淺述汽車發動機代用燃料

黨金金，王龍龍

（洛陽職業技術學院，河南 洛陽 471400）

前言

能源的消耗逐年增長，現有的存儲量已滿足不了各國的需求，而新型能源的供應機制尚未成熟，能源問題一度陷入困境。各個領域研究人員只有在最短的時間之內尋找到可再生能源才能解決目前全球所處的困境。研究人員通過改進發動機結構、提高駕駛員的駕駛技術以及優化各種節油裝置等途徑之外，他們還將重心轉移至開發新型汽車代用燃料[1]。

有許多化石燃料的替代品可以避免凈碳排放，也可以減少污染物排放。目前，汽車替代燃料包括化石燃料和可再生燃料，也可以將其分為氣體和液體替代燃料，主要包括天然氣，醇類，以及二甲醚（DME）和聚亞甲基二甲醚（PODEN）在內的醚類和生物柴油都在國產化或工業化應用中。各類替代燃料都獨具各自的優缺點，在汽車的使用中“最佳燃料”的確定不是絕對的，而是取決于所選擇的評價角度[2]。

1 代用燃料介紹

1.1 醇類燃料

醇類燃料主要指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。甲醇和乙醇的化學性質相似，其可以與其他燃料按不同比例進行混合從而達到改善汽車尾氣排放的目的，在汽車領域被認為是環保燃料。

1.1.1 甲醇

甲醇是一種無色透明液體，易燃易揮發，主要從天然氣、石油和煤炭中提取而來。從甲醇自身特性來講，其燃燒特性與常規汽油、柴油接近，而且作為汽車發動機燃料時混合氣燃燒范圍比汽油寬，燃燒更完全，可減少20%～50%HC 的排放，設計先進的發動機可減少90%，微粒物及NOx 排放也很低，因此當甲醇取代常規汽油柴油用于車用發動機時可以減少對石油資源的依賴。甲醇的辛烷值大于110，具有良好的抗爆性，能有效提高壓縮比，從而達到提高循環熱效率的目的；且甲醇的氣化潛熱大，在低溫狀態下蒸氣壓力低，使得氣化困難，進而減少了蒸發的排放[3]。

當甲醇用于發動機時在低溫下會導致發動機啟動困難，使得未完全燃燒的甲醇趁機流入機油中對其稀釋，濃度降低后的機油其潤滑效果將弱化，因此會導致活塞與氣缸壁的磨損，而且甲醇的排放量也將增加。甲醇的沸點低，當一味的提高發動機燃燒性能的時候將會有氣阻現象的發生。當甲醇呈液體狀態時，其導電率比汽油高，因此當過多的液態甲醇進入氣缸不僅會導致火花塞短路，而且會使發動機的運動機件磨損加劇。甲醇與汽油不易互溶，中、小比例的汽醇混合物易吸水分層，因此在儲運過程中需要對甲醇-汽油采取必要的保護措施[4]。

1.1.2 乙醇

乙醇是最早開發的代用燃料在美國已應用多年。純乙醇用作燃料燃燒時其碳氫化合物和有害物質的排放含量很低，因此被認為是理想得到代用燃料。乙醇為含氧燃料可以被當做含氧化合物加入到汽油中與之混合，車用乙醇燃料一般有E85 和E95 兩種[5]。宜春的熱值只有汽油的70%，且分子量小，因此其與汽油可以充分混合提高燃燒性能。

將乙醇汽油用于發動機時，其也存在一定的隱患。乙醇中含有會對發動機部件產生腐蝕的酸性物質。由于乙醇的氣化潛熱高，易造成氣化不良現象的發生，從而使得液態乙醇進入氣缸不僅破壞了氣缸的油膜，還使得氣缸內潤滑油的濃度降低，進而導致活塞環和氣缸壁的腐蝕磨損增加。由于乙醇-汽油對水極其敏感，微量的水即可導致乙醇與汽油產生分層，且乙醇與水的親和力很強，很容易從空氣中吸收水分，因此在儲運過程中需要采取必要的保護措施[6]。

1.2 天然氣

目前，為了減少汽車尾氣排放常采用天然氣代替傳統汽油、柴油作為車用燃料。通常使用的天然氣（NG）有為壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）及吸附天然氣（ANG）。天然氣具有較高的辛烷值，因此其燃燒比汽油更完全。

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天然氣、汽油、柴油的自燃點、爆炸極限、密度見表1。

由表1 可知，天然氣的自燃點一般在650 ℃，比汽油、柴油的自燃溫度高，爆炸極限為5%～15%，且密度小于空氣，因此當發生意外泄漏時一般會立即向上蒸發不容易發生自燃，而汽油機、柴油機發生碰撞后遇明火將會發生爆炸[7]。

表1 燃料性質對比

壓縮天然氣（CNG）的主要成份是甲烷（一般為83%～99%）及少量烴類和CO2等，由于甲烷的辛烷值（RON）高達130，其抗爆能力優于汽油，因此可以提高發動機壓縮比，進而達到提高發動機的動力性和經濟性的目的。常壓下，甲烷的著火溫度比汽油高，因此甲烷燃燒時需要較高的點火能量，且燃燒時火焰的傳播速度在同等條件下比汽油的傳播速度慢[8]。甲烷與空氣混合不會伴隨形態的轉變，所以不需要經過蒸發、霧化等過程就可以順利混合，在燃燒的過程中也不會有不充分燃燒物質的產生，燃燒交完全，且排放物中有害氣體的含量較低。

液化天然氣（LNG）制造成本相對較高，由于其自身特性對儲存容器的絕熱性（甲烷易蒸發，沸點162 ℃）要求嚴格，因此制約了其發展。

1.3 二甲醚

二甲醚（DME）是最簡單的醚類化合物，它的分子式為CH3-O-CH3，是一種無毒含氧燃料，物理性質與液化石油氣相似[9]。它是從煤、天然氫氣、天然氣，生物質等制取。二甲醚在常溫常壓下是無色氣體，密度比空氣大，常溫下液化壓力為0.5 MPa 左右，蒸氣壓力特性與PLG 的主要成分很相近，運輸存儲時可采用與PLG 相同的方式。二甲醚的十六烷值（小于55）高于柴油，自燃點低，在缸內著火延遲時間短，燃燒速度快，滯燃期短，在減少NOx 生成的同時也不會產生顆粒物，且二甲醚能實現高效清潔燃燒，易于儲存和運輸，適用于柴油機，是理想柴油代用燃料。雖然二甲醚用于柴油機的優點很多，但是其燃燒時CO 排放量并不能減少，二甲醚粘度低，僅為柴油的1/10，潤滑性差，使油泵和油嘴密封性和壽命大為下降，因此在技術上尚需進行大量的試驗研究。

1.4 氫

氫氣燃燒產生水被稱為“水的生成者”，而且可以通過電解水制得氫氣，這種永久性循環使得氫成為一種無污染燃料的新能源。氫在常溫狀態下的特性與各燃料特性的詳細對比可以得出氫燃料有以下特點[10]：

（2）氫氣擴散性好，在短時間內就可以與空氣混合，提高混合氣的均勻性。

（3）自燃點為580 ℃，適合采用高壓縮比，還可以提高熱效率，但是由于易點燃，因此不適合采用壓燃的方式。

（4）點火范圍廣為0.5～10.5，利于稀薄燃燒。

（5）最小點火能量為0.02 mJ，用于汽車發動機時不易失火，即減小了循環變動的可能性。

在同一化學計量比下，氫燃料的燃燒速度比汽油快，放熱率、著火界限都比常規燃料高，且在燃料濃度較低時，氫燃料能保證發動機的正常運行，降低了失火的發生概率。將氫用于車用發動機時，在發動機運行的多數工況下其排放的有害氣體含量接近零，所以氫燃料不僅可以改善發動機的燃燒特性，還可以減少廢氣的排放。

但是由于氫燃料與常規燃料的物化特性存在明顯的不同，氫燃料作為車用發動機燃料時，其引起的異常通常有：在進氣過程中，進氣門關閉前，發動機氣缸內火焰竄到進氣管內的所引起的回火現象，如果氫-空氣混合氣在火花塞點燃前而被熾熱點引燃而發生早燃，而若此時進氣門尚未關閉，則火焰會傳播到進氣管內的氫空氣混合氣。回火總是在發動機高轉速下產生，氫具有較低的著火能和較寬的點火范圍，與傳統的內燃機相比，更容易發生回火和其他異常燃燒過程，特別是在高負荷下；以及火花塞附近氣流運動狀態的循環變動和混合氣成分所引起的循環變動[10]。

2 結論

在以上分析的基礎上，可以得出結論，每種代用燃料都有其各自的優缺點。對這些燃料的評價在很大程度上取決于其用于發動機時的動力性經濟性以及排放性的評價和平衡各種利弊。甲醇和二甲醚途徑提供了技術成熟和生產效率較高的好處，但其缺點是與現有車隊和基礎設施的兼容性較低；二甲醚在技術上尚需進行大量的試驗研究工作；氫在發動機上的使用較為成熟，但是氫作用于傳統發動機時所帶來的異常燃燒還需要進一步研究改善。