车用发动机代用燃料技术发展状况

魏若男

（西安科技大学机械工程学院，陕西 西安 710054）

1 前言

环保和节能是当今全球汽车行业无法回避的两大主题。在全球能源消费结构中，石油、天然气和煤炭等化石能源依然占主要地位，其中石油在交通和工业终端用能上继续保持统治地位。“十一五”计划后，我国的汽车保有量迅速增加，目前已达到1亿辆，能源需求形势十分严峻。而同时，人们日益增强的环保意识和越来越严格的排放法规也对发动机提出了新的要求。针对当前的严峻形势，寻求洁净高效的替代能源，并安全有效的应用于发动机上迫在眉睫。

2 车用代用清洁燃料发展现状

代用清洁燃料是汽车解决环保节能的有效途径。代用清洁燃料可以分为：单一代用清洁燃料和混合代用清洁燃料。目前较成熟的单一代用清洁燃料有压缩天然气、液化石油气、乙醇、甲醇、二甲醚等燃料。所有这些代用燃料都是碳基燃料，其分子比汽油分子小而简单，具有较小的碳-碳键，燃烧起来比较清洁，同时获取过程中对环境危害很小。混合代用清洁燃料是将几种燃料或某种燃料中加入某种元素的混合燃料，使其成为满足车用发动机的清洁燃料。如：在常规燃料中加入含氧燃料可以降低PM的排放；粘度低的燃料和粘度高的燃料（柴油）混合使用可以改善喷雾特性和减少油泵柱塞的磨损；通过掺混高十六烷燃烧，可以控制着火提前角等等。因此采用先进技术合理匹配燃料是解决内燃机的经济性、排放特性和能源问题的有效方法之一。

（1）液化石油气。液化石油气(LPG)是原油提炼过程中的副产品。天然气在炼制过程中所产生的气体，主要成份是丙烷和丁烷，以液态储存和运输。通过LPG与90#汽油的性能比较可以看出，LPG具有较高的辛烷值，抗爆性好，因而可使汽油机具有较高的压缩比，其爆炸极限浓度和低热值较高，使用安全性和经济性较好。如果LPG在汽车上合理应用，可使CO、NO等有害气体的排放量低于发动机燃用汽油的排放,基本上消除黑烟和颗粒物。LPG汽车从燃料供给上大致可以分为两类。第一类是单一的LPC燃料汽车,第二类是LPC-汽油双燃料汽车。我国研究较多的是LPG-汽油两用燃料系统。目前，LPG作为内燃机燃料在技术上已经比较成熟，只要对原车上的燃料系统加以改装就可以实现。但是，LPG汽车的低污染排放不是无条件的，只有LPG供气装置与发动机进行了最佳匹配的车辆，才能达到较好的低污染排放效果，如果同时采用闭环电控燃料喷射装置和三效催化转化器技术，可实现较高的污染物降低率的目标。

（2）压缩天然气。压缩天然气(CNG)是天然气经20MPa的压力压缩形成的，是车用天然气燃料的主要储存方式。CNG的特点是化学性质较稳定，辛烷值高，抗爆性能好；自燃温度为680~750℃，远高于汽油的自燃温度(260~370℃)，因此其安全性较好。使用天然气燃料的汽车排气污染显著降低，尾气中HC下降可达90%左右，CO下降可达80%左右，NOx下降约为40%。由于CNG的理化特性同汽油较为接近，因而在使用时不需要对原发动机做很大变动就可以改成CNG-汽油双燃料汽车，但由于系统压力较高，对储气罐及管路阀门等的要求都很高。CNG在汽车上使用的主要缺点是储气瓶较重、占用体积大，能量密度低，20MPa压力下的CNG燃料仅相当于汽油能量密度的30%，因此其充气频繁、续驶里程短。吸附天然气(ANG)作为未来替代CNG的一项新技术将有广阔的发展前景，它是用多孔吸附剂填充在储存容器中，在中高压条件下，利用吸附剂增加天然气的储存密度。但由于技术上的不少难点还有待解决，尚处在研究阶段。

（3）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%掺烧为主(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%，HC降低31%)，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。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。

（4）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。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。

（5）二甲醚燃料。二甲醚自身含氧，组分单一，碳链短，十六烷值高，燃烧性良好，热效率高，燃烧过程中无残液、无黑烟，具有优良的压缩性，这些特征适合压燃式发动机，是柴油发动机理想的替代燃料。柴油机燃料采用二甲醚后有以下明显的优点：①同样的发动机功率提高约16%，热效率提高2%～3%；②基本做到无烟运行，即无可见微粒排放；③因气缸中燃烧温度低，NOx排放是燃用柴油的60%以下；④车内噪音比原型车下降2.5分贝，排放远优于欧Ⅲ排放限值；⑤HC/CO的排放也下降40%左右；⑥气缸内最高压力下降7～9MPa，气缸中的压力升高率也相应降低。二甲醚是目前世界普遍看好的未来超清洁燃料，以天然气和煤为原料合成制取，二甲醚的生产方法有一步法和二步法：一步法是由天然气转化或煤气化生成合成气后，通过甲醇合成与甲醇脱水两个反应过程和变换反应，生成甲醇与二甲醚的混合物，混合物经蒸馏装置分离得二甲醚，其工艺流程简单、设备少、成本低，经济效益高；二步法是由合成气合成甲醇，甲醇在固体催化剂下脱水制二甲醚，其工艺流程较长，设备投资较大，随着这两年我国两步法二甲醚工艺技术的发展，工艺技术已接近或达到国外先进水平。总之，二甲醚作为清洁的替代燃料已经得到国内外广泛的关注，特别是其替代煤气、LPG和柴油方面所具有的巨大的市场潜力，对我国能源结构的调整、环境保护等方面有着重要的现实意义。

（6）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。其发动机有害气体排放减少，低温性能和润滑性好，使用安全，可再生，利于环保。

3 结语

节能和环保是人类社会可持续发展遇到的两大问题，对于汽车行业也不例外，未来车用发动机的发展关键是提高发动机的能量利用效率，降低污染物的排放，寻求新型能源。本文介绍的各种技术都是近些年围绕汽车代用燃料所展开的热点技术，这对我们发展壮大本国汽车工业、优化产业结构也起到了很好的导向作用。

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