替代燃料的前景

汽车替代燃料的前景
一、传统燃料汽车面临的问题
内燃机经过100多年的不断改进，不仅热效率保持最高，而且功率密度大，使用寿命长，工作可靠，操作方便，价格低廉，已经成为一种相当完善和成熟的产品。

所以它能在于电动汽车、蒸汽机汽车、燃气轮机汽车和斯特林机汽车的激烈竞争中取胜，始终立于不败之地，在汽车动力领域保持统治地位。

但是，随着人类社会的发展，能源和环境问题越来越受到人们的重视，传统的以石油燃料为能源的发动机发展受到了限制。

传统燃料汽车面临的问题主要有以下三方面。

1、石油资源短缺
中国的汽车工业正处于飞速发展的阶段，从1980到2010的30年间，全国汽车保有量年均增长率都在10%以上。

1980年到2009年全国汽车保有量发展趋势见图1[1]。

到2010年，汽车产销双双超过1800万辆，分别为1826.47万辆和1806.19万辆，刷新全球汽车产销记录，再次蝉联全球第一。

图1 30年来我国汽车保有量发展趋势
改革开放以来，随着我们国民经济的发展，我国的石油需求量越来越大。

到1993年，中国成为石油净进口国。

最近10年我国石油产量和消费量见图2所示[2]。

从图中可以看出，我国的石油产量属于稳产，生产增量极为有限，而国内石
油消费量则迅速增加。

目前，我国石油的进口依存度达到50%以上，石油问题影响着我国的经济安全甚至国家安全。

石油能源短缺给我国汽车产业的发展带来了巨大的压力，因此开发适合中国国情的汽车发动机替代燃料刻不容缓。

图2 10年来我国石油产量和消费量对比
2、严重的环境污染和严格的排放法规
由于汽车发动机燃烧的条件和特点，汽车不可避免的产生一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、二氧化硫、颗粒物等污染物，这些污染物对人类的环境造成了严重的破坏。

美国洛杉矶，中国的兰州、广州等，都曾发生过光化学烟雾等严重的大气污染现象。

随着人们对环境问题越来越重视，针对汽车排气的排放法规也越来越严格。

1966年美国加州诞生了第一步排放法规，[3]接着日本、欧盟也相继出台各自的排放标准。

我国的机动车污染防治工作开始于1979年，近年来随着中国走向国际舞台，我国的排放法规也紧跟国际脚步，逐步缩小了与国际的差距。

严格的排放法规影响了汽车发动机的发展方向，并使传统内燃机的结构越来越复杂，成本越来越高。

这也在一定程度上促使人们研究汽车的替代燃料。

3、温室效应
温室效应又称“花房效应”，是“大气保温效应”的俗称。

大气能使太阳短
波辐射达到地面，但地表向外放出的长波辐射线却被大气吸收，这就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。

大气中CO2增加是造成温室效应，导致全球变暖的重要原因。

全球气候变暖会使海平面升高，引起沿海地方淹没;还会极大地影响降雨分布，改变地球的生态。

由于大量的CO2排向大气层，直接造成全球气候变暖。

据统计，全世界由热力发动机燃烧产生的CO2占了CO2排放总量的25%。

在中国，随着汽车数量的逐年增加，交通对CO2的分担率也越来越大。

[4]
作为负责任的大国，中国政府公布了到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%的控制温室气体排放的行动目标，并将作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。

这就对汽车行业提出了一项新的要求，节能减排成为了我们的工作重点。

二、甲醇作为汽车燃料的前景分析
1、甲醇的生产
甲醇又名木醇，木精。

甲醇纯品无色透明，是易燃、易挥发性的液体，沸点65℃，蒸汽压1218kPa(20℃) ，2113kPa ( 30℃) ，能与水、乙醇、乙醚、苯、酮类等有机溶剂混溶。

甲醇闪点11℃(易燃) ，有毒，蒸汽与空气形成爆炸性混合物，遇明火有燃烧爆炸危险，具有腐蚀性。

甲醇的生产，主要是合成法，尚有少量从木材干馏作为副产回收。

合成甲醇可以固体（如煤、焦炭）液体（如原油、重油、轻油）或气体（如天然气及其他可燃性气体）为原料，经造气净化（脱硫）变换，除去二氧化碳，配制成一定的合成气（一氧化碳和氢气）。

合成的化学反应式为：
2H2 + CO →CH3OH
国内甲醇装置规模普遍较小，且多采用煤头路线，以煤为原料的约占到78%；单位产能投资高，约为国外大型甲醇装置投资的2倍，导致财务费用和折旧费用高。

这些都影响成本。

而以中东和中南美洲为代表的国外甲醇装置普遍规模较大，且采用天然气路线，国际上最大规模的甲醇装置产能已达到170万吨/年。

目前，甲醇的市场价大约为2200元/吨，比汽油和柴油都低得多。

随着有自主知识产权的新技术大型或超大型甲醇厂的建立，利用廉价低质煤，甲醇的生产成本还可降低，前景光明。

2、甲醇的理化性质和作为发动机燃料的特点
甲醇与汽油的主要理化性质如表1所示[5]，可以看出它作为替代燃料时有以下特点。

（1）甲醇的辛烷值高，在火化点火发动机上使用可以提高压缩比以改善热效率。

（2）甲醇的十六烷值低，着火性能不好，在压燃式发动机上使用时要采用火花塞、电热塞或热面点火，或者在低比例掺烧时用十六烷值改进剂。

（3）甲醇是含氧燃料，含氧量达50%，有利于燃烧完全，使CO和HC的排放降低，燃烧效率提高。

（4）甲醇的低热值较低，汽油的热值大约是它的2.16倍，但甲醇的热效率和燃烧效率均可做的比汽油高。

（5）在相同条件下，甲醇的燃烧速度将高于汽油，燃烧的定容度高，燃烧持续期短，有利于提高热效率。

（6）甲醇的蒸发潜热比汽油大得多，它对进气管、进气道、气缸内蒸发吸热，降低了它们的温度并减少对冷却水传热，有利于提高充量系数和减少传热损失。

（7）甲醇的着火极限比汽油、柴油宽的多，但由于甲醇的化学计量空燃比比汽油、柴油小得多，因此甲醇比汽、柴油更适宜稀燃。

（8）使用甲醇可将点火提前角和喷油提前角调整到最佳值，从而获得更高的热效率和更大的功率。

表1 甲醇和汽油的物理化学性质
3、甲醇燃料的燃烧特性
西华大学曾东建[6]等研究表明，在不进行任何发动机结构参数调整的前提下，燃用掺有甲醇的汽油与同牌号的汽油相对比:其功率工作扭矩输出、均有不同程度下降;而比油耗却有所增加，如图3所示。

造成这样的结果主要原因是:①由于93M15车用甲醇汽油低热值(体积低热值: 30.66MJ/L)小于汽油的低热值(体积低热值: 31. 86MJ/L)，因此，要得到同样的功率扭矩输出，则必须消耗更
多的燃油；②甲醇汽油与汽油的物化特性有一定的差异，在发动机未作调整的情况下，燃用甲醇汽油，使甲醇汽油不能理想的燃烧。

图3 汽油与M15全负荷速度特性对比试验
而在调整点火提前角的条件下，燃用甲醇汽油，其扭矩、功率输出均有所提高，比油耗有所下降，动力性、经济性优于燃用93#汽油，如图4所示。

点火提前角进行调整以后，虽然因为点火提前角的加大，使发动机爆燃燃烧的趋势增加，但甲醇汽油良好的抗爆性和3.7倍于汽油的汽化潜热，改善了发动机燃用甲醇汽油的燃烧性能，从而既提高了发动机的动力性，又提高了经济性。

图4 调整点火提前角后全负荷速度特性对比
4、甲醇燃料的排放特性
葛蕴珊等[7]用图5所示的污染物测量系统，对甲醇汽车的整车排放性能做了测试。

实验车辆为北京现代汽车公司2006 年出厂的伊兰特汽油轿车，实验车辆在改造成为甲醇汽车前进行了排放实验，然后对其燃油供给系统进行改造，将其燃油系统改装为燃烧纯甲醇(工业级) 、电控闭环燃油喷射系统。

实验用燃料为市售93 # 汽油和工业甲醇，其甲醇的含量在80 %左右，其余成分为高碳醇。

整车排放实验步骤按照GB1835213《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》的实验标准进行，得到如下结论。

图5 排气污染物测量系统
(1)常规污染物的排放特性
表2为汽车用93 # 汽油和工业级甲醇两种燃料后常规污染物排放测量结果的对比。

从实验结果可见:在实验条件下，使用 2 种燃料都能满足国Ⅲ标准( GB1835213 —2005) 关于Ⅰ型实验的限值要求，并且汽油轿车在使用甲醇后，CO，T HC 和N Ox 的排放量都有不同程度的降低。

表2 甲醇车常规污染物排放结果
研究指出[8]，M15，M20，M30，M50，M80，M100等不同掺烧比例的甲醇燃料，其常规污染物的排放特性都有相似的结论，即甲醇车排放的CO、HC质
量有所降低，NOx质量变化不大。

（2）非常规排放物中醛酮类组分的排放特性
表3为汽车用93 # 汽油和甲醇两种燃料后非常规污染物中醛酮类组分排放测量结果的对比。

甲醛、丙烯醛等的排放量大大超过了传统燃料，且随着掺烧比例的增加，甲醛排放量也增加。

甲醛的生成主要是过量的甲醇燃料发生了不完全氧化反应的产物，而其他醛酮类物质的产生可能是工业级甲醇中含有其他杂质的原因。

表3 甲醇车非常规污染物中醛酮类组分的排放结果
目标化合物汽油M20M30M50甲醛 2.917837 3.270173 5.045407 5.181564乙醛 2.628291 2.14812 2.291161 1.504372丙烯醛+丙酮0.8212360.6142050.6835720.54087丙醛0.399190.2658420.2472010.209968丁烯醛0.048693000
丁酮000.5067160甲基丙烯醛0.3027920.2808660.1498630.43912丁醛0.4977190.480100
苯甲醛0.18068300.1054480.080262戊醛0.1033780.05277400甲基苯甲醛0000环己酮0000
己醛0000
（3）非常规排放物中挥发性有机物的排放特性
根据表4所示的实验结果可知:汽油燃料车排放的挥发性有机物比甲醇燃料排放多，且随着掺烧比例的增加，目标化合物增多。

表4 不同燃料汽车目标化合物单位里程排放结果（mg/km）
5、甲醇燃料使用中的问题和解决措施
甲醇汽油作为汽油的替代品，人们希望它能如汽油一样直接用于汽车内燃机。

制备甲醇汽油以掺混方法最为简单，为此，世界各国进行了广泛的研究，一致认为，应当解决的问题有:稳定性差、遇水分层、冷启动难、热值低、动力不足、热气阻、腐蚀溶胀等。

经过数十年的努力，甲醇汽油用在汽车上的技术问题都已得到了较好的解决，达到了实用水平。

（1）增强甲醇汽油的稳定性
用作汽车的甲醇汽油必须均匀而稳定。

甲醇与汽油的相溶性很小，要制成大比例的均匀稳定的甲醇汽油，一般采取添加助溶剂的办法，如芳烃、酮、醚、醇等类化合物都能与甲醇混溶，从中选择与汽油也有较好混溶性的物质，以适当比例相混合，便可制得稳定均匀的甲醇汽油。

（2）改善甲醇汽油的腐蚀性
一般采用添加腐蚀抑制剂的方法来抑制甲醇汽油的腐蚀性，添加剂多为含氮物质。

此外，添加助燃剂促进油料燃烧完全，也能起到降低甲醇汽油腐蚀的作用。

（3）抑制甲醇汽油的溶胀性
甲醇是一种良好的溶剂，对发动机的弹性胶体、密封件等有溶胀作用。

解决这个问题的办法有两种:一是改用不被甲醇腐蚀的氟橡胶;二是在燃油中添加溶胀抑制剂，如羧酸或酰氯与芳胺反应制得的溶胀抑制剂，添加少量即能达到要求。

（4）改进甲醇汽油的气阻性
由于甲醇汽油在燃烧不完全的情况下，烃类物质裂解，氧化聚合而产生碳渣的沉积，使汽化室喷嘴阻塞，发生气阻。

解决这一问题的办法是促进甲醇汽油充分燃烧，抑制高温下的氧化聚合，添加抗阻沉积剂可以抑制甲醇汽油的气阻发生。

（5）改善甲醇的冷启动性
添加活性过氧化物或低沸点的醚化物是改善甲醇汽油冷启动性的主要方法。

（6）注意甲醇的毒性
甲醇是一种沸点低，易挥发的 3 级职业性接触有害物质，用作车用燃料其环保问题倍受重视。

甲醇经口，呼吸道和皮肤均可使人中毒，生产环境主要经呼吸道和皮肤途径中毒。

职业接触以防止甲醇蒸发、泄漏、控制空气中甲醇浓度低于50mg/m3。

因此，应该制定并严格执行一套安全管理制度。

三、结论
（1）传统的石油燃料正面临着资源和环境等各方面的问题，寻找合适的汽车替代燃料已经迫在眉睫。

（2）甲醇的生产成本较低，生产工艺日趋成熟，随着技术的不断进步，其成本会越来越低。

（3）甲醇燃料的动力性比汽油稍有降低，经济性有所下降，但是通过调整喷油提前角等措施，可以使其动力性和经济型得到改善，并优于汽油。

（4）甲醇燃料的CO和HC排放优于汽油，NOx排放与汽油相差不多。

（5）甲醇燃料的醛酮类排放多于汽油，并且随着掺烧比例的增加，甲醛排
放增多。

（6）甲醇燃料使用中还存在一系列问题，但是经过技术人员的努力，这些问题都得到了较好的解决。

甲醇燃料由于其自身的优势，必将在我国的能源结构中占据一席之地，为缓解能源危机，其作为汽车替代燃料的前景比较光明。