代用燃料的研究與應用

隨著大氣環境和全球能源問題日益嚴峻，商用車燃料及其排放物對空氣的污染問題備受關注，代用燃料的開發和使用已成為必然趨勢。本文詳細介紹了目前全球范圍內使用較多的代用燃料的研究與應用發展情況。

1 天然氣（NG）

天然氣作為汽車燃料，根據燃燒狀態的不同可分為液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG），具有單位熱值高、排氣污染小、供應可靠、價格低等優點，已成為世界車用清潔燃料的發展方向，而天然氣汽車則已成為發展最快、使用量最多的新能源汽車。

1.1 液態天然氣（LNG）成分對重型發動機的影響[1]

天然氣的應用減少了重型公路運輸產生的溫室氣體排放，但也面臨著挑戰。天然氣的成分在不同的燃料供應商和地理區域之間可能有很大差異。因此，本文就燃料成分變化對配備引燃點火裝置的重型直噴天然氣發動機的影響進行了評價。

高壓直接噴射（HPDI）是一種能夠匹配柴油發動機性能同時還可用天然氣代用90%以上柴油燃料的技術。與重型天然氣發動機的其他代用品相比，液化天然氣（LNG）可以有效增大體積并提高重量能量密度。對于HPDI，這種狀態具有比氣態天然氣（無論是作為壓縮天然氣在高壓下儲存，還是在諸如吸收儲存的更特別的系統中儲存）明顯的優勢，減少了實現直接噴射到高壓縮比發動機所需的燃料壓力所需的壓縮功。

圖1 HPDILNG燃油系統[1]

圖1 為基于LNG的HPDI燃油系統的關鍵部件示意圖。在該系統中，使用泵將低溫LNG首先壓縮至所需的供應壓力（標準HPDI發動機中最高約300 bar），然后將天然氣通過熱交換器以確保其在供應到發動機之前完全蒸發。

實驗發動機安裝在配有渦流測功機的發動機試驗臺上，包括6個安裝在水冷壓電壓力傳感器，發動機制動扭矩和速度由測功機上的傳感器確定，在系統的多個點記錄進氣和廢氣流壓力和溫度。使用Meriam層流元件測量增壓空氣流量，并使用重量燃料平衡測量柴油流量。使用Horiba MEXA3100DEGR排放臺測量CO、CO2、NOx、THC和CH4的排放，這也用于測量進氣CO2，以量化EGR（廢氣再循環）率。使用AVL 415煙度計測量發動機排放的煙霧排放。

對15 L HPDI天然氣發動機進行了一系列試驗，評估對低質燃料的敏感性，并評估基于燃燒感應的補償策略是否適合減輕燃料成分變化對發動機性能和排放的影響。這項工作的主要發現是：

（1）HPDI燃燒主要對燃料密度敏感

（2）氣態燃料中較高濃度的乙烷和丙烷導致較長的燃燒持續時間，但不會嚴重影響燃燒起始或峰值放熱率。

（3）一旦扭矩被校正，受燃料成分影響的主要排放物是PM和CH4。由于乙烷和丙烷的濃度增加，CH4在PM增加時明顯降低。由于當前DOC和DPF后處理系統的高效性，尾氣中PM的排放不受影響。

1.2 甲烷值對壓縮天然氣（CNG）直噴發動機效率的影響[2]

天然氣（NG）和可再生甲烷作為汽車燃料的基本要求是可靠的抗爆性，高抗爆性能夠優化具有高壓縮比和高渦輪增壓器增壓的專用NG發動機，并進而實現發動機小型化。NG可以與所有類型的可再生甲烷混合，混合率高達100%，具有未來的可持續發展潛力。

NG主要由甲烷組成，與汽油相比具有許多燃燒優勢。由于比汽油更有利的C/H比，NG燃燒排放的二氧化碳基于油箱到車輪（Tank To Wheel）減少約25%，顆粒排放也大大降低。如圖2所示，2014年型號的歐洲CNG乘用車比同類車輛中的汽油發動機減少約15%的比扭矩和約20%的比功率。扭矩和功率損失主要是由CNG發動機的容積效率降低引起的，CNG發動機目前與端口燃料噴射系統（CNG取代空氣）一起運行。

為了描述NG的抗爆性，引入了甲烷值（MN）。通常NG的最低甲烷值為65，并且絕大多數NG（～99.8%）的MN高于70。生物甲烷和電力-氣體甲烷的MN通常遠高于80。從汽車的角度來看，任何甲烷燃料應至少提供的最低MN為70。但迄今為止，描述汽車CNG燃料質量的歐洲標準草案提出了最低MN為65。因此，MN從70減少到65所引起的效率差異對未來的NG（甲烷燃料）標準化具有相當大的意義。

本文實驗測試結果表明，在12.9壓縮比的輕量化小缸徑發動機上，MN 69和MN 64之間的測量效率差異為0.21%-0.35%。測量的效率降低是由較低的MN隨后的爆震限制燃燒引起的。同時，針對較大汽缸排量的發動機，壓縮比的增加都會導致發動機效率的顯著增加。因此，具有較大排量的發動機在MN69燃料和MN64燃料之間會產生更高的效率損失差。

1.3 濕空氣對CNG發動機NOx和PM排放影響的研究[3]

美國大約29%的溫室氣體（GHG）排放由運輸部門生產，減少運輸溫室氣體排放的戰略包括引入低碳燃料，提高車輛燃油經濟性和運輸系統效率，以及減少碳密集型活動。天然氣是低碳燃料，最近CEC（California Energy Commission）的報告指出，隨著CNG車輛的改裝，乘用車的溫室氣體減排量為20%至30%，重型車輛的溫室氣體減排量為11%至23%。液化天然氣（LNG）是重型車輛的代用燃料，到2022年，重型汽車的溫室氣體減排量將在12%至16%之間。

濕空氣系統一直是減少CNG發動機NOx排放的有效方法，在該方法中，水蒸氣被注入到吸入的空氣中并提供給發動機汽缸。該過程降低了汽缸中局部溫度并提高了空氣-燃料混合物的比熱，由此也有助于消除了發動機汽缸中的熱點，隨著溫度降低，實現NOx還原。通過優化系統，濕空氣系統可以減少氮氧化物排放，而不會顯著增加碳氫化合物的排放。

本文在研究不同濕度水平的潮濕空氣對非預混合燃燒氣體排放的影響基礎上，重點關注進氣中不同濕度水平如何影響排氣中NO的排放，并使用天然氣作為燃料的自然吸氣式發動機驗證數值模擬結果。同時，進一步研究了潮濕空氣進氣對發動機顆粒物（PM）排放的影響。

圖3 數值模擬燃燒室[3]

數值研究使用假定的概率密度函數燃燒模型模擬單個汽缸中的非預混燃燒，即圖3所示的數值模擬燃燒室。對干燥和潮濕的進氣進行模擬，測量0%、15%和30%相對濕度（RH）。數值結果顯示，與干燥進氣的NO排放相比，在15%RH下NO排放減少了65%；在30%RH下，NO排放減少了93%。實驗在四種不同的馬力（HP）下進行，分別為5、12.5、25和37.5，以及30%、45%和60%的三種RH。結果顯示，相對濕度每增加15%，NOx排放量減少近10%。

2 液化石油氣（LPG）作為代用燃料的綜合調查[4-5]

液化石油氣主要是碳氫化合物所組成的，其主要成分為丙烷、丁烷以及其他的烷烴等。用作運輸燃料時，LPG比汽油和柴油燃料更清潔。在排放因子的比較中，LPG的NOx排放通常較低，PM10排放量占汽油的35-42%，乘用車和輕型商用車的柴油燃料排放量約為3%。對于重型車輛，LPG排放分別為汽油和柴油燃油的23%和5%，而對于公共汽車，排放約占汽油和柴油燃料的5%。三種燃料類型的CO排放和VOCs（排氣）相對類似。

本文介紹了菲律賓國家工程中心（UPNEC）為菲律賓能源部評估液化石油氣作為公共交通，特別是專線小型公共汽車（jeepney）的代用燃料的研究結果。研究分別進行了道路測試和底盤測功機測試。

經過兩個階段的實驗研究，結論如下：

（1）在負載系數為60-70%的道路試驗和負載系數為100%的底盤測功機試驗中，LPG實際里程總是小于柴油實際里程，并且負載系數越高，實際里程數減少越多。

（2）在道路測試中，LPG jeepney的柴油當量里程與其對應柴油jeepney的實際里程大致相同。這意味著柴油和LPG具有相似的能量轉換效率，LPG實際里程主要是由于LPG熱值低于柴油。

（3）在底盤測功機測試中，LPG jeepney的柴油當量里程小于其對應柴油jeepney的實際里程數。這是由于在高負荷系數下，LPG熱值低于柴油，導致LPG jeepney的能量轉換效率低于柴油jeepney。

（4）道路試驗表明存在一種運行狀態可使得LPG能量轉換效率高于柴油，找到這種運行方式即可實現LPG jeepney的優化。

（5）除了更綠色的排放外，政府財務激勵（例如燃料定價）中應考慮實際里程，燃料能量含量和能量轉換效率，以促進在公共交通用車中更好的使用LPG。

3 G10和B10燃料在輕型柴油車的應用[6]

生物柴油和GTL（Gas To Liquid）燃料是柴油燃料的兩種典型代用燃料。低混合比（≤10%）生物柴油和GTL燃料可無需改變發動機的配置直接用于柴油發動機。文章重點研究同一柴油車中使用的低混合比生物柴油和GTL燃料的差異，并得出最佳燃料選擇。

如圖4所示實驗系統，發動機配備有高壓共軌系統，冷卻EGR系統和DOC，在NEDC模式下的底盤測功機上進行了輕型柴油車的氣體和顆粒排放研究，實驗燃油分別為B10（10%生物柴油+90%柴油，v/v）和G10（10%GTL燃料+90%柴油，v/v）。

圖4 實驗系統示意圖[6]

結果表明，與柴油燃料相比：

（1）在NEDC循環期間，B10和G10均可分別減少51.2%和52.3%的CO排放。由于在低排氣溫度下DOC效率低，第一個城市駕駛循環（UDC-1）具有更高的CO排放。

（2）在整個NEDC循環期間，B10燃料的HC排放增加了10.5%，G10燃料則減少了46.9%；另外，使用B10將導致NOx的排放量增加14.2%，而G10則減少6.8%。

（3）三種燃料的二氧化碳排放量關系為B10＞柴油＞G10，低熱值差異明顯。其中，B10和G10都可以減少成核模式粒子數排放和比粒子數排放，且G10具有較低的粒子數排放。

4 加氫處理植物油（HVO）在重型壓燃式點火發動機中的應用[7]

近年來，加氫處理植物油（HVO）由于其優于生物柴油的一些優點而獲得了普及，例如更高的十六烷值，更低的沉積物形成，更好的儲存穩定性等。HVO與生物柴油不同，其生產過程中使用氫氣而不是甲醇作為催化劑，從植物油中除去氧氣。

文章采用改進的6缸重型柴油發動機（改進為單缸操作）研究HVO燃料的顆粒數量排放特性。在各種發動機工作負荷（6，8，10，12和14 bar IMEP）下進行不同燃料噴射壓力的調查。五個軌道壓力選自800至2 000 bar，步長為300 bar。結果表明，軌道壓力的增加傾向于增加成核模式顆粒數濃度（量化增加），而發動機負荷的增加會導致更高的總顆粒數濃度。與礦物柴油相比，HVO的煙霧顆粒和氮氧化物（NOx）排放沒有明顯的差異，但成核模式中的部分發射顆粒會隨著燃料噴射壓力的增加而增加。

總的來說，HVO在NOx、煙度和顆粒數排放方面表現類似于礦物柴油，它是一種植物油衍生燃料，可以作為柴油的代用燃料，減少二氧化碳對環境的污染。

綜上所述，為緩解石油資源匱乏和需求之間的矛盾，實現長期可持續的經濟發展和環境保護，越來越多的代用燃料被測試并應用，但是代用燃料并非完全優于傳統燃料，要想實現最優化，還需要更進一步的研究與創新。