1、 1 内燃机代用燃料的应用研究与发展趋势 前言 近年来 , 随着我国经济的快速发展 , 石油的需求量持续增长。 1993 年起我国己成为石油纯进口国 ,2009 年我国原油进口比例已超过 52% 。另外 , 我国的汽车尾气排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。因此 , 针对我国自然条件和能源资源特色 , 逐步改变汽车能源结构 , 发展汽车清洁代用燃料 , 在发动机上实现高效、低污染的燃烧 , 控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响 , 已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的课题。 据统计 , 从现在起全球的 石油资源还可以用 67 年 , 天然气的储量也最多可
2、以使用 123 年 , 所以寻找一种新型替代燃料成为当今社会的一个研究重点。 任何国家的经济发展都与能源问题密切相关，而内燃机对燃料的需求，在能源总消耗中占很大比例。当前内燃机主要用石油作为燃料，一般工业发达国家消耗在内燃机上的燃料约占整个石油消耗量的 60%左右。未来石油燃料的产量终将日趋减少，许多世界能源机构及权威人士认为：现已查明易开采的石油可维持 50 年左右， 1990 年左右世界石油产量达到过一个高峰，而后逐步下降，本世纪将出现石油短缺的现象。到 2030 年液 体燃料中的 40%左右要由煤的合成燃料来满足。因此，为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展，研究与开发代用燃 料是势在
3、必行。 1 代用燃料的定义 代用燃料指的是传统发动机燃料 (如汽油和柴油 )的替代品。美国能源政策法规将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少 85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、 CNG、 LNG、 LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。 2 代用燃料的分类 内燃机燃料是经过一系列演变发展过程的。早在 1892 年狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴油机的燃料，但未成功。长期以来 ，内燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中 C 含量减少， H 含量增加时，燃料为轻质的，并演变为气体燃料。反之，当 C 含量增加， H 含量减少，就成为重质燃料。 未来内燃机燃料将向两
4、极演变，即氢气和煤炭以及由煤炭派生出来的燃料，后者将主要是醇类燃料及人工合成的汽油等。在这种演变过程中，各种混合、乳化燃料，生物能类燃料及宽馏分燃料将在内燃机中得到不同程度的应用。由于代用燃料刚处于研究发展阶段，还难以提出完善的分类。从代用燃料的广泛含义来说，应包括： (1) 品质更低劣的传统石油燃料，如过去一般不使用的劣质重油 、残渣油； (2) 使用形式变化了的燃料，如各种掺水的乳化燃料、固体粉末和液体混合的燃料； (3) 人工模拟燃料，如将石油气和空气混合模拟成天然气使用； (4) 人工合成燃料，将两种以上元素或生产企业的副产品人工合成可燃的燃料。 3 代用燃料使用的标准 良好的代用燃料
5、应能满足下列要求： (1) 资源丰富，价格适宜； (2) 燃料的热值，尤其是混合气热值能满足内燃机动力性能的要求； (3) 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； (4) 能量密度较高、储存运输方便； (5) 发动机的结构变动较 小，技术上可行； (6) 现有的燃料储运分配系统能用得上； (7) 对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响； (8) 对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。 一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的，但应满足主要要求，并在采取技术措施的情况下，能满足各方面的要求。 4 代用燃料的选择 2 在选择代用燃料时要考虑可供生产代用燃料的国家资源情况
6、、工业发展水平、生产代用燃料的技术及效益、热机的适应性及发展趋势、环境保护等。而交通运输车辆需要大量品质较优的燃料，应优先考虑。热机与燃料是密切相关的，燃料的范围 在扩大，热机的技术在发展，而它们之间必须协调，才能获得最大的综合效益。生产醇类燃料的资源丰富，尤其甲醇可从我国储藏量很大的煤炭及天然气中提炼，生产工艺成熟。近几年的研究及应用表明，在内燃机中使用醇燃料，可以获得良好的动力性、燃油经济性及排放特性等。 氢气虽然是良好的、清洁的内燃机燃料，但一些生产技术问题，如生产工艺、成本及储存运输等，在短时间内难以得到完善的解决，而且生产氢需要消耗较多的电能，近期还不可能大规模研究开发。 我国地大物
7、博，各地资源及生产发展不平衡，有些地区的植物、野生植物等生物资源丰富，有待开 发。世界上一些谷物有过剩的国家，生产和推广乙醇也是适宜的。我国利用人畜粪便、植物茎杆及垃圾制造沼气的地区相当广泛，技术水平也较高。 随着各国对环境保护的日益重视和石油供需矛盾的日益加剧 , 近几年代用燃料在汽车上的应用得到了很大发展。气体燃料 ( 如天然气、液化石油气 ) 以其价格便宜、排气污染低等突出优点 , 倍受人们的青睐 , 被认为是很有前途的车用“低污染燃料”。在我国 , 油气田的不断开发 , 气体燃料供给有了可靠保证 , 气体燃料发动机得到了应用发展。 热机的技术在不断发展，往复式内燃机在今后相当长时期内，
8、仍将获得 广泛应用。在传统的往复式内燃机基础上发展起来的双燃料发动机、气体燃料发动机，在我国及世界上一些国家都取得了新的研究成果及应用。能够适应往复式内燃机的燃料更多。其它热机如旋转活塞发动机、斯特林发动机及燃气轮机等各有特点，有的热机还可以使用固体燃料，都有一定的潜力，将在一定的范围内得到应用，但是否能替代往复式内燃机，则还不能作出结论。 在选择代用燃料时，开展协调燃料与热机相互之间要求的研究工作，制定合理的燃料规范及改进热机的措施是很必要的，以便充分发挥燃料的作用和提高热机的性能。 5 代用燃料的发展历史与应用研 究概况 内燃机的清洁代用燃料有氢气、沼气、液化石油气 ( LPG)、天然气
9、( LNG、 CNG )、二甲醚 ( DME )、醇类 (甲醇、乙醇 )、酯类 (植物油、生物柴油 )以及复合燃料、乳化燃料、燃料电池、电动汽车、混合动力汽车等 , 然而 , 目前仅有天然气、 LPG、二甲醚、甲醇较成功地应用于柴油机 , 但是需要对发动机进行参数调整或者改造。其他清洁代用燃料由于存在一些技术上或经济上的困难而未能大面积推广使用。 目前 , 国际上公认最有前途的内燃机清洁代用燃料是醇类燃料。醇类燃料主要是指甲醇、乙醇 , 它们都具有使用、储存和 运输方便的特点。醇类燃料作为柴油机的代用燃料有巨大的优越性 , 特别是对于环境的改善作用来说 , 柴油机使用醇类燃料可减少常规污染物
10、( CO、 HC、 NOx、 PM ) , 尤其是颗粒物的排放量 , 降低烟度和致癌度。同时 , 甲醇的来源十分丰富 , 可从固体原料煤炭、液体原料石脑油和渣油、气体原料天然气和油田气及煤层气等中制取。 6 代用燃料在国内的发展与研究 我国是世界上研究和应用生物质燃料较早的国家之一。唐朝时期就用酒精 (乙醇 )照明及烹饪。 20 世纪 40 年代中期将酒精、发生炉煤气以及由桐油热裂成的燃油用于车用发动 机上，并对菜籽油、大豆油及松根油等进行实验研究。长期以来对沼气的研究与应用进行得广泛而深入，全国都设立了沼气应用技术推广站。目前有一些地区不仅将沼气当作生活燃料，而且也用于内燃机。自 70 年代
11、末起，山西、四川、吉林及北京等省市对汽油甲醇混合燃料进行了初步实验研究。原国家科委在“六五”期间组织了 M10M15 的台架实验及车队使用实验研究，参加的单位有交通部公路研究所、北京汽车研究所、长春汽车研究所、吉林工业大学、华中理工大学、中国科学院工程热物理研究所和环境化学研究所、石油科学研究院、北京医科大学以及山西 交通科学研究所等。除了对甲醇、汽油混合燃料进行实验研究外，中国科学院工程热物理所和华中理工大学还分别对汽油机燃用 100%的甲醇及在柴油机中掺烧甲醇进行了实验研究。与此同时，原国家科委组织了从煤中提炼甲醇等工艺技术的研究。天津大学、浙江大学、西安交通大学及山东工业大学等对在汽油机
12、及柴油机中燃用甲醇进行了很多实验研究工作。浙江大学还对氢气、液化石油气及煤粉浆进行过研究。贵阳山地农机研究所、上海内燃机研究所、上海交通大学及南京野生植物研究所等单位对可食用植物油及野生植物油在内燃机中的应用也进行了很多工作。解放军后 勤工程学院军事油料应用教研室许世海等人以菜籽油为原料，与甲醇发生酯交换反应制备生物柴油，找到了合适的醇油比，得到的产品的主要理化指标达到 0#柴油的使用标准。原国家科委组织的攻关项目，上述各单位以及国内其它有关单位的3 台架实验、环境保护等研究工作，都取得了很多有价值的成果，为我国内燃机代用燃料的研究和应用打下了良好的基础，显示了广阔的前景。 7 代用燃料在国外
13、的发展与研究 早在 20 世纪初，柴油机的发明人狄赛尔就已经在柴油机中用花生油当燃料做过实验。二次世界大战期间，中国、印度及日本都将桐油、松根油及可食用 的植物油等进行改质后在内燃机中燃用，或与石油燃料混合使用。德国也将约 7 万 t 的甲醇当作战车发动机燃料使用。 20 世纪 60 年代为了内燃机排气的净化，一些国家对低污染的醇燃料及氢气等发生兴趣，开始进行研究。而 1973 年石油危机以后，进一步认识到研究代用燃料的重要性，开展了对醇燃料、氢气及生物质燃料等的广泛研究，投入大量研究经费。例如联邦德国为在 1979 年 1982 年期间的公路交通运输代用能源重点科研项目拨款 1.35 亿马克
14、，其中 65%用于醇燃料， 25%用于氢技术， 10%用于电力牵引。美国前总统卡特在三 年内拨款 1 100 万美元研究甲醇燃料。联邦德国在 1979 年 1983 年期间投入将近 1 200 辆汽车进行 M3(指在汽油中加入 3%容积比的甲醇，余类推 )、 M5、 M15 及 M100 的实验研究，全国已有 30 个以上的加油站供应 M3 甲醇 /汽油混合燃料。美国的许多大学、企业及研究单位开展了对醇燃料的实验研究工作。 1979 年加里福尼亚洲政府及私营企业共拨款 3 400 万美元研究醇燃料，先后投入 600 辆汽车，在汽油机上使用 100%甲醇作实验，已建立了 17 个甲醇加油站，并在
15、锅炉及燃气透平上进行使用甲醇的实验 研究。美国已将在汽油中加入 10%容积比乙醇的汽醇燃料 E10 作为商品出售，并已制定了 E10 燃料的规范。为了鼓励人们使用 E10，许多州对它免征燃料税。瑞典是较早确定研究开发甲醇燃料的国家，成立了甲醇燃料开发公司。 1980 年投入了近 1 000 辆进行使用 M15 燃料的实验研究，有 19 个加油站供应甲醇及甲醇汽油混合燃料。以后又在大型货车及公共汽车上进行 M100 的实验研究。 1976 年在瑞典召开了第一界国际醇燃料技术讨论会，以后世界上又相继召开此会议。巴西所需的石油大部分要依靠进口，而它的陆地面积在世界上占 第五位，甘蔗产量高。根据上述特
16、点制定了有名的酒精 (乙醇 )燃料发展计划。既利用糖厂同时生产酒精，又建立了新酒精厂， 1980 年生产了 34 亿 l 酒精。 1984 年建成了 300 个酒精厂，并研究用木柴纤维及植物茎杆经过酸腐蚀、水解生产酒精，到 1985 年酒精产量预计达到 107 亿 l。在大部分城市都有在汽油中加 10%20%酒精的混合燃料出售。巴西还与联邦德国汽车公司合作，研究和生产了纯酒精发动机汽车， 90%的汽车燃用乙醇，在拖拉机上也已开始应用乙醇及植物油。其它国家如前苏联、罗马尼亚、日本、加拿大、新西兰、印度 等许多国家也都进行了醇燃料及其它代用燃料的研究和应用工作。 20 世纪 70 年代以后很多国家
17、更加重视对生物质能的研究与开发。能提供生物燃料的植物品种很多，其中有些具有较高的经济价值。研究开发生物质能，不仅可以扩充燃料来源，而且可以绿化环境，改善生态平衡，使农民富裕起来。巴西、奥地利、新西兰、日本、印度及美国等许多国家都在不同程度上开展了对生物质能的研究，涉及的范围较广。除对现有植物油、乙醇以及一些动物油脂进行实验和应用外，还对野生植物油及可直接生产碳氢化合物液体燃料的能源植物进行研究，建立能源林场，研究品种优 良、速长高产的能源植物。此外，还将生物质油类提炼成单脂类，作为内燃机的燃料进行实验研究。 醇类燃料 目前内燃机上应用的醇类燃料主要包括甲醇、乙醇。醇类燃料具有高辛烷值的特点，故
18、主要靠火花塞或高十六烷值燃料如柴油点燃。对于醇类燃料，甲醇是最简单的醇燃料，其来源广泛，可由天然气合成，解决了天然气不易运输及火焰传播速度慢的缺点，也可由煤制取，更符合中国煤炭资源丰富的特点，具有广阔的应用前景。但在使用中需防范其可能产生的毒性危害，另外由于其对橡胶和金属的腐蚀性，还需考虑相关部件的防腐问题。近年来国外将研究对象转为 含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其与汽油相近的性质及较高的单位质量能量密度，故可直接用于现有的汽油机，同时丁醇由生物质制取，也是一种绿色燃料，但产量更少。 醇类燃料的物性 醇类燃料主要指甲醇 ( CH3OH ) 和乙醇 ( C2H5OH) 。醇分子结构中含有氧 ,
19、 易于燃烧 , 理化特性与汽油接近 , 但其热值比汽油低得多 ; 其化学当量比所需的空气比汽油燃烧所需的空气少得多 ; 醇类的汽化潜热高 , 汽化时所需的热量也比汽油多。醇类的饱和蒸气压比汽油低。低的蒸气压力和高的汽化潜热使其蒸发更困难 , 因而对混合气形成系统提出 了更高的要求。醇类的辛烷值高 , 允许内燃机的压缩比高 , 这对点燃式内燃机的燃烧特别有利。将汽油机改为醇类发动机不太困难。凡是能得到 CO 和 H2 的原料都能合4 成甲醇 , 其原料丰富、工艺成熟 , 但设备投资大。目前主要是用天然气和煤生产甲醇。甲醇是一种轻质、无色、略有臭味、低污染的燃料 , 与水能无限互溶 , 但甲醇本身
20、有毒。甲醇只有一个 C 原子 , 无 C- C 键 , 含有 50%的氧 , 热值低。与汽、柴油相比 , 甲醇的着火温度高、辛烷值较高 , 抗爆性较好 , 且十六烷值很低 , 适用于点燃式发动机。甲醇燃烧时不易看到火焰 , 具有较宽的着火界限 , 闪点较高。从能源多元化和能源安全的角度出发 , 发展甲醇有重大的战略意义。另外 ,使用汽油 - 甲醇比使用汽油 - 天然气更为方便。乙醇的来源很广泛 , 多由单糖类 ( 如甘蔗、甜菜等 ) 或淀粉类 ( 薯类、各种谷物 ) 植物制成 , 或由化学原料 ( 如乙烯 ) 合成 , 或由木质纤维素 ( 如木屑、树枝、秸杆等 ) 发酵生产。乙醇同样是含氧燃料
21、 , 具有高的辛烷值 , 热值比甲醇高 , 汽化潜热则较低 , 乙醇比甲醇更易和汽油及柴油相溶和乳化。 醇燃料发动机的热效率 醇类燃料的热值低 , 所需的循环供应量要大大增加 ; 高的汽化潜热可提高充气效率 , 降低缸内温度 , 因而压缩比可以提高 ; 燃烧速度加快可使热效率提高 ; 醇类燃料的 C/ H 值比汽油和柴油的小 , 完全燃烧时产生的 CO2 较少 , H2O 较多 , 对于相同的燃烧热值 , 燃烧产物的比热相对较高 , 这有利于热效率的提高。此外 , 醇类燃料的着火界限较宽 , 燃烧速度快 , 在稀混合气中的火焰传播速度仍能保持较高 , 这使燃烧的定容部分增加 , 也有利于热效率
22、的提高。循环压力的波动比汽油机小。 醇类燃料的使用 醇类燃料的能量密度比汽油和柴油低 , 但与气体燃料相比更适用于运输车辆。 目前醇类燃料首先用来与其它燃料掺烧 , 也在考虑使用纯醇类作发动机的燃料。醇类燃料的辛烷值高 , 有一定的挥发性 , 易于与汽油混合 , 较适合作点燃式内燃机的燃料。含甲醇较少的甲醇 - 汽油混合燃料与汽油性质接近 , 含甲醇或乙醇不超过 15%, 现有汽油机不作大的变动就能使用。醇类燃料的十六烷值低 , 不适宜直接在压燃式内燃机中使用 , 但利用现代技术也可掺烧醇类燃料。在内燃机中掺烧醇类燃料的份额可用其在燃料中占的容积百分比或质量百分比来表示 , 如 M10 表示甲
23、醇占 10% , E5 表示乙醇占 5%。我国目前推广使用的乙醇汽 油为 E10。内燃机掺烧醇类燃料时 , 应根据不同的掺烧方式调整燃料的性质 , 改进内燃机结构 , 设计良好的掺烧和控制装置。如调整汽油的组分或加入添加剂 ,以改善点燃式内燃机的启动性 , 避免汽阻 ; 加入着火改善剂 , 以改善压燃式内燃机使用时的着火性能。在内燃机结构方面 , 在点燃式内燃机上增加启动时的混合气加浓装置、混合气预热装置 ; 在压燃式内燃机上增添辅助点火装置 ; 改变内燃机的压缩比、点火提前角及调整喷油提前角等。在掺烧及控制装置方面 , 研究醇类燃料及石油燃料的机械混合乳化装置、多种燃料混合气形成方式及薰蒸装
24、置、 醇类燃料及空气量的控制措施及装置等。确定内燃机掺烧何种醇类燃料、采用何种方式 ,取决于下列因素 :内燃机的动力性、经济性及排放性能 ; 冷启动性及热机性能 ; 内燃机用掺烧燃料或纯石油燃料的互换性 ; 内燃机的可靠性及寿命 ; 醇类燃料的供应及掺烧后的经济性 ; 若加助溶剂 , 助溶剂的供应及混合燃料的稳定性 ; 材料的相容性 ; 内燃机是否适用 , 如需改动 , 结构的改动程度及投资。点燃式内燃机掺烧醇类燃料 , 可以以醇代油 , 与燃烧纯汽油相比有如下优点 : 提高辛烷值 , 在无铅汽油中加入醇类燃料 , 可达到含铅汽油所具备的抗爆能力 ; 可扩大混合气着火界限 , 燃用稀混合气 ,
25、 提高燃油经济性 ; 可提高压缩比 , 从而提高内燃机的动力性和经济性 ; 减少燃烧室表面的燃烧沉积物 ; 改善排放性能。 目前对掺烧甲醇的研究较多的是 M15, 这是发动机稍作变动可接受的最高掺烧比极限。在较高压缩比的实验中 , 使用 M30 对发动机性能几乎没有什么影响。采用 M40 在压缩比为 9. 7、过量空气系数为 1 实验时 , 其动力性和经济性接近汽油机。而排放则在使用汽油和纯甲醇之间。添加乙醇可提高汽油的辛烷值 , 以提高抗爆性 ,E22 可完全代替含铅汽油。点燃式内燃机的掺 烧方式有混合燃料法和薰蒸法两大类。混合燃料法是通过机械方法或加助溶剂的方法将醇类燃料和汽油溶混在一起
26、, 由化油器或低压喷嘴喷入气缸。薰蒸法是利用醇类燃料的表面张力及粘度低的特点将醇燃料雾化 , 再在进气冲程中经过气道送入气缸。由于醇类燃料存在十六烷值低 , 着火性能差 , 自燃温度高 , 压燃困难 , 汽化潜热大 , 延迟期加长 , 含 OH 根 , 与柴油不相溶 , 乳化困难等问题 , 在压燃式内燃机中使用醇类燃料需要将内燃机彻底改装。因压燃式内燃式的类型和燃烧室型式很多 , 可变动方案也较多 , 具体方法有乳化液法、薰蒸法、醇类 蒸汽法和双燃料法。 醇类燃料的排放 内燃机燃用醇类燃料后 , 排气中的 NOx, HC,CO, CO2 及颗粒的排放量均会变化 , 总体来说是有改善。未燃烧的醇
27、类燃料和醛类有所增加。因醇类燃料的汽化潜热大 , 混合气受到激冷时 , 燃烧可能不完全 , 会导致未燃烧的醇类燃料的排放增加 , 在高负荷、高温时 , 废气中未燃烧的醇较少。醛类排放物包括甲醛、5 乙醛、丙醛和丙稀醛等 , 是使用醇类燃料内燃机的主要排放物。醛有强烈的气味 , 对人的呼吸系统和眼睛有害 , 醛还会在大气中发生光化学作用 ,产生光化学烟雾。用 M85 的实验表明 , 因其不含硫和复杂的有机物 , 生成臭氧的活性很低 , 排放的苯和芳香烃一类的有害排放比汽油机低得多。但甲醛的排放量比汽油机高 5 倍 , 而甲醛有毒 , 可能致癌。甲醛的光化学反应活性强 , 基本抵消了甲醇在臭氧方面
28、的排放效益。其乙醛排放量接近乙醇 - 汽油混合燃料的排放水平。乙醇燃料汽车排放的未燃烧乙醇、乙醛 ( 比汽油机高 12 倍 ) 和甲醛比汽油机高。若缸内氧气的浓度大 , 当温度适宜时会促进甲醛的生成 , 但工质中的 OH 和 H 有利于甲醛的消失。使用醇类燃料的内燃机 , 可使用稀混合气 , 排气中有足够的氧 , 燃料中也不含铅 和其它使催化剂中毒的物质 , 采用简单的氧化催化器就可将醛类的排放降低。甲醇混合燃料的冷启动困难 , 也会导致过量的未燃烧的 HC 和 CO 的排放。乙醇燃料车与汽油机相比 , CO 和 NOx 排放分别低 20% 30% , 排放的颗粒物也低得多 , 蒸发排放也低。
29、但在环境温度很低时 ,可能会因启动困难造成高的冷启动排放。 甲醇、乙醇的燃烧 甲醇和乙醇是很重要的新型燃料 , 它们的性能同柴油汽油的比较见表 4。甲醇乙醇的热值低 , 要比柴油汽油低 1 倍 , 与理论混合气热值相近 , 但蒸发热比柴油汽油的大 3 4 倍 , 十六烷值低 。柴油机燃用甲醇时 , 虽甲醇有很好的亲燃性 ,但由于其蒸发热高 , 要使甲醇 - 空气混合气压缩点火 , 压缩比要提高 25。这样高的压缩比会使驱动机构要承受过高的机械负荷 , 减小容积率 , 这是得不偿失的。为了避免压燃所需要的过高的压缩比 , 可采用火花塞点火 , 以保证在一定时间内引起甲醇 - 空气混合燃烧。 FM
30、 柴油机正好具备这样条件 : 它的压缩比为 16 18, 用火花塞点火 , 该过程就是将燃料直接喷射到球型燃烧室壁上 , 形成油膜 , 并逐渐蒸发与空气混合而燃烧 , 因而混合气的形成和燃烧过程都受到控制。 FM 柴油机在冷 起动时 , 压缩终点温度 500 600 度 , 甲醇蒸发时 , 吸收所需的热量 , 形成混合气后 , 在用电火点火 , 起动情况就不受外界温度的影响 , 因而排除了外部混合所出现的起动和暖车的困难。也可在甲醇中加点火添加剂 , 提高其十六烷值。直喷式柴油机中 , 除上述压缩燃料和电点火方法燃用甲醇外 , 还可以在燃烧室中喷入少量柴油作为引燃料。甲醇可以喷入进气管或喷在燃
31、烧室中形成混合气 , 这就需要两套喷射系统 , 即双喷射系统 - W 型燃室柴油机。乙醇作为燃料的燃烧情况也同于甲醇 , 因为燃烧特性基本相同。所以低十六烷值的新型甲醇 乙醇燃料 , 在经改进的内燃机内作为替代柴油机燃料是可行的。 醇类燃料的物理化学特性和在内燃机中的使用特性 作为发动机的一种代用燃料，希望其对发动机的工作特性影响较小，以避免发动机的较大改动，并提高使用过程燃料的通用性，减少投资。醇类燃料的发动机特性可从燃料特性找到部分答案。分析醇类燃料的理化特性，可以得出以下一些发动机的使用特性。 （ 1） 甲醇、乙醇的分子结构简单，只有 C-H 和 C-O 键，而且含氧量高达 50%和 3
32、4.8%，因而能够实现无烟燃烧和极低的 PM 排放（为发动机润滑油所致），并能降低燃烧不完全产物 CO 和 HC 排放。 （ 2） 醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为汽油的 46%，乙醇为 62%，但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的 43%，乙醇为 60%，而且混合气的热值大体与汽油的相当，因此当在汽油机上燃用甲醇、乙醇时，只要适当增大循环供油量，则可使发动机的动力性能不降低甚至可以提高。 （ 3） 醇类燃料的辛烷值高，在汽油机上使用时可以提高压缩比，使发动机的动力性经济性提高。 （ 4） 醇类燃料的汽化潜热比汽油大的多，甲醇为汽油的 3.7 倍，乙醇为汽油的 2.9 倍，从而
33、使混合气在汽化时温降大，醇类燃料较大的混合气 温降有利于提高发动机的充量系数和动力性，并降低 NOx 排放，但在低温条件下，燃料的蒸发使发动机冷起动困难（尤其是在冬季）和暖机时间加长，未燃醇排放增加。 （ 5） 醇类燃料的十六烷值低，不易压燃，在发动机中应用需要点火助燃辅助措施。 甲醇 是中国产量最为丰富的醇燃料，也是世界范围内最易制取的燃料之一， 作为一种清洁燃料 , 早在 20世纪 80 年代开始就引起国内研究者的关注 , 开展研究并获得了一定的研究成果。 在上世纪 70 年代西方石油危机爆发时曾是研究热门，欧美等国曾作为车用燃料实施了多年。特别是美国直到上世纪 90 年代中期，甲醇灵活燃
34、料车仍然超过万台的保有量。后因于多方面原因而终止。 国家科委和山西省已组建国家甲醇汽车示范车队在山西省内试运行 , 运营效果较佳。辛烷值是燃料的综合性指标 , 甲醇的辛烷值高达 112。燃用全甲醇的汽油机的压缩比已达 12, 能耗和排放明显降低 , 动力性能明显提高。由于甲醇是小分子的含氧燃料 , 燃烧速度快 , 自身含氧助燃 ,燃烧充分 , 既能提高热效率 , 又可实现机内净化和降低排放。 随着6 甲醇防腐防毒技术的提高及条例法规的完善，在当前石油基燃料紧张的形式下，甲醇的应用研究逐渐受到关注。 甲醇的优势 制 备甲醇的原料资源 (煤、天然气、生物质等 )来源广 , 生产方式多 , 尤其是在
35、我国煤炭丰富的山西省 , 煤炭和煤层气资源丰富 , 煤化技术成熟可采用多种工艺路线低成本生产燃料甲醇。总排量低、毒性和致癌度低、甲醇泄漏对环境的影响比汽、柴油小 (因为易降解为 H2O 及 CO2 )。甲醇自燃温度比柴油自燃温度高得多 , 其十六烷值为 5, 而柴油的十六烷值为 45 65。甲醇燃料压缩着火性能非常差 , 无法直接单独在柴油机内燃用 , 必须添加引燃燃料或用电热塞、火花塞点火等方法解决冷启动问题。压燃式发动机燃油依靠高压油泵、喷油嘴喷入燃 烧室。油泵、喷嘴两副精密偶件依靠燃料润滑 ,柴油机燃烧甲醇的多次试验均不到 3h 就出现两副偶件磨损、燃料泄漏量大的问题。可以看出甲醇的特性
36、决定其不适合用压燃的方式工作。目前仅推广柴油机低比例掺烧甲醇。 甲醇辛烷值高，应用方式与天然气相似，不外乎两种，即火花点燃，与柴油掺烧。在火花点燃应用中，与天然气相比其最大特点就是甲醇火焰传播速度大于天然气，几乎是其两倍，故甲醇直接点燃或与汽油混合均可提高火焰传播速度，使燃烧更为充分，降低了 HC 和 CO 排放。同时，甲醇的点火能量小于汽油和天然气，故可缩小燃烧循环变动。另外， 甲醇的加入降低了燃烧温度（因其气化潜热大，热值低），从而可以降低 NO 排放。与天然气不同，甲醇不会占据新鲜空气充量，反而由于其气化潜热降低了进气温度从而增加进气充量。用在改装过的高压缩比柴油机上还能提高热效率。以上
37、情况证明甲醇应用在汽油中从燃烧的角度看已没有障碍，需解决主要问题是政策法规的制定以规范其应用。但是从中国燃料油结构看，由于柴油用量远大于汽油，经常出现柴油供应紧张的现象，故甲醇燃料应用在柴油机上更有意义。在柴油掺混的应用上，主要分为两种方式：一是在乳化剂的作用下与柴油掺混燃烧，这种方式不必对发动机 进行改动，燃料供应系统简单，同时有效降低碳烟和 NO 排放，但冷启动差，经常需加十六烷值增进剂（基本上是硝基化合物，不利于 NO 排放），燃料适应工况较为被动。更重要的是即使在乳化剂的作用下长时间放置也会造成醇油分层；另一种方式是甲醇预混空气进气缸，压缩终点前柴油引燃法，这种方法克服了乳化法的种种缺
38、点，只需加一套低压燃油供给系统即可，具有燃料控制灵活（中小负荷使用甲醇柴油，大负荷使用纯柴油）的优点 , 图 3 为安装在柴油机进气歧管上的醇燃料喷射系统。可通过燃料的在线实时配比达到需要的燃烧路径和燃烧状态，局部实现可控 的 HCCI 燃烧，大幅提高了热效率，同时通过甲醇的比例控制燃烧温度和柴油当量比分布区域，可同时避开 NO 和碳烟生成区，加之甲醇本身无碳烟生成及其自供氧能力，使得碳烟可以达到更低的水平。应用中出现的与乳化法相比 HC 和 CO 排放偏高现象，也可以通过采用氧化催化器（ DOC）予以消除，部分工况的整机热效率还是高于原机。醛类等非常规排放是燃用甲醇后最重要的有害排放物，使用
39、 DOC 能将其中大部分氧化，使其排放完全达到与柴油机相同的水平。由于甲醇会对燃料供给系统和发动机造成一定的腐蚀，同时润滑性差，在使用时还需对相关部 件进行耐醇处理，这是目前需要的解决的重要方面。 汽油机燃用甲醇燃料的应用研究 根据甲醇的沸点低 , 挥发性好 , 容易形成混合气 , 点燃所需要的最小点火能量小 , 火焰传播速度快、辛烷值高等着火和燃烧特性 , 甲醇适合采用点燃的燃烧方式。所以甲醇燃料适宜作汽油的替代能源。汽油机燃用低比例甲醇汽油汽油机燃用低比例甲醇汽油研发过程中 , 曾燃用 M5、 M10、 M15 甲醇汽油混合燃料 , 由于燃烧 M15 效果较好 , 目前主要推广 M15(即
40、汽油中掺入 15%甲醇的汽油燃料和助溶剂 )燃料。汽油机燃用低比例甲醇汽油燃料 , 不需改动发动机 。试验研究和应用实践证明 , M15 低比例掺烧 ,不影响发动机功率和扭矩 , 不影响起动性能 , 不需要加防腐剂 , 也不需要对发动机结构进行任何改动 , 而且其排放降低 , 经济性、环保性明显。 甲醇可从煤或天然气及其他生物质通过气化合成，生产工艺成熟，成本低，产品价格低，便于大规模专门生产，还可以利用现有的氮肥厂设备联产，或采用多联产（热、电、化工产品如甲醇、二甲醚、合成气等联产，简称 IGCC）。发动机燃用甲醇燃料时改动较小，并可以提高动力性、经济性和降低有害排放物，对环境友好，是一种清
41、洁代用燃料。甲醇是液体燃料，可 以沿用石油燃料的运输储存系统，基础设施投入少。甲醇做为燃料的缺点主要是甲醇有毒，不可进口中或溅入眼中，甲醇的火焰无色，不易发现，因此须加强对甲醇燃料管理，并严格遵守操作规程。甲醇燃料汽车的排气中有未燃醇和甲醛有害气体排放物，需进行排气催化后处理。其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。此外，甲醇对有色金7 属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶，不锈钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等，目前此类问题基本解决。 一、 甲醇及汽油的燃料性质比较 1 热效应 甲醇完全燃 烧所需的空气量比汽油少得多 , 而甲醇和空气的理
42、论混合热值与汽油相当 , 因此以甲醇为燃料相对减少了尾气的排放量 , 热值损失也相应地减少 , 使甲醇发动机的总热效率得到相应提高。 2 抗爆性 甲醇的抗爆性能好 , 辛烷值高 : 马达法辛烷值 (MON) 为 106, 研究法辛烷值 ( RON) 为 112, 因而以甲醇作内燃机燃料抗爆性能很好 , 无须提高辛烷值便可达到较好性能。而汽油辛烷值较低 , 需加入添加剂 , 因而增加了经济成本并污染环境。 3 排放物及安全比较 汽油排放气中造成污染的有害气体有 CO、 NOX、总烃 (HC) 。甲 醇由于是碳氧化合物 , 氧含量较高 , 使用甲醇燃料减少了汽车尾气中的 CO 和碳氢化合物 HC
43、的排放 : 但未燃烧完全的甲醇及氧化生成的醛类排放量比汽油有明显的增加。德国大众汽车公司的甲醇汽车排放实验表明 , 其排放量与汽油相比 , CO 减少了62. 5%, HC 减少了 33. 3% , Nox 降低了 25%,而总醛排放量增加了 3 6 倍。甲醇是一种毒性有机化合物 , 可经呼吸道、消化道和皮肤接触方式进入人体 , 破坏人的神经和视觉系统。由此可见 , 作为燃料甲醇发生火灾的可能性比汽油小 , 且火灾后造成的危害也比汽油轻。 低浓度时 ,甲醇的毒性要小于汽油。 4 热值 甲醇的热值为 19. 6 MJ/ kg, 汽油热值为 43. 50MJ/ kg。用甲醇替代汽油时 , 不但耗量
44、比汽油多 , 而且发动机的牵引力下降大。使用纯甲醇作燃料时其耗量为汽油的 2 倍。 5 蒸气压及低温性质 甲醇的沸点比汽油要低 , 易于蒸发 , 在夏天或热带地区应用时易产生气阻 ,但在春秋两季 , 由于温度较低 , 甲醇作内燃机燃料时基本不产生气阻问题。甲醇的气化潜热为 1 109 MJ/ kg, 远大于汽油的气化潜热。在低温条件下 , 甲醇的气化性变差 , 因而冷启动性能差 。 此外 , 由于甲醇气化潜热大 , 在汽车发动机的气化器里形成的混合气燃气浓度降低 , 不便于启动加热。这些性质使得纯甲醇作为燃料用于内燃机产生了诸多不利。 6 腐蚀性 甲醇对发动机易造成腐蚀和磨损。主要部位是活塞环
45、和汽缸壁。因为 :甲醇本身及其燃烧中间游离基反应 ( CH2OH+ O2 HCOOH+ H2O) , 生成的氧化产物甲酸等对环带金属表面造成的腐蚀 ; ? 由于甲醇蒸发潜热大 , 气化不良而流入气缸壁 , 使得润滑油膜被冲刷而造成磨擦磨损 ; 或与润滑油、添加剂反应 ,导致后者失去防腐蚀作用而加快了活塞和气缸壁的腐蚀磨损。 7 对橡胶材料的溶胀性 甲醇对汽车供油系统的材料如橡胶、塑料具有溶胀和龟裂作用 , 影响材料的使用性能 。 二、 汽油与甲醇汽油的比较 甲醇直接作为内燃机燃料时 , 它的很多技术性能上的缺陷是难以克服的。目前最具有发展前景的汽油替代燃料是甲醇汽油 , 即将甲醇掺入汽油中通常
46、以甲醇含量作燃料标记 , 如 : 掺入 3% , 5%, 15% , 85%甲醇的汽油分别标记为 M3, M5, M15 和 M85。下面我们仍以内燃机对燃料的要求来对甲醇汽油进行讨论。 1 相溶性 甲醇和汽油在使用环境温度范围内不能以任意比例相互混合 , 会发 生分层。研究表明 , 甲醇含量较低或较高时 , 甲醇和汽油能在较低温度下互溶 , 不会产生分层现象 , 而当甲醇含量居中时 , 相互溶解的温度相对较高。为了使甲醇汽油能相互溶且能稳定储存和使用 , 必须加入助溶剂 , 如 C4 以上的高级醇类。但助溶剂和甲醇、汽油相比价格都比较昂贵 , 这将增加混合燃料成本。因而实际应用中 , 希望不
47、加或少加助溶剂以降低燃料成本 , 于是在生产和使用过程中 ,必须严格控制甲醇的含水量。 2 热效应 如前所述 , 由于甲醇含氧量高 , 当加入汽油中时 ,无疑也提高了汽油的含氧量 , 有助于汽油的充分燃烧。研究 表明 : M5, M15, M85 的含氧量分别为 2. 5% , 7. 5%, 42. 5%。故而使用甲醇汽油可相应地减少尾气的排放量 , 燃料的热值损失也同样会减少。 8 3 抗爆性 甲醇辛烷值较高 , 抗爆性能好。当其与汽油调合时 , 其调合辛烷值并不一定与调合比例呈线性关系 ,但多数情况下有增值效应 , 特别是甲醇汽油的研究法辛烷值上升数量最为显著。 4 排放物及安全性 由于甲
48、醇含氧量高且易于纯制 , 不含硫及其它复杂有机化合物 , 使得甲醇汽油燃烧更加安全。由于热效率的提高 , 汽车尾气中的 CO 和碳氢化合物 ( CH) ,SO2,NOx 和固体悬浮颗粒都会下降。美国 DOE 研究中心用 10 种汽车使用含醇 5% 10% 的甲醇汽油作燃料进行行车实验 , 结果表明 , 除一氧化碳减少 30%左右外 , 氧化氮 , 碳化合物及醛类排放率都和基础无铅汽油的排放率差不多。另一系列实验说明 , 在一般汽油发动机上用甲醇汽油时 , 燃烧排气中的一氧化碳比用汽油时稍有减少 , 而氧化氮减少了 30% 50%,未燃烧的碳氢化合物减少 30% 60%, 但醛气增加到 3 倍
49、; 甲醇在燃料中的比例越高 , 未燃烧的甲醇排放量及甲醛排放量就越高。 5 热值 甲醇热值 低 , 但它与汽油混合使用时调合燃料的热值降低不大 , 消耗量增加也不大。有资料报道 , 使用甲醇汽油 MIO 时消耗量只增加约 5% , 这显然不会影响到甲醇汽油的经济性。 6 蒸气压及低温性 甲醇本身的蒸气压比汽油要低约 32 kPa, 可是当它调入汽油时 , 调合油的饱和蒸气压对 Raoult 定律呈正偏差而显著增如 , 其升高程度受甲醇含量的影响。特别是当汽油中含有 5%的甲醇时 , 其蒸气压比同温下汽油的蒸气压上升了 20 kPa 左右 , 而当甲醇含量在 5% 15% 时则上升得很少。因而使用甲醇汽油时 , 需严格控制基础 汽油的蒸气压 , 以便为调入甲醇预留出适当的蒸气压上升空间。甲醇气化潜热大 , 使用100% 甲醇燃料时 , 汽车的启动性能较差。然而行车实验表明 , 含量小于 20% 的甲醇汽油可以在现有的汽车发动机上使用 , 几乎与汽油燃料无异。倘若使用甲醇含量较高的甲醇汽油作替代燃料 , 则必须采用专门设计的汽车发动机
