第四章-车用替代燃料

第三章车用替代燃料在石油资源日益减少、环境污染日益严重的双重作用下，开发和寻找污染较少、经济便宜的替代燃料已成为当务之急。车用替代燃料的双重标准主要包括：1）资源必须丰富。2）价格应比较便宜，以便于大范围推广。3）能量密度大，热值高，携带较少的数量时就能使汽车有足够的续驶里程。4）毒性低，环境污染小。5）安全性好，易于输送、贮存和使用。6）对内燃机的可靠性无不良影响。根据如上选择标准，有广阔发展前景的替代燃料主要有醇类燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等。石油主要代用燃料醇类燃料甲醇可从煤炭及天然气中提炼，或采用生物材料生产，工艺成熟。乙醇生产原料是植物，如巴西用甘蔗生产乙醇。目前使用的乙醇燃料主要有E85（85%乙醇和15%汽油）和E95。我国使用的乙醇燃料主要是E90（10%乙醇和90%汽油）。乙醇还用作为汽油添加剂，提高抗爆性，汽油中加入约10%的乙醇或乙基叔丁醚（ETBE）。比汽油减少30%的烟雾。醇类燃料的特点1）辛烷值高汽油发动机燃料的抗爆性是非常重要的性能之一。而醇类燃料的辛烷值比汽油高。但值得注意的是他们的灵敏度数值却很大，这点在使用中应特别注意。灵敏度是利用研究法测定的辛烷值与利用马达法测定的辛烷值之差值，即灵敏度=RON-MON。灵敏度反映的是汽油机燃料的抗爆性能随汽油机运转工况（如转速提高等）激烈程度增加而降低的情况。对汽油机来说，灵敏度越小越好。醇类燃料的灵敏度大，说明它们在低速时的抗爆性能比中、高速时要好。2）蒸发潜热大是指在常压沸点下，单位质量的纯物质由液体状态变为气体状态需吸收的热量或由气体状态变为液体状态需放出的热量。醇类燃料蒸发潜热大会使形成的混合气浓度较低，从而使发动机起动困难。因此，燃烧醇类燃料的发动机需加装进气预热系统。甲醇燃料汽化潜热大可以降低迸气温度，从而提高充气效率。还有汽化潜热大，可改善燃烧后发动机内部冷却条件，因而改善发动机的动力性。3）着火极限宽可燃混合气的着火极限是指混合气可以着火的最低浓度与最高浓度之问的范围．浓度是以空气中可燃气的容积百分比表示。醇类燃料的着火极限比汽油宽得多，可实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。4）热值低一般醇类代用燃料的热值比石油类燃料热值低，但由于醇类含氧．混合燃料燃烧时所需的理论空气量少，且燃料的有效输出功率不仅取决于燃料的热值，还与可燃混合气的热值有关，甲醇汽油在理论空燃比下形成的混合气的热值大体上与汽油燃料在相同条件下一样。所以，只要供给质量合适的混合气，并不会影响发动机功率的输出变化。5）腐蚀性大醇类燃料的化学活性较强，对铜、铝等金属具有较强的腐蚀能力，对橡胶和塑料等非金属材料也具有较大的溶胀作用。6）易产生气阻醇类燃料的沸点低，有助于形成燃料与空气的混合气。但温度高时，容易在燃油供给系统产生气阻现象，严重时会使供油中断，发动机熄火。7）贮存和使用方便醇类燃料在常温下为液体状态，和传统燃料的汽油、柴油相似，所以其储存和使用比较方便。8）排放污染低醇类燃料的蒸发潜热大，甲醇的蒸发潜热约为汽油的3.7倍，乙醇的蒸发潜热约为汽油的2.9倍，所以使用醇类燃料的燃烧温度较低，对NOx的生成有抑制作用；醇类燃料分子中没有CC键结构，燃烧中不会有多环芳香烃通过缩合形成碳烟粒子的现象。发酵法1）发酵法生产乙醇的原料含糖作物和副产物，如甘蔗、甜菜、甜高粱；淀粉质作物，如玉米、高粱、小麦、红薯、马铃薯；纤维素原料，如木材、木屑、秸秆。(我国废弃生物质资源量约相当于每年2-4亿吨标准煤)目前，发酵法生产乙醇的原料基本上属于前两类。目前应大力发展和完善秸秆为原料的乙醇生产工艺。乙醇燃料的生产生产工艺淀粉或纤维素糖酒精糖化酶酒化酶C6H12O62C2H5OH＋2CO2酒化酶60-72h葡萄糖醇类燃烧的应用醇类燃料的辛烷值高，是良好的汽油机替代燃料。但由于其着火性差，十六烷值比柴油低好多，所以在柴油机上使用比较困难。汽油机中应用醇类燃料主要有两种方法：掺醇燃烧和纯醇燃烧。1掺醇燃烧是指把乙醇以不同比例掺入汽油中。用E（Ethanol）表示。（1）掺醇汽油的优点1）抗爆性好。2）排放尾气中NOx、烃类及CO含量低。醇类燃料的蒸发潜热高，使掺醇汽油形成的混合气燃烧温度低，因而排放尾气中NOx含量低；醇类燃料含氧，且C/H值较汽油小，使掺醇汽油形成的混合气燃烧也较完全，因而尾气中烃类与CO含量也相应低。3）价格低（2）掺醇汽油的缺点1）醇类燃料与汽油的互溶性较差。在很大比例范围内必须借助助溶剂。2）掺醇汽油易出现分层现象。3）掺醇汽油对发动机的金属、橡胶和塑料等材料具有一定腐蚀性。4）掺醇汽油的低温启动性差，高温时易发生气阻。2纯醇燃烧纯醇燃烧是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。从弥补石油资源短缺的角度来说，纯醇燃料用于发动机燃烧比掺醇燃烧，尤其是低比例掺醇燃烧更具有实际意义。因此，对纯醇燃料的使用也进行了许多研究工作。需要对发动机进行较大改动，包括：调整供油系统、加大油泵供油量、加装进气预热装置和改善零部件的抗腐蚀性能等。乳化燃料汽车发动机在工作时，不仅消耗石油燃料，同时还排放出有害物质，污染环境。若采用乳化燃料．不仅能减少排气中的氮氧化合物（NOx）等有害成分．降低烟度，减少污染，而且还能有效地降低燃油消耗、使用乳化燃料是节能和降低污染的良好措施之一。乳化燃料就是把燃料和水在乳化剂的作用下使其乳化且使乳化液稳定。一、乳化燃料节能降污的原理（1）微爆理论：此理论认为，乳化燃料中含有油包水型分子基团，在乳化燃料受热汽化形成可燃混合气的过程中，由于水的沸点低于油，所以油包水型分子基团中的水会先于油蒸发，汽化压力冲破油膜的阻力使油滴发生爆炸，爆炸的结果是使油滴变得更加细小，与空气混合得更加均匀。乳化燃料节能降污效果：乳化燃料与非乳化燃料燃烧效果对比如图所示。不难看出，乳化油燃料在燃烧过程中，减少了火焰中的炭粒，提高了燃料油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了燃料油的燃烧效率。图4-3乳化燃料与非乳化燃料燃烧效果对比图（2）燃烧化学反应动力学理论：此理论认为，在高温条件下，水蒸气分解时可产生OH一根。而OH一根的化学活性很强，可和烃在燃烧过程中形成的中间产物或不完全燃烧产物发生反应，推进烃类物质的燃烧进程，使燃料能在上止点附近完成燃烧，把全部热能及时释放，使发动机热效率提高，从而达到节能降污的目的，同时，由于乳化燃料中水分的蒸发需要吸收热量，也会降低气缸内燃烧时的温度，使NOx的排放量降低。具体反应过程如下：H2O→H++OH-2C+2OH-→2CO+H2C+2OH-→CO2+H22CO+2OH-→2CO2+H22H2+O2→2H2O燃油乳化的方法l、超声波法超声波法设备筒单，耗能少，乳化液颗粒细小均匀、节油效果也较好。工艺流程见下图。2、机械混合法机械混合法设备简单，如齿轮泵、高压动力泵、静态混合器等设备。但乳化燃料效果差，不稳定，耗能大。3、化学添加剂法化学添加剂法处理简单，成本高。图4-5机械混合法柴油乳化工艺流程超声波乳化燃烧工艺流程天然气不同产地的天然气的组分构成(1)天然气的主要组分是甲烷。甲烷在多数天然气中占90%以上，有的高达95-98％。天然气中含其他的正构烷烃（甲烷除外）约占总量1％-13％。天然气中还含有N2、CO2等气体，它们约占1％-13%。气田或油田的地理位置和矿床地质结构不同，造成天然气和石油的组分存在一定的差异。(2)天然气的低热值一般在33-38MJ/m3。也有高达40-64MJ/m3。低热值高的天然气，一般含乙烷至戊烷量大，困为乙烷至戊烷的密度大于甲烷，所以，按体积计的低热值大为增加。低热值是指单位燃气完全燃烧后，其烟气被冷却到初始温度，其中的水蒸气以蒸气的状态排出时，所放出的全部热量。(3)天然气的密度为0.71-0.89kg/m3，视产地不同而异。当天然气含甲烷量高时，则密度小；含甲烷量不高（在90%以下），而含己烷至戊烷的量多（在5％-13％），则密度大。(4)天然气理论空燃比一般为9.4-12.3。其中下限是属于含甲烷较高的天然气，上限是属含甲烷相对较低的天然气。(5)天然气的理论混合气热值为3.22-3.42MJ/m3。另外，应注意的是，同一井口，夏季和冬季开采出来的天然气组分会有差别。天然气的特点（1）着火极限宽。（2）与空气的理论混合气热值低。（3）火焰传播速度低。（4）点火能量高。（5）抗爆燃性能好。（6）密度小。（7）排放污染小。（8）携带性较差。（9）使用天然气可使发动机的磨损减小。天然气燃料使燃烧室积炭少，且燃烧产物中不含液体燃料成分，对润滑油破坏小。天然气在汽车上的使用1、天然气的存在形式包括压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）天然气汽车类型液化天然气汽车压缩天然气汽车专用压缩天然气汽车专用压缩天然气与汽油或柴油双燃料汽车3、天然气汽车技术1）加气站技术：无论是压缩天然气还是液化天然气，它们向汽车上加注时，所需加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加注设备复杂一些，必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这需要较高的技术水平。2）发动机技术：天然气燃料的性质不同于汽、柴油，因此天然气发动机的结构也不同于汽油机和柴油机，应对其燃料混合、发动机燃烧室结构、点火系统等方面的独特之处进行研究与开发。3）气瓶技术：由于汽车具有的流动性，燃料必须时刻携带，携带天然气的气瓶如何保证贮存压力和绝热能力，并尽量降低其制造成本，这都需要较高的技术水平。天然气汽车国外的发展状况天然气汽车在世界上已有70多年的历史。20世纪20年代末、30年代初，意大利人为解决车用汽油短缺问题，率先开发了常压囊式天然气汽车和CNG汽车。到20世纪80年代，由于石油危机加重，改善环境的呼声日渐高涨和压缩机技术的不断进步，天然气汽车获得较快发展。1986年，30多家燃气企业在加拿大渥太华成立了国际天然气汽车协会(IANGV)。自20世纪90年代以来，天然气汽车发展的要素进一步成熟，俄罗斯、美国等国分别成立了天然气汽车协会。从下表2中可看出世界部分被国家天然气汽车的发展状况。车用天然气发动机技术的发展过程大致经历了三个阶段：第一阶段是20世纪60年代以前。这个阶段CNG汽车在前苏联、意大利等少数国家和地区有所发展，主要目的是以气代油，节约能源。这一时期的技术研究主要是解决车辆的驾驶性能，如起动性、运行可靠性等，尽量缩小与液体燃料发动机的各种性能差距，特别是动力性差距。此时开发的是用于化油器汽车的混合器式CNG发动机装置。第二阶段是20世纪60年代以后到90年代初。这个阶段的主要目的是解决汽车尾气排放污染问题。由于天然气汽车比汽、柴油车的排放污染少，许多国家都大力推广天然气汽车。技术上主要是进一步降低有害排放物，先后开发了用于开环控制供气的化油器式汽车及开环控制的电喷供气装置，开发出了较为环保的比第一代先进的天然气汽车。第三阶段是20世纪90年代以后。由于汽油机进行了技术改进，排放污染也大大减少，天然气汽车优势不明显，从而促进了CNG汽车产业对发动机进行改造，开发出更先进的闭环电子控制、电子数字控制、单点与多点电喷、高压直喷的燃气供给系统。特别是1995年以后，在车用天然气发动机上采用了理论空燃比反馈控制稀燃等技术，使车用天然气发动机效率、经济性，排放性和动力性都有极大的提高，车用天然气发动机技术发生了质的飞跃。1991-2008年各地区天然气汽车量世界天然气汽车总量超过950万辆，近几年天然气汽车的年均增长率超过30%；天然气加气站则超过了12000座。阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利的天然气汽车保有量居世界前六位。值得注意的是，近几年亚太地区的天然气汽车发展迅速，2000～2007年年均增长50%，其中巴基斯坦、印度、伊朗的CNG汽车保有量分别达到165万辆、82万辆和73万辆。国内的发展状况1999年，我国启动了“空气净化工程清洁汽车行动”，由原国家科委牵头，联合原国家计委、国家环保总局、建设部等13个部委成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，随后启动了北京、上海、重庆、