6发动机原理_颜伏伍_内燃机的代用燃料

第六章内燃机的代用燃料第一节发展代用燃料汽车(内燃机)的重要性第二节内燃机的代用燃料一、液体代用燃料(一)醇类燃料(二)二甲醚(DimethylEther，缩写DME)(三)煤制油(又称合成汽油和合成柴油)(四)生物柴油二、气体代用燃料(一)石油气(LPG)(二)天然气(NG)(三)氢气三、电能(一)电动汽车（ElectricalVehicle，缩写EV）(二)混合动力汽车（HybridElectricalVehicle，缩写HEV）(三)燃料电池汽车（FuelCellVehicle，缩写FCV）内容第一节发展代用燃料汽车(内燃机)的重要性20世纪60年代后，全世界经历了三次重大的石油危机（第一次1973-1974年，第二次1979-1980年，第三次1990年），与此同时，全球环境污染严重，它不仅影响到发达国家，也逐渐影响到发展中国家。能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化己成为世界两大难题，中国也不例外。中国是一个富煤贫油的国家，石油资源不足，有关统计资料表明，到2001年底止，我国石油的探明可开采储量为33亿t，年产量为1.6亿t左右，储采比为20/1，而全世界石油的平均储采比也仅为40/1左右，见表6-1。预计今后十年，我国的石油缺口将会越来越大。表6-2列出了我国2000---2010年石油的供需预测。第二节内燃机的代用燃料内燃机的代用燃料可以分为液体与气体两种，此外也可用电能来代替燃料，驱动汽车。一、液体代用燃料（一）醇类燃料醇类燃料主要有甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。甲醇可以从天然气、煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成，它们都是液体燃料。20世纪60年代为了控制内燃机的排气污染，一些国家对低污染的醇类燃料发生兴趣，1973年石油危机后，进一步认识到代用燃料的重要性。我国从20世纪80年代初开始对甲醇燃料在内燃机中部分代用或全部代用作了相当广泛的研究，先后组织了M15（甲醇比例）甲醇汽油发动机的台架试验和车队试验，组织了M85甲醇汽油和M100全甲醇发动机的开发和试验车队，取得了丰富的经验。当前我国石油资源严重短缺，醇类燃料的开发应用，有利于发挥我国的资源优势。E10（乙醇比例）常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较见表6-3。从表6-3所列的醇类燃料的性质可以看到:1)醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为汽油的46%，乙醇为汽油的62%;但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的43%，乙醇为汽油的60%。应增大循环供油量。2)醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，甲醇为1101kJ/kg，乙醇为862kJ/kg，甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍，从而使混合气在燃料蒸发时温降大(甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍)。有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，滞燃期长，应适当增大点火提前角。3)醇类燃料的辛烷值高，甲醇为109，乙醇为110，在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。醇类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。1.醇类燃料的物化特性和使用特性汽油机可以燃用醇与汽油的混合燃料，醇类燃料在汽油中的互溶度通常与环境温度有关，如图6-1所示[2]。图中线外是互溶区，线内是两液的分层区。当混合燃料以汽油为主或以甲醇为主时，能互溶的温度较低，而当两液接近掺半混合时，互溶要求的温度较高。为使甲醇与汽油的混合燃料在常温和低温下保持单相而不分层，必须加中高碳醇(如异丁醇)、苯、丙酮等做助溶剂。试验表明:在0℃溶解20%的甲醇仅需3.5%容积比的杂醇。2醇类燃料在汽油中的溶解度和助溶剂乙醇与汽油的混合油在吸水或掺水后互溶的性能要比甲醇稳定，但仍需控制它的含水量。图6-2[2]所示为乙醇在汽油和重柴油中的互溶临界温度及其与含水率的关系，当乙醇含水率愈高，它能溶于汽油或柴油的临界温度越高(即愈难溶解于汽油或柴油)。由于乙醇的相对密度与汽油比较接近，它溶解于汽油的临界温度(曲线2)要比溶解于重柴油的温度(曲线l)低13--15℃。图6-3[2]所示为乙醇与重柴油、轻柴油互溶温度与乙醇容积比的关系，以乙醇为主或以柴油为主时，能互溶的温度较低，而乙醇与轻柴油的互溶温度要低于重柴油。(1)在点燃式发动机上用醇类燃料1)醇含量较低的混合燃料的试验结果混合燃料中醇的质量分数不大于20%时属于醇含量较低的混合燃料。在解放牌汽车发动机CA-l0B上的试验结果表明，混合燃料中醇的质量分数在20%以下时仍能保证发动机较好的起动性能，在不改变发动机结构的情况下，燃用掺醇量小于20%的混合燃料可在动力性能稍有改善的同时，降低能耗5%左右，在进一步提高压缩比后，功率能提高5%--7%，能耗降低6%--10%。在东风汽车发动机EQ6100上的试验结果表明，使用M15混合燃料的动力性能与燃用纯汽油相当或略高，能耗降低3%左右;3醇类燃料在发动机上的试验结果若对汽油机结构参数进行调整(增大点火提前角和循环供油量)，则燃用M15的功率比燃用纯汽油大，转矩增大3%，能耗降低3.6%;若进一步提高压缩比，则发动机的动力性能和经济性能还能进一步提高。排放方面，燃用混合燃料发动机的CO,HC,NO:均有不同程度下降，见表6-4。美国根据联邦试验规程，在点燃式发动机上燃用M15燃料时测得的排放物与燃用汽油的比较见表6-5,CO,NOx有较大幅度下降，HC则略有增加(通过氧化催化反应器进行后处理)。德国根据ECE试验规程，在点燃式发动机上燃用M15,E25汽油的排放测试结果见表6-6[3],燃用M15,E25时，CO、N0x排放均有所下降，HC则略有提高，HC排放提高的原因是:与负荷特性、外特性试验不同，ECE循环包括有怠速暖机工况，负荷率较低，此时混合燃料的HC排放要高于燃用汽油。2)醇含量较高的混合燃料的试验结果在点燃式发动机上燃用醇含量较高或纯醇燃料时排放改善效果较为明显。它能明显降低CO排放量，HC排放量也略有下降(通常醇含量较高或纯甲醇发动机需用排气加热进气，以加快暖机过程，从而可使排温升高)。由于甲醇蒸发潜热高，在其他条件相同时，它能降低压缩温度和最高燃烧温度，从而在多数情况下它可以降低NOx排放，但由于甲醇火焰传播速度和放热速率快，它的滞燃期长，需要增大点火提前角，又会增大NOx排放，因此它对NOx排放的影响不明显，如图6-4所示。点燃式发动机燃用醇类燃料时发动机有未燃醇和醛等有害排放物，见表6-7。综上所述，当汽车燃用混合燃料或纯醇燃料时，只要优化其燃烧过程，其能耗和NOx，CO及HC排放都可以降低，醇燃料发动机排出的致癌多环芳香烃含量也比汽油低。(2)压燃式发动机燃用醇类燃料醇类燃料十六烷值低，自燃温度高，难于压燃，在压燃式发动机上使用时，需要采用助燃措施(火花塞、电热塞助燃)或加入着火改进剂(IgnitionImprover)。(1)甲醇作为车用燃料有以下优点:1)甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模专门生产，也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),生产成本低。2)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。3)燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、经济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。4.醇类燃料的优缺点甲醇的主要缺点是:1)有毒、不可饮入口中或溅入眼中，须对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。2)排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。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。3)甲醇对有色金属、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。(2)乙醇(酒精)乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。巴西和美国分别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。美国政府从20世纪90年代起一直以每年7亿美元的巨额补贴来维持每年50亿升的乙醇产量(约400万t，每吨补贴约175美元左右)，且产量还在逐年增加，用来作为汽油的替代燃料和辛烷值及氧的添加剂(汽油中加10%左右乙醇)。乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点:1)辛烷值高(110左右)，可以代替目前正在使用的无铅抗爆添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)。乙醇无毒，对环境无危害，而MTBE则被怀疑会污染地下水和致膀胱癌等，在美国一些州已被禁用，2004年全面禁用。2)乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高，发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC,NOx也可以有不同程度的降低(取决于发动机结构及其调整状态)。火花点火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料(掺烧比例大时需加助溶剂)，压燃式发动机也可以燃用乙醇，但需有助燃措施。乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是:1)乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、存放期过长甚至霉变的粮食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。但我国可耕地面积少(为世界的7%)，人口多(占全世界人口的22%)，粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大(生产乙醇的耗能量接近乙醇发出的能量)、耗粮大，生产乙醇过程中有大量CO2排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，政府要考虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应用。2）利用能源作物(如甜高粱的茎杆、木薯等)制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低1000元/t左右，秸秆制酒精是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。(二)二甲醚(DimethylEther，缩写DME)二甲醚又称甲醚，简称DME，在常压下是一种无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。相对密度（20℃）0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸气压约为0.5MPa，与液化石油气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮，燃烧热（气态）为1455kJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。二甲醚在常温、常压下为无色、无味、无臭气体，在压力下为液体，性能与液化石油气（LPG）相似二甲醚的毒性：二甲醚的毒性很低，气体有刺激及麻醉作用的特性，通过吸入或皮肤吸收过量的此物品，会引起麻醉，失去知觉和呼吸器官损伤。二甲醚是醚的同系物，但与用作麻醉剂的乙醚不一样，毒性极低；能溶解各种化学物质；由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性，广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替代制冷剂、溶剂等，另外也可用于化学品合成，用途比较广泛。二甲醚作为一种新兴的基本化工原料，由于其良好的易压缩、冷凝、汽化特性，使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。如高纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂，减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。由于其良好的水溶性、油溶性，使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油化学品。代替甲醇用作甲醛生产的新原料，可以明显降低甲醛生产成本，在大型甲醛装置中更显示出其优越性。作为民用燃料气其储运、燃烧安全性，预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于石油液化气，可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。也是柴油发动机的理想燃料，与甲醇燃料汽车相比，不存在汽车冷启动问题。它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。由统计确认的矿物燃料埋藏量的可开采年份是：(至1997年，BP统计)石油：42年；天然气：62年：煤：224年。其中，石油资源在21世纪迎来生产颠峰后生产量将逐渐减少。天然气可开采年分比石油长20年，还在进行开发，估计将来的埋藏量可达现在3倍，不用担心资源的枯竭；煤可开采年份300年。在二甲醚大量生产时主要考虑用煤作燃料。由于石油资源短缺、煤炭资源丰富及人们环保意识的增强，二甲醚作为从煤转化成的清洁燃料而日益受到重视，成为近年来