车用发动机代用燃料的研究现状及发展趋势

摘 要：本文详细介绍了国内外发动机代用燃料的开发与应用现状，并综合国内外的研究结果指出天然气、氢气、醇类是未来发动机最有希望的代用燃料。

关键词：发动机 代用燃料 发展

目前，汽油和柴油机依然是车用发动机的主要机种。而汽油和柴油都是不可再生资源。随着汽车工业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大，价格也越来越昂贵。我国从 1993年起，已由石油输出国成为石油进口国，到2011年，进口石油已达2.5亿吨。可以预计,随着国家经济的发展，石油进口量还会增加。据美国能源部和世界能源理事会预测，全球的石油产量在2010至2025年间将达到最大值。日趋严重的能源危机对发动机的常规燃料提出了新的挑战。

同时，由于世界汽车保有量的增加和各国对环保的重视，车用发动机面临着既要保持和继续提高现有性能，又要降低排放的双重压力。而发动机的排放成分除与发动机的燃烧过程组织有关外，还与发动机的燃料有直接的关系。汽油和柴油在改善废气的有害排放方面可做的工作已经相当有限，许多国家目前已把研究的目光转向寻求污染较小的代用燃料，这一方面可有效地减少废气的排放，另一方面也可保存原油产品和保护能源。

为了应对能源危机和环保压力，内燃机工作者早在上世界60年代就对代用燃料进行了分析，并逐渐得到国家相关部门的支持。

1.代用燃料研究现状

1.1 天然气

天然气是一种高效、清洁、价廉的工用和民用燃料及重要的化工原料。由于它的主要成分是甲烷，用作发动机燃料时，发动机尾气中的非甲烷碳氢化合物比汽油机的低，甲烷的排放量则相对要高。对于采用同样排放控制技术类型的汽车，由于使用的燃料不同，其尾气排放水平为：天然气汽车的非甲烷碳氢排放物比汽油车的低 90％，而甲烷则高出 9倍；其CO的排放水平约为汽油车的20%-80%；而NOx视不同类型有很大不同，大多数情况下二者相同，而最低时天然气汽车的仅为汽油车的40％。用天然气作为发动机的代用燃料，对改善和优化我国的能源结构和减少发动机的排放污染，具有重要的作用。

天然气作为发动机代用燃料的应用形式目前主要有两种，分别是：压缩天然气 ( CNG)、液化天然气( LNG)。

1.1.1压缩天然气 ( CNG)

CNG作为发动机代用燃料的研究进行得较早，基本技术较为成熟。但早期由于压缩问题没解决，用作发动机的代用燃料受到很大限制。近年，由于CNG技术的成熟和加气网点的完善以及对发动机排放限制的提高，特别是电子控制技术在发动机上的应用，CNG作为车用发动机代用燃料的研究重新受到重视。研究主要集中在以下几个方面：①发动机燃烧特性；②燃料控制系统的设计；③为使天然气发动机和双燃料发动机达到较高排放要求而采用的气体燃料电控喷射技术的研究；④天然气发动机专用催化转化器的研究，后二项研究处于起步阶段。通过这些研究，对常见的机型，尤其是城市出租和公交车的改装提供了技术支持。

1.1.2液化天然气 ( LNG)

LNG是天然气经过加工后的产品，在常压下，只有在162℃以下才能呈现为液态。LNG具有成份单一、纯度高(甲烷含量较CNG的高)、燃烧性能好、排污低、安全性和使用性好等特点。在国外，LNG不仅用于汽车领域，还应用于铁路和航运。但对于商业使用来说，LNG的低温制取、存储及加气设施建设需要较大的投资；车用的电控燃料供给系统比较复杂；排放成分中，HC和CO较低，但NOx较高。国内对LNG的研究处于起步阶段，已有多家单位进行这方面的研究，如北京理工大学已开展LNG发动机电控多点喷射技术的研究；中原油田正进行LNG制取、储运技术的研究等。国家已决定在广东建两个LNG接收站，以改善当地的能源结构，这为当地在国内事先将LNG作为车用发动机代用燃料提供了发展机遇。

1.2氢气

氢燃料是一种最理想的清洁燃料，虽然在自然界中氢的含量与氧相比要少得多。但由于它分布广，含氢化合物在自然界中也非常多。例如电解水就可得到氢气，因而它是一种有希望的新型能源。在通常状态下氢是无色无味的气体，其密度为空气的1/14.4，在高压低温的条件下氢气可以以液态方式存在。它的热值很高为12000Kj/Kg，是汽油的2.7倍。燃烧可以放出大量的热。由于燃料中不会有碳，所以以氢为燃料的发动机只有NOx一种有害排放物，并不会存在CO和HC的排放污染，故而氢气作为发动机的动力有利于环境保护。目前，很多国家都在致力于氢发动机的开发研究。日本马自达公司首先在汽车上试验成功了一种新的氢发动机，它是燃烧氢气的双转子式发动机。其燃料氢气是自来水和电，可以说是取之不尽、用之不竭的能源。发动机的排气还可以反复再生利用，其排气污染是十分轻微的。

氢燃料燃烧有一个显著的特点，即氢气与空气混合气的着火界限很宽广，火焰形成快，传播速度也快。因此，氢发动机不可采用浓的混合气，如果混合气太浓，由于火焰燃烧速度快，会加剧气缸压力、温度的增高率，容易导致燃烧异常，加大NOx的排放。反之，如果混合气过稀，燃料速率也会慢，整个燃烧过程可能延续到排气或进气过程，易于产生回火、工作不稳定等故障。氢气发动机与汽油机一样，着火方式都是采用点燃式。故而，汽油机易于改为氢发动机。这就为将来氢气发动机的开发运用提供了一个有利的条件。目前研究过程中，氢气发动机的关键是氢气的储存。由于其密度很小，需要在很大的加强下才能储存一定量的气体，所以对氢气的应用，必须破解储存的难题。

1.3醇类燃料

醇类燃料在发动机上运用主要有甲醇和乙醇两大类。

醇类燃料由于可以从煤、天然气和植物中提炼，加之它是液体燃料可以沿用传统石油燃料的运输、贮存系统。因而被认为是内燃机最有希望的代用能源。

醇类燃料与汽油相比具有以下特点：

1.3.1 热值低

甲醇仅为汽油的46％，乙醇为汽油的61.86％，但甲醇、乙醇的理论空气量也少，甲醇为汽油的43％，乙醇为汽油的60％。因而，汽油机上燃用甲醇、乙醇时需要增大主量孔的直径或调整主量孔的圈数，加大燃料供给量才能使发动机在燃用醇类燃料时不会降低动力性能指标和保证合适的空燃比。

1.3.2汽化潜热比汽油要大得多

甲醇的汽化潜热是汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍。这不利于燃料的蒸发。在工作中需要采用额外的加热措施。

1.3.3醇类燃料的辛烷值高，有较强的抗爆性能

在汽油机上使用可以提高压缩比，有利于提高发动机动力性能和经济性能。

由于醇类燃料碳氢比低，燃料中有氧，可实现洁净尘粒无烟燃烧，污染极为轻微。同时醇类还是汽油良好的溶解液。所以，目前在实际中醇类燃料在汽油机上使用时常进行一定百分比的掺混。那就是将汽油与一定比例的甲醇(或乙醇) 混合起来组成一种混料。然后再向其中加上苯、丙酮等助溶剂。

试验表明，混合燃料中醇类含量低于30%以下时，发动机有良好的起动性能。由于醇类汽化潜热较大，虽有利于提高发动机的充气效率和动力性。但不利于燃料的低温蒸发。故而当醇类含量大于30％以后，发动机在结构上可采取对进气管加热以及排气对进气加热等方法措施来改善其蒸发性。总的看来，燃用甲醇或其混合燃料运转时，发动机可提高功率和改善排放，显示出这种燃料的生命力。

我国已经在山西建立了甲醇-汽油混合加油站，并在某些型号发动机上进行了相关的实验。总体表明：若对发动机结构参数进行调整，可获得较好的经济性、动力性和排放指标。因此，目前专家认为它是一种较成熟的代用燃料。

2.展望与发展

随着世界石油资源的不断消耗和全球范围内更严格的排放法规的制定，新能源的开发与研究就越发显得迫切。目前形势表明，天然气、醇、氢在发动机上的运用已逐渐显示出其强大的潜力。我们相信在科研工作者的共同努力之下，新能源的开发应用也将步入一个崭新的时代。

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