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简介
甲醇，CH3OH，是一种简单的含氧碳氢化合物，是世界上交易最广泛的五大化学品之一[1]，传统上用于生产粘合剂、油漆、液晶屏、硅酮、制药，也被木材和汽车工业大规模使用。近几年来，它越来越多地用于能源应用，每年约有2000万吨甲醇作为燃料或燃料混合组分，这一数字每年都在增加[2]。
可扩大生产规模的特性是研究甲醇作为车用燃料的主要原因之一。其易于合成和广泛的来源原料使其成为可持续燃料的有力候选，有可能显著减少车辆运输过程中的碳排放。与乙醇或合成碳氢化合物（见第1.1节和第1.4节）相关的合成效率的提高，加上燃烧系统中产生的制动热效率的提高（见第4节和第5节），意味着在提高一次能源利用率方面存在双重复合效应。此外，虽然它确实能产生与汽油相似水平的碳氢化合物排放（尽管种类不同），但其燃烧特性和单碳分子性质意味着其氮氧化物和颗粒物的排放量明显低于复杂碳氢化合物燃料。因此，从能源安全、可持续性和空气质量的角度来看，它具有潜在的优势，所有这些都没有真正的规模上限。再有一点是使用可再生能源和直接空气捕获二氧化碳的生产技术被视为向封闭碳循环提供投入的一种方式（见第1.4节）。
甲醇具有许多理想的特性，使其成为一种优良的点燃式发动机燃料。其中包括（见表1和表2）：
bull;高热汽化（潜热）
bull;低化学计量空燃比（AFR）
bull;高比能比（即每单位燃料空气混合物的能量）
bull;火焰速度高
bull;高摩尔膨胀率
bull;燃烧温度低
bull;高氢碳比
bull;在标准温度和压力下为液体（STP）
所有这些都将被进一步讨论，但两个重要的特征是：第一，它可以是非常干净的燃烧；正如后面提到的，由于空气质量的原因，甲醇被用作燃料。它只有一个碳原子，不容易形成长链碳氢化合物中常见的含碳颗粒物质（这是它与甲烷共有的特性）。其次，甲醇是最简单的碳质分子，在STP是液态的。这使得在车辆和燃料基础设施上的损失最小的情况下，易于储存和运输。甲醇在STP是液态的，这是因为它的OH特征基团产生了氢键现象，如第2.1节中更详细的解释。
另一个优点是甲醇不是化合物的混合物，其性质可根据来源而改变，如汽油、柴油、煤油等。甲醇仅由一个分子组成，因此更容易模拟或优化工艺。
在后续章节讨论甲醇作为发动机燃料的燃烧特性和性能之前，以下几点提供了背景如下：
bull;从20世纪初到今天，甲醇作为发动机燃料的各种用途（第1.2节）
bull;目前甲醇产量（第1.3节）
bull;生产可再生（碳中性）甲醇（第1.4节）
bull;健康与安全（第1.5节）
bull;甲醇作为发动机燃料的不同方式（第1.6节）
在这些背景部分之后，我们将深入探讨：
bull;甲醇作为发动机燃料的相关特性：物理和化学特性、反应动力学、燃烧速度、含甲醇混合物的特性等（第2节）。
bull;为使发动机和车辆在中高级甲醇混合物或纯甲醇（第3节）上运行，需要进行硬件更改。
bull;在甲醇和甲醇混合物上运行的火花点火发动机的实验结果（第4节）。
bull;在压燃式发动机中使用甲醇，查看各种概念及其获得的结果（第5节）。
bull;利用发动机废热将甲醇转化为富氢气体，以提高效率和排放（第6节）。
bull;甲醇燃料运行的数值计算结果和计算能力（第7节）。
接下来，我们来总结并指出将得益于进一步研究或演示的领域(第8节)。
首先，我们简要讨论甲醇CH3OH与乙醇C2H5OH的应用。
1.1甲醇与乙醇的对比
甲醇和乙醇都是简单的分子。甲醇和乙醇有许多相同的属性，尤其是在燃烧系统中。这些是由它们相似的辛烷值、非常高的汽化热和低的化学计量空燃比驱动的(尽管后两者的差异大于前一者)。由于这一点，再加上事实上(由于乙醇越来越受欢迎并被用作生物燃料)，经常有关于乙醇在发动机中的性能的最新数据，在本文中，我们使用乙醇作为甲醇的类似物，我们认为这样做是稳健的，以便评估甲醇的影响。这一点得到了进一步的支持，因为这两种分子的相似性意味着它们也有助于与汽油混合在一起，并且存在混合规则，这基本上意味着可以产生滴油燃料(见第1 . 6 . 2)。
虽然在预测甲醇在燃烧系统中的作用时它与乙醇的相似性是有用的，但在减少温室气体方面，这两者之间存在差异也可能是非常有用的。按传统方法甲醇是由化石燃料（通常是由蒸汽重整或煤制成，其本身与碳排放就有很大关系）制成的，但由于甲醇可以通过热化学方法从任何含碳的物质中制成，因此与乙醇不同，它可能是由生物原料制成的。由于化学过程通常比生物过程快得多，其有提高生产率的可能性[3,4]。此外，用这种方法绕过了非粮食作物生产生物乙醇的困难，例如木质纤维素这种原料种类和数量上受到限制的生产过程。因此，甲醇生产可能更容易扩大规模，也可以与生物乙醇厂合并，以提高进入这一过程的原料的总能源产量[5]。
1.2历史上甲醇作为发动机燃料的应用
从早期的点燃式发动机开始，人们就开始寻求增加燃料辛烷值的方法，从早期开发的诸如苯胺化合物到后来的四乙基铅（TEL）等辛烷增强剂的发展也开始了。博伊德讨论了早期人们对20世纪20年代石油将耗尽的担忧，以及随后在通过提高精炼燃料的抗爆性来提高发动机效率以减少油耗方面的努力[6]。有趣的是，他指出，对于20世纪20年代所有能用的发动机，“正丁醇（丁醇）在当时的任何发动机中都不会出现爆震现象”；这表明，醇类作为抗爆燃料的优越性在很早以前就很明显了。
自研究燃料的自燃阻力以来[7,8]，异构化是一个重要参数。长链烷烃异构化有可能使其辛烷值保持在100左右。然而，简单分子也是如此。图1为饱和分子研究中几种来源的辛烷值(RON)与碳原子数的对比。从图中可以看出，对于正常的烷烃分子，随着链的加长，抗爆性显著下降。相反，如果分子能被重异构化，则辛烷值值保持在较高的水平，大致恒定在100左右。请注意，简单醇——甲醇和乙醇本身也具有很高的抗爆性，这可能其是没有第2.5节所述的NTC。由于醇的正常碳主链延长，抗爆性下降，这可以通过异构化像其他类族有机化合物相同的方式恢复。然而，酒精分子固有的高ON值是显而易见的，值得注意的是，它们是唯一一个碳原子数低于4的家族，而这在标准温度和压力(STP)下是液体，这是使它们成为合理燃料的一个因素。
乙醇和甲醇的性能增强特性在赛车运动中很早就得到了实现。含有甲醇和苯的混合燃料经常用于国际汽车大奖赛的汽车，特别是当增压技术被开发出来成为一种给定排量发动机性能最大化的途径（而充气冷却并没有被广泛使用）。阿尔法罗密欧和布加迪在战前的大奖赛中使用了这种混合物[9]。虽然甲醇的存在导致了体积比能量的降低（见第2节），但在增压器之前引入燃料时，其高潜热在压缩时使工质冷却，而其高辛烷值能使苯均匀混合（其密度有助于抵消甲醇降低体积比能量的不利因素）。
航空发动机代表了另一个方面，甲醇在飞机起飞和需要最大功率的情况下，在潜热和吸热方面都有其优势。燃料的能量密度是飞机推进的首要考虑因素，因此直烃燃料主要用于高性能的飞机发动机。然而，在起飞时，在水平面上需要最大的推力，补充甲醇和水的混合物被用作抗爆剂，与主燃料一起喷入压缩机入口。这意味着必须携带最小量的“抗爆喷射剂”（ADI）的量，以尽量减少其对飞机质量的影响。ADI中水与甲醇的体积比一般为50:50。除了提供一些化学物质外，甲醇还有助于阻止水在高空冻结。
从许多方面来说，这种方法引出了所谓的按需辛烷值( OOD )方法，即在主燃料爆震极限之外引入一种辛烷值增强剂 [ 10–16 ]。这不是一个新概念，甲醇或乙醇作为主燃料辛烷值增强剂的潜力在很早的时候就已经被了解了[17]。这两种燃料都经常被用于这一功能，但是这种方法需要双燃料系统，因此(将辛烷值增强器与负载系统合并)增加了车体的复杂性和成本。此问题将在第4.4节中重新讨论。
单一燃料方法的简单性可以说是主流的点燃式发动机和碳氢燃料模型在车辆中占据主导地位的原因之一。然而，弹性燃料方法——保留一个单一燃料系统，但控制系统可以针对两种燃料的任何比例进行优化，这两种燃料可以在燃料箱中以任何比例混合【18】——几乎与美国汽车制造商对公司平均燃油经济性（CAFE）法规的反映所证明的一样便宜。该法规旨在提高他们产品的效率。这样许多能够使用汽油和E853混合燃料的车辆都以低于仅使用汽油汽车的价格出售给顾客。之所以这样做，是因为以CAFE积分来衡量，汽车的销售额已经超过了生产汽车的成本。E85的灵活燃料操作被认为是有利的，因为美国可以大量生产第一代乙醇(即从玉米中)。由于E85-M85的甲醇当量已经在20世纪80年代和90年代的加州甲醇燃料试验中被证明是可行的，因此，该技术也已经得到了发展；事实上，汽油-乙醇混合燃料的能力已经得到了发展，并首先得到了甲醇的充分证明。
加州甲醇燃料试验主要是基于排放性能的考虑，使用甲醇时未燃烧碳氢化合物（UHC）和氮氧化物（NOX）排放量明显低于当时使用的典型汽油。在这期间，15000辆M85汽油混合燃料汽车，从轻型汽车到公共汽车和卡车，由各种背景的加利福尼亚人销售和运营，不需要对其使用进行专门的培训[19-21]。在技术层面上，这是完全成功的，而且，甲醇的毒性（见第1.5节）根本不是问题。其最终失败与排放性能有关，但仅限于为了达到与汽油相同的质量水平，加州空气资源委员会（CARB）要求使用重新调配的汽油，并且之前在试验中用作燃料的甲醇被转移到MTBE中，成为一种完全不同的分子。
具有讽刺意味的是，随后出现了地下水污染问题，因为MTBE从罐中泄漏时会形成很长的羽流（就像以前的旧设备一样），而且，由于它是由甲醇制成的，因此它会让人产生联想，给酒精带来了不受欢迎的负面影响。甲醇（和乙醇）实际上是简单可生物降解的，与MTBE相比不会造成任何环境问题[23]。注意，MTBE仍然广泛在欧洲用作一种增加辛烷值的汽油添加剂[1]，那里的燃料基础设施是现代化的，没有问题。此外，具有讽刺意味的是，为加州M85试验开发的技术只是针对其与乙醇的类似物进行了简单的修改，并形成了如今所有柔性燃料汽车的基础[20]。这本身说明了提供酒精/汽油弹性燃料是多么简单和有力。
乙醇柔性燃料在巴西有着悠久的历史，可以说，在巴西已经发展出了更多（但仍然可以负担得起）先进的车辆技术，以满足各种混合燃料的需求。对于巴西市场，原始设备制造商也开发了其他地方不常见的技术：例如，一旦发动机足够热，在切换到乙醇之前使用汽油的启动系统；中国部分地区也采用了这种技术，用于M100燃料汽车的模拟案例。
中国对甲醇运输经济的发展受到各种因素的推动，尤其是为了获得有价值的煤矿开采许可证，企业必须为这些煤炭提供使用；这导致了大型甲醇工厂的建设，因为甲醇很容易由气化煤制成[24]。反过来，由于中国对进口石油的依赖，甲醇在各个省份得到推广，特别是那些富含煤炭的省份。这导致了各种区域和国家甲醇燃料标准的建立。由于甲醇价格低廉，汽油和酒精的掺假现象很常见。这些因素导致了甲醇汽油柔性燃料汽车的发展。纯M100车辆也可供使用，目前正在进行研究，以了解未来有关此类车辆废气排放的立法应如何演变[25]。
一般来说，西方的原型设备制造商对甲醇作为运输燃料的热情很低，但中国市场的巨大规模以及许多公司与中国公司建立合作关系的事实意味着，全球原始设备制造商都很清楚用于轻型燃料的甲醇。虽然从煤中提取的甲醇在井到罐的二氧化碳排放量方面非常差（在124.7 g CO2-E/MJ和28.6 g CO2-E/MJ天然气[11]下，情况差了四倍以上），但有人认为，中国经济推动甲醇使用技术将减少通过燃料实现燃料对燃料组脱碳的需求侧障碍，因为技术上的限制降低了供应甲醇的碳强度。
由此可见，低碳醇和甲醇作为运输燃料的使用和理解几乎与机动车辆的使用时间相同，并且使用它们的车辆技术也被很好地理解。在世界范围内，乙醇的混合率高达85%是很简单的，而在较低的混合率下，乙醇的混合越来越普遍。在加利福尼亚州进行的技术成功的车队试验表明，以高混合速率引入甲醇没有真正的障碍。由于不同的原因，它在中国的使用也显示了同样的情况。因此，在车辆层面上，没有真正的技术原因可以解释为什么不应更广泛地使用这些燃料。
在中国以外的地区，人们对甲醇作为燃料的兴趣也在上升。如第5.3节所述，目前最强劲的动力似乎是在海运领域。它也越来越多地被用作混合组分，与乙醇一起添加到汽油中。这一点在以色列[26]、澳大利亚[27]和欧洲青少年世界拉力锦标赛[28]中得到了证明。
此外，与传统汽油配方相比，轻醇和甲醇尤其能显著提高汽车性能和效率。这一问题将在本文中讨论。
1.3现有设备/生产能力
甲醇的一个优点是已经有了相当大的生产能力和生产设备。如上所述，甲醇是最广泛使用的化学品之一，2015年产量为7000万公吨，全球生产能力约为1.1亿公吨[29]（注：2012年全球汽油产量约为10亿公吨）。它的一个用途是支持石化工业：它可以通过甲醇-烯烃工艺和这些高级塑料等制造许多其他化学品。
因此，它是全球范围内运输最广泛的化学品之一，由于它也是一种燃料，因此大量运输的化学品正在推动船用发动机的发展，如第5.3节所述。区域煤矿开采许可证推动了中国非常大的甲醇生产能力的建设；已经有足够的装机容量来满足中国一半的公路运输燃料需求[24]。2015年，美国甲醇产能翻了一番多，价格下跌，因为页岩气价格越来越便宜，美国取代中国成为全球低成本甲醇生产国[1]。从长远来看，一家大型炼油厂通常每天处理50万桶原油。今天的一套大型甲醇生产设备每天生产约20000桶甲醇。
Bozzano和Manenti最近对甲醇的生产进行了调查[31]，解释了目前的生产包括三个基本步骤。首先是合成气（synggas）的生产，这是一种由一氧化碳、氢气和二氧化碳组成的混合物。最常见的合成气生产是通过天然气的转化，但也可以从其他碳基材料中获得，无论是化石还是可再生的。第二步是合成气转化为甲醇。Bozzano和Manenti回顾了目前工业规模上使用的不
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