柴油機(jī)代用燃料應(yīng)用現(xiàn)狀分析

李婕，王谷娜，梁時(shí)光，宋建桐

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

前言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾煌üぞ?，但由傳統(tǒng)燃油車所帶來的能源問題和環(huán)境問題也越來越嚴(yán)峻。截至2015年末，世界汽車保有量已突破12億輛。根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2017年11月，我國民用機(jī)動(dòng)車總保有量達(dá)3.10億輛。其中，各類汽車2.17億輛，摩托車1.6億輛。截止至2018年4月，北京市機(jī)動(dòng)車保有量596.8萬輛。在能源消耗方面，我國已成為世界上僅次于美國的石油消費(fèi)第二大國，公路交通領(lǐng)域的石油消耗量占全球總消耗量的42%。在環(huán)境污染方面，北京和上海的空氣污染物中，有66.7%的CO排放，68. 4%的HC排放和46%的NOx排放來自于機(jī)動(dòng)車。從長遠(yuǎn)意義來看，環(huán)境問題和能源問題最終的解決之道應(yīng)是積極探索中國能源利用戰(zhàn)略[1]。開發(fā)新的代用燃料，解決能源問題，已經(jīng)成為汽車工業(yè)需解決的迫在眉睫的問題。

1892年，德國工程師魯?shù)婪颉さ胰麪柊l(fā)明了柴油機(jī)，因其具有熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、低速轉(zhuǎn)矩大、中大負(fù)荷 CO、HC排放低、可靠性好、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于客車、貨車等商用車和部分乘用車上[2,3]。在歐洲，對柴油機(jī)的需求量每年以23%的速度增長，我國對柴油機(jī)的需求量也逐年增大。19世紀(jì)70年代以來，隨著石油危機(jī)的到來，激起了人們開發(fā)代用燃料的熱情。

1 生物柴油

1900年，德國工程師魯?shù)婪颉さ胰麪栐诎屠璨┯[會(huì)上，使用花生油作柴油機(jī)燃料[4]。1912年，他在美國密蘇里工程大會(huì)上曾經(jīng)預(yù)言植物油將成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料發(fā)展的一個(gè)重要方向。但植物油的碳鏈長、分子量大、低溫流動(dòng)性差、粘度高、不易霧化，若柴油機(jī)直接燃用，易導(dǎo)致堵塞噴油嘴等發(fā)動(dòng)機(jī)故障，再加上其成本相對柴油較高，使生物柴油在當(dāng)時(shí)很難得到推廣。

自20世紀(jì)50年代末60年代初，人們就開始研究生物柴油及其生產(chǎn)技術(shù)，20世紀(jì)80年代以后得到迅速發(fā)展。1983年，美國科學(xué)家 Craham Quick將亞麻籽油甲酯應(yīng)用于柴油機(jī)，正常燃燒了1000小時(shí)，其將可再生的脂肪酸甲酯定義為生物柴油，這就形成了狹義的生物柴油定義。1984年，美國和德國等國的科學(xué)家將脂肪酸甲酯和乙酯作為柴油機(jī)燃料，這就形成了廣義的生物柴油定義：生物柴油是以動(dòng)、植物油脂以及餐飲廢油等為原料油，通過酯交換反應(yīng)，生成的甲酯或乙酯，可供內(nèi)燃機(jī)使用[5]。目前由于價(jià)格原因，純生物柴油應(yīng)用較少，大多是以一定比例與柴油混合，形成混合液，摻混記作Bxx，表示混合液中生物柴油的質(zhì)量濃度，例如B20表示其含有20%質(zhì)量的生物柴油。

與柴油相比，推廣生物柴油最大的障礙是其價(jià)格較高。然而，與經(jīng)濟(jì)性相比，健康和環(huán)保就顯得更為重要。生物柴油具有較低的廢氣排放，這使得它非常適合在市區(qū)使用，這能夠使它的環(huán)境效益達(dá)到最大化。在歐洲的很多國家，使用生物柴油會(huì)減免部分稅，來補(bǔ)貼用戶，這使得生物柴油具有一定的競爭力。而且，最近石油價(jià)格的快速增長，減小了生物柴油與柴油之間的價(jià)格差距。

表1 一些國家的生物燃料政策

生物柴油具有與柴油類似的理化性質(zhì)和燃燒特性，因此柴油機(jī)可以在不做任何調(diào)整的情況下燃用生物柴油。與柴油相比，生物柴油具有較高的十六烷值，不含芳香烴和硫，而且含有其質(zhì)量11%的氧，這些性質(zhì)保證了生物柴油具有較低的排放。生物柴油具有很高的閃點(diǎn)，這保證了其作為代用燃料的安全性。它也是唯一一種可以延長柴油機(jī)使用壽命的代用燃料，因?yàn)槠渚哂休^好的潤滑性。另外，在整個(gè)生命周期內(nèi)，生物柴油的CO2排放會(huì)降低很多，因?yàn)樯锶剂夏軌蜉^快的參與碳循環(huán)，即從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生物柴油排放CO2，到植物生長通過光合作用而吸收CO2，再到產(chǎn)出生物柴油的原材料[6]。美國能源部的研究表明：與燃用柴油相比，燃用 B20和 B100在整個(gè)燃料生命周期內(nèi)，CO2排放降低 15.6%和78.4%。

世界各國使用生物柴油的相關(guān)政策見表 1。盡管生物柴油作為柴油機(jī)代用燃料有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它的一些性能還是有待改善的。例如，生物柴油的熱值較低，氮氧化合物排放較高。在發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家發(fā)展生物柴油，能夠在一定程度上解決因使用石化燃料而造成的環(huán)境污染問題[7]。

2 二甲醚

二甲醚是最簡單的醚類，可以以天然氣、煤、原油及非石化燃料的生物質(zhì)為原料合成生產(chǎn)。二甲醚的化學(xué)方程式為CH3OCH3，燃燒時(shí)具有明顯的藍(lán)色火焰，其物理性質(zhì)與液化石油氣相似。

隨著能源危機(jī)的加劇，二甲醚作為柴油代用燃料越來越受到人們的重視。自從上世紀(jì)90年代中期，就有研究人員將二甲醚作為柴油機(jī)代用燃料進(jìn)行研究。二甲醚的辛烷值高達(dá)55，含有約35%的氧，分子結(jié)構(gòu)不含C-C化學(xué)鍵，這使得二甲醚具有與柴油接近的熱效率，而且在燃燒過程中不產(chǎn)生碳煙排放。由于二甲醚的十六烷值較高，使其具有較好的著火性能。另外，由于二甲醚的沸點(diǎn)較低，其霧化較好。因?yàn)槎酌丫哂腥绱硕嗟膬?yōu)點(diǎn)，它很有可能成為柴油機(jī)主要的代用燃料。

與傳統(tǒng)柴油相比，二甲醚具有較低的HC和CO排放，其燃燒不產(chǎn)生碳煙，而且二甲醚的噪聲和振動(dòng)也較低。與柴油相比，二甲醚的NOx小幅降低。為了降低其NOx排放，研究者采用不同的噴油策略，降低燃燒溫度。另外，二甲醚在柴油機(jī)上應(yīng)用，需要增加一套新的燃油系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要做任何調(diào)整。二甲醚熱值較低，要保持與柴油機(jī)同樣的續(xù)駛里程，需要的油箱體積為柴油的兩倍。二甲醚在柴油機(jī)上應(yīng)用的主要問題不是燃燒，而是其理化性質(zhì)的問題。二甲醚的粘度比柴油低20倍，潤滑效果差，降低了油泵與噴油器的使用壽命，而且導(dǎo)致高壓油泵和噴油器泄露嚴(yán)重。

3 天然氣

天然氣為烷烴混合物，如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等，還含有少量較高的烯烴，如乙烯，及微量的硫化氫和氮?dú)?。天然氣汽車可以采用壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）。天然氣作為車用燃料已經(jīng)具有數(shù)十年的歷史。常壓下，將天然氣冷卻到-162℃時(shí)，其由氣態(tài)液化為液態(tài)，體積縮小為 1/600。液態(tài)天然氣的甲烷含量超過 98%，因此其性質(zhì)與甲烷非常相近。在常溫下，壓力為20MPa的壓縮天然氣密度為175kg/m3，液化天然氣的密度為435kg/m3。

與汽油和柴油相比，天然氣具有環(huán)保性、安全性和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，其作為代用燃料具有較低排放、良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠的安全性。天然氣燃燒的火焰溫度低，使NOx排放降低。因?yàn)樵谒械奶細(xì)淙剂现校烊粴獾腃/H比最低。與傳統(tǒng)燃料相比，天然氣不含芳香烴，含有很少的硫，其微粒排放明顯降低。另外，因?yàn)樘烊粴獠缓珻-C化學(xué)鍵，其燃燒排放較低的多環(huán)芳烴和碳煙。

1988年，四川石油管理局在南充建立了我國第一座CNG加氣站，將先進(jìn)充氣裝置和天然氣汽車的改裝部件從新西蘭引入中國，填補(bǔ)了我國天然氣汽車的空白。之后，四川石油管理局在天然氣汽車國產(chǎn)化上做了很多嘗試，做出了巨大貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止1997年末，天然氣汽車保有量4594輛，44座加氣站，2000年天然氣汽車保有量4.7余萬輛，增加了10倍，其中以北京、深圳、上海等大城市為主。我國改裝的車輛以汽油載重車為主，首先在各油田推廣使用，效果較好。目前，我國的天然氣汽車技術(shù)比較先進(jìn)，在天然氣—柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上作了大量的研究工作，中國在稀薄燃燒技術(shù)和天然氣電控發(fā)動(dòng)機(jī)方面的發(fā)展已經(jīng)趕上了世界先進(jìn)水平。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至到2017年底，我國共有天然氣汽車（包括CNG和LNG）超過608萬輛，同比增加50.4萬輛，增幅為34.6%。液化天然氣技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用是國家鼓勵(lì)項(xiàng)目，我國液化天然氣的開發(fā)與應(yīng)用才剛剛起步，具有很大的發(fā)展空間。2017年，我國所擁有的天然氣加氣站8400多座，同比增加約600座，增幅為7.7%。

4 結(jié)論

柴油機(jī)主要代用燃料有生物柴油、二甲醚和天然氣等。生物柴油具有可再生和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，但由于其生產(chǎn)及原材料成本較高，目前可以作為能源的一種補(bǔ)充；二甲醚目前沒有形成一定市場，在未來汽車能源組成中可能將成為重要部分，但目前前景尚較難估量；天然氣在許多國家和地區(qū)已經(jīng)獲得廣泛使用，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在短期內(nèi)可成為柴油營運(yùn)車輛的主流。