替代燃料在汽车上的应用与研究

替代燃料在汽车上的应用与对比摘要：分析了目前世界上流行的几种替代燃料的特点，它们在汽车上的应用，指出了新燃料在使用当中存在的一些问题以及解决措施。还对比分析了各替代燃料的物化特性、发动机的性能等等。但是想实现真正的零排放，氢能才是最理想的选择。关键词：汽车；燃料；应用；研究1引言随着经济的发展，能源消耗越来越大，据资料显示，我国石油只能平稳供应20年，汽车是石油产品的主要用户，2009年中国汽车年销售量达1363万辆。同时汽车尾气排放了大量的污染物，如NOX，HC，CO等等，污染着环境。从汽车诞生到现在的一百年间，汽车专家就没有停止过对如何改善汽车排放和如何降低油耗的研究，但是单单改变汽车发动机的结构是远远不够的，关键是能够找到新型的无污染，清洁的汽车替代燃料，这才是解决问题的根本。现在热门的车用替代燃料包括天然气，液化石油气，生物柴油，氢能源，醇类燃料等。汽车替代燃料多种多样，每一种替代燃料都得到一定的发展，有些发展较成熟，有些还处于初级阶段，但是他们的未来性很难确定，对于我们国家来说不可能每一种燃料都去发展和研究，问题的关键是依托国内可靠资源的供应体系，开发适合中国国情的替代燃料，对替代燃料的研究对找到我们自己国家汽车替代燃料的发展方向具有指导意义。2几种替代燃料的应用2.1天然气的应用天然气具有辛烷值高、污染小、冷起动性能好，运转平稳、价格便宜等优点，但是天然气贮存不太方便，使汽车本身的质量加大。正是上面的特点，天然气在汽车上面得到了一定的应用。1．纯天然气汽车：纯天然气汽车是指燃用天然气的单一燃料汽车，发动机为点燃式，它专为燃用天然气而设计，充分考虑了天然气的性质特征，使天然气汽车的性能有可能达到最佳。2.NG/汽车两用燃料汽车：NG/汽车两用燃料汽车可以交替燃用NG或汽油。这种汽车的发动机是点燃式发动机，备用两套燃料系统和NG,汽油两用燃料。3．柴油-天然气双燃料发动机：根据引燃油量多少，柴油-天然气双燃料发动机可分为常规天然气-柴油双燃料发动机和微引燃天然气发动机。当然在应用的过程当中会遇到很多的问题，比如功率下降，腐蚀，磨损等问题。2.2乙醇的应用乙醇燃料具有辛烷值高、碳氢比低、汽化潜热大、蒸汽压力低、着火极限宽、燃烧速度快等优点。正是因为有这么多的特点，乙醇在汽车当中得到了一定的应用。1.掺烧乙醇与汽油掺烧，在混合燃料当中乙醇的容积比例以E表示，如乙醇占10%，表示为E10。但是乙醇作为燃料单独使用时，需对发动机做较大改动，因此现在—般都是掺入汽油中燃烧，一般乙醇掺入量控制在10％以下，可以保证和普通汽油基本相同的动力性(动力损失小于5％)。这是因为乙醇来源广泛，可由多种农作物和石油副产品制得，辛烷值较高，氧含量高，可改善燃料的抗爆性，促进差；另外，也容易对汽车油路系统和橡胶件产生腐蚀。2.纯烧纯烧乙醇，应对发动机进行必要的改造；提高压缩比（9～11），充分发挥乙醇辛烷值高的优势。压缩比提高后，宜采用冷型火花塞；加大输油泵的供油能力，以避免气阻；用附加供油系统及加强预热等措施，改善冷启动；加大燃料箱，以保证必要续驶里程；改善有关零件的抗腐蚀性和抗容涨性等。3.灵活燃料灵活燃料指即可以使用汽油，又可以使用乙醇和汽油以任何比例混合的燃料。工作时由燃料传感器识别燃料成分，通过电脑提供发动机最佳运行参数。灵活燃料汽车的商业前景很好，以在福特汽车厂生产线上大批生产。这三种应用形式当中，以掺烧应用最广泛。2.3甲醇的应用甲醇抗爆性能好，和汽油调和后辛烷值高，可提高发动机热效率。甲醇也是含氧燃料，可促进燃烧完全，减少污染物排放。甲醇是重要的工业产品，作为燃料使用，经济性较好。因为这些特点，所以甲醇在汽车当中也得到了一定的应用。1.掺烧甲醇容易对汽车油路系统和橡胶件产生腐蚀，这样甲醇作为燃料单独使用时，需对发动机做较大改动，因此现在—般都是掺入汽油中燃烧。2.纯烧纯烧甲醇，应对发动机进行必要的改造；提高压缩比，充分发挥甲醇辛烷值高的优势。压缩比提高后，宜采用冷型火花塞；加大输油泵的供油能力，以避免气阻；用附加供油系统及加强预热等措施，改善冷启动；加大燃料箱，以保证必要续驶里程；改善有关零件的抗腐蚀性和抗容涨性等等。3.甲醇改质甲醇改质是利用发动机排气的余热将甲醇改成为H2和CO,然后再输往发动机。2.4二甲醚的应用二甲醚十六烷值高，自燃点低，在发动机气缸内蒸发速度快，有利于混合气的形成，燃烧速度快，滞燃期短。汽化潜热高于柴油，蒸发过程吸收热量较柴油多，可有效地降低气缸内最高燃烧温度，有利于降NOX排放和噪声。作为含氧化合物，可提高燃烧效率，在燃烧过程中几乎无碳烟生成，CO的排放都比较小。二甲醚（DME）在汽车上应用的主要渠道是用作压燃式发动机的燃料，使用方式有以二甲醚（DME）作为点火促进物质和直接燃烧纯液态二甲醚（DME）。1.甲醚（DME）在柴油机中作为点火促进物质。二甲醚的十六烷值高、自燃性好，因此把二甲醚作为部分燃料使其进入发动机气缸，在压缩行程的后期先行燃烧，预先使缸内温度升高，对主燃料的着火有促进作用，从而改善发动机的性能和排放特性。按燃料的供给方式不同可分为混合喷射式和二甲醚预混、柴油喷射式两种。混合喷射顾名思义是将二甲醚和与柴油或其他燃料混合后由喷油器喷入气缸。二甲醚预混、柴油喷射式是指二甲醚以预混的方式进入气缸，柴油仍利用原喷油装置喷入气缸。2.油机燃用纯二甲醚（DME）：这种方式利用燃油喷射装置直接向气缸内喷射液态二甲醚。由于二甲醚的十六烷值较高，因此适用于用作压燃式发动机的燃料。在柴油机上，加装一套储气装置和加压设备，即相当于把柴油机改造成二甲醚发动机，另外还需配备一定压力的储气瓶。发动机工作时，在压缩冲程终了时，液态二甲醚经过高压泵和喷油器喷入气缸，经过与空气混合在高温作用下自燃、燃烧膨胀。2.5氢能的应用1.热值高，氢气燃烧放热量为121061kJ／kg，是汽油的3倍。2.燃烧无污染，燃烧产物是水，不会对环境造成污染。3.来源广泛，可再生，不仅化石燃料和生物质中含有丰富的氢，而且水也是最为广泛的氢源，氢由化学反应发出电能(或热)并生成水，而水又可由电解转化为氢和氧，如此循环，永无止尽。4.氢是“和平”能源，因为它既可再生又来源广泛，每个国家都有丰富的“氢矿”，可以不依赖化石能源。化石能源分布极不均匀，常常引起激烈抗争。综上所述，氢能是唯一可以同时满足资源、环境和持续发展要求的能源，是其它能源所不能比拟的，同时氢气在汽车上也得到了一定的应用。1．汽油-氢发动机：氢气具有点火能量低(0.02mJ)，火焰传播速度快(比汽油的快5～9倍)，可燃界限宽(理论上空气过量系数α=0.15～10)等特点。所以，向汽油中掺入一部分氢气，可使汽油发动机燃烧着火延迟期大大缩短，火焰传播速度加快，燃烧持续期缩短。氢在燃烧时释放出OH、H、O等活性中心，可大大地促进燃烧速度，抑制爆燃。这样一来便可提高发动机的压缩比，从而提高热效率。汽油-氢发动机对原汽油机结构改动不大，主要加装了一套控制加氢量的电子装置，根据发动机的负荷、转速等参数来控制不同工况下的加氢量。从汽油-氢发动机试验结果看出，加氢后综合热效率明显提高。在中等转速和中等负荷下综合热效率提高7%～15%，在低转速和低负荷下综合热效率提高14%～20%，且汽油消耗率大幅度下降，同时有害排放物也明显减少。汽车道路行驶试验也证明了加氢后汽车油耗率明显下降。2．氢发动机；氢-空气混合气具有特别宽广的可燃范围，氢发动机可以燃用非常稀薄的混合气稳定工作，并可采用变质调节的方式来调节氢发动机的工况。当氢混合气浓度接近理论混合比成份时，它的燃烧速度比汽油高出许多倍，这样氢发动机的燃烧过程可在很短时间内完成，更接近于定容过程，所以热效率高。但当混合气较浓时，会发生不好的异常燃烧现象，尤其是回火。为了解决这一问题，国内外研究者们尝试着使用了许多方式，如临近气缸供氢、改造燃烧室、向混合气喷水、使用液态氢和废气再循环等。我们通过试验发现，采用临近气缸供氢的方式，再加上喷水或废气再循环的方法是很有效的。3．氢燃料电池:在国外，许多技术力量雄厚的公司都在研制氢燃料汽车，如奔驰、BMW公司等。奔驰公司的氢汽车功率为75kW，行驶距离为120km，最高车速为130km/h，还采用喷水来防止异常燃烧。用金属储氢器储存氢气，这是一种较为理想的储氢方法，它采用特殊的金属材料LaNi5等制成容器，这些合金能够吸附氢气，而后在一定的温度下能够释放出来供发动机使用。还有的公司研究采用液态氢的方式，在-253℃的温度下，将氢液化，再用绝热容器储存起来，在适当的时候喷入气缸，这种方式不会产生异常燃烧，但是成本昂贵，结构复杂，制造液态氢所消耗的能量比制造同量的气态氢多40%，并且液态氢汽化损失严重。燃料电池通过使用氢和氧发生电化学反应而不是通过燃烧而产生电，不产生火焰，不会产生任何造成污染的CO2、CO等有害物质。燃料电池中的氢是通过分解碳氢类化石燃料而制得，其CO2的释放量也大大低于产生相当能量而燃烧这些碳氢燃料时释放出的CO2量。在汽车上使用它可以真正实现没有污染的零排放，这一点对于汽车拥有量很大的城市里，意义尤为重大。当然在应用的过程当中遇到了一些问题，这些问题正是制约氢气发展的关键。2.6生物柴油的应用1.具有优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约30%（有催化剂时为70%）。2.具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂，冷凝点达-20℃。3.具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。4.具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的有是显而易见的。5.具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。6.具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。在国际市场上，生物柴油根据等级和纯度的不同，价格在250美元/t以上。目前在美国、欧洲、亚洲的一些国家和地区已开始建立商品化生物柴油生产基地，并把生物柴油作为代用燃料广泛使用。生物柴油使用最多的是欧洲，份额已占到成品油市场的5%。目前在欧洲用于生产生物柴油的原料主要为菜籽油，目前的生物柴油标准也主要是参照菜籽油的生物柴油标准品质作出的。2000年初德国的总生物柴油生产量已达450kt，并有逐年上升的趋势。德国凯姆瑞亚.斯凯特公司自1991年起开发研制了用植物油如菜籽油生产生物柴油的工艺和设备。目前利用该公司的工艺和设备已在德国和奥地利等欧洲国家建起了多个生物柴油生产工厂，最大产量达300t/d。上面几种替代燃料各有千秋，他们之间各发面是有区别的，那么每一种替代燃料的前景怎样呢？结论通过上面的论述，可以得出以下结论：1.常规化石燃料目前消耗量极大，同时，世界对化石燃料的需求量还在增加，资源匮乏。2.虽然很多替代燃料都在汽车上得到一定的应用，但是在接下来的几十年里汽油和柴油在汽车燃料当中还将占据着主导的作用。3.尽管用其它燃料代替传统化石燃料还有许多难题，但世界许多国家都看重替代燃料的开发应用前景，纷纷加大投资力度和研究力量，汽油和柴油被其他燃料替代是必然的。4.煤基醇醚燃料是我国未来几十年车用替代燃料的发展方向。因为在“少油、少气、富煤”的中国，煤的储藏量相对比较多，寻找替代燃料，需求量是上千万吨，如此大量的替代只能靠煤来实现。对于甲醇的来源，目前焦化厂的焦炉煤气除了自用以外，有相当部分排空，既浪费了能源，又污染了空气，如果加以合理利用，生产甲醇，再由甲醇生产二甲醚是完全可以实现的。未来十年内甲醇产量会提高到几千万吨，作为化工原料用量有限，它的主要出路将会做汽车燃料甲醇和二甲醚同时毒性、热值低、腐蚀性等技术问题，目前都已经解决，随着甲醇生产量越来越大，甲醇的价钱也会越来越低。所以我觉得在我们国家煤基醇醚燃料的发展将会有强力的市场推动。同时在一些地方可以根据自身的特点选择发展的重点燃料，比如说四川天然气资源丰富，就可以重点发展液化天然