第六章 内燃机的代用燃料

4.
醇类燃料的优缺点
(1) 甲醇作为车用燃料有以下优点: 1) 甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模专门生产，也可以利用现 有的氮肥厂设备联产，或采用多联产(热、电、化工产品如甲醇、二 甲醚、合成气等联产，简称IGCC),生产成本低。 2) 甲醇是液体燃料，可以沿用石油燃料的运输储存系统，基础设施投入 少。 3) 燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、经济性能，有害排放物低， 是一种清洁代用燃料。
第二节 内燃机的代用燃料
内燃机的代用燃料可以分为液体与气体两种，此外也可用电能来代替 燃料，驱动汽车。 一、液体代用燃料 （一）醇类燃料 醇类燃料主要有甲醇( CH3OH)和乙醇( C2H5OH) 。甲醇可以从天然气、 煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成， 它们都是液体燃料。 20世纪60年代为了控制内燃机的排气污染，一些国家对低污染的醇类 燃料发生兴趣， 1973 年石油危机后，进一步认识到代用燃料的重要 性。 我国从20世纪80年代初开始对甲醇燃料在内燃机中部分代用或全部代 用作了相当广泛的研究，先后组织了M15（甲醇比例）甲醇汽油发动 机的台架试验和车队试验，组织了M85甲醇汽油和M100全甲醇发动 机的开发和试验车队，取得了丰富的经验。当前我国石油资源严重 短缺，醇类燃料的开发应用，有利于发挥我国的资源优势。 E10（乙醇比例）
第一节 发展代用燃料汽车(内燃机)的重要 性
20世纪60年代后，全世界经历了三次重大的石油危机（第一次 1973-1974年，第二次1979-1980年，第三次1990年），与此同 时，全球环境污染严重，它不仅影响到发达国家，也逐渐影响 到发展中国家。能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化 己成为世界两大难题，中国也不例外。中国是一个富煤贫油的 国家，石油资源不足，有关统计资料表明，到2001年底止，我 国石油的探明可开采储量为33亿t，年产量为1. 6亿t左右，储采 比为20/1，而全世界石油的平均储采比也仅为40/1左右，见表61。预计今后十年，我国的石油缺口将会越来越大。表6-2列出 了我国2000 ---2010年石油的供需预测。
2 醇类燃料在汽油中的溶解度和助溶剂
汽油机可以燃用醇与汽油的混合燃料， 醇类燃料在汽油中的互溶度通常与 环境温度有关，如图6-1所示[2]。 图中线外是互溶区，线内是两液的分 层区。当混合燃料以汽油为主或以 甲醇为主时，能互溶的温度较低， 而当两液接近掺半混合时，互溶要 求的温度较高。为使甲醇与汽油的 混合燃料在常温和低温下保持单相 而不分层，必须加中高碳醇 ( 如异 丁醇 )、苯、丙酮等做助溶剂。试验 表 明 : 在 0℃ 溶 解 20% 的 甲 醇 仅 需 3. 5%容积比的杂醇。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2)乙醇(酒精)
乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。巴西和美国分 别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。美国 政府从 20 世纪 90 年代起一直以每年 7 亿美元的巨额补贴来维持每 年50亿升的乙醇产量(约400万t，每吨补贴约175美元左右)，且产 量还在逐年增加，用来作为汽油的替代燃料和辛烷值及氧的添加 剂(汽油中加10%左右乙醇)。
1. 醇类燃料的物化特性和使用特性
常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较见表 6-3。从 表6-3所列的醇类燃料的性质可以看到: 1) 醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为汽油的46%，乙醇为汽 油的62%; 但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的 43%，乙醇为汽油的60%。应增大循环供油量。 2) 醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，甲醇为 1101kJ/kg ，乙醇为 862kJ/kg ，甲醇为汽油的 3.7 倍，乙醇为汽油的 2.9 倍，从而使混合 气在燃料蒸发时温降大 ( 甲醇为汽油的 7 倍，乙醇为汽油的 4.16 倍 ) 。 有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下 的蒸发，滞燃期长，应适当增大点火提前角。 3) 醇类燃料的辛烷值高，甲醇为109，乙醇为110，在汽油机上使用 时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。 醇类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。
德国根据ECE试验规程，在点燃式发动机上燃用M15 , E25 汽油的排放测试结果见表 6-6[3], 燃用 M15, E25 时， CO 、 N0x排放均有所下降，HC则略有提高，HC排放提高的原因 是:与负荷特性、外特性试验不同，ECE循环包括有怠速暖 机工况，负荷率较低，此时混合燃料的HC排放要高于燃用 汽油。
第六章 内燃机的代用燃料
内容
第一节 发展代用燃料汽车(内燃机)的重要性 第二节 内燃机的代用燃料 一、液体代用燃料 (一)醇类燃料 (二) 二甲醚 ( Dimethyl Ether，缩写DME) (三) 煤制油 (又称合成汽油和合成柴油) (四) 生物柴油 二、气体代用燃料 (一)石油气(LPG) (二) 天然气(NG) (三) 氢气 三、电能 (一) 电动汽车（Electrical Vehicle，缩写EV） (二) 混合动力汽车（ Hybrid Electrical Vehicle，缩写HEV） (三) 燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，缩写FCV）
乙醇与汽油的混合油在吸水或掺水后互溶的性能要比甲醇稳定， 但仍需控制它的含水量。图6-2[2]所示为乙醇在汽油和重柴油中的 互溶临界温度及其与含水率的关系，当乙醇含水率愈高，它能溶 于汽油或柴油的临界温度越高 (即愈难溶解于汽油或柴油 )。由于 乙醇的相对密度与汽油比较接近，它溶解于汽油的临界温度(曲线 2) 要比溶解于重柴油的温度 ( 曲线 l) 低 13--15℃。图 6-3[2]所示为乙 醇与重柴油、轻柴油互溶温度与乙醇容积比的关系，以乙醇为主 或以柴油为主时，能互溶的温度较低，而乙醇与轻柴油的互溶温 度要低于重柴油。
二甲醚是醚的同系物，但与用作麻醉剂的乙醚不一样，毒性极低；能 溶解各种化学物质；由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极 性或非极性溶剂互溶特性，广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替 代制冷剂、溶剂等，另外也可用于化学品合成，用途比较广泛。 二甲醚作为一种新兴的基本化工原料，由于其良好的易压缩、冷凝、 汽化特性，使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有许多 独特的用途。如高纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂 和致冷剂，减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。由于其良好 的水溶性、油溶性，使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油 化学品。代替甲醇用作甲醛生产的新原料，可以明显降低甲醛生 产成本，在大型甲醛装置中更显示出其优越性。作为民用燃料气 其储运、燃烧安全性，预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均 优于石油液化气，可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。 也是柴油发动机的理想燃料，与甲醇燃料汽车相比，不存在汽车 冷启动问题。它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。
点燃式发动机燃用醇类燃料时发动机有未燃醇和醛等有 害排放物，见表6-7 。
综上所述，当汽车燃用混合燃料或纯醇燃料时，只要优化其燃烧过程， 其能耗和NOx，CO及HC排放都可以降低，醇燃料发动机排出的致癌多环 芳香烃含量也比汽油低。
(2) 压燃式发动机燃用醇类燃料
醇类燃料十六烷值低，自燃温度高，难于压燃，在压燃式发动机上 使用时，需要采用助燃措施(火花塞、电热塞助燃) 或加入着火改进 剂(Ignition Improver)。
乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点: 1) 辛烷值高(110左右)，可以代替目前正在使用的无铅抗爆添 加剂甲基叔丁基醚 (MTBE) 。乙醇无毒，对环境无危害， 而MTBE则被怀疑会污染地下水和致膀胱癌等，在美国一 些州已被禁用，2004年全面禁用。 2) 乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高，发动机燃用乙醇可以实现 无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC, NOx也可以有不 同程度的降低 (取决于发动机结构及其调整状态 )。火花点 火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料 ( 掺烧 比例大时需加助溶剂 ) ，压燃式发动机也可以燃用乙醇， 但需有助燃措施。
3 醇类燃料在发动机上的试验结果
(1)在点燃式发动机上用醇类燃料 1)醇含量较低的混合燃料的试验结果
混合燃料中醇的质量分数不大于20%时属于醇含量较低的混合燃料。 在解放牌汽车发动机CA-l0B上的试验结果表明，混合燃料中醇的质 量分数在20%以下时仍能保证发动机较好的起动性能，在不改变发 动机结构的情况下，燃用掺醇量小于20%的混合燃料可在动力性能 稍有改善的同时，降低能耗5%左右，在进一步提高压缩比后，功率 能提高5%--7%，能耗降低6%--10%。在东风汽车发动机EQ6100上的 试验结果表明，使用M15 混合燃料的动力性能与燃用纯汽油相当或 略高，能耗降低3%左右;
2)醇含量较高的混合燃料的试验结果
在点燃式发动机上燃用醇含量较高或纯醇燃料时排放改善效果较为明 显。它能明显降低CO排放量，HC排放量也略有下降(通常醇含量较 高或纯甲醇发动机需用排气加热进气，以加快暖机过程，从而可使 排温升高)。 由于甲醇蒸发潜热高，在其他条件相同时，它能降低压缩温度和最 高燃烧温度，从而在多数情况下它可以降低 NOx 排放，但由于甲醇 火焰传播速度和放热速率快，它的滞燃期长，需要增大点火提前角， 又会增大NOx 排放，因此它对 NOx 排放的影响不明显，如图6-4 所示。
乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是: 1) 乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、存放期过长甚至霉变的粮 食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。但 我国可耕地面积少(为世界的7% )，人口多(占全世界人口的22% )， 粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大 (生产乙醇的耗能量接近 乙醇发出的能量)、耗粮大，生产乙醇过程中有大量CO2排放，利用 粮食生产乙醇，只能适度开展。此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添 加剂时，政府要考虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应 用。 2）利用能源作物(如甜高粱的茎杆、木薯等)制乙醇也是可行的，生 产成本比粮食制乙醇低1000元/t左右，秸秆制酒精是将秸秆通过 酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸秆收集比较困 难，世界上未大规模生产。秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，作为 民用燃料。
(二) 二甲醚 ( Dimethyl Ether，缩写DME)
二甲醚又称甲醚，简称DME，在常压下是一种无色气体或压缩液体，具有轻 微醚香味。相对密度（20℃）0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温 下蒸气压约为0.5MPa，与液化石油气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙 酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮，燃烧热（气态） 为1455kJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性， 但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。 二甲醚在常温、常压下为无色、无味、无臭气体，在压力下为液体，性能 与液化石油气（LPG）相似 二甲醚的毒性：二甲醚的毒性很低，气体有刺激及麻醉作用的特性，通过 吸入或皮肤吸收过量的此物品，会引起麻醉，失去知觉和呼吸器官损伤。
若对汽油机结构参数进行调整 ( 增大点火提前角和循环供油量 ) ，则燃 用M15的功率比燃用纯汽油大，转矩增大3%，能耗降低3.6%;若进一 步提高压缩比，则发动机的动力性能和经济性能还能进一步提高。 排放方面，燃用混合燃料发动机的CO, HC, NO:均有不同程度下降，见 表6-4。
美国根据联邦试验规程，在点燃式发动机上燃用M15燃料时 测得的排放物与燃用汽油的比较见表6-5 , CO, NOx有较大幅 度下降，HC则略有增加(通过氧化催化反应器进行后处理)。
甲醇的主要缺点是:
1) 有毒、不可饮入口中或溅入眼中，须对甲醇燃料加强管理并 严格遵守操作规程。 2) 排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。 其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。 3)甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与 材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶、不锈钢制油箱 及聚四氟乙烯燃油管道等。