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未燃甲醇、甲醛的生成机理及其控制措施 崔 心 存 甲醇燃料在汽车上的应用日益广泛，人们对甲醇发动机排气中的未燃甲醇及甲醛这些非常规排放物的认识却不足，尤其对有些甲醇发动机在冷启动、怠速运转时，闻到尾气中有一股令人不愉快的气味，产生疑虑：甲醇发动机排放物中未燃甲醇及甲醛的浓度有多少？它们对人体健康及环境的危害是否比汽油机及柴油机排放量大？有没有可以控制它们的有效措施等。 在国内外得到应用的醇燃料主要是指甲醇及乙醇，在发动机中掺烧部分乙醇或者燃用100％乙醇，同样在排气中会含有未燃乙醇乙醛。它们对人体健康及环境的危害，比未燃甲醇及甲醛轻微。本文只着重介绍未燃甲醇及甲醛。从生成机理及控制措施的技术角度而论，对乙醇也是合适的，或者有很多类似之处。 一、未燃甲醇的生成机理 对发动机排气中有害成分的生成机理了解清楚，就能采取有效措施控制及降低这些成分。甲醇发动机排气中未燃甲醇的生成原因和汽油机、柴油机排气中未燃碳氢化合物HC的形成机理基本上一样，但也有些特殊之处，现分述如下： （一）未能燃烧的产物 喷入燃烧室中的混合燃料中的甲醇或者纯甲醇，总会或多或少地有一部分甲醇不能充分燃烧，而是随着其它燃烧产物在排气过程中排出缸外。不能燃烧的主要原因是没有氧与足够的温度，使其氧化发生化学反应并转化成其它燃烧产物。 甲醇的气化潜热（MJ/kg）比汽油、柴油高得多，而热值又低得多。发动机在条件相同的情况下，发出相同的功率，从理论上分析，甲醇燃料的各工作循环的供应量要比汽油或柴油大一倍多，而使其气化与空气混合好所需外界供给的热量比汽、柴油大8倍。在发动机冷启动、预热暖机及低速低负荷等发动机工况时，燃烧室及气缸内温度低，没有足够的热量供给甲醇气化，于是未能形成气态的甲醇液滴，没有充分和空气中的氧发生反应的机会，而随排气排到大气中。甲醇是有刺激性气味的气体，再加上形成的甲醛，使人们闻到难闻的气味。但是随着发动机转速及负荷的增加，缸内温度升高，未能燃烧的甲醇会明显地减少。即使在冷启动时也可以采取有效措施使其减少，这在本文的后面还要阐述。 （二）缝隙效应 燃烧室中有一些微小的缝隙容积：如气门头部与缸盖气门座之间、火花塞或喷油器顶端部分与缸盖底平面安装孔之间、缸盖垫片与缸套之间都有可能形成缝隙容积，尤其是活塞头部首道环以上与缸套内壁形成的缝隙容积占整个缝隙容积较大的比例。在进气或压缩冲程中进入燃烧室，甲醇混合气的一部分就进入储存在这些狭小的缝隙容积中。而燃烧过程中的火焰进不了这些缝隙容积，于是在膨胀过程中，这些未燃烧的甲醇就随着排气排到大气中。曾有人计算过，对于一般的汽油机，若缝隙容积占整个压缩容积（即活塞到上止点后活塞顶上部的燃烧室容积）的2％，那么将有10％的汽油与空气的混合气进入缝隙容积中。最初从该容积中排出的混合气还可以在高温下氧化燃烧，后来排出的就是常规排放物中未燃烃HC。同样，甲醇发动机由于缝隙效应，也有一些未燃甲醇随着排气排到大气中。 （三）火焰淬熄理论 当火焰在可燃混合气中传播到吸热体时，如外侧有冷却水的气缸套内壁附近，火焰传播的速度降低到无法正常传播的地步。最靠近气缸套内壁火焰传不到的区域称为淬熄区或激冷层。在淬熄区的未燃燃料由于火焰传不到无法燃烧，因而在排气过程中排到大气中。淬熄区愈大或激冷层愈厚，那么排出的未能燃烧的燃料就愈多。由于甲醇的气化潜热高、气化时吸收周围大量的热，起到内冷却作用。与汽油相比，在其它条件相同时，甲醇的淬熄区相对要大些，排出的未燃甲醇要多些。 （四）喷油过程的影响 当前，在汽油机上使用部分甲醇或100％甲醇时，老式汽油机基本上都是通过化油器将甲醇雾化后送入气缸中。而在电喷汽油机上，则是通过单点或多点喷射，也就是在缸外将甲醇与空气混合好后送入燃烧室及气缸中。汽油机中未燃烃的形成和甲醇发动机中未燃甲醇的形成机理，如上面所述基本上是一样的。 在柴油机上用喷油器将甲醇与柴油的混合燃料或者100%甲醇直接喷入燃烧室中，情况与上述有些不同。由于直喷甲醇发动机是在压缩终了时才向缸内喷射甲醇，甲醇与空气的混合物分布不均匀。因此，缝隙容积内和缸壁表面上新鲜空气成分多。换言之，缝隙容积和淬熄区(或激冷层)中甲醇量与缸外混合的汽油机相比要少些。由于这两者的影响，所生成的未燃烧的燃料(甲醇)也要少些。 在直喷甲醇发动机中，甲醇的喷射、蒸发与混合对未燃甲醇排放的影响较大。在正常喷射时，如果甲醇与空气的混合速率过大，则着火时部分甲醇与空气的混合浓度低于混合气稀薄可燃界限，这部分甲醇除非再卷入燃烧区内，否则很难经历高温燃烧阶段，而成为未燃甲醇排出。此外，如果喷射的甲醇油束贯穿度过大，则会有油滴碰壁，若壁面温度和气流运动条件不能使附壁甲醇快速蒸发，后来蒸发的甲醇就会因缸内温度下降而无法充分氧化燃烧。在某些工况(如冷起动、怠速、低负荷)下，喷雾中大颗粒甲醇