內燃機替代燃料及其應用前景分析

唐純逸 李瑞娜 王忠

摘 要：目前我國石油對外依存度達到70%以上，尋找合適的內燃機替代燃料是緩解能源危機的重要途徑之一。能源多元化是內燃機燃料的趨勢，各種醇類、醚類、酯類等燃料正在逐漸改變能源結構。

關鍵詞：替代燃料; 甲醇; 生物柴油; F-T柴油

中圖分類號：TK407.9? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）8-197-002

內燃機自誕生以來已歷經一百多年，是當今用量最大、用途最廣、最為重要的熱能動力機械。但是目前內燃機面臨著來自能源和環境兩方面的壓力。據中國政府網數據顯示[1]，2020年我國汽車銷售量達到2531萬輛，全國機動車保有量已達到3.72億輛。內燃機是我國機動車的主要動力，消耗了大量的石油燃料。2020年我國原油表觀消費量近7億噸，石油對外依存度達到72.7%[2]。2019年，我國機動車一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為3327.3萬噸、407.1萬噸、574.3萬噸和50.9萬噸。為了解決石化能源緊缺和環境污染問題，尋求清潔可再生能源已成為人們迫切的需求。本文根據汽油機、柴油機的特點，討論了內燃機的優質替代燃料及應用前景。

1.內燃機替代燃料的要求

目前可以作為內燃機替代燃料的物質很多，不僅需要考慮其資源是否豐富、穩定、可再生，與現有內燃機技術體系和基礎設施是否相兼容等，還需要考慮其生產過程是否友好，對內燃機的動力性和經濟性有無顯著影響，以及燃料的成本是否能接受。現有的替代燃料并不能完全滿足以上幾點要求，只能根據具體情況進行具體應用。

在選用替代燃料時，需要考察替代燃料的主要性能參數，并與汽油和柴油進行對比其中特別重要的參數有[3]：

（1）替代燃料的含氧量、自燃溫度、辛烷值（汽油機）、十六烷值（柴油機）、與汽油及柴油的互溶性和穩定性（作混合燃料應用時）。

（2）代用燃料的低熱值，化學計量空燃比。

（3）燃料的粘度與潤滑性能。

（4）與彈性密封材料的兼容性。

（5）燃料本身及燃燒排放物的毒性。

（6）燃料本身的生物降解性。

2.汽油機替代燃料及其應用前景分析

醇類燃料的特性與汽油相近，通常以醇類燃料作為汽油機的替代燃料，常用的醇類燃料有甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。

2.1甲醇

甲醇可從煤炭及天然氣中提煉，或采用生物材料生產，來源廣泛、工藝成熟。目前，我國甲醇生產能力已達到7855.5萬噸，甲醇作為汽油機替代燃料的主要優點如下：

（1）甲醇的辛烷值為112，汽油辛烷值為92，因此甲醇的抗爆性優于汽油，在汽油機上使用時可以提高壓縮比，有利于提高發動機的動力性能和經濟性能。

（2）甲醇含氧量達50%，有利于燃料完全燃燒，降低CO和HC排放。

（3）通過試驗測量出的甲醇的層流火焰傳播速度為32.7cm/s，汽油為25.2cm/s，在相同條件下甲醇的燃燒速度高于汽油，燃燒持續期縮短，有利于提高熱效率。

（4）甲醇的著火極限比汽油、柴油濃，使用更安全。

目前，甲醇燃料已經得到了廣泛的應用，既可以百分百替代汽油，也可以和汽油混合使用實現部分替代。2018年年底，西安的M100以純甲醇為燃料的出租車正式上線，直至2019年5月，已有1萬輛在運營。屆時，西安甲醇汽車存量超過西安所有的特斯拉，蔚來，小鵬，威馬等所有電動車數目總和。

2.2乙醇

乙醇生產原料是植物，如巴西用甘蔗生產乙醇。目前使用的乙醇燃料主要有E85（85%乙醇和15%汽油）和E95。我國使用的乙醇燃料主要是E90（10%乙醇和90%汽油）。乙醇還用作為汽油添加劑，提高抗爆性，汽油中加入約10%的乙醇或乙基叔丁醚（ETBE）。比汽油減少30%的煙霧。

乙醇在內燃機上的應用情況類似甲醇，目前主要應用于汽油。由于乙醇成本較高，因此在國內還沒有大范圍的推廣應用。薩博汽車公司曾推出純乙醇燃料轎車，使用純乙醇做燃料的薩博9-3敞篷轎車，由四缸發動機和兩臺電發動機驅動。ADM公司是美國最大的乙醇燃料生產商，每年生產的乙醇燃料超過10億加侖，2013年9月份，該公司宣布將提高乙醇燃料的生產能力，每年將生產15億加侖的乙醇燃料。另一家風險投資公司則計劃投資26億美元建造生產生物燃料的工廠，僅此一項投資將增加美國乙醇生產能力的40%。

3.柴油機替代燃料及其應用前景分析

常見的柴油替代燃料有二甲醚、F-T柴油和生物柴油。

3.1二甲醚

二甲醚（DME）是一種比較理想的適合柴油機使用的代用燃料，DME是一種最簡單的醚類化合物。DME的著火性能要明顯優于柴油，而且DME的含氧量為34.8%，易于完全燃燒，有利于污染物排放的減少。在環保方面，DME即使直接進入大氣中也不會發生光化學反應，不會形成二次污染，對人體無害、只有當DME的體積含量達到10%時才對人體有輕微的麻醉作用。因此，DME相對于其他的替代燃料而言對環境保護的壓力幾乎沒有。DME不僅可從煤、石油及天然氣中直接提取合成，也能從植物、生活垃圾中提取合成，對煤炭資源豐富的我國而言，使用DME更具有重要意義。

目前，歐美和日韓等發達國家已相繼開展了DME燃料發動機與汽車的開發。例如歐洲的VOLVO汽車公司研制出了燃用DME燃料的大客車樣車用于試車與示范。日本NK簽司和交通公害研究所分別研制了燃用DME燃料的卡車樣車。五十鈴汽車公司研制了DME燃料城市客車樣車，計劃小規模推廣。

3.2生物柴油

生物柴油的生產原料主要為植物、動物和海洋生物的廢油脂以及生活廢油。從這些原料中提煉生物柴油，不僅可以為社會生產提供能源，還可以實現可持續發展。因此，無論是在生產、加工環節，還是在能源的消費過程中，都可以證明生物柴油是一種可持續發展可再生的能源。

目前，生物柴油主要以混合燃料方式用于柴油機，如把20%生物柴油與80%生物柴油混合，稱為B20燃料等。歐盟是世界最大的生物柴油產銷區，歐盟把生物燃料作為主要替代能源，并制定了《歐盟生物燃料戰略》[3]，規劃生物燃料占全部燃料的比重將從2005年的2%增長到2010年的5.75%;到2030年，生物燃料在交通運輸業燃料中占的比重將達到25%。與擴大生物柴油的生產相適應，歐盟發布了兩項新的促進其市場銷售的指令，要求歐盟各國降低生物柴油稅率。

3.3F-T柴油

F-T柴油是指煤經過Fischer-Tropsch合成技術得到的液體燃料，屬于間接液化方法得到的液體燃料。F-T柴油主要由直鏈和支鏈飽和烷烴構成，碳原子數范圍為C9-C25，且芳香烴和硫含量極低，十六烷值約為75，遠高于柴油的十六烷值45。與柴油相比著火性好，滯燃期短，燃燒擴散速度快，顆粒排放低，是礦物柴油理想的替代燃料。F-T柴油在國內主要是山西一帶發展的比較迅猛，山西潞安礦業公司開展了“F-T柴油混合燃料發動機應用試驗研究”的科研開發項目，研究表明F-T柴油可以在發動機上應用，無需改變發動機結構[4]。

隨著人們對汽車排放問題的逐漸重視以及對各種化石燃料資源枯竭的擔憂，尋找一種新型的、低污染可再生的能源成為當前研究的重點和熱點。就目前的局勢來看，能源多元化是內燃機燃料的趨勢，各種醇類、醚類、酯類等燃料正在逐漸改變能源結構。

參考文獻：

[1]中國政府網[EB/OL] http：//www.gov.cn/

[2]本刊訊.《2020中國能源化工產業發展報告》發布[J]石油庫與加油站，2020，29（01）：18

[3]京濤.歐盟發展生物燃料戰略的啟示[J]今日國土，2007，000（005）：18-19

[4]汪恒.甲醇/F-T柴油混合燃料柴油機的燃燒與排放特性[D]太原：太原理工大學，2013