代用燃料的研究与应用

随着大气环境和全球能源问题日益严峻，商用车燃料及其排放物对空气的污染问题备受关注，代用燃料的开发和使用已成为必然趋势。本文详细介绍了目前全球范围内使用较多的代用燃料的研究与应用发展情况。

1 天然气（NG）

天然气作为汽车燃料，根据燃烧状态的不同可分为液化天然气（LNG）和压缩天然气（CNG），具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。

1.1 液态天然气（LNG）成分对重型发动机的影响[1]

天然气的应用减少了重型公路运输产生的温室气体排放，但也面临着挑战。天然气的成分在不同的燃料供应商和地理区域之间可能有很大差异。因此，本文就燃料成分变化对配备引燃点火装置的重型直喷天然气发动机的影响进行了评价。

高压直接喷射（HPDI）是一种能够匹配柴油发动机性能同时还可用天然气代用90%以上柴油燃料的技术。与重型天然气发动机的其他代用品相比，液化天然气（LNG）可以有效增大体积并提高重量能量密度。对于HPDI，这种状态具有比气态天然气（无论是作为压缩天然气在高压下储存，还是在诸如吸收储存的更特别的系统中储存）明显的优势，减少了实现直接喷射到高压缩比发动机所需的燃料压力所需的压缩功。

图1 HPDILNG燃油系统[1]

图1 为基于LNG的HPDI燃油系统的关键部件示意图。在该系统中，使用泵将低温LNG首先压缩至所需的供应压力（标准HPDI发动机中最高约300 bar），然后将天然气通过热交换器以确保其在供应到发动机之前完全蒸发。

实验发动机安装在配有涡流测功机的发动机试验台上，包括6个安装在水冷压电压力传感器，发动机制动扭矩和速度由测功机上的传感器确定，在系统的多个点记录进气和废气流压力和温度。使用Meriam层流元件测量增压空气流量，并使用重量燃料平衡测量柴油流量。使用Horiba MEXA3100DEGR排放台测量CO、CO2、NOx、THC和CH4的排放，这也用于测量进气CO2，以量化EGR（废气再循环）率。使用AVL 415烟度计测量发动机排放的烟雾排放。

对15 L HPDI天然气发动机进行了一系列试验，评估对低质燃料的敏感性，并评估基于燃烧感应的补偿策略是否适合减轻燃料成分变化对发动机性能和排放的影响。这项工作的主要发现是：

（1）HPDI燃烧主要对燃料密度敏感

（2）气态燃料中较高浓度的乙烷和丙烷导致较长的燃烧持续时间，但不会严重影响燃烧起始或峰值放热率。

（3）一旦扭矩被校正，受燃料成分影响的主要排放物是PM和CH4。由于乙烷和丙烷的浓度增加，CH4在PM增加时明显降低。由于当前DOC和DPF后处理系统的高效性，尾气中PM的排放不受影响。

1.2 甲烷值对压缩天然气（CNG）直喷发动机效率的影响[2]

天然气（NG）和可再生甲烷作为汽车燃料的基本要求是可靠的抗爆性，高抗爆性能够优化具有高压缩比和高涡轮增压器增压的专用NG发动机，并进而实现发动机小型化。NG可以与所有类型的可再生甲烷混合，混合率高达100%，具有未来的可持续发展潜力。

NG主要由甲烷组成，与汽油相比具有许多燃烧优势。由于比汽油更有利的C/H比，NG燃烧排放的二氧化碳基于油箱到车轮（Tank To Wheel）减少约25%，颗粒排放也大大降低。如图2所示，2014年型号的欧洲CNG乘用车比同类车辆中的汽油发动机减少约15%的比扭矩和约20%的比功率。扭矩和功率损失主要是由CNG发动机的容积效率降低引起的，CNG发动机目前与端口燃料喷射系统（CNG取代空气）一起运行。

为了描述NG的抗爆性，引入了甲烷值（MN）。通常NG的最低甲烷值为65，并且绝大多数NG（～99.8%）的MN高于70。生物甲烷和电力-气体甲烷的MN通常远高于80。从汽车的角度来看，任何甲烷燃料应至少提供的最低MN为70。但迄今为止，描述汽车CNG燃料质量的欧洲标准草案提出了最低MN为65。因此，MN从70减少到65所引起的效率差异对未来的NG（甲烷燃料）标准化具有相当大的意义。

本文实验测试结果表明，在12.9压缩比的轻量化小缸径发动机上，MN 69和MN 64之间的测量效率差异为0.21%-0.35%。测量的效率降低是由较低的MN随后的爆震限制燃烧引起的。同时，针对较大汽缸排量的发动机，压缩比的增加都会导致发动机效率的显著增加。因此，具有较大排量的发动机在MN69燃料和MN64燃料之间会产生更高的效率损失差。

1.3 湿空气对CNG发动机NOx和PM排放影响的研究[3]

美国大约29%的温室气体（GHG）排放由运输部门生产，减少运输温室气体排放的战略包括引入低碳燃料，提高车辆燃油经济性和运输系统效率，以及减少碳密集型活动。天然气是低碳燃料，最近CEC（California Energy Commission）的报告指出，随着CNG车辆的改装，乘用车的温室气体减排量为20%至30%，重型车辆的温室气体减排量为11%至23%。液化天然气（LNG）是重型车辆的代用燃料，到2022年，重型汽车的温室气体减排量将在12%至16%之间。

湿空气系统一直是减少CNG发动机NOx排放的有效方法，在该方法中，水蒸气被注入到吸入的空气中并提供给发动机汽缸。该过程降低了汽缸中局部温度并提高了空气-燃料混合物的比热，由此也有助于消除了发动机汽缸中的热点，随着温度降低，实现NOx还原。通过优化系统，湿空气系统可以减少氮氧化物排放，而不会显著增加碳氢化合物的排放。

本文在研究不同湿度水平的潮湿空气对非预混合燃烧气体排放的影响基础上，重点关注进气中不同湿度水平如何影响排气中NO的排放，并使用天然气作为燃料的自然吸气式发动机验证数值模拟结果。同时，进一步研究了潮湿空气进气对发动机颗粒物（PM）排放的影响。

图3 数值模拟燃烧室[3]

数值研究使用假定的概率密度函数燃烧模型模拟单个汽缸中的非预混燃烧，即图3所示的数值模拟燃烧室。对干燥和潮湿的进气进行模拟，测量0%、15%和30%相对湿度（RH）。数值结果显示，与干燥进气的NO排放相比，在15%RH下NO排放减少了65%；在30%RH下，NO排放减少了93%。实验在四种不同的马力（HP）下进行，分别为5、12.5、25和37.5，以及30%、45%和60%的三种RH。结果显示，相对湿度每增加15%，NOx排放量减少近10%。

2 液化石油气（LPG）作为代用燃料的综合调查[4-5]

液化石油气主要是碳氢化合物所组成的，其主要成分为丙烷、丁烷以及其他的烷烃等。用作运输燃料时，LPG比汽油和柴油燃料更清洁。在排放因子的比较中，LPG的NOx排放通常较低，PM10排放量占汽油的35-42%，乘用车和轻型商用车的柴油燃料排放量约为3%。对于重型车辆，LPG排放分别为汽油和柴油燃油的23%和5%，而对于公共汽车，排放约占汽油和柴油燃料的5%。三种燃料类型的CO排放和VOCs（排气）相对类似。

本文介绍了菲律宾国家工程中心（UPNEC）为菲律宾能源部评估液化石油气作为公共交通，特别是专线小型公共汽车（jeepney）的代用燃料的研究结果。研究分别进行了道路测试和底盘测功机测试。

经过两个阶段的实验研究，结论如下：

（1）在负载系数为60-70%的道路试验和负载系数为100%的底盘测功机试验中，LPG实际里程总是小于柴油实际里程，并且负载系数越高，实际里程数减少越多。

（2）在道路测试中，LPG jeepney的柴油当量里程与其对应柴油jeepney的实际里程大致相同。这意味着柴油和LPG具有相似的能量转换效率，LPG实际里程主要是由于LPG热值低于柴油。

（3）在底盘测功机测试中，LPG jeepney的柴油当量里程小于其对应柴油jeepney的实际里程数。这是由于在高负荷系数下，LPG热值低于柴油，导致LPG jeepney的能量转换效率低于柴油jeepney。

（4）道路试验表明存在一种运行状态可使得LPG能量转换效率高于柴油，找到这种运行方式即可实现LPG jeepney的优化。

（5）除了更绿色的排放外，政府财务激励（例如燃料定价）中应考虑实际里程，燃料能量含量和能量转换效率，以促进在公共交通用车中更好的使用LPG。

3 G10和B10燃料在轻型柴油车的应用[6]

生物柴油和GTL（Gas To Liquid）燃料是柴油燃料的两种典型代用燃料。低混合比（≤10%）生物柴油和GTL燃料可无需改变发动机的配置直接用于柴油发动机。文章重点研究同一柴油车中使用的低混合比生物柴油和GTL燃料的差异，并得出最佳燃料选择。

如图4所示实验系统，发动机配备有高压共轨系统，冷却EGR系统和DOC，在NEDC模式下的底盘测功机上进行了轻型柴油车的气体和颗粒排放研究，实验燃油分别为B10（10%生物柴油+90%柴油，v/v）和G10（10%GTL燃料+90%柴油，v/v）。

图4 实验系统示意图[6]

结果表明，与柴油燃料相比：

（1）在NEDC循环期间，B10和G10均可分别减少51.2%和52.3%的CO排放。由于在低排气温度下DOC效率低，第一个城市驾驶循环（UDC-1）具有更高的CO排放。

（2）在整个NEDC循环期间，B10燃料的HC排放增加了10.5%，G10燃料则减少了46.9%；另外，使用B10将导致NOx的排放量增加14.2%，而G10则减少6.8%。

（3）三种燃料的二氧化碳排放量关系为B10＞柴油＞G10，低热值差异明显。其中，B10和G10都可以减少成核模式粒子数排放和比粒子数排放，且G10具有较低的粒子数排放。

4 加氢处理植物油（HVO）在重型压燃式点火发动机中的应用[7]

近年来，加氢处理植物油（HVO）由于其优于生物柴油的一些优点而获得了普及，例如更高的十六烷值，更低的沉积物形成，更好的储存稳定性等。HVO与生物柴油不同，其生产过程中使用氢气而不是甲醇作为催化剂，从植物油中除去氧气。

文章采用改进的6缸重型柴油发动机（改进为单缸操作）研究HVO燃料的颗粒数量排放特性。在各种发动机工作负荷（6，8，10，12和14 bar IMEP）下进行不同燃料喷射压力的调查。五个轨道压力选自800至2 000 bar，步长为300 bar。结果表明，轨道压力的增加倾向于增加成核模式颗粒数浓度（量化增加），而发动机负荷的增加会导致更高的总颗粒数浓度。与矿物柴油相比，HVO的烟雾颗粒和氮氧化物（NOx）排放没有明显的差异，但成核模式中的部分发射颗粒会随着燃料喷射压力的增加而增加。

总的来说，HVO在NOx、烟度和颗粒数排放方面表现类似于矿物柴油，它是一种植物油衍生燃料，可以作为柴油的代用燃料，减少二氧化碳对环境的污染。

综上所述，为缓解石油资源匮乏和需求之间的矛盾，实现长期可持续的经济发展和环境保护，越来越多的代用燃料被测试并应用，但是代用燃料并非完全优于传统燃料，要想实现最优化，还需要更进一步的研究与创新。