車用發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

魏若男

（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

1 前言

環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)今全球汽車行業(yè)無法回避的兩大主題。在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油、天然氣和煤炭等化石能源依然占主要地位，其中石油在交通和工業(yè)終端用能上繼續(xù)保持統(tǒng)治地位?！笆晃濉庇?jì)劃后，我國的汽車保有量迅速增加，目前已達(dá)到1億輛，能源需求形勢(shì)十分嚴(yán)峻。而同時(shí)，人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的環(huán)保意識(shí)和越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新的要求。針對(duì)當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢(shì)，尋求潔凈高效的替代能源，并安全有效的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上迫在眉睫。

2 車用代用清潔燃料發(fā)展現(xiàn)狀

代用清潔燃料是汽車解決環(huán)保節(jié)能的有效途徑。代用清潔燃料可以分為：?jiǎn)我淮们鍧嵢剂虾突旌洗们鍧嵢剂?。目前較成熟的單一代用清潔燃料有壓縮天然氣、液化石油氣、乙醇、甲醇、二甲醚等燃料。所有這些代用燃料都是碳基燃料，其分子比汽油分子小而簡(jiǎn)單，具有較小的碳-碳鍵，燃燒起來比較清潔，同時(shí)獲取過程中對(duì)環(huán)境危害很小。混合代用清潔燃料是將幾種燃料或某種燃料中加入某種元素的混合燃料，使其成為滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔燃料。如：在常規(guī)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）混合使用可以改善噴霧特性和減少油泵柱塞的磨損；通過摻混高十六烷燃燒，可以控制著火提前角等等。因此采用先進(jìn)技術(shù)合理匹配燃料是解決內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放特性和能源問題的有效方法之一。

（1）液化石油氣。液化石油氣(LPG)是原油提煉過程中的副產(chǎn)品。天然氣在煉制過程中所產(chǎn)生的氣體，主要成份是丙烷和丁烷，以液態(tài)儲(chǔ)存和運(yùn)輸。通過LPG與90#汽油的性能比較可以看出，LPG具有較高的辛烷值，抗爆性好，因而可使汽油機(jī)具有較高的壓縮比，其爆炸極限濃度和低熱值較高，使用安全性和經(jīng)濟(jì)性較好。如果LPG在汽車上合理應(yīng)用，可使CO、NO等有害氣體的排放量低于發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油的排放,基本上消除黑煙和顆粒物。LPG汽車從燃料供給上大致可以分為兩類。第一類是單一的LPC燃料汽車,第二類是LPC-汽油雙燃料汽車。我國研究較多的是LPG-汽油兩用燃料系統(tǒng)。目前，LPG作為內(nèi)燃機(jī)燃料在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，只要對(duì)原車上的燃料系統(tǒng)加以改裝就可以實(shí)現(xiàn)。但是，LPG汽車的低污染排放不是無條件的，只有LPG供氣裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了最佳匹配的車輛，才能達(dá)到較好的低污染排放效果，如果同時(shí)采用閉環(huán)電控燃料噴射裝置和三效催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)較高的污染物降低率的目標(biāo)。

（2）壓縮天然氣。壓縮天然氣(CNG)是天然氣經(jīng)20MPa的壓力壓縮形成的，是車用天然氣燃料的主要儲(chǔ)存方式。CNG的特點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，辛烷值高，抗爆性能好；自燃溫度為680~750℃，遠(yuǎn)高于汽油的自燃溫度(260~370℃)，因此其安全性較好。使用天然氣燃料的汽車排氣污染顯著降低，尾氣中HC下降可達(dá)90%左右，CO下降可達(dá)80%左右，NOx下降約為40%。由于CNG的理化特性同汽油較為接近，因而在使用時(shí)不需要對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)做很大變動(dòng)就可以改成CNG-汽油雙燃料汽車，但由于系統(tǒng)壓力較高，對(duì)儲(chǔ)氣罐及管路閥門等的要求都很高。CNG在汽車上使用的主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)氣瓶較重、占用體積大，能量密度低，20MPa壓力下的CNG燃料僅相當(dāng)于汽油能量密度的30%，因此其充氣頻繁、續(xù)駛里程短。吸附天然氣(ANG)作為未來替代CNG的一項(xiàng)新技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景，它是用多孔吸附劑填充在儲(chǔ)存容器中，在中高壓條件下，利用吸附劑增加天然氣的儲(chǔ)存密度。但由于技術(shù)上的不少難點(diǎn)還有待解決，尚處在研究階段。

（3）甲醇燃料。甲醇的理化特性同汽油較為接近，并且由于甲醇與汽油的相容性好，所以容易實(shí)現(xiàn)各種比例的摻燒。一般以低比例5%~30%摻燒為主(M5~M30)，高比例摻燒可達(dá)85%(M85)。使用甲醇汽油可使尾氣中的CO和HC的排放量明顯降低 (根據(jù)美國APlRP研究報(bào)告,M85汽車可使CO下降13%，HC降低31%)，由于甲醇與柴油的理化性質(zhì)差別較大，與柴油的相容性也較差，因此柴油機(jī)摻燒甲醇的研究主要集中在摻燒方式上。目前概括來說有熏蒸法、雙燃料系統(tǒng)法和乳化液法。采用熏蒸法和雙燃料系統(tǒng)法時(shí)，汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變化較大，所以不易在現(xiàn)使用的柴油車上推廣。采用乳化液法時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可以不做變動(dòng)而摻燒甲醇燃料，比較易于推廣應(yīng)用，但目前尚未研究出性能好、價(jià)格廉的助溶劑。

（4）乙醇燃料。車用乙醇汽油是將燃料乙醇與普通汽油按一定比例調(diào)配而成的新型汽車燃料。乙醇的辛烷值比汽油高，并且著火燃燒濃度極限范圍比汽油寬得多。乙醇分子中含氧，汽油中添加一定比例的乙醇后，不僅能部分替代汽油，還可以改善燃燒,降低有害排放。例如，在汽油中加入10%的變性燃料乙醇，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，使燃燒更徹底，并且不污染環(huán)境。與甲醇燃料在柴油機(jī)上的應(yīng)用相似，柴油機(jī)摻燒乙醇燃料的研究也主要集中在摻燒方式上。現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)是乳化液法，各國正在研究性能較好的助溶劑使乙醇與柴油形成穩(wěn)定的混合燃料。目前存在的問題是乙醇制取能耗較大、成本較高，約為汽油的兩倍，需要在生產(chǎn)技術(shù)上尋求突破，降低能耗和成本，這樣乙醇燃料會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。

（5）二甲醚燃料。二甲醚自身含氧，組分單一，碳鏈短，十六烷值高，燃燒性良好，熱效率高，燃燒過程中無殘液、無黑煙，具有優(yōu)良的壓縮性，這些特征適合壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)理想的替代燃料。柴油機(jī)燃料采用二甲醚后有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：①同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高約16%，熱效率提高2%～3%；②基本做到無煙運(yùn)行，即無可見微粒排放；③因氣缸中燃燒溫度低，NOx排放是燃用柴油的60%以下；④車內(nèi)噪音比原型車下降2.5分貝，排放遠(yuǎn)優(yōu)于歐Ⅲ排放限值；⑤HC/CO的排放也下降40%左右；⑥氣缸內(nèi)最高壓力下降7～9MPa，氣缸中的壓力升高率也相應(yīng)降低。二甲醚是目前世界普遍看好的未來超清潔燃料，以天然氣和煤為原料合成制取，二甲醚的生產(chǎn)方法有一步法和二步法：一步法是由天然氣轉(zhuǎn)化或煤氣化生成合成氣后，通過甲醇合成與甲醇脫水兩個(gè)反應(yīng)過程和變換反應(yīng)，生成甲醇與二甲醚的混合物，混合物經(jīng)蒸餾裝置分離得二甲醚，其工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備少、成本低，經(jīng)濟(jì)效益高；二步法是由合成氣合成甲醇，甲醇在固體催化劑下脫水制二甲醚，其工藝流程較長(zhǎng)，設(shè)備投資較大，隨著這兩年我國兩步法二甲醚工藝技術(shù)的發(fā)展，工藝技術(shù)已接近或達(dá)到國外先進(jìn)水平。總之，二甲醚作為清潔的替代燃料已經(jīng)得到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，特別是其替代煤氣、LPG和柴油方面所具有的巨大的市場(chǎng)潛力，對(duì)我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、環(huán)境保護(hù)等方面有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（6）生物柴油。生物柴油是植物柴油和動(dòng)物柴油的總稱,它是一種由從植物油或動(dòng)物脂的脂肪酸烷基單酯組成的一種可替代柴油燃料,一般由大豆或其它油類植物、動(dòng)物油脂等通過酯化過程合成。其發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體排放減少，低溫性能和潤(rùn)滑性好，使用安全，可再生，利于環(huán)保。

3 結(jié)語

節(jié)能和環(huán)保是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展遇到的兩大問題，對(duì)于汽車行業(yè)也不例外，未來車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用效率，降低污染物的排放，尋求新型能源。本文介紹的各種技術(shù)都是近些年圍繞汽車代用燃料所展開的熱點(diǎn)技術(shù)，這對(duì)我們發(fā)展壯大本國汽車工業(yè)、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也起到了很好的導(dǎo)向作用。

[1]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

[2]席躍進(jìn)，劉建華.車用內(nèi)燃機(jī)環(huán)保節(jié)能技術(shù)的進(jìn)展[J].北京汽車，2004(3):17-19.

[3]叢皓，趙永權(quán).CNG燃料汽車優(yōu)勢(shì)分析及推廣應(yīng)用中存在的問題[J].節(jié)能，2009(10):12-13.

[4]徐繼榮.淺談汽車代用燃料技術(shù)[J].青海交通科技.2008(2):69-72.

[5]黃震，喬信起等.二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008(26):116-125.

[6]曹洪全，何太碧等.代用燃料及清潔汽車技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,29(5):79-82.