替代燃料在汽車上的應(yīng)用與研究.doc

替代燃料在汽車上的應(yīng)用與對比摘 要：分析了目前世界上流行的幾種替代燃料的特點，它們在汽車上的應(yīng)用，指出了新燃料在使用當(dāng)中存在的一些問題以及解決措施。還對比分析了各替代燃料的物化特性、發(fā)動機的性能等等。但是想實現(xiàn)真正的零排放，氫能才是最理想的選擇。關(guān)鍵詞：汽車；燃料；應(yīng)用；研究7 / 81 引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，能源消耗越來越大，據(jù)資料顯示，我國石油只能平穩(wěn)供應(yīng)20年，汽車是石油產(chǎn)品的主要用戶，2009年中國汽車年銷售量達(dá)1363萬輛。同時汽車尾氣排放了大量的污染物，如NOX，HC，CO等等，污染著環(huán)境。從汽車誕生到現(xiàn)在的一百年間，汽車專家就沒有停止過對如何改善汽車排放和如何降低油耗的研究，但是單單改變汽車發(fā)動機的結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，關(guān)鍵是能夠找到新型的無污染，清潔的汽車替代燃料，這才是解決問題的根本?，F(xiàn)在熱門的車用替代燃料包括天然氣，液化石油氣，生物柴油，氫能源，醇類燃料等。汽車替代燃料多種多樣，每一種替代燃料都得到一定的發(fā)展，有些發(fā)展較成熟，有些還處于初級階段，但是他們的未來性很難確定，對于我們國家來說不可能每一種燃料都去發(fā)展和研究，問題的關(guān)鍵是依托國內(nèi)可靠資源的供應(yīng)體系，開發(fā)適合中國國情的替代燃料，對替代燃料的研究對找到我們自己國家汽車替代燃料的發(fā)展方向具有指導(dǎo)意義。2 幾種替代燃料的應(yīng)用2.1 天然氣的應(yīng)用天然氣具有辛烷值高、污染小 、冷起動性能好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、價格便宜等優(yōu)點，但是天然氣貯存不太方便，使汽車本身的質(zhì)量加大。正是上面的特點，天然氣在汽車上面得到了一定的應(yīng)用。1純天然氣汽車：純天然氣汽車是指燃用天然氣的單一燃料汽車，發(fā)動機為點燃式，它專為燃用天然氣而設(shè)計，充分考慮了天然氣的性質(zhì)特征，使天然氣汽車的性能有可能達(dá)到最佳。2.NG/汽車兩用燃料汽車：NG/汽車兩用燃料汽車可以交替燃用NG或汽油。這種汽車的發(fā)動機是點燃式發(fā)動機，備用兩套燃料系統(tǒng)和NG,汽油兩用燃料。3柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機：根據(jù)引燃油量多少，柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機可分為常規(guī)天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機和微引燃天然氣發(fā)動機。當(dāng)然在應(yīng)用的過程當(dāng)中會遇到很多的問題，比如功率下降，腐蝕，磨損等問題。2.2 乙醇的應(yīng)用乙醇燃料具有辛烷值高、碳?xì)浔鹊?、汽化潛熱大、蒸汽壓力低、著火極限寬、燃燒速度快等優(yōu)點。正是因為有這么多的特點，乙醇在汽車當(dāng)中得到了一定的應(yīng)用。1.摻燒 乙醇與汽油摻燒，在混合燃料當(dāng)中乙醇的容積比例以E表示，如乙醇占10%，表示為E10。但是乙醇作為燃料單獨使用時，需對發(fā)動機做較大改動，因此現(xiàn)在般都是摻入汽油中燃燒，一般乙醇摻入量控制在10以下，可以保證和普通汽油基本相同的動力性(動力損失小于5)。這是因為乙醇來源廣泛，可由多種農(nóng)作物和石油副產(chǎn)品制得，辛烷值較高，氧含量高，可改善燃料的抗爆性，促進(jìn)差；另外，也容易對汽車油路系統(tǒng)和橡膠件產(chǎn)生腐蝕。2.純燒 純燒乙醇，應(yīng)對發(fā)動機進(jìn)行必要的改造；提高壓縮比（911），充分發(fā)揮乙醇辛烷值高的優(yōu)勢。壓縮比提高后，宜采用冷型火花塞；加大輸油泵的供油能力，以避免氣阻；用附加供油系統(tǒng)及加強預(yù)熱等措施，改善冷啟動；加大燃料箱，以保證必要續(xù)駛里程；改善有關(guān)零件的抗腐蝕性和抗容漲性等。3.靈活燃料 靈活燃料指即可以使用汽油，又可以使用乙醇和汽油以任何比例混合的燃料。工作時由燃料傳感器識別燃料成分，通過電腦提供發(fā)動機最佳運行參數(shù)。靈活燃料汽車的商業(yè)前景很好，以在福特汽車廠生產(chǎn)線上大批生產(chǎn)。這三種應(yīng)用形式當(dāng)中，以摻燒應(yīng)用最廣泛。2.3 甲醇的應(yīng)用甲醇抗爆性能好，和汽油調(diào)和后辛烷值高，可提高發(fā)動機熱效率。甲醇也是含氧燃料，可促進(jìn)燃燒完全，減少污染物排放。甲醇是重要的工業(yè)產(chǎn)品，作為燃料使用，經(jīng)濟性較好。因為這些特點，所以甲醇在汽車當(dāng)中也得到了一定的應(yīng)用。1.摻燒 甲醇容易對汽車油路系統(tǒng)和橡膠件產(chǎn)生腐蝕，這樣甲醇作為燃料單獨使用時，需對發(fā)動機做較大改動，因此現(xiàn)在般都是摻入汽油中燃燒。2.純燒 純燒甲醇，應(yīng)對發(fā)動機進(jìn)行必要的改造；提高壓縮比，充分發(fā)揮甲醇辛烷值高的優(yōu)勢。壓縮比提高后，宜采用冷型火花塞；加大輸油泵的供油能力，以避免氣阻；用附加供油系統(tǒng)及加強預(yù)熱等措施，改善冷啟動；加大燃料箱，以保證必要續(xù)駛里程；改善有關(guān)零件的抗腐蝕性和抗容漲性等等。3.甲醇改質(zhì) 甲醇改質(zhì)是利用發(fā)動機排氣的余熱將甲醇改成為H2和CO,然后再輸往發(fā)動機。2.4二甲醚的應(yīng)用 二甲醚十六烷值高，自燃點低，在發(fā)動機氣缸內(nèi)蒸發(fā)速度快，有利于混合氣的形成，燃燒速度快，滯燃期短。汽化潛熱高于柴油，蒸發(fā)過程吸收熱量較柴油多，可有效地降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度，有利于降NOX排放和噪聲。作為含氧化合物，可提高燃燒效率，在燃燒過程中幾乎無碳煙生成，CO的排放都比較小。二甲醚（DME）在汽車上應(yīng)用的主要渠道是用作壓燃式發(fā)動機的燃料，使用方式有以二甲醚（DME）作為點火促進(jìn)物質(zhì)和直接燃燒純液態(tài)二甲醚（DME）。1.甲醚（DME）在柴油機中作為點火促進(jìn)物質(zhì)。二甲醚的十六烷值高、自燃性好，因此把二甲醚作為部分燃料使其進(jìn)入發(fā)動機氣缸，在壓縮行程的后期先行燃燒，預(yù)先使缸內(nèi)溫度升高，對主燃料的著火有促進(jìn)作用，從而改善發(fā)動機的性能和排放特性。按燃料的供給方式不同可分為混合噴射式和二甲醚預(yù)混、柴油噴射式兩種。混合噴射顧名思義是將二甲醚和與柴油或其他燃料混合后由噴油器噴入氣缸。二甲醚預(yù)混、柴油噴射式是指二甲醚以預(yù)混的方式進(jìn)入氣缸，柴油仍利用原噴油裝置噴入氣缸。2.油機燃用純二甲醚（DME）：這種方式利用燃油噴射裝置直接向氣缸內(nèi)噴射液態(tài)二甲醚。由于二甲醚的十六烷值較高，因此適用于用作壓燃式發(fā)動機的燃料。在柴油機上，加裝一套儲氣裝置和加壓設(shè)備，即相當(dāng)于把柴油機改造成二甲醚發(fā)動機，另外還需配備一定壓力的儲氣瓶。發(fā)動機工作時，在壓縮沖程終了時，液態(tài)二甲醚經(jīng)過高壓泵和噴油器噴入氣缸，經(jīng)過與空氣混合在高溫作用下自燃、燃燒膨脹。2.5氫能的應(yīng)用1.熱值高，氫氣燃燒放熱量為121061kJkg，是汽油的3倍。2.燃燒無污染，燃燒產(chǎn)物是水，不會對環(huán)境造成污染。3.來源廣泛，可再生，不僅化石燃料和生物質(zhì)中含有豐富的氫，而且水也是最為廣泛的氫源，氫由化學(xué)反應(yīng)發(fā)出電能(或熱)并生成水，而水又可由電解轉(zhuǎn)化為氫和氧，如此循環(huán)，永無止盡。4.氫是“和平”能源，因為它既可再生又來源廣泛，每個國家都有豐富的“氫礦”，可以不依賴化石能源?；茉捶植紭O不均勻，常常引起激烈抗?fàn)?。綜上所述，氫能是唯一可以同時滿足資源、環(huán)境和持續(xù)發(fā)展要求的能源，是其它能源所不能比擬的，同時氫氣在汽車上也得到了一定的應(yīng)用。1汽油-氫發(fā)動機：氫氣具有點火能量低(0.02mJ)，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?比汽油的快59倍)，可燃界限寬(理論上空氣過量系數(shù)=0.1510)等特點。所以，向汽油中摻入一部分氫氣，可使汽油發(fā)動機燃燒著火延遲期大大縮短，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒持續(xù)期縮短。氫在燃燒時釋放出OH、H、O等活性中心，可大大地促進(jìn)燃燒速度，抑制爆燃。這樣一來便可提高發(fā)動機的壓縮比，從而提高熱效率。 汽油-氫發(fā)動機對原汽油機結(jié)構(gòu)改動不大，主要加裝了一套控制加氫量的電子裝置，根據(jù)發(fā)動機的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)來控制不同工況下的加氫量。從汽油-氫發(fā)動機試驗結(jié)果看出，加氫后綜合熱效率明顯提高。在中等轉(zhuǎn)速和中等負(fù)荷下綜合熱效率提高7%15%，在低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷下綜合熱效率提高14%20%，且汽油消耗率大幅度下降，同時有害排放物也明顯減少。汽車道路行駛試驗也證明了加氫后汽車油耗率明顯下降。2氫發(fā)動機；氫-空氣混合氣具有特別寬廣的可燃范圍，氫發(fā)動機可以燃用非常稀薄的混合氣穩(wěn)定工作，并可采用變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式來調(diào)節(jié)氫發(fā)動機的工況。當(dāng)氫混合氣濃度接近理論混合比成份時，它的燃燒速度比汽油高出許多倍，這樣氫發(fā)動機的燃燒過程可在很短時間內(nèi)完成，更接近于定容過程，所以熱效率高。但當(dāng)混合氣較濃時，會發(fā)生不好的異常燃燒現(xiàn)象，尤其是回火。為了解決這一問題，國內(nèi)外研究者們嘗試著使用了許多方式，如臨近氣缸供氫、改造燃燒室、向混合氣噴水、使用液態(tài)氫和廢氣再循環(huán)等。我們通過試驗發(fā)現(xiàn)，采用臨近氣缸供氫的方式，再加上噴水或廢氣再循環(huán)的方法是很有效的。3氫燃料電池:在國外，許多技術(shù)力量雄厚的公司都在研制氫燃料汽車，如奔馳、BMW公司等。奔馳公司的氫汽車功率為75kW，行駛距離為120km，最高車速為130km/h，還采用噴水來防止異常燃燒。用金屬儲氫器儲存氫氣，這是一種較為理想的儲氫方法，它采用特殊的金屬材料LaNi5等制成容器，這些合金能夠吸附氫氣，而后在一定的溫度下能夠釋放出來供發(fā)動機使用。還有的公司研究采用液態(tài)氫的方式，在-253的溫度下，將氫液化，再用絕熱容器儲存起來，在適當(dāng)?shù)臅r候噴入氣缸，這種方式不會產(chǎn)生異常燃燒，但是成本昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造液態(tài)氫所消耗的能量比制造同量的氣態(tài)氫多40%，并且液態(tài)氫汽化損失嚴(yán)重。燃料電池通過使用氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而不是通過燃燒而產(chǎn)生電，不產(chǎn)生火焰，不會產(chǎn)生任何造成污染的CO2、CO等有害物質(zhì)。燃料電池中的氫是通過分解碳?xì)漕惢剂隙频?，其CO2的釋放量也大大低于產(chǎn)生相當(dāng)能量而燃燒這些碳?xì)淙剂蠒r釋放出的CO2量。在汽車上使用它可以真正實現(xiàn)沒有污染的零排放，這一點對于汽車擁有量很大的城市里，意義尤為重大。當(dāng)然在應(yīng)用的過程當(dāng)中遇到了一些問題，這些問題正是制約氫氣發(fā)展的關(guān)鍵。2.6生物柴油的應(yīng)用1.具有優(yōu)良的環(huán)保特性。主要表現(xiàn)在由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可減少約30%（有催化劑時為70%）。2.具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能。無添加劑，冷凝點達(dá)-20。3.具有較好的潤滑性能。使噴油泵、發(fā)動機缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長。4.具有較好的安全性能。由于閃點高，生物柴油不屬于危險品。因此，在運輸、儲存、使用方面的有是顯而易見的。 5.具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。6.具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲量不同其通過農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)家的努力，可供應(yīng)量不會枯竭。在國際市場上，生物柴油根據(jù)等級和純度的不同，價格在250美元/t以上。目前在美國、歐洲、亞洲的一些國家和地區(qū)已開始建立商品化生物柴油生產(chǎn)基地，并把生物柴油作為代用燃料廣泛使用。生物柴油使用最多的是歐洲，份額已占到成品油市場的5%。目前在歐洲用于生產(chǎn)生物柴油的原料主要為菜籽油，目前的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)也主要是參照菜籽油的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)作出的。2000年初德國的總生物柴油生產(chǎn)量已達(dá)450 k t，并有逐年上升的趨勢。德國凱姆瑞亞.斯凱特公司自1991年起開發(fā)研制了用植物油如菜籽油生產(chǎn)生物柴油的工藝和設(shè)備。目前利用該公司的工藝和設(shè)備已在德國和奧地利等歐洲國家建起了多個生物柴油生產(chǎn)工廠，最大產(chǎn)量達(dá)300 t/d。上面幾種替代燃料各有千秋，他們之間各發(fā)面是有區(qū)別的，那么每一種替代燃料的前景怎樣呢？結(jié) 論通過上面的論述，可以得出以下結(jié)論：1.常規(guī)化石燃料目前消耗量極大，同時，世界對化石燃料的需求量還在增加，資源匱乏。2. 雖然很多替代燃料都在汽車上得到一定的應(yīng)用，但是在接下來的幾十年里汽油和柴油在汽車燃料當(dāng)中還將占據(jù)著主導(dǎo)的作用。3.盡管用其它燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料還有許多難題，但世界許多國家都看重替代燃料的開發(fā)應(yīng)用前景，紛紛加大投資力度和研究力量，汽油和柴油被其他燃料替代是必然的。4.煤基醇醚燃料是我國未來幾十年車用替代燃料的發(fā)展方向。因為在“少油、少氣、富煤”的中國，煤的儲藏量相對比較多，尋找替代燃料，需求量是上千萬噸，如此大量的替代只能靠煤來實現(xiàn)。對于甲醇的來源，目前焦化廠的焦?fàn)t煤氣除了自用以外，有相當(dāng)部分排空，既浪費了能源，又污染了空氣，如果加以合理利用，生產(chǎn)甲醇，再由甲醇生產(chǎn)二甲醚是完全可以實現(xiàn)的。未來十年內(nèi)甲醇產(chǎn)量會提高到幾千萬噸，作為化工原料用量有限，它的主要出路將會做汽車燃料甲醇和二甲醚同時毒性、熱值低、腐蝕性等技術(shù)問題，目前都已經(jīng)解決，隨著甲醇生產(chǎn)量越來越大，甲醇的價錢也會越來越低。所以我覺得在我們國家煤基醇醚燃料的發(fā)展將會有強力的市場推動。同時在一些地方可以根據(jù)自身的特點選擇發(fā)展的重點燃料，比如說四川天然氣資源豐富，就可以重點發(fā)展液化天然氣汽車。5.用更苛刻點的目光來看，很多替代燃料還是一種不可再生資源，而且很難達(dá)到零排放的標(biāo)準(zhǔn)，它們只能是汽車產(chǎn)業(yè)向“潔凈化 目標(biāo)進(jìn)軍過程中的一個過渡產(chǎn)品。從長遠(yuǎn)的觀點來看，氫能的綜合經(jīng)濟效益最高，只要能解決氫的生產(chǎn)、儲運及加載的成本問題，我覺得氫將是車用能源的終極燃料，只要解決它的儲藏和成本問題，氫將成為主導(dǎo)燃料。6.各種燃料的應(yīng)用前景：各種替代燃料都得到了應(yīng)用，它們的未來性存在很多不確定性，從車輛應(yīng)用角度看，車用代用燃料主要有三類：含氧燃料（醇/醚）、合成油、氣體燃料（甲烷氣/合成氣/氫氣）。含氧燃料技術(shù)成熟，是近期推廣應(yīng)用的重點，一般以摻混使用為宜。合成油與現(xiàn)有車輛技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施安全兼容，而且是一種優(yōu)質(zhì)的環(huán)保燃料，其技術(shù)也還有較大的改進(jìn)余地。氣體燃料中，甲烷氣是近中期的重點，合成氣是各種一次能源通過氣化工藝制成的富氫氣體，是各種汽車新型燃料的原料氣，也可直接用做車用燃料，在車用能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著關(guān)鍵作用；氫氣是一種原料來源廣泛、尾氣排放為零的環(huán)保燃料，是車用能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)之一，根據(jù)國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要，我國將從基礎(chǔ)科學(xué)研究、前沿技術(shù)創(chuàng)新、工程應(yīng)用開發(fā)等多個層面實施對氫能技術(shù)的重點突破。 7. 液化石油氣汽車還是很有可能在未來的一些日子里成為汽油和柴油的替代燃料，首先，LPG相對于汽油的熱值系數(shù)是0.8,相對于汽油的體積系數(shù)是1.26，說明LPG的儲存不會增加汽車太多的重量，而且動力性不會下降太多。其次LPG汽車?yán)m(xù)駛里程較長(400 km)，儲運較方便，建站費用較低(80萬元90萬元人民幣)， 價格也較低， 使用上有經(jīng)濟效益。參考文獻(xiàn)1 童曉光，關(guān)曾淼.世界石油勘探開發(fā)圖集M.北京：石油工業(yè)出版社，2007.2 曹靜.氫能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢J.汽車的研究與開發(fā)，2005 12：1-3.3 吳冠京.車用清潔燃料.石油工業(yè)出版社，2008.4 陳家瑞.汽車構(gòu)造.人民交通出版社， 2005.5 國家發(fā)改委課題組我國發(fā)展經(jīng)濟型汽車的前景及措施研究R. 2005,2:3-6.6程振彪WTO與中國汽車工業(yè)發(fā)展對策研究