我國車用燃料的發(fā)展

1、我國車用燃料的發(fā)展當(dāng)前不少國家為降低汽車的排放物，開始開發(fā)代用燃料代替礦物燃料，以減少排放物對空氣的污染。我國也對此進(jìn)行了研究與開發(fā)。了解車用燃料發(fā)展的歷程及當(dāng)前燃料現(xiàn)狀對開發(fā)汽車新品種、適應(yīng)用戶的需要是有重要意義的。一、汽車用燃料的起源、發(fā)展及趨勢解放前，我國基本上沒有汽車及石油工業(yè)。在抗日戰(zhàn)爭時期，部分汽車在尾部裝上以木材為原料的煤氣發(fā)生爐，用煤氣作燃料，還有的用桐油及酒精等作燃料，如河南南陽天冠集團(tuán)的前身芳林酒廠生產(chǎn)酒精(乙醇)供解放軍用。解放后，中央領(lǐng)導(dǎo)在抓建設(shè)第一汽車制造廠的同時，進(jìn)行地質(zhì)勘探，尋找石油礦產(chǎn)，以鐵人王進(jìn)喜為首的工人階級艱苦奮斗，建設(shè)成高產(chǎn)的大慶油田，后來又建設(shè)成遼河、

2、山東、中原、華北等油田?！按筌S進(jìn)”期間，國家各項(xiàng)事業(yè)得到了發(fā)展，燃料供應(yīng)顯得緊張，很多部門進(jìn)行了柴油、汽油摻水的試驗(yàn)研究和應(yīng)用，但節(jié)油效果不明顯。一些燃燒過程組織不好、油耗高的內(nèi)燃機(jī)使用油包水型的乳化液，產(chǎn)生微爆現(xiàn)象，促進(jìn)油水混合，改善燃燒質(zhì)量，獲得了一些節(jié)油效果，但燃油摻水并未得到推廣應(yīng)用。后來在降低汽車有害排放物的一些試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)摻水燃油可降低燃燒溫度，對降低NOx及碳煙微粒有利。燃油摻水形成微乳化液的方法及理論分析，對當(dāng)前用微乳液在內(nèi)燃機(jī)上摻燒醇燃料(甲醇、乙醇)也有一定的參考價值。隨著工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對石油及成品油的需求不斷增加，20世紀(jì)6070年代建成一批油田后，使我國在7

3、0年代末石油產(chǎn)量突破1億t，進(jìn)入世界產(chǎn)油大國的行列。到1989年底又在近海建成海上油田3個。盡管石油需求量不斷增加，1993年以前我國石油產(chǎn)量自給有余，還有部分出口，但從1993年起我國已經(jīng)成為石油凈進(jìn)口國。目前我國石油年產(chǎn)量在1.61.8億t，進(jìn)口原油及成品油約1億t左右。能源安全問題及如何保障汽車用油已成為國家大事。我國在提高燃料質(zhì)量方面進(jìn)行了如下工作：提高汽油的辛烷值。過去由于缺少重整和加氫裂化等先進(jìn)的煉油裝置，使汽油的馬達(dá)法辛烷值長期處于6670的低水平，汽油機(jī)的壓縮比也只有66.6，難以提高效率及降低比油耗。目前，供應(yīng)的汽油的辛烷值(RON)已達(dá)到9098，已能滿足國產(chǎn)及進(jìn)口的高壓縮

4、比車用汽油機(jī)的要求。汽油無鉛化。過去為了提高辛烷值，在汽油中加四乙基鉛，使用含鉛汽油的內(nèi)燃機(jī)排氣中有鉛毒，對人體健康特別對少兒智力發(fā)育有害。含鉛汽油還會增加燃燒室周圍零件積碳、結(jié)膠，從而加快零件磨損，降低汽車使用壽命及可靠性。從20世紀(jì)60年代起，各國就致力于汽油無鉛化。我國從80年代開始，首先在出口汽油中實(shí)現(xiàn)少鉛化，從90年代起開始實(shí)現(xiàn)汽油全面少鉛化及無鉛化，1997年北京及上海率先實(shí)現(xiàn)汽油無鉛化，繼而全國實(shí)現(xiàn)汽油無鉛化。調(diào)整燃油中組分控制有害成分。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，在不影響內(nèi)燃機(jī)及汽車使用性能的情況下，調(diào)整燃油中的組分，對降低有害排放物的影響有：減少燃油中芳香烴含量可以減少排氣中潛在致癌

5、的有毒物質(zhì)；減少燃油中苯含量可以降低排氣中的苯含量；在燃油中加入含氧劑可以減少排氣中CO的排放；降低烯烴含量可以減少臭氧的形成；降低燃油90%鎦分溫度T90可以減少HC的排放。我國煉油工業(yè)部門在上述方面做了許多工作，使燃油的組分及質(zhì)量更符合降低汽車有害排放物的要求。降低燃油中的硫含量。燃油中含的硫及硫化物以及燃燒后產(chǎn)生的硫酸產(chǎn)物會腐蝕金屬；形成硫酸雨會影響農(nóng)產(chǎn)品的生長及品質(zhì)，柴油中含硫多還會使碳煙微粒生成增加，因此，國外一直努力降低燃油中硫含量，特別是柴油的硫含量。一些國家的柴油標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)要求硫含量不大于0.05%，甚至要求還要更低些。由于柴油深加工脫硫需要投資，增加煉油成本，因此我國在柴油標(biāo)

6、準(zhǔn)中目前規(guī)定不大于0.2%。醇燃料及生物質(zhì)燃料含氧不含硫，汽車用其代替礦物燃料，或者摻燒一部分，就可以在不同程度上降低燃油中硫產(chǎn)生的不良影響。二、石油危機(jī)促進(jìn)代用燃料的研究及應(yīng)用20世紀(jì)70年代發(fā)生了兩次石油危機(jī)，1973年以色列與埃及爆發(fā)戰(zhàn)爭，使石油由低價位$3.1桶上漲到$12.6桶；1978年伊朗伊斯蘭革命及1979年兩伊戰(zhàn)爭使石油漲到$34桶。發(fā)生的石油危機(jī)嚴(yán)重影響世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并宣告廉價石油時代的結(jié)束。很多國家投入大量人力及物力研究、開發(fā)及應(yīng)用代用燃料甲醇、乙醇及植物油。我國在原國家科委的組織領(lǐng)導(dǎo)下，開展了可行性研究。由中國科學(xué)院工程熱物理研究所牽頭，中科院生態(tài)環(huán)境中心、北京醫(yī)科大

7、學(xué)、北京汽車研究所及吉林工業(yè)大學(xué)等單位參加，在車用汽油機(jī)上進(jìn)行M15.(在汽油中摻入15%容積比的汽油，余類推)、M85及M100等的研究，并對甲醇的毒性、材料相容性、排放及對人體健康的影響等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。華中理工大學(xué)(現(xiàn)名華中科技大學(xué))完成了原國家科委下達(dá)的在車用柴油機(jī)上進(jìn)行摻燒部分甲醇、使用M100、提高醇燃料內(nèi)燃機(jī)的熱效率以及在甲醇發(fā)動機(jī)上摻燒氫氣的試驗(yàn)研究。在汽油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行M85、M90發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)及汽車的行駛試驗(yàn)等。此外，在研究和應(yīng)用代用燃料方面，清華大學(xué)、山西煤化研究所等與美國合作進(jìn)行了煤制甲醇的環(huán)境、能源及經(jīng)濟(jì)(3E)生命周期評估軟課題的研究；華中理工大學(xué)與英國卜內(nèi)門化學(xué)工

8、業(yè)公司(ICI)合作，在中國車用柴油上使用ICI開發(fā)的AVOCET助燃劑燃用M100；上海內(nèi)燃機(jī)研究所、貴州山地機(jī)械研究所、交通部公路研究所及福建、云南等有關(guān)單位進(jìn)行了在汽油機(jī)中摻燒不同比例的乙醇、在柴油機(jī)中摻燒植物油的試驗(yàn)研究；原國家科委組織中科院、上海大眾與德國大眾公司進(jìn)行了M90及靈活燃料汽車(FFV)的試驗(yàn)研究；交通部公路研究所與山西交通運(yùn)輸部門組織了將近500輛汽油機(jī)貨車使用M15進(jìn)行長時間的使用試驗(yàn)；山西榆茨佳新能源化工公司、新天地發(fā)動機(jī)公司、大同云崗汽車廠及太原理工大學(xué)等在汽油機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)了電噴M100甲醇發(fā)動機(jī)以及組織多輛甲醇中巴車進(jìn)行運(yùn)行示范工作。我國在“六五”“八五”期間，

9、在車用代用燃料方面所進(jìn)行的上述各項(xiàng)工作取得了很多試驗(yàn)研究成果。我國煤碳資源豐富，又是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量高的農(nóng)業(yè)大國，采用甲醇、乙醇作車用燃料符合國情及車用燃料的發(fā)展趨勢。車輛無論使用摻人醇燃料的混合燃料或者使用100%的醇燃料，通過參數(shù)的調(diào)整及優(yōu)化，都能獲得良好的動力性能、行駛性能及燃油經(jīng)濟(jì)性，也能在不同程度上降低汽油車及柴油車的一些有害排放物。三、環(huán)保及石油短缺的壓力促進(jìn)車用燃料的多元化20世紀(jì)末，我國對660個大中城市空氣質(zhì)量分析結(jié)果表明，達(dá)到一級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的城市僅占1%。空氣被污染的情況嚴(yán)重，汽車排氣對空氣污染的分擔(dān)率為50%-60%，隨著汽車保有量的大幅增加，分擔(dān)率還要增加，而我國控制排放物的標(biāo)

10、準(zhǔn)及執(zhí)行情況僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)80年代水平。據(jù)美國公共利益研究集團(tuán)的資料報道，20世紀(jì)后10年自然災(zāi)害比50年代多4倍，自然災(zāi)害奪走全世界33萬人的生命，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)6252億美元，是50年代經(jīng)濟(jì)損失的9倍。因此，采用多項(xiàng)措施降低CO2排放是當(dāng)代世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)我國工程科學(xué)院1997年發(fā)表的我國能源供需矛盾報告，如按2003年計(jì)，石油的儲存量只夠開采14年。2000年進(jìn)口原油7000萬t、成品油3000萬t、花費(fèi)金額250億美元。汽車產(chǎn)銷量逐年大幅度增加，石油的短缺形成了嚴(yán)重的能源安全問題，我國在“十五”規(guī)劃中明確規(guī)定要開發(fā)和使用甲醇等代用燃料。21世紀(jì)初，中央領(lǐng)導(dǎo)多次在經(jīng)貿(mào)委及

11、多位專家給中央的報告上批示，要建新廠及化肥廠改造以增產(chǎn)甲醇；又決定在河南、吉林及黑龍江等省用陳化糧等生產(chǎn)乙醇，在汽車上使用醇燃料及生物柴油。國際車用燃料發(fā)展趨勢及我國汽車發(fā)展政策都明確指出，汽車要逐步減少礦物燃料的使用，擴(kuò)大能降低有害排放物及CO2排放的醇類燃料及生物燃料的用量。車用燃料的多元化已成定局。為了緩解環(huán)保及石油缺口量擴(kuò)大的壓力以及迎接2008年奧運(yùn)會的需要，國家投入大量資金研究開發(fā)混合動力及純電驅(qū)動的電動汽車，并且使用天然氣作汽車燃料，北京等大城市已經(jīng)引進(jìn)了多輛天然氣大型客車在運(yùn)行。由于摻燒甲醇的汽車數(shù)量在增加，已經(jīng)出現(xiàn)甲醇供不應(yīng)求、價格上揚(yáng)的局面，這也促進(jìn)了較多企業(yè)增產(chǎn)甲醇的積極

12、性，同時也有利于成本較高的乙醇的推廣應(yīng)用、綜合利用，采用新技術(shù)、降低生產(chǎn)和使用乙醇燃料的成本的研究工作正在深入開展，多方面努力促進(jìn)車用燃料多元化的局面已經(jīng)出現(xiàn)。四、當(dāng)前開發(fā)車用燃料的重點(diǎn)可供汽車選擇使用的清潔代用燃料有天然氣、甲醇、乙醇、生物柴油等生物燃料、二甲醚及氫，每種燃料都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，很難說那一種是最好和最清潔的，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，車用燃料會保持多元化的格局。隨著資源情況的變化、長期使用效果的展現(xiàn)及競爭的加劇，同時根據(jù)技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r的不同，將會出現(xiàn)23種主導(dǎo)燃料代替日益枯竭的汽油及柴油。為汽車選擇和開發(fā)的燃料必須具備如下要求：資源豐富，能長期供應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的，最好是可以再生的；必須是無毒

13、或者經(jīng)過嚴(yán)格試驗(yàn)研究及長期使用證明，包括燃燒前及燃燒后產(chǎn)生的物質(zhì)，對人體健康及環(huán)境沒有危害的；燃料的熱值等理化性質(zhì)不會明顯地對內(nèi)燃機(jī)的功率及汽車的主要使用性能產(chǎn)生不利影響；能夠利用現(xiàn)有燃料的儲存、運(yùn)輸及分配使用的基礎(chǔ)設(shè)施，不需要大量投資；燃料的價格適當(dāng)，在內(nèi)燃機(jī)上使用的效率較高，不會給用戶增加過多的費(fèi)用。氫氣雖然是良好的清潔燃料，但生產(chǎn)成本高及儲存技術(shù)問題目前仍未解決。天然氣也能降低內(nèi)燃機(jī)的排放物，但使用機(jī)外混合的方法，內(nèi)燃機(jī)功率要下降，向缸內(nèi)噴射或使用液態(tài)天然氣，要改動現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)或者設(shè)計(jì)新的專用內(nèi)燃機(jī)。此外，建設(shè)加氣站需要大量的資金。當(dāng)前開發(fā)車用燃料的重點(diǎn)應(yīng)該是醇燃料、生物燃料及二甲醚

14、。甲醇(CH3OH)、及二甲醚(CH3OCH3)可以由煤碳等或生物質(zhì)先獲得CO及H2，然后再合成，乙醇由含淀粉或糖的多種農(nóng)作物發(fā)酵制成，也可由生物質(zhì)經(jīng)過酸解、酶解及發(fā)酵獲得。它們的原料當(dāng)前是煤碳及谷類、薯類及甘蔗等，不久的將來是豐富的各種生物質(zhì)。將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物質(zhì)制成液體燃料的技術(shù)難度大，雖然有的國家如瑞典等已可以用林業(yè)的邊角余料及造紙廢液生產(chǎn)乙醇，但成本高。包括我國在內(nèi)的一些科學(xué)家在研究如何從廉價的生物質(zhì)制取液體燃料的技術(shù)，一些科學(xué)家預(yù)測，到2008年或稍遠(yuǎn)一點(diǎn)2015年，這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。當(dāng)前生物燃料除乙醇外，主要是指將棉子油、菜子油經(jīng)過甲醇處理變成可以在柴油機(jī)上用的植物油甲基酯，也

15、叫生物柴油。生物燃料的含義更廣泛，世界上有將近1000種能源植物可以用不同方式獲得液體燃料，高大的喬木如苦配巴及香膠樹可以從樹干上挖的槽流出燃料。桉樹、黑皂樹等的嫩枝葉及果實(shí)種子可以提煉石油，許多草本植物，如黃鼠草、柳枝稷等，淡水中生長的水風(fēng)信子，海水中生長的巨型海帶及藻類都可以制取醇燃料或類似石油的燃料。一些國家在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后都建有能源植物農(nóng)場，研究培育優(yōu)良品種、速生技術(shù)及制油的工藝等。植物生長中的光合作用會吸收大氣中部分CO2，使用生物燃料能有效地降低CO2的排放。加拿大對由谷類及柳枝稷(一種生長在美洲的黍科類可當(dāng)飼料用的植物)生產(chǎn)的乙醇與汽油進(jìn)行生命周期循環(huán)中CO2排放的計(jì)

16、算，其結(jié)果表明，在汽油中摻入10%由谷類及柳枝稷生產(chǎn)的乙醇，與只使用汽油相比，CO2排放可分別降低3.9%及6.7%。如果使用E85，CO2排放則可分別降低38.2%及71%。開發(fā)乙醇等生物燃料是密集勞動與高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，可以發(fā)動廣大農(nóng)民及失業(yè)人員，利用空地、荒地、干旱瘦瘠土地以及房前屋后種植能源植物。為了減少運(yùn)輸費(fèi)用，有些國家在半徑為1620km范圍內(nèi)的中心點(diǎn)建立生物燃料加工廠。開發(fā)生物燃料還可以增加就業(yè)崗位，提高農(nóng)產(chǎn)品的價值，使農(nóng)民致富。巴西工業(yè)發(fā)展部將用甘蔗生產(chǎn)乙醇與石油工業(yè)的就業(yè)人數(shù)與投資比較的結(jié)果：用甘蔗生產(chǎn)乙醇的就業(yè)容量為總的直接就業(yè)人數(shù)100萬人，總的間接就業(yè)人數(shù)240萬人

17、；一個當(dāng)量能源單位就業(yè)人數(shù)的相對比較：石油工業(yè)1人，乙醇工業(yè)152人；與使用燃料及生產(chǎn)車輛的有關(guān)就業(yè)人數(shù)比較，不加乙醇的汽油1人，乙醇汽油混合燃料6人，乙醇燃料22人；與產(chǎn)生職業(yè)崗位有關(guān)的投資費(fèi)用，乙醇工業(yè)每個職業(yè)崗位10000美元，石化工業(yè)每個職業(yè)崗位220000美元。由于生物燃料具有上述特點(diǎn)，國際上日益重視開發(fā)和應(yīng)用，2002年11月在泰國召開的第14屆國際醇燃料會議就是個例證，在會上發(fā)表的80余篇論文中，有近34的論文是與乙醇有關(guān)的。歐洲要求到2005年生物燃料的消費(fèi)量要占整個燃料消費(fèi)量的3%，到2010年則要占6%。實(shí)際上有些國家已經(jīng)超過這一份額。二甲醚是只含兩個碳原子的含氧燃料，十六

18、烷值為55-60，遠(yuǎn)比柴油的十六烷值(4050)高，適合作柴油機(jī)的燃料，動力性能良好，燃燒后排氣基本無煙，一些排放物也較柴油機(jī)低。在常溫常壓下，二甲醚是氣體，與液化石油氣相似，要先加壓，使其變成液態(tài)后再用。二甲醚尚處于開發(fā)的初期階段，國內(nèi)外都在進(jìn)行試驗(yàn)研究及裝車使用試驗(yàn)，具有良好的發(fā)展?jié)摿?。國?nèi)外眾多的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，車用內(nèi)燃機(jī)不需要改動，摻燒低比例(15%容積比)醇燃料，汽車的動力性能、起動、加速及爬坡等性能都與原來基本一樣，能滿足用戶要求。車用內(nèi)燃機(jī)使用大比例醇燃料(E85、M85等)及M100、E100，內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)經(jīng)過調(diào)整及優(yōu)化后，動力性能比原機(jī)提高10%以上，比能耗比原機(jī)低；汽車使用性能與原來一樣，甚至有的還有所提高。醇燃料含氧，有