发动机代用燃料的发展

发动机代用燃料的发展

目前，

汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。而汽油和柴油都是不可再生

资源。随着汽车工业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大。我国从

1993 年起，已由石油输出国成为石油进口国，到2000 年，进口石油已达

6 300 万 t，可以预计，随着国家经济的发展，石油进口量还会增加。据美国能源部和世界能源理事会预测，全球的石油产量在 2010~ 2025 年间将达到最大值。全球矿物燃料资源的预测生命期，石油为40 年，天然气为60 年，煤为220 年。日趋严重的能源危机对发动机的常规燃料提出了新的挑战。同时，由于世界汽车保有量的增加和各国对环保的重视，车用发动机面临着既要继续提高现有性能，又要降低排放的双重压力。而发动机的排放成分除与发动机的燃烧过程组织有关外，还与发动机的燃料有直接的关系。汽油和柴油在改善废气的有害排放方面可做的工作已经相当有限，许多国家目前已把研究的目光转向寻求污染较小的代用燃料，这一方面可有效地减少废气的排放，另一方面也可保存原油产品和保护能源。所谓代用燃料,是指能够取代或部分取代目前内燃机传统燃油 (汽油、柴油、煤油)的燃料。良好的代用燃料应能满足下列要求: 资源丰富、价格适宜;燃料的热值尤其是混合气热值能满足发动机动力性能的要求;能满足车辆起动性能、行驶性能以及加速性能等方面的要求;能量密度较高、储存运输方便;发动机的结构变动较小、技术上可行; 现有的燃料储运分配系统能用得上;对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响; 对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。已开发的代用燃料有气态烃 (压缩天然气(C N G)、液化天然气(L N G)、液化石油气 ( LPG ) )、醇燃料、二甲醚、生物柴油、氢、燃料电池等。下面足以介绍一下每种代用燃料的发展状况。

天然气：

天然气(Na t u r a l Ga s ，简称 NG) 是一种无色、无味的气体，9 0 ％以上成分为

甲烷( C H 4 )。由于天然气拥有资源丰富、污染很小、经济和安全上的优势，从而得到了大力地推广，它是一种很好的清洁燃料。天然气具有如下比较突出的优点：( 1 )着火极限宽。 ( 2 )抗爆燃性能好。 ( 3 )排放污染小。 ( 4 )发动机寿命延长 ( 5 )燃料经济性好，使用费较低。 ( 6 )安全性高。正是由于天然气汽车具有上述优点，在世界日益重视环境保护、车辆安全性能和经济性能的背景下，天然气汽车的发展前景越来越广阔。作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式不同，

分为压缩天然气( C o mp r e s s e d Na t u r a l G a s，NG )

液化天然气( L i q u e f i e d Na t u r a l G a s，简称 L NG) 。压缩天然气是将天然气经过脱水、

脱硫净化处理后，经多级压缩至20Mpa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。现在天然气汽车中运用最为广泛的就是CNG，它的技术要求较LNG要低，但也存在一些问题，如续驶里程小等缺点。液化天然气是将天然气经过一定工艺，使其在162℃左右变为液态，存贮在高压气瓶中。由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。但由于液化天然气在贮存能量密度、汽车续驶里程、贮存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车存在的一些问题，所以液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今

后的重点发展方向。而为了解决动力性不足的缺点，现在天然气发动机一般采用提高充量系数、稀薄燃烧和增压中冷、提高压缩比以及采取优化燃烧室结构和喷油提前角等技术，相信天然气发动机能成为即汽油机和柴油机之后的又一主流。

醇类燃料：

1、甲醇燃料

甲醇的理化特性同汽油较为接近,并且由于甲醇与汽油的相容性好, 所以容易实现各种比例的掺烧。一般以低比例5%~ 30%掺烧为多 (M5 ~ M30),高比例掺烧可85%(M85) 。使用甲醇汽油可使尾气中的CO 和HC的排放量明显降低 (根据美国 APlRP研究报告, M85汽车可使 CO下降13%,H C降低31%),因此, 目前世界各大汽车厂都在积极研究开发不同方案的甲醇燃料汽车, 低比例甲醇汽油已在美国、法国、意大利等国家商品化。由于甲醇与柴油的理化性质差别较大,与柴油的相容性也较差,因此柴油机掺烧甲醇的研

究主要集中在掺烧方式上。目前概括来说有熏蒸法、双燃料系统法和乳化液法3种掺烧方

法。

采用熏蒸法和双燃料系统法时,汽车和发动机的结构变化较大,所以不易在现使用的柴油车上推广。采用乳化液法,发动机结构可以不做变动而掺烧甲醇燃料,

比较易于推广应用,但目前尚未研究出性能好、价格廉的助溶剂。甲醇毒性问题一直很受人们的关注,在七五期间, 我国对甲醇对人体健康的影响等课题作了研究。结论是,对接触甲醇燃料人群, 只要遵守操作规程, 没有发现人体健康有异常。目前,关于甲醇毒性问题仍存在较多争论,因此对甲醇的毒性问题仍有必要进行深入研究。

2、乙醇燃料

车用乙醇汽油是将燃料乙醇与普通汽油按一定比例调配而成的新型汽车燃料。

乙醇的辛烷值比汽油高,并且着火燃烧浓度极限范围比汽油宽得多。乙醇分子中

含氧,汽油中添加一定比例的乙醇后, 不仅能部分替代汽油,还可以改善燃烧,降低有

害排放。例如,在汽油中加入10%的变性燃料乙醇,可使辛烷值提高 3 %,氧含量增加

3-5 %,能大大改善汽油的使用性能,使燃烧更彻底,并且不污染环境。近年来,我国乙醇燃料的研究及应用工作有所加强,在2001年制定了车用乙醇国家标准并且确立了三

个生产燃料乙醇的建设项目, 开始推广含10%乙醇的车用乙醇汽油混合燃料。与甲醇燃料在柴油机上的应用相似,柴油机掺烧乙醇燃料的研究也主要集中在掺烧方式上。现阶段研究的热点是乳化液法,各国正在研究性能较好的助溶剂使乙醇与柴油形成稳定的

混合燃料。目前存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高,约为汽油的两倍,需要在生产技术上寻求突破,降低能耗和成本,这样乙醇燃料会有非常广泛的应用前景。

二甲醚：

二甲醚是最简单的醚类化合物,分子式为CH3- O- CH3, 简称DME,含有34. 8%

的氧(重量比) ,其自燃温度为235℃,低于柴油,而十六烷值高达55- 60, 高于柴油, 所以DME 具有良好的着火性能。二甲醚分子式中只有C—O 和C—H 键,没有C—C 键,此外它是高含氧燃料,有利于减少燃烧生成的烟度和微粒。同时,它可以使用更大的排气再循环率( EGR) ,降低NOx 的排放。二甲醚的低热值只是柴油的64. 7%, 为了达到柴油机的动力性,必须增大二甲醚的循环供油量。二甲醚的十六烷值比较高,

远高于其他代用燃料,因此在柴油机上燃用二甲醚时不需要采取助燃措施。二甲醚在常温常压下的饱和蒸汽压力0. 5Mpa,随着温度的升高, 其饱和蒸汽压增大,为防止汽阻

现象的发生,燃料供给系统的压力远高于柴油机燃料供给系统。二甲醚的毒性低于甲醇, 但与液化石油气( LPG)相当。它基本无味, 对环境无污染, 对人体无致癌作用,对金属无腐蚀, 性能稳定,即使长期暴露与空气中也不会像二乙基醚那样生成过氧化物。DME