淺述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料

黨金金，王龍龍

（洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471400）

前言

能源的消耗逐年增長(zhǎng)，現(xiàn)有的存儲(chǔ)量已滿足不了各國(guó)的需求，而新型能源的供應(yīng)機(jī)制尚未成熟，能源問題一度陷入困境。各個(gè)領(lǐng)域研究人員只有在最短的時(shí)間之內(nèi)尋找到可再生能源才能解決目前全球所處的困境。研究人員通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提高駕駛員的駕駛技術(shù)以及優(yōu)化各種節(jié)油裝置等途徑之外，他們還將重心轉(zhuǎn)移至開發(fā)新型汽車代用燃料[1]。

有許多化石燃料的替代品可以避免凈碳排放，也可以減少污染物排放。目前，汽車替代燃料包括化石燃料和可再生燃料，也可以將其分為氣體和液體替代燃料，主要包括天然氣，醇類，以及二甲醚（DME）和聚亞甲基二甲醚（PODEN）在內(nèi)的醚類和生物柴油都在國(guó)產(chǎn)化或工業(yè)化應(yīng)用中。各類替代燃料都獨(dú)具各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在汽車的使用中“最佳燃料”的確定不是絕對(duì)的，而是取決于所選擇的評(píng)價(jià)角度[2]。

1 代用燃料介紹

1.1 醇類燃料

醇類燃料主要指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。甲醇和乙醇的化學(xué)性質(zhì)相似，其可以與其他燃料按不同比例進(jìn)行混合從而達(dá)到改善汽車尾氣排放的目的，在汽車領(lǐng)域被認(rèn)為是環(huán)保燃料。

1.1.1 甲醇

甲醇是一種無色透明液體，易燃易揮發(fā)，主要從天然氣、石油和煤炭中提取而來。從甲醇自身特性來講，其燃燒特性與常規(guī)汽油、柴油接近，而且作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)混合氣燃燒范圍比汽油寬，燃燒更完全，可減少20%～50%HC 的排放，設(shè)計(jì)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)可減少90%，微粒物及NOx 排放也很低，因此當(dāng)甲醇取代常規(guī)汽油柴油用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)可以減少對(duì)石油資源的依賴。甲醇的辛烷值大于110，具有良好的抗爆性，能有效提高壓縮比，從而達(dá)到提高循環(huán)熱效率的目的；且甲醇的氣化潛熱大，在低溫狀態(tài)下蒸氣壓力低，使得氣化困難，進(jìn)而減少了蒸發(fā)的排放[3]。

當(dāng)甲醇用于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)在低溫下會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難，使得未完全燃燒的甲醇趁機(jī)流入機(jī)油中對(duì)其稀釋，濃度降低后的機(jī)油其潤(rùn)滑效果將弱化，因此會(huì)導(dǎo)致活塞與氣缸壁的磨損，而且甲醇的排放量也將增加。甲醇的沸點(diǎn)低，當(dāng)一味的提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的時(shí)候?qū)?huì)有氣阻現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)甲醇呈液體狀態(tài)時(shí)，其導(dǎo)電率比汽油高，因此當(dāng)過多的液態(tài)甲醇進(jìn)入氣缸不僅會(huì)導(dǎo)致火花塞短路，而且會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)件磨損加劇。甲醇與汽油不易互溶，中、小比例的汽醇混合物易吸水分層，因此在儲(chǔ)運(yùn)過程中需要對(duì)甲醇-汽油采取必要的保護(hù)措施[4]。

1.1.2 乙醇

乙醇是最早開發(fā)的代用燃料在美國(guó)已應(yīng)用多年。純乙醇用作燃料燃燒時(shí)其碳?xì)浠衔锖陀泻ξ镔|(zhì)的排放含量很低，因此被認(rèn)為是理想得到代用燃料。乙醇為含氧燃料可以被當(dāng)做含氧化合物加入到汽油中與之混合，車用乙醇燃料一般有E85 和E95 兩種[5]。宜春的熱值只有汽油的70%，且分子量小，因此其與汽油可以充分混合提高燃燒性能。

將乙醇汽油用于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其也存在一定的隱患。乙醇中含有會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生腐蝕的酸性物質(zhì)。由于乙醇的氣化潛熱高，易造成氣化不良現(xiàn)象的發(fā)生，從而使得液態(tài)乙醇進(jìn)入氣缸不僅破壞了氣缸的油膜，還使得氣缸內(nèi)潤(rùn)滑油的濃度降低，進(jìn)而導(dǎo)致活塞環(huán)和氣缸壁的腐蝕磨損增加。由于乙醇-汽油對(duì)水極其敏感，微量的水即可導(dǎo)致乙醇與汽油產(chǎn)生分層，且乙醇與水的親和力很強(qiáng)，很容易從空氣中吸收水分，因此在儲(chǔ)運(yùn)過程中需要采取必要的保護(hù)措施[6]。

1.2 天然氣

目前，為了減少汽車尾氣排放常采用天然氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油、柴油作為車用燃料。通常使用的天然氣（NG）有為壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）及吸附天然氣（ANG）。天然氣具有較高的辛烷值，因此其燃燒比汽油更完全。

當(dāng)前，中央電視臺(tái)大型綜藝節(jié)目《朗讀者》的熱播，對(duì)中小學(xué)階段的學(xué)生產(chǎn)生了重要的影響。很多央視的“名嘴”加入朗讀行列，對(duì)小學(xué)語文課本的朗讀，可以說是給當(dāng)前的小學(xué)生很好的示范和帶頭作用。在小學(xué)語文教學(xué)中開展朗讀訓(xùn)練，朗讀的過程同時(shí)也是閱讀的過程，久而久之有助于促進(jìn)學(xué)生語文思維能力的提升，讓學(xué)生獲得思想情感的熏陶，讓學(xué)生樂在其中，享受其中。

天然氣、汽油、柴油的自燃點(diǎn)、爆炸極限、密度見表1。

由表1 可知，天然氣的自燃點(diǎn)一般在650 ℃，比汽油、柴油的自燃溫度高，爆炸極限為5%～15%，且密度小于空氣，因此當(dāng)發(fā)生意外泄漏時(shí)一般會(huì)立即向上蒸發(fā)不容易發(fā)生自燃，而汽油機(jī)、柴油機(jī)發(fā)生碰撞后遇明火將會(huì)發(fā)生爆炸[7]。

表1 燃料性質(zhì)對(duì)比

壓縮天然氣（CNG）的主要成份是甲烷（一般為83%～99%）及少量烴類和CO2等，由于甲烷的辛烷值（RON）高達(dá)130，其抗爆能力優(yōu)于汽油，因此可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，進(jìn)而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的目的。常壓下，甲烷的著火溫度比汽油高，因此甲烷燃燒時(shí)需要較高的點(diǎn)火能量，且燃燒時(shí)火焰的傳播速度在同等條件下比汽油的傳播速度慢[8]。甲烷與空氣混合不會(huì)伴隨形態(tài)的轉(zhuǎn)變，所以不需要經(jīng)過蒸發(fā)、霧化等過程就可以順利混合，在燃燒的過程中也不會(huì)有不充分燃燒物質(zhì)的產(chǎn)生，燃燒交完全，且排放物中有害氣體的含量較低。

液化天然氣（LNG）制造成本相對(duì)較高，由于其自身特性對(duì)儲(chǔ)存容器的絕熱性（甲烷易蒸發(fā)，沸點(diǎn)162 ℃）要求嚴(yán)格，因此制約了其發(fā)展。

1.3 二甲醚

二甲醚（DME）是最簡(jiǎn)單的醚類化合物，它的分子式為CH3-O-CH3，是一種無毒含氧燃料，物理性質(zhì)與液化石油氣相似[9]。它是從煤、天然氫氣、天然氣，生物質(zhì)等制取。二甲醚在常溫常壓下是無色氣體，密度比空氣大，常溫下液化壓力為0.5 MPa 左右，蒸氣壓力特性與PLG 的主要成分很相近，運(yùn)輸存儲(chǔ)時(shí)可采用與PLG 相同的方式。二甲醚的十六烷值（小于55）高于柴油，自燃點(diǎn)低，在缸內(nèi)著火延遲時(shí)間短，燃燒速度快，滯燃期短，在減少NOx 生成的同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生顆粒物，且二甲醚能實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒，易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，適用于柴油機(jī)，是理想柴油代用燃料。雖然二甲醚用于柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很多，但是其燃燒時(shí)CO 排放量并不能減少，二甲醚粘度低，僅為柴油的1/10，潤(rùn)滑性差，使油泵和油嘴密封性和壽命大為下降，因此在技術(shù)上尚需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

1.4 氫

氫氣燃燒產(chǎn)生水被稱為“水的生成者”，而且可以通過電解水制得氫氣，這種永久性循環(huán)使得氫成為一種無污染燃料的新能源。氫在常溫狀態(tài)下的特性與各燃料特性的詳細(xì)對(duì)比可以得出氫燃料有以下特點(diǎn)[10]：

（2）氫氣擴(kuò)散性好，在短時(shí)間內(nèi)就可以與空氣混合，提高混合氣的均勻性。

（3）自燃點(diǎn)為580 ℃，適合采用高壓縮比，還可以提高熱效率，但是由于易點(diǎn)燃，因此不適合采用壓燃的方式。

（4）點(diǎn)火范圍廣為0.5～10.5，利于稀薄燃燒。

（5）最小點(diǎn)火能量為0.02 mJ，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)不易失火，即減小了循環(huán)變動(dòng)的可能性。

在同一化學(xué)計(jì)量比下，氫燃料的燃燒速度比汽油快，放熱率、著火界限都比常規(guī)燃料高，且在燃料濃度較低時(shí)，氫燃料能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，降低了失火的發(fā)生概率。將氫用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的多數(shù)工況下其排放的有害氣體含量接近零，所以氫燃料不僅可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，還可以減少廢氣的排放。

但是由于氫燃料與常規(guī)燃料的物化特性存在明顯的不同，氫燃料作為車用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，其引起的異常通常有：在進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門關(guān)閉前，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)火焰竄到進(jìn)氣管內(nèi)的所引起的回火現(xiàn)象，如果氫-空氣混合氣在火花塞點(diǎn)燃前而被熾熱點(diǎn)引燃而發(fā)生早燃，而若此時(shí)進(jìn)氣門尚未關(guān)閉，則火焰會(huì)傳播到進(jìn)氣管內(nèi)的氫空氣混合氣?；鼗鹂偸窃诎l(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生，氫具有較低的著火能和較寬的點(diǎn)火范圍，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，更容易發(fā)生回火和其他異常燃燒過程，特別是在高負(fù)荷下；以及火花塞附近氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的循環(huán)變動(dòng)和混合氣成分所引起的循環(huán)變動(dòng)[10]。

2 結(jié)論

在以上分析的基礎(chǔ)上，可以得出結(jié)論，每種代用燃料都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)這些燃料的評(píng)價(jià)在很大程度上取決于其用于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性以及排放性的評(píng)價(jià)和平衡各種利弊。甲醇和二甲醚途徑提供了技術(shù)成熟和生產(chǎn)效率較高的好處，但其缺點(diǎn)是與現(xiàn)有車隊(duì)和基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性較低；二甲醚在技術(shù)上尚需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究工作；氫在發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用較為成熟，但是氫作用于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所帶來的異常燃燒還需要進(jìn)一步研究改善。