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( CNG )、液化天然气( LNG )、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 ，简称 C 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),高比例掺烧可达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。采用乳化液法时,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 的使用安全性要好于丙烷和丁烷。二甲醚是一种溶剂,对燃油系统中橡胶密封件等有破坏作用。因此,使用DME 时应保证整个燃油系统密封性良好,以防止DME 向大气中泄露。通常而言, 针对液化石油气采用的安全防范措施同样也适于DME。 DME 具有较高的十六烷值, 可用作发动机燃料,其燃烧效果比甲醇燃料好,除具有甲醇燃料所具有的优点之外, 还克服了其低温启动性和加速性能差的缺点。DME 燃料具
有高效率和低污染的优点,可实现无烟燃烧,并可降低噪音。另外,研究表明, DME 的成本虽然高于柴油,但成本和污染都低于液态丙烷和压缩天然气等低污染替代燃料。因此, DME 作为发动机燃料有很好的发展前景。 生物柴油： 生物柴油是植物柴油和动物柴油的总称,它是一种由从植物油或动物脂的脂肪酸烷基单酯组成的一种可替代柴油燃料,一般由大豆或其它油类植物、动物油脂等通过酯化过程合成。有机油类和醇类(甲醇或乙醇)在催化剂存在的情况下,发生酯化反应,形成硬脂 (甲酯或乙酯) ,就是通常所指的生物柴油。其有如下的特点: ( 1)发动机有害气体排放减少。使用生物柴油与纯柴油的发动机排放对比, 可见使用生物柴油除NO稍有增加外, CO排放降低了 15. 64%, HC排放降低了 17 . 65%,微粒排放降低 38 . 1 %。此外,由于生物柴油中硫含量低, 使得二氧化硫和硫化物的排放减少约 30 % (有催化剂时为 70 % ) ,生物柴油中不含对环境造成污染的芳香族烷烃,因而废气对人体损害低于柴油。 ( 2)具有较好的低温使用性能, 无添加剂时的冷滤点达- 20 。 ( 3)具有较好的润滑性能, 可减轻发动机供油系统的喷油泵、 喷油器等部件的磨损。 ( 4)使用安全性好。由于其闪点高于矿物柴油且不属于危险品,因此, 在运输、 储存、 使用方面的优点是显而易见的。 ( 5)利于自然环境保护。首先, 生物柴油燃烧所排放的二氧化碳远低于植物生长过程中所吸收的二氧化碳。所以,会降低因二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害人类的重大环境问题; 其次,生物柴油的生物分解率高 ( 3周后分解率: 生物柴油98 %, 矿物柴油 70% ),当抛洒到自然界中后会快速自然分解,有利于环境保护。 ( 6)可再生特性好。与矿物油不同, 它可通过农业和生物科学家的努力, 充分利用自然资源进行再生产,可供应量不会枯竭。 多元化的能源结构是清洁汽车发展的必由之路，也只有通过发展新的能源，才能减少对石油资源的依赖，减小环境污染，造福于人类。 氢气： 氢燃料的性能优于碳氢燃料。同矿物燃料相比, 氢具有发热量大、火焰传播速度快、着火界限宽、点火能量小等优点; 氢造成的污染小。氢在空气中燃烧产生水和极微量的一氧化氮。鉴于以上优点, 氢被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料。 氢内燃机的理论空燃比为34.3:1, 远远高于汽油机。因氢气为气体燃料, 比液体燃料占据了更多的燃烧室空间,导致空气所占空间比例减小。由于氢气有较低的点火能量限制, 易于点燃, 可采用汽油机的点火系统。燃烧稀混合气火焰速度会减小, 宜采用双火花塞。两个火花塞同时着火, 燃烧室内形成强烈的涡流, 火焰传播速度快, 同时火焰传播距离缩短1 /2, 燃烧时间缩短, 提高了燃料热量利用率, 另外还可以防止点火失败, 保证发动机可靠运行。氢气的分子结构简单, 比热比大, 理论上氢内燃机的热效率要高于传统的内燃机。发动机采用的压缩比决定于燃料的抗爆震能力, 氢的辛烷值大于130, 远大于汽油,故氢内燃机可采用比传统汽油机大的压缩比。压缩比大, 热效率提高, 但相应的摩擦损失和传热损失也大。 面对目前世界范围内油价上涨和越来越严格的排放法规, 各大汽车公司和研究机构都致力于提高发动机的热效率、燃油经济性、降低排放和开发代用燃料汽车的研究。氢以其优异的物理化学性能成为发动机的理想燃料。氢燃料汽车的最终出路是燃料电池, 但燃料电池的产业化是一个漫长的过程, 在此之前, 将传统发动机改装成燃氢发动机或双燃料发动机相对容易实现。因此, 研究氢内燃机有着光明的前景。
燃料电池： 燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点： （1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。 （3）燃料适用范围广。 （4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。 （5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量， 减少了输变线路投资和线路损失。 燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。 多元化的能源结构是清洁汽车发展的必由之路，也只有通过发展新的能源，才能减少对石油资源的依赖，减小环境污染，造福于人类。
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