甲醇發動機離產業化還有多遠？1000h耐久試驗給出關鍵答案

編者按

在“雙碳”目標持續推進、綠色甲醇加快走向交通運輸與船舶動力應用的背景下，甲醇燃料在壓燃式發動機上的工程化應用備受關注。本期刊發的《甲醇高壓共軌系統可靠性研究》，由清華珠三角研究院、廣東工業大學廣東省海洋能源裝備先進制造技術重點實驗室、華粵清科（廣州）技術有限公司相關研究人員完成。論文第一作者向暉先生，是中國潤滑油信息網主辦的LubTop中國潤滑油行業年度總評榜榮譽導師。

本文圍繞甲醇高壓噴射關鍵技術，對甲醇高壓共軌系統的典型故障模式、成因分析及改進措施進行了系統研究，并通過700 bar軌壓、1000小時耐久試驗驗證了系統可靠性，為甲醇燃料在柴油機上的應用提供了重要技術參考。

從潤滑油行業視角看，甲醇燃料推廣不僅是燃料替代問題，更會帶來噴射系統材料適配、運動副潤滑、防磨防腐、沉積物控制等新課題。文中關于專用甲醇潤滑油對共軌泵可靠性的支撐，也提示行業：面向低碳燃料的新型動力系統，潤滑材料正從傳統配套產品轉向關鍵技術保障。中國潤滑油信息網特刊發此文，以供行業參考。

引言

2025 年5 月，生態環境部等七部門聯合印發《美麗河湖保護與建設行動方案（2025—2027 年）》，提出推動甲醇等清潔燃料在河湖船舶領域的應用，為船舶采用更環保的燃料提供了政策依據[1]。在此背景下，甲醇燃料在壓燃式發動機上的應用受到廣泛關注，其中采用高壓共軌系統噴射甲醇因響應速度快、控制精度高而成為重要研究方向。然而，甲醇的理化特性對甲醇高壓共軌系統零部件的可靠性提出了嚴峻挑戰。其噴醇器、共軌泵等關鍵零部件在甲醇燃料工況的耐久性，直接影響甲醇高壓共軌系統的性能表現與商業化進程。針對甲醇高壓共軌系統的故障模式，如噴醇器噴射量異常、控制活塞卡滯等問題，相關研究尚不充分，亟須開展系統試驗驗證。本文通過對甲醇高壓共軌系統進行耐久試驗，分析典型故障模式及其成因，驗證系統可靠性，旨在為該技術的工程化應用提供技術支撐。

1 甲醇噴射技術研究現狀

1.1 甲醇低壓噴射技術

目前，甲醇低壓噴射技術相對成熟。該技術無需改變發動機的基本結構，僅在進氣系統加裝一套甲醇噴射裝置，即可將柴油機改為柴油/甲醇雙燃料發動機，其甲醇噴射壓力約為5 bar。該雙燃料發動機的特點是啟動時采用純柴油模式，中高負荷運行時向進氣道噴入甲醇，甲醇在進氣道與空氣形成均質混合氣后進入氣缸，與隨后噴進氣缸的柴油共同燃燒。柴油和甲醇的噴射時刻和噴射量由控制系統精確控制，具體的柴油/甲醇質量比需在臺架上進行精確標定。甲醇低壓噴射技術克服了甲醇稀混合氣在柴油機上難以直接壓燃的技術障礙，但是在中低負荷工況下主要燃料仍然是柴油，甲醇替代率有限[2]。

1.2 甲醇高壓噴射技術

瓦錫蘭四沖程柴油/甲醇微引燃雙燃料發動機采用集成式噴醇器。甲醇噴射的開啟和關閉由液壓系統控制。液壓系統控制壓力為37 MPa，甲醇經泵加壓至60 MPa。

曼恩低速機柴油/甲醇微引燃雙燃料發動機采用兩個噴油器與1 個噴醇器。柴油/甲醇雙燃料模式工作時，噴醇器以相對較低的0.8 MPa 輸醇壓力接收甲醇，在噴醇器內部由30 MPa 的液壓系統將甲醇增壓至55 MPa 后噴入氣缸，與柴油共同燃燒[3]。

2 甲醇高壓共軌系統故障模式分析

瓦錫蘭和曼恩均采用液壓技術對甲醇進行增壓，實現了甲醇的高壓噴射，而采用高壓共軌系統噴射甲醇有利于提高系統的響應速度和控制精度，可以實現對甲醇壓力、流量的精準控制。

清華珠三角研究院對甲醇高壓共軌系統進行了研究，幾年來多次組織開展可靠性試驗，積累了豐富經驗，研制了性能優良、可靠性高的甲醇高壓共軌系統。

在耐久試驗過程中，清華珠三角研究院對多種故障模式進行了分析，并加以改進。

2.1 噴醇器甲醇噴射量過大

在耐久試驗過程中，最常見的失效模式是噴醇器的回醇量和噴醇量過大。本研究對故障噴醇器進行拆檢，發現控制套筒密封錐面球窩下陷、涂層不規則剝落，如圖1 所示。

圖1 控制套筒密封錐面球窩下陷、涂層不規則剝落

本研究分析了涂層不規則剝落的原因：①電磁閥通電后，密封球升起過程中，密封球與控制套筒的密封交線位置出現強烈的空化現象；②電磁閥斷電后，密封球在落座的過程中出現徑向偏移，運動軌跡偏離控制套筒的中心線。

通過分析密封球的不規則運動軌跡可以斷定，控制套筒涂層不規則剝落與甲醇流動時產生的渦流有關，評價流場狀態的指標是雷諾數（Re）。

Re 是一個無量綱數，物理意義在于其代表了甲醇流動中慣性力與黏性力的比值。

Re = ρVμL （1）

式中，ρVL為慣性力項；μ為黏性力項。

慣性力項（ρVL）：傾向于使甲醇保持運動狀態或促進擾動發展，與質量和加速度相關。

黏性力項（μ）：傾向于抑制流動的擾動，使流動趨于穩定，與甲醇內部黏性摩擦相關。

通過Re 可以判斷甲醇的流動狀態是層流還是湍流。層流與湍流的流動特征分別如下：①層流，甲醇分層流動，各層間互不混合、互不干擾；②湍流，甲醇不再分層，甲醇質點除了沿主流方向運動外，還在各個方向上進行隨機、無序、高頻率的脈動和混合。對于圓管內流動，通常的判斷依據如下：當Re<2 300 時為層流，當2300 4 000 時為湍流。Re 決定甲醇流動中慣性力與黏性力何者占主導地位：層流時黏性力占優，流動平穩；湍流時慣性力占優，流動混亂。需要注意的是，層流向湍流的轉變發生在一個范圍內（2 300～4 000），而不是一個固定的點。

本研究利用專業設備實測了700 bar 軌壓下某型號噴醇器的回醇量，推算出節流孔中甲醇的實際平均流速，并計算了節流孔內甲醇流束的Re 約為30 000。

從Re 來看，甲醇在控制套筒節流孔中的流動狀態為湍流，流線速度和加速度變化復雜，流場中有強烈的旋渦。在旋渦中心可能會出現局部負壓，加之甲醇表面張力較小、飽和蒸氣壓和沸點較低，氣泡容易在甲醇中產生和破碎，進而對控制套筒密封錐面造成氣蝕。

本研究經過理論分析，對控制閥結構進行了改進，有效降低了空化程度。

2.2 噴醇器不噴射甲醇

噴醇器不噴射甲醇是另一個經常出現的故障模式。在前期進行的幾次試驗中，試驗運行至200 h 后，每組噴醇器均有1～2 支出現噴醇量減少，甚至不噴射甲醇的現象。

對故障噴醇器進行拆檢，發現控制活塞和針閥卡滯，控制活塞需要施加一定外力才能從控制套筒中取出，其外圓附著一圈淡黃色的黏性物質，該黏性物質黏度很大、厚度很薄。針閥由于沒有設計尾桿，無法從針閥體中取出。將噴醇嘴偶件浸泡在校泵油中靜置2～3天，針閥便可以從針閥體中順利取出。

通過理化分析，確定黏性物質來自于機油中的某些不穩定成分。

2.3 共軌泵不噴射甲醇

共軌泵發生故障的概率較低，故障模式均為柱塞與柱塞套卡死。分析原因：一是柱塞與柱塞套配合間隙設計不合理；二是潤滑油選擇不當，柱塞導向部位采用潤滑油強制潤滑，如果潤滑油黏度不適宜，會造成柱塞與柱塞套過度磨損。所采取的改進措施是使用專用甲醇潤滑油。

3 甲醇高壓共軌系統試驗驗證

3.1 試驗方案制定

根據各次試驗的故障模式分析和改進措施，制定試驗方案如下。

（1）對控制閥結構進行優化設計，以降低甲醇流束的Re。

（2）在回醇管增設溢流閥，調整回醇背壓，以提高甲醇沸點，降低空化強度。

（3）使用專用甲醇潤滑油，并通過潤滑油泵加壓潤滑油，使其進入共軌泵的潤滑油腔，潤滑油從共軌泵的軸蓋板處回流，將潤滑油壓力調整至3～4 bar。

（4）采用制冷裝置對管路中的甲醇進行降溫，控制甲醇箱溫度不超過40 ℃。

3.2 試驗過程監控

在耐久試驗過程中，對共軌泵軌壓和燃料計量閥占空比進行實時監控，如有異常，立即停機檢查。每天定時檢測甲醇箱溫度、共軌泵潤滑油腔溫度、潤滑油箱溫度、噴醇器回醇溫度，并做好試驗記錄。每周在線檢測一次噴醇器在轉速500 r/min、軌壓700 bar、脈寬2 000 μs 工況下的每分鐘甲醇噴射量，以監測噴醇量是否正常。通過3 輪重復試驗驗證，確認該可靠性試驗方案有效可行。

3.3 試驗結果分析

耐久試驗開始前，使用定制試驗臺測試噴醇器各工況點的單次甲醇噴射量、方差和開啟延遲時間，1 000 h耐久試驗結束后，復測噴醇器性能，并進行對比，噴醇器耐久試驗前后性能對比見表1。

對噴醇器進行拆檢，檢查控制套筒密封錐面的磨損套筒密封交線外側錐面無異常磨損，密封交線內部區域情況，發現密封球與控制套筒的密封交線較清晰，控制磨損較輕。耐久試驗合格的控制套筒如圖2 所示。

圖2 耐久試驗合格的控制套筒

通過對比耐久試驗前后噴醇器的性能數據，結合拆檢情況，判斷該甲醇高壓共軌系統可以滿足700 bar 軌壓、1 000 h 耐久試驗要求。

4 結論

高壓共軌系統是現代柴油機的核心部件，是高效、環保、精密的燃油噴射系統。甲醇高壓共軌系統耐久試驗的成功，驗證了甲醇高壓噴射技術的可行性，為甲醇高壓共軌系統后續臺架試驗創造了條件。

參考文獻

[1] 吳秀霞. 內河新能源船撬動千億元“藍海”[N]. 中國船舶報,2026-01-07(5).

[2] 吳繼盛,吳家正,劉洪運. 甲醇作柴油機替代燃料的研究現狀與展望[J].節能技術,2021,39(1):9-14 .

[3] 姚春德,姚安仁. 甲醇燃料的應用現狀及其展望[J].汽車安全與節能學報,2023,14(5):521-535 .

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