气体代用燃料

气体代用燃料
气体作为燃料就必须使用气体发动机，当前使用单气体燃料作为能力源的发动机，主要有LNG(液化天然气)发动机、CNG(压缩天然气)发动机和LPG(液化石油气)发动机三种。

气体发动机与同排量的柴油机相比，动力性相当，环保优势明显，更容易达到国IV、国V排放。

且当前生产技术趋于成熟，生产工艺设备与柴油机可通用。

在油气价差保持的前提下，燃料经济性显著。

不过气体发动机也有一定的缺陷，比如续驶里程短、燃料加注时间长、加气站的建设投资太大等。

气体代用燃料的组成
目前常见汽车代用燃料的类型主要有天然气、石油气、氢气、液化石油气、液化气以及二甲醚等。

气体燃料的性能特点
气体作为汽车代用燃料有别于普通燃料，它们共同点在存储、加注不同于以往的液体燃料，下面为了有助于更好的了解气体燃料的性能特点，让我们来分析以下它们各自存在的优缺点。

天然气的优势：成本低廉、运行平稳。

安全可靠使CNG汽车具有较为广阔的发展前景，CNG作为车用燃料，在环保和能源安全方面有较大的优势．是具有发展潜力的汽车替代燃料。

天然气的缺点：资源有限（主要工业及民用）、汽车续驶里程短、储运加注等基础设施要求高、投资大、只适用于在富产天然气的地区和大中城市推广。

随着CNG运输管网分布范围的扩大以及加气站的增多，CNG汽车的应用范围可以扩大到城市之间。

石油气的优势：燃烧清洁、排放污染物少，安全可靠、经济可行等特点
石油气的缺点：LPG主要来源于石油，其供应性受到石油供应的限制，价格也会随着石油价格变化而波动；LPG对加气站、管网等基础设施的建设要求也很高。

氢气的优势：良好的行进加速性；良好的燃料适应性；低温起动性好；超低排放全工况高效率等优点；氢具有巨大的价格优势；强大的工业基础。

氢气的不足：利用可再生能源制氢还存在一定的问题；氢气能量密度最小、储运条件十分苛刻、续驶里程短、加注不方便；目前氢气的制取、储运、加注、氢能汽车成本等存在很多问题，短期内氢气作为汽车能源的发展受到了限制。

但氢来源的广泛性、可再生性和燃烧清洁性使氢成为世界各国汽车代用燃料的长期发展战略目标。

二甲醚的优势：二甲醚十六烷值高，自燃点低，在发动机气缸内蒸发速度快，有利于混合气的形成，燃烧速度快，滞燃期短；汽化潜热高于柴油，蒸发过程吸收热量较柴油多，可有效地降低气缸内最高燃烧温度，有利于降低NOX排放和噪声；作为含氧化合物，可提高燃烧效率，在燃烧过程中几乎无碳烟生成，CO、PM 的排放都比较小；以DME为燃料的发动机，其动力性和起动性与柴油机相当。

二甲醚的不足：需要开发新的燃料供应系统及新的发动机技术和整车技术；发动机技术不成熟、储运不便、能量密度低；续驶里程短，液态密度随温度变化较大．容易使燃料供给系统运动件发生磨损；并且同CNG、LPG一样，对基础设施要求较高；受便利性、燃料加注基础设施等因素限制，发展空间有限，适合于在区域间运行的大型客车上应用。

气体燃料汽车的应用及前景
气体发动机发展现状
我国20世纪50年代开始发展低压天然气汽车，80年代中后期改革开放之后，气体燃料汽车开发应用的步伐加快。

国内大型发动机厂和汽车厂如玉柴、上柴、潍柴、东风和解放等厂家相继推出了各自的气体发动机产品在市场上推广应用。

1988年我国从澳大利亚、新西兰、加拿大等国引进CNG加气站的全套设施、改装汽车部件及高压气瓶，分别建站于南充、大庆等地，开启了CNG汽车发展的新时代。

相对于LNG发动机，CNG发动机和LPG发动机的技术成熟程度、经济成本等都更现实，目前CNG发动机已经广泛应用其第三代电控喷射CNG的技术，采用高压喷射，通过节气门传感器，气体流量传感器，转速传感器，水温传感器，进气温度传感器，压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。

更先进的LNG缸内直喷技术目前已得到小批试用，动力性、经济性和排放俱佳，但开发难度较大，费用昂贵，成本也高，国内尚未开始研制。

与传统柴油机相比，气体发动机取消了原柴油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加了蒸发调压器(LPG发动机)、减压器(CNG发动机)等供给气体燃料的相关零部件。

传统柴油机是压燃式发动机，而气体发动机由于受燃料特性限制(抗爆振性能)，采用的是与汽油机一样的点燃方式。

在取消了喷油器后，将原缸盖上的喷油器孔改为了火花塞孔。

在取消了油泵后，在原油泵安装位置装上了一个点火传动装置，通过点火正时传感器获得发动机的点火正时信号。

增加了以点火模块、点火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。

气体发动机的控制系统多采用电控，与机械式柴油机相比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实现了更精确更科学的控制。

为满足这些控制要求，增加了相应的MAP、MAT、ECT、点火正时以及氧浓度等传感器。

由于我国能源战略结构的调整，未来将有更多的气体燃料资源通过进口为国内使用。

目前在国内正在实施LNG加气系统的城市有北京、乌鲁木齐、长沙等，约有近百辆LNG单一燃料公交示范车辆正在运营。

CNG车则已在四川、重庆、北京、西安、内蒙、等地推广。

LPG环保节能型气体城市客车也在北京、上海、广东、四川、重庆、海南、甘肃等许多城市的公交系统已经试行。

在国外，LPG被用作轻型车辆燃料已有许多年。

气体发动机发展前景
气体发动机的电控系统和传统柴油机电控系统有所不同，其增压、后处理均有特殊要求，且将先进的电子控制燃料喷射技术应用于气体发动机，以便根据发动机的温度、负荷、转速等关键参数对气体燃料的供给、混合气浓度、点火正时等进行精确控制，以提高发动机的功率和降低排气污染。

空燃比控制在电子控制燃料喷射发动机的应用效果非常好，它通过监控发动机排放状态实时调节空燃比，并通过高能、精确点火等自动协调优化方式实现最佳的经济性和排放性。

而从成本来看，气体发动机电控系统成本竟还稍低于柴油机电控系统。

因此深入开发电控系统的潜力十分巨大，未来必将有更好的发展。

由于欧IV排放法规，不仅要求限制天然气发动机非甲烷碳氢(NMHC)的排放，而且还要求控制总碳氢排放(THC)。

但先进的氧化型后处理技术如何成功地运用于气体发动机也是关键的技术之一，具有很大研究价值。

广州市LPG公交车污染一事有关专家也指出与其尾气后处理系统有关。

当前国内气体燃料客车的基础设施和相关零部件产业尚不完善，用户对气体发动机电控技术也还感觉到神秘，并对国产电控气体发动机持怀疑的态度。

以北京、上海为代表的发达城市，主要还是采用进口的气体发动机。

近年来，国产气体发动机不仅在配套的功率范围上实现了拓宽，而且在配套领域也有突破，运行过程中的故障报修率也大大降低。

以上柴、玉柴、潍柴等为代表的国内发动机厂不断研制出新技术和新机型，代表了中国内燃机行业的技术实力，也代表了中国未来动力的发展方向。

此外，气体燃料大客车的发展对于降低排气污染、节约石油资源有着重要的意义，我国较为丰富的天然气和液化石油气资源也为气体燃料大客车的推广应用提供了有力的能源保障，且气体燃料的使用成本相对于日渐上扬的油价明显具有竞争力，应该为更多客车用户所接受。

气体发动机是21世纪的一种新型、绿色动力，未来城市必将由于它的出现而面貌焕然。

高效率、低污染的气体发动机的开发与生产，将是中国乃至世界的客车行业未来共同努力的方向。

醇类代用燃料
由于醇类燃料属于液体燃料，所以它对发动机的改造不大，由于其热值比汽油的要低，所以其作为燃料主要与汽油或别的燃料混合使用。

当乙醇掺入量小于10%时，对汽车发动机的供油系统、点系统及压缩比不必做任何调整，应适当提高发动机压缩比，加大化油器主量孔尺寸及点火提前角，使燃用乙醇的汽油机的功率接近原机水平。

乙醇
乙醇（CH 3 CH 2 OH），俗称酒精，是一种无色透明、易挥发、易燃液体，它的热值较低；蒸发潜热较高；乙醇的抗爆性能好，含氧量高,它以玉米、小麦、薯类，甘庶等农作物为原料，经发酵、蒸馏而制成，也可以由乙烯水制成。

是基本有机化工原料之一，主要用作溶剂，也用于制染料、涂料、合成橡胶、医药、洗涤剂、化妆品等。

所谓车用乙醇汽油，就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配形成的一种汽车燃料。

这项技术在国外已十分成熟。

目前，国外使用车用乙醇汽油的国家主要是美国和巴西，其中巴西是世界上最大的燃料乙醇生产及应用国。

乙醇燃料的性能特点
乙醇作为汽车代用燃料的主要优点：
（1）辛烷值高、抗暴性能好，乙醇的研究法辛烷值达到111，马达法辛烷值为91。

添加乙醇可以较为有效地提高汽油的抗爆性，有关研究结果显示，国内典型催化裂化汽油（RON 为90.6）中添加 10%（体积）乙醇后，其RON 提高3.4 个单位，MON 增加1.4 个单位。

乙醇对烷类汽油组分（烷基化油、轻石脑油）辛烷值调合效应好于烯烃汽油组分（催化裂分汽油）和芳烃类汽油组分（催化重整汽油）。

（2）乙醇含氧高达34.7%，乙醇可以较MTBE 更少的添加量加入汽油中（美国含氧化汽油中通常需添加7.7%乙醇，新配方汽油通常乙醇添加量为5.7%。

汽油中添加7.7%乙醇氧含量达到2.7%，如添加10%乙醇，氧含量可以达到3.5%。

（3）通过添加乙醇或其它含氧化物，并改变汽油组成，美国新配方汽油可以有效降低汽车尾气排放，美国汽车/油料（AQIRP）的研究报表明：使用含6%乙醇的加州新配方汽油，与常规汽油相比， HC 排放降低10-27%，CO 排放减少21-28%，NOx 排放减少7-16%，有毒气体排放降低9-32%；AQIRP 的研究结果还表明，使用E85（85% 乙醇+15%汽油的混合燃料），而不改变其他条件，与常规汽油相比， HC 排放可以降低5%，NOX 排放减少40%，CO 增加约7%。

国内研究结果表明，燃用E15 和E25 时，HC 含量比燃用汽油分别下降16.2% 和30%，CO 排放分别减少30%和47%。

（4）乙醇的资源丰富，生产技术成熟，以一定的比例掺混到车用燃料中，能够充分利用现有的燃料储运、分配和销售系统；当乙醇掺混比例小于10%时，无须对汽车无需作大的改动。

乙醇作为车用燃料的缺点：
（1）乙醇的热值为26.77MJ/kg 比常规汽油热值（43.50MJ/kg）要低，因此，使用乙醇汽油后，发动机的油耗随着乙醇掺入量增加而增加，有资料报道，
使用含10%乙醇的混合汽油时，发动机的油耗约增加5%。

在相同辛烷值的前提下，发动机的动力性能也有不同程度的下降。

（2）乙醇的汽化潜热大，理论空燃比下的蒸发温度下降大于常规汽油，汽化潜热大会导致汽车动力性及经济性下降，在低温条件下，乙醇汽油不易起动，另气化潜热大使化油器中形成的燃气混合比低（乙醇空燃比仅为9），比汽油正常燃烧所需要的理论空燃比 15 低的多，影响混合气的形成及燃烧速度，使汽车驱动性能下降，影响最大的功率的发挥，不利于汽车的加速性。

（3）乙醇本身的饱和蒸气压为 18kPa，但研究表明，乙醇调入汽油后，会产生明显的蒸气压调合效应，当乙醇添加量为3-5.7% 时，乙醇汽油的调合蒸气压随乙醇添加量增加而提高，最高达 58kPa；当乙醇添加量大于5.7%时，乙醇汽油调入蒸气压随乙醇添加量增加逐渐降低。

（4）当乙醇添加到柴油中，乙醇柴油的闪点、十六烷值下降比较明显。

乙醇燃料汽车的应用及前景
2000 年9 月-2001 年6 月，根据国务院领导的重要批示和国家经贸委的统一的部署，中国石化股份公司石油化工科学研究院开展了燃料乙醇作为汽油调合组分的可行性试验研究，分别进行了车用乙醇汽油调合特性及配方的实验室研究和工业试生产；车用乙醇汽油水分特性及储存、材料相容性实验室研究；金属腐蚀抑制剂的研制开发；车用乙醇汽油行车试验研究；车用乙醇汽油国家标准的制定等主要研究工作。

根据项目研究结果，2001 年4 月，分别制定出了车用乙醇汽油及变性燃料乙醇国家标准。

中国石化、中国石油分别与2001 年6 月在河南、黑龙江两省的郑州、南阳、洛阳、哈尔滨、肇东五市开始车用乙醇汽油试销售，截止到10 月7 日，河南省已销售E10 93 号车用乙醇汽油650 吨。

在河南、黑龙江两省推广试点的基础上，经全国统一立法，明年国家将逐步扩大车用乙醇汽油的推广范围。

河南20 万吨、黑龙江20 万吨燃料乙醇生产厂已完成改造，吉林60 万吨、安徽30 万吨的燃料乙醇生产厂建设项目已通过国家计委批准，正在建设中。

我国推广使用车用乙醇汽油势在必行，前景良好。

甲醇
甲醇是一种无色、易挥发、易燃、有毒液体，易受氧化或脱氢而成甲醛，不易与烃类互溶，它的热值低，蒸发潜热较高，甲醇的抗爆性能好，除此之外，甲醇在少量水分存在的情况下还容易产生相分离。

甲醇具有很高的含氧量，使用甲醇汽油可以有效提高发动机的热效率，减少汽车一氧化碳C0 及碳氢化合物HC 的排放，而未燃烧的甲醇及醛类排放则较普通汽油有明显增加。

甲醇的生产方法主要是合成法，在生产过程中一般会含有酸性物质，而且甲醇本身的吸水性使之在贮存过程中含有少量水分，同时受到空气的氧化或细菌发酵也会产生少量的有机酸，以及，甲醇燃烧后产生的甲醛、甲酸等，都会对发动机产生较为严重的腐蚀和磨损影响。

甲醇燃料的性能特点
甲醇作为汽车代用燃料的主要优点：
（1）辛烷值高，能显著提高燃料的混合辛烷值，增强抗爆性能，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的功率。

（2）甲醇是高含氧量物质，它在气缸内完全燃烧时所需要的过量空气系数可以远远小于燃用汽油时所要求的值，燃烧更为充分。

（3）挥发性好，有利于与空气的混和。

甲醇汽油的可燃界限宽，燃烧速度快，可以实现稀薄燃烧，有利于提高发动机热效率，对排气净化及降低油耗有利。

（4）可显著降低尾气排放。

甲醇具有很高的氧含量，发动机应用甲醇汽油燃烧更加完全，且提高了发动机的热效率，因此可减少汽车常规运行时尾气中一氧化碳和碳氢化合物（CH）等废气排放。

（5）在高油价、低甲醇价格情况下，经济上甲醇燃料占有很大优势。

甲醇作为汽车代用燃料的主要缺点：
（1）甲醇吸湿性强，与汽油互溶性差，会造成混合燃料的稳定性、遇水分层问题；
（2）甲醇净热值不到常规汽油一半，甲醇燃料着火性差、低温启动性差，会出现发动机低温启动困难；
（3）甲醇对各种金属均有严重腐蚀，造成发动机腐蚀及磨损问题，纯烧甲醇需要对发动机进行改造，有发动机通用性问题；
（4）甲醇燃料十六烷值低，在压燃式发动机中燃用甲醇燃料较困难，有发动机积碳问题；
（5）甲醇对汽车橡胶有溶涨作用问题；
（6）甲醇能量密度较低，燃油箱容积需适当放大。

甲醇使润滑油变稀，会加剧磨损，需要加防腐抑制剂；
（7）甲醇有毒，怠速情况下甲醇汽车排放的甲醛（非常规排放）为普通汽油车的3~6倍；
（8）使用甲醇燃料（M85、M100）时，需要另建储运、加注和销售设备系统，并建立安全防护系统。

甲醇燃料作为替代燃料可行性分析
甲醇作为燃料汽油中存在的一些优点如：其挥发性好，有利于与空气的混和。

甲醇汽油的可燃界限宽，燃烧速度快，可以实现稀薄燃烧，有利于提高发动机热效率，对排气净化及降低油耗有利。

等等优点…
但甲醇汽油在少量水分存在的情况下容易发生相分离，影响贮存和汽车正常运转。

它的低温性能和冷起动性能较差，这主要是由于甲醇的蒸发潜热比汽油高3 倍，低温条件下，甲醇汽油不易起动，另气化潜热大使化油器中形成的燃气混合比为6.45，比汽油正常燃烧所需的理论空燃比 15 低的多，使汽车运转性能不良，驱动性能下降，影响最大功率的发挥，不利于汽车的加速性，严重的将影响汽车的驱动性能。

甲醇为神经毒物，具有显著的麻醉作用，作为汽车代用燃料尽管可以有效降低C0 及HC 排放，然而，却大大增加了有毒醛类化合物和未燃醇的排放。

综上所述，甲醇燃料弊大于利，它不适宜作为汽车的代用燃料。

现代柴油
现代柴油分为合成柴油和生物柴油。

合成柴油
合成柴油分为:天然气合成油（GTL）、煤合成油（CTL）、生物质合成油（BTL）。

在所有代用燃料中，合成油是最为理想的柴油替代品。

合成油直接作为柴油机燃料或掺入柴油中能降低柴油机尾气中硫化物等有害气体的排放，能延长柴油机后处理装置的寿命并提高转化效率。

天然气合成油（GTL）
除南非以煤为原料外，国外大部分都是以天然气为原料生产合成油。

受资源、投资规模、能耗等因素限制，目前全球GTL产能还不大。

国外GTL的研究非常活跃。

某跨国石油公司在全球范围内与多国政府、汽车企业合作，推广使用GTL
燃料，并在一些世界著名的大都市开展GTL汽车试车活动。

当前，全世界只有少数几个国家的部分城市在应用GTL，而且用量有限。

大规模应用要在10～20年之后，预计20年后GTL代替石油的量约占全球石油总消费量的1%～2%。

煤炭合成油（CTL）
通过费托合成（FTD）制得的CTL合成柴油品质较高，且品质与原料煤的品质无关。

费托合成所得产物主要是直链烷烃，其特点是低芳烃、低烯烃、高十六烷值（十六烷值可达75以上）、含硫量很低或无硫，是车用柴油的理想组分，可直接应用于柴油机，是柴油机的清洁燃料，也可以任何比例同普通柴油混合以提高燃油品质（但低温流动性及润滑性需要关注）。

因为CTL的组成是烃类，与石油组成类似，在所有煤基燃料（甲醇、DME、CTL）中，CTL与汽车的适用性最好。

采用CTL合成油作为柴油替代燃料，可以利用现有的柴油贮运、加注设施，应用的便利性很好
生物质合成油（BTL）
BTL可以以多种生物质为原料通过费托合成制得。

也称BTL为阳光燃料，是可再生能源，属于第二代生物柴油。

同GTL、CTL一样，BTL是柴油的良好替代品。

目前，BTL的生产工艺尚未成熟，BTL的工业化生产尚需时日，但BTL是最具发展潜力的汽车替代能源。

鉴于国内具有丰富的生物质资源，故BTL在国内应有最为广阔的发展前景。

应进行BTL生产工艺的开发研究，以BTL作为合成柴油的主要发展方向。

作为生物燃料，欧盟推荐采用BTL。

一些汽车厂商也推荐采用GTL、BTL作为柴油替代燃料。

生物柴油
生物柴油是以油料作物和动植物脂肪为原料生产的柴油替代晶，主要成分是脂肪酸脂类（脂肪酸甲脂或乙脂），也称为第一代生物柴油。

原料可以是大豆、油菜籽等油料作物，油棕和黄连木等油料林木果实，工程微藻等油料水生植物，以及动物油脂、废餐饮油等，具有良好的来源多样性和再生性，是可再生能源。

生物柴油的优势：十六烷值及能量密度较高，与柴油互溶性好，可以直接与柴油混合使用，低比例（5%-20%）混合时不需要对发动机进行改造，且可以使用原有的燃料加注及储运设备；柴油机燃用生物柴油可降低HC、CO、 CO2、 SOX 的排放，提高能源效率，是柴油机良好的清洁代用燃料；硫含量低，不含芳香烃，可降低有害物的排放；生物降解性好，利于环保；闪点高，安全性好；粘度较大，润滑性好。

生物柴油的不足：挥发性低，易造成燃烧不完全而形成积炭；含有双键使得安定性差，在空气中易于氧化变质。

生物柴油的燃烧残留物呈微酸性，对发动机有轻微的腐蚀性。

所以生物柴油必须以一定比例与柴油掺烧。

现代柴油汽车的应用及前景
近些年，欧洲和美国每年都有新的生物柴油工厂投产，而且年产量逐年递增。

低比率掺烧的生物柴油已得到世界范围内OEM的广泛接受，B5（含5%生物柴油的柴油）柴油在欧洲的一些国家已得到推广应用。

美国、欧盟、加拿大已把生物柴油作为汽车代用燃料的组成部分。

目前，我国生物柴油的生产规模还较小，生产能力约为10万t/年左右，还未进行推广应用。

部分企业正在扩建，提高生物柴油产能。

我国“十五”计划发展纲要提出发展的各种石油替代品，已将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。

生物柴油产业得到了政府、国家有关部门的支持，并已列入有关国家计划。

2005年国家专项农林生物工程确定目标：2010年生物柴油生产能力为200万t/年；2020年生物柴油生产能力将达到1500万t/年。

虽然生物柴油处于起步阶段，供给能力很低，但随着燃料制造技术的不断提高与完善，其产能与供给能力将会逐步提高，在不久的将来会较大规模地推广应用。

其他动力汽车
其他能源汽车主要包括燃烧电池汽车、混合动力汽车、太阳能电动汽车、核动力汽车等。

燃料电池汽车
燃料电池是指氢气和空气中的氧气发生化学反应而产生电能的装置，是最有前途的也是未来汽车的主要能量源，车辆安装燃料电池，可以利用自身产生的电能驱动车辆行驶，能解决电动汽车的一次充电续驶里程短的问题，是高效、低公害的清洁汽车。

在汽车上安装燃料电池堆，还需要设法减小电池堆的体积。

为此，就要把铂电极、电解质和隔离板做薄，改进技术，尽可能达到它们的最薄极限。

燃料电池的基本原理尽管十分简单，但是用来驱动汽车，由于需要的是能够输出大功率的电池堆，因而对技术的要求是非常高的。

国内完全自主研发燃料电池轿车整车的主要是上海神力公司，他们与同济大学联合开发了“超越”系列，2004年7月下线的“超越二号”最高时速115公里，能连续行驶168公里，到2005年初已累计行驶一万公里。

2005年下半年，采用“超越三号”技术的10辆燃料电池出租车将开始示范运行。

混合动力汽车
混合动力装置是将传统发动机尽量做小一点，让一部分动力由电池一电动机系统来承担，既发挥了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的优点。

混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用人力和电力两套装置开动汽车达到节省燃料和降低排放污染的目的，实用的内燃机既。