浅述汽车发动机代用燃料

党金金，王龙龙

（洛阳职业技术学院，河南 洛阳 471400）

前言

能源的消耗逐年增长，现有的存储量已满足不了各国的需求，而新型能源的供应机制尚未成熟，能源问题一度陷入困境。各个领域研究人员只有在最短的时间之内寻找到可再生能源才能解决目前全球所处的困境。研究人员通过改进发动机结构、提高驾驶员的驾驶技术以及优化各种节油装置等途径之外，他们还将重心转移至开发新型汽车代用燃料[1]。

有许多化石燃料的替代品可以避免净碳排放，也可以减少污染物排放。目前，汽车替代燃料包括化石燃料和可再生燃料，也可以将其分为气体和液体替代燃料，主要包括天然气，醇类，以及二甲醚（DME）和聚亚甲基二甲醚（PODEN）在内的醚类和生物柴油都在国产化或工业化应用中。各类替代燃料都独具各自的优缺点，在汽车的使用中“最佳燃料”的确定不是绝对的，而是取决于所选择的评价角度[2]。

1 代用燃料介绍

1.1 醇类燃料

醇类燃料主要指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。甲醇和乙醇的化学性质相似，其可以与其他燃料按不同比例进行混合从而达到改善汽车尾气排放的目的，在汽车领域被认为是环保燃料。

1.1.1 甲醇

甲醇是一种无色透明液体，易燃易挥发，主要从天然气、石油和煤炭中提取而来。从甲醇自身特性来讲，其燃烧特性与常规汽油、柴油接近，而且作为汽车发动机燃料时混合气燃烧范围比汽油宽，燃烧更完全，可减少20%～50%HC 的排放，设计先进的发动机可减少90%，微粒物及NOx 排放也很低，因此当甲醇取代常规汽油柴油用于车用发动机时可以减少对石油资源的依赖。甲醇的辛烷值大于110，具有良好的抗爆性，能有效提高压缩比，从而达到提高循环热效率的目的；且甲醇的气化潜热大，在低温状态下蒸气压力低，使得气化困难，进而减少了蒸发的排放[3]。

当甲醇用于发动机时在低温下会导致发动机启动困难，使得未完全燃烧的甲醇趁机流入机油中对其稀释，浓度降低后的机油其润滑效果将弱化，因此会导致活塞与气缸壁的磨损，而且甲醇的排放量也将增加。甲醇的沸点低，当一味的提高发动机燃烧性能的时候将会有气阻现象的发生。当甲醇呈液体状态时，其导电率比汽油高，因此当过多的液态甲醇进入气缸不仅会导致火花塞短路，而且会使发动机的运动机件磨损加剧。甲醇与汽油不易互溶，中、小比例的汽醇混合物易吸水分层，因此在储运过程中需要对甲醇-汽油采取必要的保护措施[4]。

1.1.2 乙醇

乙醇是最早开发的代用燃料在美国已应用多年。纯乙醇用作燃料燃烧时其碳氢化合物和有害物质的排放含量很低，因此被认为是理想得到代用燃料。乙醇为含氧燃料可以被当做含氧化合物加入到汽油中与之混合，车用乙醇燃料一般有E85 和E95 两种[5]。宜春的热值只有汽油的70%，且分子量小，因此其与汽油可以充分混合提高燃烧性能。

将乙醇汽油用于发动机时，其也存在一定的隐患。乙醇中含有会对发动机部件产生腐蚀的酸性物质。由于乙醇的气化潜热高，易造成气化不良现象的发生，从而使得液态乙醇进入气缸不仅破坏了气缸的油膜，还使得气缸内润滑油的浓度降低，进而导致活塞环和气缸壁的腐蚀磨损增加。由于乙醇-汽油对水极其敏感，微量的水即可导致乙醇与汽油产生分层，且乙醇与水的亲和力很强，很容易从空气中吸收水分，因此在储运过程中需要采取必要的保护措施[6]。

1.2 天然气

目前，为了减少汽车尾气排放常采用天然气代替传统汽油、柴油作为车用燃料。通常使用的天然气（NG）有为压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）及吸附天然气（ANG）。天然气具有较高的辛烷值，因此其燃烧比汽油更完全。

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天然气、汽油、柴油的自燃点、爆炸极限、密度见表1。

由表1 可知，天然气的自燃点一般在650 ℃，比汽油、柴油的自燃温度高，爆炸极限为5%～15%，且密度小于空气，因此当发生意外泄漏时一般会立即向上蒸发不容易发生自燃，而汽油机、柴油机发生碰撞后遇明火将会发生爆炸[7]。

表1 燃料性质对比

压缩天然气（CNG）的主要成份是甲烷（一般为83%～99%）及少量烃类和CO2等，由于甲烷的辛烷值（RON）高达130，其抗爆能力优于汽油，因此可以提高发动机压缩比，进而达到提高发动机的动力性和经济性的目的。常压下，甲烷的着火温度比汽油高，因此甲烷燃烧时需要较高的点火能量，且燃烧时火焰的传播速度在同等条件下比汽油的传播速度慢[8]。甲烷与空气混合不会伴随形态的转变，所以不需要经过蒸发、雾化等过程就可以顺利混合，在燃烧的过程中也不会有不充分燃烧物质的产生，燃烧交完全，且排放物中有害气体的含量较低。

液化天然气（LNG）制造成本相对较高，由于其自身特性对储存容器的绝热性（甲烷易蒸发，沸点162 ℃）要求严格，因此制约了其发展。

1.3 二甲醚

二甲醚（DME）是最简单的醚类化合物，它的分子式为CH3-O-CH3，是一种无毒含氧燃料，物理性质与液化石油气相似[9]。它是从煤、天然氢气、天然气，生物质等制取。二甲醚在常温常压下是无色气体，密度比空气大，常温下液化压力为0.5 MPa 左右，蒸气压力特性与PLG 的主要成分很相近，运输存储时可采用与PLG 相同的方式。二甲醚的十六烷值（小于55）高于柴油，自燃点低，在缸内着火延迟时间短，燃烧速度快，滞燃期短，在减少NOx 生成的同时也不会产生颗粒物，且二甲醚能实现高效清洁燃烧，易于储存和运输，适用于柴油机，是理想柴油代用燃料。虽然二甲醚用于柴油机的优点很多，但是其燃烧时CO 排放量并不能减少，二甲醚粘度低，仅为柴油的1/10，润滑性差，使油泵和油嘴密封性和寿命大为下降，因此在技术上尚需进行大量的试验研究。

1.4 氢

氢气燃烧产生水被称为“水的生成者”，而且可以通过电解水制得氢气，这种永久性循环使得氢成为一种无污染燃料的新能源。氢在常温状态下的特性与各燃料特性的详细对比可以得出氢燃料有以下特点[10]：

（2）氢气扩散性好，在短时间内就可以与空气混合，提高混合气的均匀性。

（3）自燃点为580 ℃，适合采用高压缩比，还可以提高热效率，但是由于易点燃，因此不适合采用压燃的方式。

（4）点火范围广为0.5～10.5，利于稀薄燃烧。

（5）最小点火能量为0.02 mJ，用于汽车发动机时不易失火，即减小了循环变动的可能性。

在同一化学计量比下，氢燃料的燃烧速度比汽油快，放热率、着火界限都比常规燃料高，且在燃料浓度较低时，氢燃料能保证发动机的正常运行，降低了失火的发生概率。将氢用于车用发动机时，在发动机运行的多数工况下其排放的有害气体含量接近零，所以氢燃料不仅可以改善发动机的燃烧特性，还可以减少废气的排放。

但是由于氢燃料与常规燃料的物化特性存在明显的不同，氢燃料作为车用发动机燃料时，其引起的异常通常有：在进气过程中，进气门关闭前，发动机气缸内火焰窜到进气管内的所引起的回火现象，如果氢-空气混合气在火花塞点燃前而被炽热点引燃而发生早燃，而若此时进气门尚未关闭，则火焰会传播到进气管内的氢空气混合气。回火总是在发动机高转速下产生，氢具有较低的着火能和较宽的点火范围，与传统的内燃机相比，更容易发生回火和其他异常燃烧过程，特别是在高负荷下；以及火花塞附近气流运动状态的循环变动和混合气成分所引起的循环变动[10]。

2 结论

在以上分析的基础上，可以得出结论，每种代用燃料都有其各自的优缺点。对这些燃料的评价在很大程度上取决于其用于发动机时的动力性经济性以及排放性的评价和平衡各种利弊。甲醇和二甲醚途径提供了技术成熟和生产效率较高的好处，但其缺点是与现有车队和基础设施的兼容性较低；二甲醚在技术上尚需进行大量的试验研究工作；氢在发动机上的使用较为成熟，但是氢作用于传统发动机时所带来的异常燃烧还需要进一步研究改善。