内燃机代用燃料的应用研究与发展趋势

燃机代用燃料的应用研究与发展趋势

前言

近年来, 随着我国经济的快速发展, 石油的需求量持续增长。1993年起我国己成为石油纯进口国,2009年我国原油进口比例已超过52% 。另外, 我国的汽车尾气排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。因此, 针对我国自然条件和能源资源特色, 逐步改变汽车能源结构, 发展汽车清洁代用燃料, 在发动机上实现高效、低污染的燃烧, 控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响, 已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的课题。

据统计, 从现在起全球的石油资源还可以用67年, 天然气的储量也最多可以使用123 年, 所以寻找一种新型替代燃料成为当今社会的一个研究重点。

任何国家的经济发展都与能源问题密切相关，而燃机对燃料的需求，在能源总消耗中占很大比例。当前燃机主要用石油作为燃料，一般工业发达国家消耗在燃机上的燃料约占整个石油消耗量的60%左右。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油可维持50 年左右，1990 年左右世界石油产量达到过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到2030 年液体燃料中的40%左右要由煤的合成燃料来满足。因此，为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展，研究与开发代用燃

料是势在必行。

1 代用燃料的定义

代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。《美国能源政策法规》将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。

2 代用燃料的分类

燃机燃料是经过一系列演变发展过程的。早在1892 年狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴油机的燃料，但未成功。长期以来，燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中C含量减少，H 含量增加时，燃料为轻质的，并演变为气体燃料。反之，当C含量增加，H 含量减少，就成为重质燃料。

未来燃机燃料将向两极演变，即氢气和煤炭以及由煤炭派生出来的燃料，后者将主要是醇类燃料及人工合成的汽油等。在这种演变过程中，各种混合、乳化燃料，生物能类燃料及宽馏分燃料将在燃机中得到不同程度的应用。由于代用燃料刚处于研究发展阶段，还难以提出完善的分类。从代用燃料的广泛含义来说，应包括：

(1) 品质更低劣的传统石油燃料，如过去一般不使用的劣质重油、残渣油；

(2) 使用形式变化了的燃料，如各种掺水的乳化燃料、固体粉末和液体混合的燃料；

(3) 人工模拟燃料，如将石油气和空气混合模拟成天然气使用；

(4) 人工合成燃料，将两种以上元素或生产企业的副产品人工合成可燃的燃料。

3 代用燃料使用的标准

良好的代用燃料应能满足下列要求：

(1) 资源丰富，价格适宜；

(2) 燃料的热值，尤其是混合气热值能满足燃机动力性能的要求；

(3) 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；

(4) 能量密度较高、储存运输方便；

(5) 发动机的结构变动较小，技术上可行；

(6) 现有的燃料储运分配系统能用得上；

(7) 对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响；

(8) 对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。

一种代用燃料要全面良好地满足上述要困难的，但应满足主要要求，并在采取技术措施的情况下，能满足各方面的要求。

4 代用燃料的选择

在选择代用燃料时要考虑可供生产代用燃料的国家资源情况、工业发展水平、生产代用燃料的技术及效益、热机的适应性及发展趋势、环境保护等。而交通运输车辆需要大量品质较优的燃料，应优先考虑。热机与燃料是密切相关的，燃料的围在扩大，热机的技术在发展，而它们之间必须协调，才能获得最大的综合效益。生产醇类燃料的资源丰富，尤其甲醇可从我国储藏量很大的煤炭及天然气中提炼，生产工艺成熟。近几年的研究及应用表明，在燃机中使用醇燃料，可以获得良好的动力性、燃油经济性及排放特性等。

氢气虽然是良好的、清洁的燃机燃料，但一些生产技术问题，如生产工艺、成本及储存运输等，在短时间难以得到完善的解决，而且生产氢需要消耗较多的电能，近期还不可能大规模研究开发。

我国地大物博，各地资源及生产发展不平衡，有些地区的植物、野生植物等生物资源丰富，有待开发。世界上一些谷物有过剩的国家，生产和推广乙醇也是适宜的。我国利用人畜粪便、植物茎杆及垃圾制造沼气的地区相当广泛，技术水平也较高。随着各国对环境保护的日益重视和石油供需矛盾的日益加剧, 近几年代用燃料在汽车上的应用得到了很大发展。气体燃料( 如天然气、液化石油气) 以其价格便宜、排气污染低等突出优点, 倍受人们的青睐, 被认为是很有前途的车用“低污染燃料”。在我国, 油气田的不断开发, 气体燃料供给有了可靠保证, 气体燃料发动机得到了应用发展。

热机的技术在不断发展，往复式燃机在今后相当长时期，仍将获得广泛应用。在传统的往复式燃机基础上发展起来的双燃料发动机、气体燃料发动机，在我国及世界上一些国家都取得了新的研究成果及应用。能够适应往复式燃机的燃料更多。其它热机如旋转活塞发动机、斯特林发动机及燃气轮机等各有特点，有的热机还可以使用固体燃料，都有一定的潜力，将在一定的围得到应用，但是否能替代往复式燃机，则还不能作出结论。

在选择代用燃料时，开展协调燃料与热机相互之间要求的研究工作，制定合理的燃料规及改进热机的措施是很必要的，以便充分发挥燃料的作用和提高热机的性能。

5 代用燃料的发展历史与应用研究概况

燃机的清洁代用燃料有氢气、沼气、液化石油气( LPG)、天然气( LNG、CNG )、二甲醚( DME )、醇类(甲醇、乙醇)、酯类(植物油、生物柴油)以及复合燃料、乳化燃料、燃料电池、电动汽车、混合动力汽车等, 然而, 目前仅有天然气、LPG、二甲醚、甲醇较成功地应用于柴油机, 但是需要对发动机进行参数调整或者改造。其他清洁代用燃料由于存在一些技术上或经济上的困难而未能大面积推广使用。

目前, 国际上公认最有前途的燃机清洁代用燃料是醇类燃料。醇类燃料主要是指甲醇、乙醇, 它们都具有使用、储存和运输方便的特点。醇类燃料作为柴油机的代用燃料有巨大的优越性, 特别是对于环境的改善作用来说, 柴油机使用醇类燃料可减少常规污染物( CO、HC、NOx、PM ) , 尤其是颗粒物的排放量, 降低烟度和致癌度。同时, 甲醇的来源十分丰富, 可从固体原料煤炭、液体原料石脑油和渣油、气体原料天然气和油田气及煤层气等中制取。

6 代用燃料在国的发展与研究

我国是世界上研究和应用生物质燃料较早的国家之一。唐朝时期就用酒精(乙醇)照明及烹饪。20 世纪40 年代中期将酒精、发生炉煤气以及由桐油热裂成的燃油用于车用发动机上，并对菜籽油、大豆油及松根油等进行实验研究。长期以来对沼气的研究与应用进行得广泛而深入，全国都设立了沼气应用技术推广站。目前有一些地区不仅将沼气当作生活燃料，而且也用于燃机。自 70 年代末起，、、及等省市对汽油甲醇混合燃料进行了初步实验研究。原国家科委在“六五”期间组织了M10~M15 的台架实验及车队使用实验研究，参加的单位有交通部公路研究所、汽车研究所、汽车研究所、工业大学、华中理工大学、中国科学院工程热物理研究所和环境化学研究所、石油科学研究院、医科大学以及交通科学研究所等。除了对甲醇、汽油混合燃料进行实验研究外，中国科学院工程热物理所和华中理工大学还分别对汽油机燃用100%的甲醇及在柴油机中掺烧甲醇进行了实验研究。与此同时，原国家科委组织了从煤中提炼甲醇等工艺技术的研究。大学、大学、交通大学及工业大学等对在汽油机及柴油机中燃用甲醇进行了很多实验研究工作。大学还对氢气、液化石油气及煤粉浆进行过研究。山地农机研究所、燃机研究所、交通大学及野生植物研究所等单位对可食用植物油及野生植物油在燃机中的应用也进行了很多工作。解放军后勤工程学院军事油料应用教研室许世海等人以菜籽油为原料，与甲醇发生酯交换反应制备生物柴油，找到了合适的醇油比，得到的产品的主要理化指标达到 0#柴油的使用标准。原国家科委组织的攻关项目，上述各单位以及国其