8部委颁发的联节字61号文件要求满足国VI排放的甲醇车的甲醛排放试行限值为乘用车2.5mg/km,商用车为20mg/kWh。

三、甲醇汽车生产和应用现状

目前,我国甲醇汽车处于初始发展阶段,乘用车以吉利公司的产品为主,主要在陕西和贵州推广应用。应用的车型主要是两地的出租车,各自现运行的车辆近7000台,两省2019年底预计将达到1万台。

点燃式的甲醇燃料商用车2019年4月刚由吉利汽车公司推出。压燃式甲醇商用车采用甲醇/柴油二元燃料技术,在参加完甲醇汽车试点后,目前处于生产准备阶段。主要的商用车生产企业,陕重汽、华菱和东风商用车都表达了生产的计划。

据了解,经过多年的科研、试验、试运行,我国甲醇汽车已日渐成熟,并且在试运行地区形成产业链。而今甲醇汽车将借力政策“东风”迎来发展大时代。

工信部将按照因地制宜、积极稳妥、安全可控的原则,重点引导和支持陕西、贵州、山西、甘肃等通过验收的甲醇汽车试点地区,加快建立市场化推广应用机制。

为全面系统地评估甲醇汽车适用性、可靠性、经济性、安全性、环保性等,自2012年起,工信部先后在晋中、长治、上海、西安、宝鸡、榆林、汉中、兰州、平凉、贵阳等10个城市开展甲醇汽车试点工作。几年来,甲醇汽车试点工作取得了积极成效。

关于重型甲醇汽车市场化,工信部将积极支持重型甲醇汽车推广应用,加快推动在《道路机动车辆生产企业及产品公告》管理中,对包括重型车在内的甲醇车辆放开区域限制;鼓励和支持地方政府及相关企业,重点在国家基础设施建设如高铁、港口、机场等领域,以及资源类开采如露天矿产、盐田等领域,优先选择使用重型甲醇商用车,加大推广应用力度;支持企业提升甲醇汽车制造能力,重点推广应用甲醇/柴油二元燃烧技术,开发甲醇商用车等多种车型产品,以满足市场需求;加快制定甲醇/柴油燃料发动机技术条件、重型甲醇汽车燃料消耗量及污染物排放限值及测量方法等技术标准,完善标准化支撑。

甲醇汽车的核心零部件主要有甲醇喷射管理、供醇、尾气后处理等系统组成。

1、控制系统

无论是点燃式还是压燃式,针对甲醇特性都是需要借助于汽油或柴油先行启动,然后必须等发动机温度达到甲醇蒸发要求之上才能喷进甲醇工作,因此,甲醇的控制系统相对于目前的汽油或柴油车都是全新开发的。甲醇在进气道喷射,与空气混合进入气缸,在控制方面,不改变原机ECU的喷射策略,需要增加一个独立控制甲醇喷嘴的ECU,或者将甲醇的控制ECU与原机ECU合并成为一个系统管理。未来重点技术发展是:单一ECU和精细化双主式ECU控制系统。

甲醇是极性分子,具有导电特性。在使用中会由于导电以及甲醇的腐蚀性会对供醇提出特殊要求。需要专门开发相应的甲醇泵、甲醇喷嘴、供醇管路、甲醇过滤装置。目前国内汽车零部件生产企业需要针对性进行开发,以满足甲醇汽车的要求。

2、尾气处理系统

甲醇含氧,燃烧速度快,燃烧无烟无焰,并且在商用车上又替代部分柴油,所以甲醇用在商用车上不仅具有高的热效率,而且排放更清洁。采用柴油/甲醇组合燃烧技术的商用车仅需耦合简单的后处理装置氧化催化器(DOC)就可满足国V排放标准。但是随着国VI排放法规的发布,对柴油车的尾气排放要求更加苛刻,仅靠简单的后处理装置已经不能满足即将实施的国VI排放法规,为了满足国VI的发展要求,甲醇商用车结合自身燃烧产生的碳烟和NOx低的优点发展一条属于甲醇商用车的国VI排放路线,即是甲醇+EGR +DOC+DPF路线。目前天津大学正与华菱星马进行合作开发。未来重点技术发展是:不加装SCR的甲醇+EGR+DOC+DPF的国VI排放路线。

四、甲醇汽车行业发展与建议

甲醇作为新兴燃料进入燃料的市场尚属新生事物。对于甲醇汽车未来广泛的使用还存在一些很大的挑战。

1、加注站建设归口不明

2012年工业与信息化部颁布了文件《关于开展甲醇汽车试点工作的通知》(工信部节[42]号),在陕西、山西和上海“二省一市”启动了甲醇汽车试点,2014年贵州和甘肃又加入到试点工作中。试点意见要求在限定区域、限定燃料、限定车辆开展工作。从甲醇的安全性、环保性、经济性、动力性、适应性和可靠性以及使用中对环境和人体健康等方面全面进行考核。2013年,国务院发布《关于加强内燃机工业节能减排的意见》,该意见从响应国家节能减排战略出发,为减少汽车单位能耗和污染物排放量,重点加快内燃机替代燃料多样化发展,将甲醇燃料及发动机被列为重要的替代燃料之一。2019年8部委联合发布的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》。以上政策的出台从国家层面上响应了甲醇汽车试点工程,确立了甲醇车和甲醇燃料作为国家能源多元化的一部分。文件的出台促进了众多发动机生产企业展开了此类研究,为甲醇汽车及产业化快速发展提供了重要的政策支持。

但是,甲醇在应用中还是存在很大的困难。首先是甲醇加注站建设难以落实。我国液体燃料供应与管理归口商务部,气体燃料如天然气归口国家能源局。甲醇属于新型液体燃料,管理归属不明。造成加注站建设十分困难。目前规模应用的陕西和贵州两省都是直接由地方政府部署。没有明确的只能部门对口管理,给甲醇汽车推广应用带来极大的困扰,形成了既在市场很大,条件很具备,往往无法开始的尴尬局面。

从整个产业相关政策的支持面与支持力度来看,工信部2012年开始的甲醇汽车试点,完全依靠市场化运行。虽然,甲醇没有国家在财政上的支持依靠市场也得到发展,但是由于国家对甲醇汽车的发展缺少财税支持相关政策,一定程度上制约了我国甲醇汽车的发展。从地方政策来看,在一些资源丰富的地区,如山西省、陕西省,不仅参加试点的规模较大,参加试点的积极性也很高。省政府在财税政策、资金补贴、牌照发放、燃料加注、土地出让、政府优先采购等方面都给予了大力支持,为地方省市甲醇汽车产业的发展提供了重要的资源要素保障。

2、在用车的支持政策

根据前期甲醇汽车运行情况看,多地都曾在一定程度出台一些政策支持甲醇汽车的发展,比如甲醇汽油和在用车改成运行甲醇燃料等。尤其是甲醇柴油二元燃料燃烧技术不仅对于新生产的甲醇汽车赋予了低排放的特性,对于现有车辆的排放升级改造也具有很好的效果。如果能够从政策对于甲醇燃料升级在用车排放升级给予一定政策支持,对于推动打赢蓝天保卫战将会提供可行的技术路线。

3、甲醇相关标准建设需要加快

产业标准对于规范甲醇汽车及甲醇燃料产业生产尤其重要,是产业化的通行证。从国家层面的产业标准来看,2009年,《车用燃料甲醇》、《车用甲醇汽油(M85)》两项国家标准对于甲醇燃料产业化推广意义重大,明确了相关生产标准(见表3),2015年工信部印发《车用甲醇燃料加注站建设规范》、《车用甲醇燃料作业安全规范》,进一步规范了甲醇燃料加注站的标准化运营,基础设施建设的通行标准也将为吸引社会投资提供机会,配套基础设施建设规模化、网络化推广在制度层面已不存在制约。

但是,对于全面推进甲醇燃料生产应用,由于目前甲醇汽车、甲醇燃料等相关的国家标准仍然不健全,影响了甲醇作为替代燃料的发展。其它涉及甲醇汽车产业的质量标准还包括甲醇汽车、甲醇燃料国家级检验检测,这也有待进一步向专业化方向发展。

目前甲醇汽车的技术条件、甲醇燃料的计量方法等相关标准在行业层面正在积极推动,但是总体来看,甲醇汽车相关产业标准体系还不健全,需要积极推动以加快进程。

4、甲醇相关零部件企业发展

甲醇的特性要求,需要专门开发相应的甲醇泵、甲醇喷嘴、供醇管路、甲醇过滤装置。目前国内汽车零部件生产企业需要针对性进行开发,以满足甲醇汽车的要求。目前甲醇汽车的相关部件基本借助于现有汽油或柴油的部件,存在寿命短、可靠性差等缺陷。另外,甲醇汽车现在都是采用汽油或柴油辅助启动的技术方案,两种燃料控制的电控系统开发也是重要环节。此外,甲醇的尾气处理中,由于排气温度低并且燃烧不完全可能带来的一定甲醛排放,都需要开发专有的后处理系统以满足超低排放的需求。

5、甲醇特性的认知教育和人才培养

虽然甲醇在应用中是安全的,但是由于若干年前曾经发生过个别地区当成工业酒精而误饮中毒的事件,因此,一些人提到甲醇便谈虎色变。工信部在5年的试点中,专门在甲醇汽车试点十个城市区域范围,对全体涉醇人员、环境等全面进行观察和检测。涉醇人员的体检表明,试点过程中未出现影响人体健康的案例,涉醇场所环境监测空气中甲醇浓度均低于我国职业接触规定的限值。

另外,甲醇与乙醇、汽油都属于易燃易爆危险化学品,但是甲醇的热值低于乙醇、汽油,挥发性低于汽油,容易溶解于水,在消防安全方面的危害性也低于汽油。因此,要加强对大众进行甲醇是安全燃料的宣传是,不能拿饮料的标准衡量甲醇。对大众进行科学普及是一个长期的过程,需要加强此方面工作。

另外,甲醇汽车是新生产业,专有人才的教育和培养需要引起各级教育部门和生产企业的充分重视,这不仅对甲醇汽车产业的健康发展很重要,而且对于甲醇汽车今后的可持续发展关系极大。

五、甲醇汽车未来的展望

为了治理空气污染,打好蓝天保卫战,采用甲醇就很有优势。与汽油和柴油相比,甲醇完全燃烧时需要的理论空气量只有其一半还不到,因此,氮氧化物NOx生成量会比汽油和柴油少得多。第二,甲醇燃烧速度快,燃烧时无烟无焰,一般不会产生炭烟颗粒。对于柴油重型商用车,使用甲醇作为燃料,在清洁排放方面会有很大的优势。

打赢蓝天保卫战的重要方面是商用柴油车,吉利汽车发力开发纯甲醇的商用车发动机,目前已经正式生产下线。另外根据天津大学提出的甲醇/柴油二元燃料燃烧技术,在重型柴油车上得到很好的应用。对于我们保有量超过4000万台的柴油动力,这些动力承担了75%以上的陆路运输量,100%的工程机械和农业机械,不但要考虑未来新车满足国六的排放标准,做好存量车的清洁化更加重要。不首先治理好存量车的排放清洁化,打赢蓝天保卫战就是难以落到实处。

当然,甲醇汽车的推广应用也不会一帆风顺,还会遇到这样那样的困难和挑战。在未来甲醇推广应用中还会遇到这样那样的困难,作为一种新兴燃料不仅要解决大家的认知,还需要加强各项标准建设,解决一些共性的技术问题,还需要加强国际交流。

总之,甲醇汽车的应用推广是一个系统工程,涉及的方面很多,甲醇发展必须坚持市场为导向,企业为主体的指导思想,坚持因地制宜的方针。不光是有车就行的,还需要加注站、甲醇供应和输运等多方面协同。关系到安全、消防、便利等方方面面,需要得到政府层面的支持和协调。但是,对于我国这样的甲醇生产大国,应用甲醇不仅有利于改善发动机排放,而且也有利于我国的资源综合利用,最大程度地利用好自有资源,缓解能源安全压力,促进国家经济发展,甲醇一定将发挥其重要的作用。

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