車用替代能源動力性、排放性研究

1、車用替代能源動力性、排放性研究     （廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）    摘要：能源問題與環(huán)境問題直接影響了替代能源的發(fā)展，本文介紹了目前已推廣應(yīng)用的和正在研究的替代能源，就其動力性、排放性進(jìn)行分析，并展望了未來的前景。 關(guān)鍵詞：替代能源 代用燃料 動力性 排放性   1 前言 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗越來越大，不可再生的石化能源儲量越來越少。據(jù)統(tǒng)計，目前世界石油可開采量為1386億噸，估計可使用到2050年。近年來，由于市場需求增加，加上國際局勢不穩(wěn)定，導(dǎo)致油價不斷上漲

2、。2006年初，紐約國際原油期貨價格已突破每桶70美元。我國的石油資源相對貧乏，2005年原油進(jìn)口量達(dá)到1.3億噸，居世界第二位，石油對外依存度達(dá)到40%。能源安全令人擔(dān)憂，能源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。 排放污染始終伴隨著能源消耗，國家環(huán)?？偩謱θ珖?22個城市空氣質(zhì)量調(diào)查報告表明，233個城市（占調(diào)查總數(shù)的72%）空氣質(zhì)量相當(dāng)或低于三級標(biāo)準(zhǔn)，沒有一個城市空氣質(zhì)量達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查同時表明，汽車尾氣是環(huán)境污染的主要來源，在北京、上海，有害氣體排放總量的70%來自汽車尾氣。 2 車用替代能源 汽車是石油產(chǎn)品的主要用戶，汽油與柴油的消耗量約占石油消費(fèi)總量的40%。我國每年汽車銷量呈兩

3、位數(shù)增長，2005年汽車銷售量達(dá)到創(chuàng)記錄的592萬輛；過去10年間石油消費(fèi)量年均增長6.7%，而同期的石油產(chǎn)量年均增長僅為1.75%。巨大的燃料消耗不僅對日益枯竭的石油能源造成巨大壓力，同時排放了大量的污染物，如NOX，HC，CO，PM等等，這些污染物嚴(yán)重威脅人類生存與發(fā)展。有鑒于此，各國紛紛制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)來限定汽車尾氣排放。目前，歐洲已經(jīng)執(zhí)行了號標(biāo)準(zhǔn)。我國北京由于奧運(yùn)會的需要，已執(zhí)行了歐洲號標(biāo)準(zhǔn)，全國大部分地區(qū)執(zhí)行的是歐洲號標(biāo)準(zhǔn)。 面對能源短缺與日益嚴(yán)格排放法規(guī)，尋求資源豐富、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)可行的替代能源，已成為亟待解決的重大問題。經(jīng)過多年研究，人們發(fā)現(xiàn)良好的代用燃料應(yīng)該滿足以下要求：

4、a、資源豐富，價格合適；b、燃料的熱值能夠滿足內(nèi)燃機(jī)動力性能的需要；c、能夠滿足車輛起動性能、行駛性能及加速性能等方面的要求；d、能量密度較高、儲存運(yùn)輸方便；e、對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)變動小，技術(shù)上可行；f、燃料在現(xiàn)有的儲運(yùn)分配系統(tǒng)中能夠用得上；g、對人類健康、環(huán)境保護(hù)及安全防火等無有害影響；l、對發(fā)動機(jī)的壽命及可靠性沒有不良影響。 目前，已經(jīng)推廣使用的和正在研究的替代能源主要可分為如下幾類，見表一。 表一 替代能源 燃?xì)馊剂?主要分為液化石油氣(LPG)和壓縮天然氣（CNG） 醇類燃料 最具代表性的是甲醇和乙醇 二甲醚 簡稱DME，含氧燃料，最清潔燃料，氣體 生物柴油 含氧燃料，可從植物油或動物脂肪中

5、提取 氫能和電能 主要以燃料電池和電池的形式體現(xiàn)    除氫能與電能使用專門動力外，其他代用燃料都能直接或改進(jìn)后在發(fā)動機(jī)上使用。 為便于比較，表二列舉了代用燃料與柴油、汽油的物理特性。 3 替代能源的性能 3.1 液化石油氣(LPG) 3.1.1 動力性 液化石油氣(LPG)來源于石油煉制和油田伴生氣。實(shí)際應(yīng)用中，只要對汽油機(jī)供油管路進(jìn)行改進(jìn)，就能燃用LPG。我國自1985年首先在上海出現(xiàn)液化氣燃料汽車和加氣站之后，北京、廣州、深圳、哈爾濱等地先后開展了桑塔納、捷達(dá)等車型燃用液化氣的改裝試驗(yàn)。目前，北京和上海已經(jīng)分別改裝了1.2萬輛和1.1萬輛LPG汽車

6、。在國內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用的是LPG-汽油雙燃料動力。實(shí)驗(yàn)表明，LPG具有高的抗爆性（辛烷值高）和與汽油至少等值的動力性能，并且其不含鉛和芳香族有機(jī)化合物，燃燒更充分，汽車發(fā)動機(jī)噪音小，磨損小，發(fā)動機(jī)無爆震現(xiàn)象，汽車運(yùn)行平穩(wěn)。 比例與汽油、柴油混合燃燒。甲醇、乙醇與汽油摻燒已經(jīng)獲得推廣，在巴西、美國尤為成功。我國一些甲醇、乙醇資源 豐富的地區(qū)及農(nóng)村地區(qū)，已經(jīng)推廣了在汽油中添加體積比為   表二 代用燃料及汽油、柴油物理特性比較 項 目 汽油 柴油 LPG CNG 甲醇 乙醇 二甲醚 生物柴油 分子式或組成 C5C11 C15C20 C3C4 CH4 CH4O CH3CH2OH CH3OCH

7、3 含碳量，% 84.9 86.1 80 75 37.5 52.2 46 7075 含氫量，% 15.1 13.9 20 25 12.5 13 13 1012 含氧量，% 0 0 0 0 50 34.8 34.8 1015 著火溫度 350468 270350 470 595 470 434 235 理論空燃比/JkgKg-1 14.215.9 14.114.5 14.515.5 17.3 6.45 8.45 9 12.5 低熱值MJKg-1 42.5 42.7 46 47.7 19.9 26.8 28.8 36.9 汽化潛熱kJKg-1 310340 250300 426 510 1088

8、854 467 辛烷值(RON) 90100 2030 102105 118120 106115 100 十六烷值 08 5065 3 8 5560 53 運(yùn)動粘度（20）10-6/m2s-1 1 2.5 0.75 1.5 7   3.1.2 排放性 研究表明，如果LPG在汽車上合理應(yīng)用，即供氣裝置與發(fā)動機(jī)進(jìn)行了最佳匹配，可使CO、NOX等有害氣體的排放量低于發(fā)動機(jī)燃用汽油的排放量，基本消除黑煙和顆粒物；如果同時采用閉環(huán)電控燃料噴射裝置和三效催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)較高的污染物降低率的目標(biāo)。 3.2 壓縮天然氣(CNG) 3.2.1 動力性 世界上使用壓縮天然氣(CNG)的汽車已超過5

9、0萬輛，在我國主要使用CNG-汽油雙燃料動力汽車。天然氣發(fā)動機(jī)具有抗爆性好、起動性能好、混合氣著火界限寬、燃燒完全等特點(diǎn)。但動力性不如汽油機(jī)，單一使用CNG時，如結(jié)構(gòu)參數(shù)不進(jìn)行改動，其動力性能比使用汽油時下降10-20%；當(dāng)通過適當(dāng)提高壓縮比后，其動力性能得以提高。如果對發(fā)動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，其動力性能下降幅度可控制在5%左右。 3.2.2 排放性 發(fā)動機(jī)使用CNG后，與汽油機(jī)相比，在相同工況下，CO減少97%，HC減少72%，NOX減少39%，且不向大氣排放高硫、苯、烯類廢氣和醛類廢氣。整體排放水平低于LPG，環(huán)保效益十分顯著。 3.3 甲醇、乙醇 3.3.1 動力性 國際上對甲醇、乙醇燃料

10、，通行的做法摻燒，即按一定    10%（E10）的乙醇混合燃料和體積比為15%（M15）的甲醇混合燃料。醇燃料與柴油的混合燃燒，目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，主要問題是醇的十六烷值低，自燃溫度相對較高；且在柴油中溶解度小，必須添加助溶劑；遇水分層（尤其是乙醇）等。 從甲醇汽車示范運(yùn)行的實(shí)踐效果看，M15混合燃料發(fā)動機(jī)的動力性與汽油機(jī)相比并不低，M85甲醇發(fā)動機(jī)的動力性還優(yōu)于汽油機(jī)。其原因是甲醇的R0N辛烷值為1O6l15，汽油的辛烷值R0N為90100，抗爆性能好。發(fā)動機(jī)使用時甲醇可進(jìn)一步提高壓縮比，且允許較大的點(diǎn)火提前角，從而能獲得更高的熱效率和更大的功率

11、，見表三。 表三 兩種發(fā)動機(jī)動力性比較 項目 功率/ kW/rmin-1 轉(zhuǎn)矩/ Nm/rmin-1 汽油機(jī) 92/4500 281/3600 M100甲醇機(jī) 118/5000 273/3750    中石化公司對在乙醇汽油試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，10%的乙醇汽油動力性能與汽油基本相同。且由于乙醇的加入，擴(kuò)大了混合氣的著火界限；乙醇辛烷值高于汽油，改善了燃料的抗爆性，可以進(jìn)一步提高汽油機(jī)的壓縮比，從而提高發(fā)動機(jī)的動力性；但隨著乙醇比例的不斷增加，單位質(zhì)量熱值降低，燃燒溫度低，動力性下降，低溫時發(fā)動機(jī)啟動困難。 3.3.2 排放性 西安交大的研究人員對M10混合燃料與汽

12、油進(jìn)行排放對比后發(fā)現(xiàn)：CO和HC排放有所改善，NOX排放相當(dāng)；低工況下，M10混合燃料會產(chǎn)生一定量的甲醛，在高負(fù)荷工況下則為0。 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員，對在電噴汽油機(jī)上使用不同比例的乙醇汽油混合燃料后發(fā)現(xiàn)：在低轉(zhuǎn)速時CO排放有所升高，而中高轉(zhuǎn)速時CO排放改善程度較??；在所有轉(zhuǎn)速條件下，THC排放都有所降低，含乙醇比例最大的一組，THC排放改善效果較明顯，其最大降幅率接近4O%；NOX排放在中低轉(zhuǎn)速時降低較明顯，在高轉(zhuǎn)速時也略有改善；安裝三效催化器后，排放進(jìn)一步降低?？傮w評價為良好。 3.4 二甲醚 3.4.1 動力性 二甲醚(DME)是甲醇系列衍生物之一，也是碳化工的重

13、要中間體，應(yīng)用廣泛。DME具有較高的十六烷值(5560)，壓縮性優(yōu)良，非常適合壓燃式發(fā)動機(jī)，是柴油機(jī)的理想代用燃料。由于DME在常溫下是氣體，在5個大氣壓下成液體后，粘度低，使用時需對供油管路進(jìn)行改進(jìn)，并保證潤滑。大量研究表明，DME燃燒性能好，熱效率高，發(fā)動機(jī)低溫啟動和加速性能比較好；在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)輸出功率超過原柴油機(jī)。西安交大2005年開發(fā)出二甲醚城市中巴車，國家科技部驗(yàn)收后認(rèn)為：認(rèn)為該車起動容易，運(yùn)行自如；在城市繁忙路段頻繁加減速、換檔自如；崎嶇不平路面行駛穩(wěn)定，爬坡性能良好，未出現(xiàn)熄火和氣阻現(xiàn)象；最高時速達(dá)到120km/h；尾氣排放為極低，工作噪音相對較低。    3.4.2 排放性 DME是目前已知燃燒最清潔的燃料，可實(shí)現(xiàn)超低排放，排氣不經(jīng)處理，就能達(dá)到歐排放標(biāo)準(zhǔn)。 3.5 生物柴油 3.5.1 動力性 生物柴油是一種無毒、可生物分解、可再生的燃料，可從植物油或動物脂肪中提取，因此可分為很多種類。北京理工大學(xué)汽車動力與排放測試國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員通過對使用正和生物柴油后發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)供油系統(tǒng)不作任何調(diào)整的情況下，燃用純生物柴油后，柴油機(jī)的動力性沒有明顯變化；使用柴油-生物柴油混合燃料時，柴油機(jī)的動力性、油耗率基