柴油機代用燃料應用現狀分析

李婕，王谷娜，梁時光，宋建桐

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

前言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車已成為人們日常生活中的重要交通工具，但由傳統燃油車所帶來的能源問題和環境問題也越來越嚴峻。截至2015年末，世界汽車保有量已突破12億輛。根據公安部統計，截至2017年11月，我國民用機動車總保有量達3.10億輛。其中，各類汽車2.17億輛，摩托車1.6億輛。截止至2018年4月，北京市機動車保有量596.8萬輛。在能源消耗方面，我國已成為世界上僅次于美國的石油消費第二大國，公路交通領域的石油消耗量占全球總消耗量的42%。在環境污染方面，北京和上海的空氣污染物中，有66.7%的CO排放，68. 4%的HC排放和46%的NOx排放來自于機動車。從長遠意義來看，環境問題和能源問題最終的解決之道應是積極探索中國能源利用戰略[1]。開發新的代用燃料，解決能源問題，已經成為汽車工業需解決的迫在眉睫的問題。

1892年，德國工程師魯道夫·狄塞爾發明了柴油機，因其具有熱效率高、經濟性好、低速轉矩大、中大負荷 CO、HC排放低、可靠性好、壽命長等特點，廣泛應用于客車、貨車等商用車和部分乘用車上[2,3]。在歐洲，對柴油機的需求量每年以23%的速度增長，我國對柴油機的需求量也逐年增大。19世紀70年代以來，隨著石油危機的到來，激起了人們開發代用燃料的熱情。

1 生物柴油

1900年，德國工程師魯道夫·狄塞爾在巴黎博覽會上，使用花生油作柴油機燃料[4]。1912年，他在美國密蘇里工程大會上曾經預言植物油將成為發動機燃料發展的一個重要方向。但植物油的碳鏈長、分子量大、低溫流動性差、粘度高、不易霧化，若柴油機直接燃用，易導致堵塞噴油嘴等發動機故障，再加上其成本相對柴油較高，使生物柴油在當時很難得到推廣。

自20世紀50年代末60年代初，人們就開始研究生物柴油及其生產技術，20世紀80年代以后得到迅速發展。1983年，美國科學家 Craham Quick將亞麻籽油甲酯應用于柴油機，正常燃燒了1000小時，其將可再生的脂肪酸甲酯定義為生物柴油，這就形成了狹義的生物柴油定義。1984年，美國和德國等國的科學家將脂肪酸甲酯和乙酯作為柴油機燃料，這就形成了廣義的生物柴油定義：生物柴油是以動、植物油脂以及餐飲廢油等為原料油，通過酯交換反應，生成的甲酯或乙酯，可供內燃機使用[5]。目前由于價格原因，純生物柴油應用較少，大多是以一定比例與柴油混合，形成混合液，摻混記作Bxx，表示混合液中生物柴油的質量濃度，例如B20表示其含有20%質量的生物柴油。

與柴油相比，推廣生物柴油最大的障礙是其價格較高。然而，與經濟性相比，健康和環保就顯得更為重要。生物柴油具有較低的廢氣排放，這使得它非常適合在市區使用，這能夠使它的環境效益達到最大化。在歐洲的很多國家，使用生物柴油會減免部分稅，來補貼用戶，這使得生物柴油具有一定的競爭力。而且，最近石油價格的快速增長，減小了生物柴油與柴油之間的價格差距。

表1 一些國家的生物燃料政策

生物柴油具有與柴油類似的理化性質和燃燒特性，因此柴油機可以在不做任何調整的情況下燃用生物柴油。與柴油相比，生物柴油具有較高的十六烷值，不含芳香烴和硫，而且含有其質量11%的氧，這些性質保證了生物柴油具有較低的排放。生物柴油具有很高的閃點，這保證了其作為代用燃料的安全性。它也是唯一一種可以延長柴油機使用壽命的代用燃料，因為其具有較好的潤滑性。另外，在整個生命周期內，生物柴油的CO2排放會降低很多，因為生物燃料能夠較快的參與碳循環，即從發動機燃燒生物柴油排放CO2，到植物生長通過光合作用而吸收CO2，再到產出生物柴油的原材料[6]。美國能源部的研究表明：與燃用柴油相比，燃用 B20和 B100在整個燃料生命周期內，CO2排放降低 15.6%和78.4%。

世界各國使用生物柴油的相關政策見表 1。盡管生物柴油作為柴油機代用燃料有很多優點，但是它的一些性能還是有待改善的。例如，生物柴油的熱值較低，氮氧化合物排放較高。在發展中國家和發達國家發展生物柴油，能夠在一定程度上解決因使用石化燃料而造成的環境污染問題[7]。

2 二甲醚

二甲醚是最簡單的醚類，可以以天然氣、煤、原油及非石化燃料的生物質為原料合成生產。二甲醚的化學方程式為CH3OCH3，燃燒時具有明顯的藍色火焰，其物理性質與液化石油氣相似。

隨著能源危機的加劇，二甲醚作為柴油代用燃料越來越受到人們的重視。自從上世紀90年代中期，就有研究人員將二甲醚作為柴油機代用燃料進行研究。二甲醚的辛烷值高達55，含有約35%的氧，分子結構不含C-C化學鍵，這使得二甲醚具有與柴油接近的熱效率，而且在燃燒過程中不產生碳煙排放。由于二甲醚的十六烷值較高，使其具有較好的著火性能。另外，由于二甲醚的沸點較低，其霧化較好。因為二甲醚具有如此多的優點，它很有可能成為柴油機主要的代用燃料。

與傳統柴油相比，二甲醚具有較低的HC和CO排放，其燃燒不產生碳煙，而且二甲醚的噪聲和振動也較低。與柴油相比，二甲醚的NOx小幅降低。為了降低其NOx排放，研究者采用不同的噴油策略，降低燃燒溫度。另外，二甲醚在柴油機上應用，需要增加一套新的燃油系統，發動機不需要做任何調整。二甲醚熱值較低，要保持與柴油機同樣的續駛里程，需要的油箱體積為柴油的兩倍。二甲醚在柴油機上應用的主要問題不是燃燒，而是其理化性質的問題。二甲醚的粘度比柴油低20倍，潤滑效果差，降低了油泵與噴油器的使用壽命，而且導致高壓油泵和噴油器泄露嚴重。

3 天然氣

天然氣為烷烴混合物，如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等，還含有少量較高的烯烴，如乙烯，及微量的硫化氫和氮氣。天然氣汽車可以采用壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）。天然氣作為車用燃料已經具有數十年的歷史。常壓下，將天然氣冷卻到-162℃時，其由氣態液化為液態，體積縮小為 1/600。液態天然氣的甲烷含量超過 98%，因此其性質與甲烷非常相近。在常溫下，壓力為20MPa的壓縮天然氣密度為175kg/m3，液化天然氣的密度為435kg/m3。

與汽油和柴油相比，天然氣具有環保性、安全性和經濟性好的特點，其作為代用燃料具有較低排放、良好的經濟性和可靠的安全性。天然氣燃燒的火焰溫度低，使NOx排放降低。因為在所有的碳氫燃料中，天然氣的C/H比最低。與傳統燃料相比，天然氣不含芳香烴，含有很少的硫，其微粒排放明顯降低。另外，因為天然氣不含C-C化學鍵，其燃燒排放較低的多環芳烴和碳煙。

1988年，四川石油管理局在南充建立了我國第一座CNG加氣站，將先進充氣裝置和天然氣汽車的改裝部件從新西蘭引入中國，填補了我國天然氣汽車的空白。之后，四川石油管理局在天然氣汽車國產化上做了很多嘗試，做出了巨大貢獻。據統計，截止1997年末，天然氣汽車保有量4594輛，44座加氣站，2000年天然氣汽車保有量4.7余萬輛，增加了10倍，其中以北京、深圳、上海等大城市為主。我國改裝的車輛以汽油載重車為主，首先在各油田推廣使用，效果較好。目前，我國的天然氣汽車技術比較先進，在天然氣—柴油雙燃料發動機上作了大量的研究工作，中國在稀薄燃燒技術和天然氣電控發動機方面的發展已經趕上了世界先進水平。

據統計，截至到2017年底，我國共有天然氣汽車（包括CNG和LNG）超過608萬輛，同比增加50.4萬輛，增幅為34.6%。液化天然氣技術開發與應用是國家鼓勵項目，我國液化天然氣的開發與應用才剛剛起步，具有很大的發展空間。2017年，我國所擁有的天然氣加氣站8400多座，同比增加約600座，增幅為7.7%。

4 結論

柴油機主要代用燃料有生物柴油、二甲醚和天然氣等。生物柴油具有可再生和環境污染小等優點，但由于其生產及原材料成本較高，目前可以作為能源的一種補充；二甲醚目前沒有形成一定市場，在未來汽車能源組成中可能將成為重要部分，但目前前景尚較難估量；天然氣在許多國家和地區已經獲得廣泛使用，技術已經比較成熟，在短期內可成為柴油營運車輛的主流。