畢業(yè)論文-汽車清潔替代燃料的可行性研究

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目汽車清潔替代燃料的可行性研究學(xué)院年級專業(yè)班級學(xué)號學(xué)生姓名校內(nèi)導(dǎo)師職稱講師論文提交日期汽車清潔替代燃料的可行性研究摘要隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，汽車保有量激增，對石油的需求也隨之增加，同時造成了嚴重的環(huán)境污染，因此，探尋清潔的替代燃料十分重要。本文介紹了烴類、醚類、醇類等替代燃料的理化特性，通過與汽油、柴油的對比，探討替代燃料在發(fā)動機上燃用的可行性。通過生物柴油摻燒乙醇實驗，分析生物柴油和不同比例乙醇混合燃燒后，發(fā)動機性能和排放的變化，得出結(jié)論：生物柴油添加乙醇可以推遲燃料著火時刻，提高發(fā)動機效率，降低碳煙排放，在小負荷時能明顯降低油耗率。本文還介紹了替代燃料生命周期評價，由此可以看出替代燃料總能量消耗和排放物比汽油高，主要原因是替代燃料并不像石油那樣可以直接取得，燃料加工生產(chǎn)需要消耗能量并產(chǎn)生CO2等副產(chǎn)品。本文還以甲醇、乙醇為例，分析替代燃料的經(jīng)濟性。關(guān)鍵詞：替代燃料可行性理化特性生命周期FeasibilitystudyonautomobilecleanalternativefuelsAbstractWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,carownershipsurged,thedemandforoilisincreasing,andhascausedseriousenvironmentalpollution,therefore,itisveryimportanttoexplorethecleanalternativefuels.Thispaperintroducesthephysicalandchemicalpropertiesofhydrocarbons,ethers,paredwithgasolineanddiesel,thefeasibilityofalternativefuelintheenginewasexplored.Throughtheexperimentofbiodieselblendingethanol,engineperformanceandemissionswasanalysedindifferentproportionsofmixedcombustionandconcludedthatbiodieselethanolcanpostponethefuelignitiontime,improvetheefficiencyoftheengine,reducingsootemissions,andsignificantlyreducethefuelconsumptionatlowload.Thispaperalsointroducesthealternativefuellifecycleassessment.Itcanbeseenthatthetotalenergyconsumptionandemissionsofalternativefuelsishigherthangasoline,themainreasonisthatunlikeoilalternativefuelsandfuelprocessingcanbeobtaineddirectly,needtoconsumeenergyandproducebyproductssuchasCO2.Thispaperalsousesmethanol,ethanolasanexample,theeconomicanalysisofalternativefuels.Keywords:Alternativefuel;Feasibility;Physicochemicalcharacteristics;Lifecycle目錄1.緒論 51．1選題的背景及意義 51．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61．2．1醇類燃料 61．2．2煤制油和氣制油 81．2．3氫和天然氣 81．3本文的主要研究工作 102．替代燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀 102．1替代燃料的種類 102．2替代燃料理化特性分析 112．2．1烴類燃料 112．2．2醚類燃料 122．2．3醇類燃料 132．2．4生物柴油 142．3本章小結(jié) 153．替代燃料的應(yīng)用技術(shù) 163．1替代燃料發(fā)動機實驗 163．1．1生物柴油發(fā)動機實驗研究進展 163．1．2生物柴油摻燒乙醇的發(fā)動機實驗 163．2甲醇用作柴油替代燃料的研究現(xiàn)狀 213．2．1柴油機燃用甲醇主要方法優(yōu)缺點分析 213．2．2甲醇用作柴油替代燃料存在的主要問題 233．3合成油技術(shù) 243．3．1合成油技術(shù) 243．3．2煤基合成油技術(shù) 253．4本章小結(jié) 253．4．1生物柴油摻混乙醇燃料發(fā)動機臺架試驗結(jié)果 253．4．2替代燃料應(yīng)用技術(shù)總結(jié) 264．經(jīng)濟性和生命周期研究 274．1替代燃料生命周期 274．1．1替代燃料生命周期 274．1．2木薯乙醇生命周期多目標優(yōu)化 284．2經(jīng)濟性分析 294．2．1甲醇的經(jīng)濟性 294．2．2乙醇的經(jīng)濟性 304．3本章小結(jié) 315．全文總結(jié)及展望 315．1全文總結(jié) 315．2工作展望 321.緒論1．1選題的背景及意義隨著人民生活水平的提高，我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，對液體燃料的需求也逐年上升。據(jù)國家海關(guān)總署統(tǒng)計，2009年我國原油進口量達到2.04億噸，原油對外依存度達51.3%，給我國能源安全敲響了警鐘。同時，世界石油資源面臨枯竭，國際油價高位徘徊，汽車尾氣造成的環(huán)境污染已相當(dāng)嚴重。因此，探尋新型、潔凈的發(fā)動機替代燃料勢在必行，這方面的研究也受到了世界各國的重視[1]。選擇合適的汽車替代燃料，科學(xué)地確定一個地區(qū)清潔燃料汽車的發(fā)展方向，是減少機動車有害尾氣排放、治理城市大氣環(huán)境污染重大而緊迫的課題。生命周期評價是一種對產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝及活動給環(huán)境造成的壓力進行評價的客觀過程。國內(nèi)外在車用替代燃料生命周期評價方面作了大量研究工作，國內(nèi)的研究主要集中在清單分析上。目前，基于生命周期評價的多目標優(yōu)化研究已成為一個新的研究方向。課題針對清潔替代燃料，如醇類燃料、生物柴油、LPG、CNG等，分析我國發(fā)展替代燃料的必要性和應(yīng)用現(xiàn)狀，研究替代燃料的生產(chǎn)技術(shù)以及替代燃料在汽車上的應(yīng)用，探討替代燃料的經(jīng)濟性及生命周期。隨著全球汽車保有量的增加和各國對環(huán)保的重視，目前的車用發(fā)動機(汽油機和柴油機)面臨著既要繼續(xù)提高現(xiàn)有性能，又要降低排放的雙重壓力。同時，目前車用主要燃料石油又是不可再生資源，汽車燃料不足將是不可回避的問題。故研究與開發(fā)替代燃料非常必要。1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1．2．1醇類燃料汽車是生活中的重要交通工具，而汽車排放的尾氣又是造成日益嚴重的環(huán)境污染的重要原因。醇類燃料由于具有良好的環(huán)保性和清潔性，多年來一直受到汽車業(yè)界的青睞。醇類燃料主要指甲醇、乙醇和丁醇。單獨使用醇類燃料需要對發(fā)動機進行改動，因此現(xiàn)在一般都是摻入汽油的，當(dāng)醇類摻入量小于15%時基本不用對原發(fā)動機改造即可正常使用[2]。對于醇類燃料，甲醇是最簡單的醇燃料，其來源廣泛，可由天然氣合成，解決了天然氣不易運輸及火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷娜秉c，也可由煤制取，更符合中國煤炭資源豐富的特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在使用中需防范其可能產(chǎn)生的毒性危害，另外由于其對橡膠和金屬的腐蝕性，還需考慮相關(guān)部件的防腐問題。關(guān)于乙醇，基本上克服了甲醇的缺點，但產(chǎn)量有限。近年來國外將研究對象轉(zhuǎn)為含碳量更高的丁醇上，主要是看中了其與汽油相近的性質(zhì)及較高的單位質(zhì)量能量密度，故可直接用于現(xiàn)有的汽油機，同時丁醇由生物質(zhì)制取，也是一種綠色燃料，但產(chǎn)量更少。甲醇是中國產(chǎn)量最為豐富的醇燃料，也是世界范圍內(nèi)最易制取的燃料之一，其研究歷史悠久，在上世紀70年代西方石油危機爆發(fā)時曾是研究熱門，歐美等國曾作為車用燃料實施了多年。特別是美國直到上世紀90年代中期，甲醇靈活燃料車仍然超過萬臺的保有量。后因于多方面原因而終止。隨著甲醇防腐防毒技術(shù)的提高及條例法規(guī)的完善，在當(dāng)前石油基燃料緊張的形式下，甲醇的應(yīng)用研究逐漸受到關(guān)注。甲醇辛烷值高，應(yīng)用方式與天然氣相似，不外乎兩種，即火花點燃，與柴油摻燒。乙醇作為內(nèi)燃機燃料使用歷史悠久，由于其無毒無腐蝕，更易被人們接受，在使用上同樣有火花點燃和柴油摻混燃燒法。對于乙醇與柴油摻混燃燒的應(yīng)用，由于性質(zhì)上乙醇與甲醇最大的區(qū)別即為乙醇可與柴油互溶，故不必對柴油機進行改造，也不必加入助溶劑而可以直接應(yīng)用，由于乙醇的汽化潛熱小于甲醇，其冷啟動性能好于甲醇柴油，但仍存在冷啟動困難的問題?？紤]到乙醇柴油的吸水性，長時間放置會導(dǎo)致燃料分層，同時冷啟動和冷機排放更為惡化。實驗證明使用柴油引燃摻水乙醇并加裝DOC后可使國Ⅱ發(fā)動機達到國Ⅲ的排放水平，除碳煙外，其他排放指標達到國Ⅳ標準。目前美國乙醇汽油消費量占全美汽油消費總量的5%，到2030年，乙醇汽油消費量將占美國汽油消費總量的30%。我國從2001年起在河南、黑龍江、吉林、河北等9省大規(guī)模試點推行。但是乙醇汽油對發(fā)展中國家來說是得不償失的，由于乙醇現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)決定了乙醇幾乎全部自糧食中提取，以犧牲糧食作代價，從戰(zhàn)略上說，特別在我國，是拆東墻補西墻的行為，是不可取的，有可能造成糧食價格上漲。乙醇原料來源有限，成本又高，從經(jīng)營角度講，也缺乏商業(yè)開發(fā)價值，因此乙醇作為車用燃料不被看好。由此可見，從技術(shù)路線的角度看乙醇應(yīng)用在柴油機上已經(jīng)較為成熟，問題還是出在乙醇生產(chǎn)成本和政策支持上[2]。受石油供應(yīng)緊張，要求減少二氧化碳排放的呼聲日益高漲的影響，近來在生物質(zhì)燃料方面的研究力度加大，研究對象除了傳統(tǒng)的乙醇，生物柴油，還有近來國外評價很高的丁醇（主要是正丁醇和異丁醇）。乙醇是當(dāng)今主要的生物質(zhì)代用燃料（比例為90%以上），而對丁醇作為代用燃料的認識實際已經(jīng)由來已久，當(dāng)時苦于技術(shù)不成熟。丁醇既可以由生物質(zhì)原料制取也可由煤合成氣合成，在西方一般由生物質(zhì)制取，稱為bio-butanol，但由于產(chǎn)量的原因一直沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，近來由于技術(shù)的改進及減排形勢所迫，對丁醇的研究開始啟動。相比于甲醇和乙醇，丁醇的熱值較高，即能量密度較高；揮發(fā)性不強，并可避免管路中氣塞現(xiàn)象的出現(xiàn)；辛烷值與汽油接近；除此之外粘度與柴油相當(dāng)，潤滑性較好；毒性及腐蝕性比甲醇要低，可以用現(xiàn)有石油管道運輸；與汽油互溶性好，故可以在對汽油機不做機械改動的基礎(chǔ)上靈活調(diào)整摻混比應(yīng)用。但由于其氣化潛熱低，在作為進氣噴射燃料時，由于其進氣溫度比甲醇高，故其進氣充量比采用甲醇小，同時較高的進氣溫度及較高的熱值會導(dǎo)致燃燒溫度較高，從而不利于降低NOx排放，另外丁醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诩状嫉哂谄?。目前丁醇一般作為與汽油的摻混燃料應(yīng)用在點燃式內(nèi)燃機中，由于其物理性質(zhì)與柴油相近，也有與柴油摻混應(yīng)用的例子。雖然丁醇的未燃HC和CO低于汽油，但還是較甲醇和乙醇高，甲醛和乙醛是主要的有毒污染物。此外，丁醇還可摻入柴油應(yīng)用于柴油機，其抗分層能力強于乙醇。國內(nèi)對丁醇燃料的研究目前僅處于起步摸索階段，由于丁醇還是作為化工原料在使用，作為燃料尚在研究中。制約其發(fā)展的主要原因是生產(chǎn)原料來源以及生產(chǎn)成本。雖然其生產(chǎn)原料可以來自生物，但是目前仍以淀粉發(fā)酵生產(chǎn)，其它生物原料生產(chǎn)尚未見到有突破性的進展。所以，目前還不能對其作為燃料做出令人樂觀的估計。無論怎樣，但它的潛質(zhì)表明丁醇將是未來車用燃料的競爭者之一[3]。1．2．2煤制油和氣制油煤炭和天然氣加氫制油，使用最多的是F-T法，就是先把煤炭，天然氣，水蒸氣作為材料制取氫氣和一氧化碳，然后經(jīng)催化劑的作用把氫氣和一氧化碳合成為長鏈烷烴或烯烴，煤制油和氣制油是緩解煤炭石油供不應(yīng)求的一個方法，除去上述的間接法，還可以使用煤炭直接加氫的方法，這個方法的轉(zhuǎn)化率可以達到63%～68%，只是對煤的質(zhì)量要求較高，且生產(chǎn)出的油十六烷值不足。所以現(xiàn)在大多采用F-T間接法。而且生物質(zhì)也能用F-T法制出“生物質(zhì)油”（Biomass-to-liquids，BTL）。CTL和GTL的最大特點是十六烷值高，只含脂鏈烴而不含芳香烴，只含少量硫（已在生產(chǎn)中脫除，不然會造成催化劑中毒），因此其滯燃期短，不易產(chǎn)生CO和HC。滯燃期短，燃燒溫度因此下降，從而達到降低NO排放的效果，雖然碳煙排放沒有降低，不過燃料不含芳烴，碳煙還是比普通柴油要低，經(jīng)過更多改良，熱效率和排放都較原柴油機好。作為清潔燃料，CTL和GTL是可以用來減輕石油供應(yīng)壓力的，不過現(xiàn)在CTL和GTL的發(fā)展還是受到政策的限制，因為這兩種燃料仍是化石能源，生產(chǎn)過程還消耗大量水和能量，不符合節(jié)能減排的政策。在我國因為煤資源所在地環(huán)境相對脆弱，大規(guī)模產(chǎn)煤制油造成的環(huán)境效應(yīng)還未評估?，F(xiàn)在煤制油屬于國家控制發(fā)展技術(shù)，短期內(nèi)不會成為車用燃料。氣制油因為我國自身的天然氣資源不足，發(fā)展前景有限[3]。煤基合成汽油技術(shù)發(fā)明于20世紀20年代中期的德國，在二戰(zhàn)中為納粹德國的戰(zhàn)時工業(yè)和軍事需求提供很大幫助。到1945年止，美、日、德等國都建成了煤基合成油裝置。之后由于中東石油大規(guī)模的開采，煤基合成燃料價格無法和石油競爭，二戰(zhàn)后停產(chǎn)。50年代，南非受到國際制裁，石油資源不足，只能利用煤炭資源合成液體燃料，于是建成了3座大型煤炭合成燃料工廠。70年代的石油危機使再次引起世界關(guān)注，由于石油危機的刺激，美國能源部門和軍方開始在煤基合成燃料上投入人力物力。進入上世紀80年代后，在能源部和三軍的努力下，開展了龐大的研究工作。2006年9月美國空軍開始在加州愛德華茲空軍基地對煤基合成燃料進行認證[2]。1．2．3氫和天然氣液態(tài)氫和液態(tài)天然氣是理想的車用清潔能源，液態(tài)氫燃料是能源事業(yè)發(fā)展的方向。研究表明，液態(tài)氫燃料發(fā)動機與煤油發(fā)動機效率相似，普通的渦輪發(fā)動機能改為燃用液氫燃料。按質(zhì)量計液態(tài)氫燃料的熱值是煤油的2.78倍，而且燃燒時無碳煙排放，NOx是燃用煤油1/3，燃用液氫具有熱值高，有效載荷大，環(huán)保等優(yōu)點，所以液氫燃料汽車才是真正的“綠色燃料”汽車。不過液氫有儲存溫度低（-253℃）、密度小（煤油的1/12）、體積大的缺點。正因為密度小，汽車一般需要攜帶大容積的液氫燃料箱，油箱容積是現(xiàn)有油箱的4倍，技術(shù)上還要克服密封和低溫的問題。近年液態(tài)氫燃料已經(jīng)開始進行半商業(yè)性的試驗，德國陸續(xù)推出了多種液態(tài)天然氣在低溫和容積上的技術(shù)問題比液氫容易解決，所以液態(tài)天然氣可以算是過渡型車用燃料。燃用天然氣的優(yōu)點是：NOx排放低；顆粒物排放低；減少煙度；資源豐富；成本低。不過液態(tài)天然氣的儲存溫度為-160℃，實際使用有一定難度。液態(tài)天然氣只能單獨燃用，不能與石化汽油混燃；由于加氣站網(wǎng)點的限制難以普及，短期內(nèi)不會有很大的發(fā)展。[2壓縮天然氣的優(yōu)點：儲量豐富、燃燒完全、排放少等。符合越來越嚴格的排放法規(guī)要求，既環(huán)保又廉價，所以壓縮天然氣作為汽車替代燃料前景很好。壓縮天然氣汽車的排放與燃油汽車相比，HC下降約50%，NOx下降約40%，CO下降約90%，CO2下降約25%。燃用1L汽油效果相當(dāng)于1.1m3壓縮天然氣，而1m3壓縮天然氣的價格只有1L汽油價格的51.2%。在壓縮天然氣汽車的實際使用中，壓縮壓縮天然氣汽車已經(jīng)成為21世紀的新興產(chǎn)業(yè)。要快速發(fā)展壓縮天然氣汽車，就要制定全國統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)范和標準，促進壓縮天然氣汽車技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化，推出更多優(yōu)惠政策，才能使壓縮天然氣汽車更快成為新的經(jīng)濟增長點。[4]1．3本文的主要研究工作（1）介紹替代燃料的種類，分析替代燃料的理化特性和應(yīng)用現(xiàn)狀，得出好的替代燃料應(yīng)當(dāng)具有的特性。（2）介紹替代燃料在發(fā)動機上的應(yīng)用技術(shù)。以甲醇用作柴油替代燃料為例，介紹柴油機燃用純甲醇和燃用甲醇/柴油摻混燃料的應(yīng)用技術(shù)。通過實驗研究生物柴油在柴油機上的燃燒特點和排放。（3）分析替代燃料的經(jīng)濟性和生命周期，介紹多目標優(yōu)化對替代燃料生命周期的影響。 2．替代燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀2．1替代燃料的種類替代燃料是指傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃料（如汽油、柴油）的替代品。隨著發(fā)展，替代燃料呈現(xiàn)出多元化、交叉化、綜合化的發(fā)展趨勢。氫氣、沼氣、生物柴油、燃料電池和混合燃料發(fā)動機都在各個領(lǐng)域進行運用。替代燃料主要有：液化石油氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、H2，煤炭衍生物的液體燃料和生物質(zhì)能。2012年我國車用替代燃料使用量1280萬噸左右，占全國成品油表觀消費量的4.6%，比上年增加280萬噸，其中車用天然氣替代量850萬噸，占替代總量的71%左右。天然氣是目前國內(nèi)最現(xiàn)實可行的車用替代燃料；替代燃料的使用范圍將不斷拓寬，使用量將逐年加大。從車用燃氣（CNG、LNG和LPG），生物質(zhì)液體燃料（燃料乙醇、生物柴油），煤基液體燃料（煤制油、燃料甲醇）的發(fā)展現(xiàn)狀和前景來看，燃料清潔化是必然的發(fā)展趨勢[5]。2．2替代燃料理化特性分析2．2．1烴類燃料液化石油氣(LPG)是常溫常壓下是無毒、無色、無味的氣體，是3、4個碳原子的烴類為主組成的混合物。優(yōu)點：辛烷值較高、抗爆性好、熱值高、安全性好、易于儲存和運輸。燃用LPG后PM排放大大的降低了，汽車燃料費用也有減少，發(fā)動機的熱效率還有提高，從而延長汽車使用壽命。但是一氧化碳和氮氧化物排放比一般燃料高了，而且發(fā)動機著火性能有較大下降，不易冷起動，加速性變差。[5]熱值高，動力性好：LPG一般熱值為12000Kcal/kg(汽油布熱值為11200Keal/kg)比汽油高3一6%。LPG是氣體，霧化好，燃燒完全，所以能提高發(fā)動機的熱效率，改善動力性。著火溫度高：汽油的著火溫度210—300℃；丙烷481℃；丁烷441℃比汽油高200℃左右，因此燃用LPG時所需的點火能量比汽油高，發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時，點火線圈輸份電壓為18KV，高能點火輸出電壓為28KV，采用高能點火可提高發(fā)動抓功率3%辛烷值高：丙烷96、丁烷89、異丁烷97三者都比汽油高，所以LPGV發(fā)動機的壓縮比要調(diào)高，就會提高發(fā)動機的性能。據(jù)介紹壓縮比提高一個單位，則輸出轉(zhuǎn)矩提高7—8%，燃料經(jīng)濟性將改善4—5%[6]。天然氣的主要成分是甲烷，分為壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)。優(yōu)點：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可燃物多、熱值高、辛烷值高、抗爆好、燃燒溫度高、燃燒充分。壓縮天然氣(CNG)燃燒時為氣態(tài)，與汽油、柴油相比，混合更均勻，燃燒也更充分。所以天然氣汽車排放有明顯的下降，碳氫下降約90%，一氧化碳下降約80%，氮氧化物下降約40%，CNG汽車噪聲也很小。液化天然氣(LNG)是把天然氣低溫液化成液體，有甲烷、飽和烷烴組成，以及微量的氦、二氧化碳、硫化氫。優(yōu)點：成分單一(甲烷含量較高)、燃燒充分、排放低、安全等[5]。由表1可知，天然氣熱值比其它燃料都高，發(fā)動機功率損失較小，現(xiàn)有車輛改造使用天然氣為燃料時不需要增加增壓器以提高功率，降低了改造費用和天然氣燃料汽車的推廣難度。同時，天然氣的辛烷值高，抗爆性能好，噪聲污染小，對環(huán)境更友好[5]。表1部分替代燃料物理化學(xué)性質(zhì)液化石油氣天然氣甲醇乙醇低熱值/(MJ/kg)47.655.6219.826.8點火溫度/℃470595470392辛烷值(研究法)1031191101002．2．2醚類燃料主要是二甲醚(DME)。二甲醚常溫常壓下它是一種無色的可燃氣體。易液化、具有惰性不易氧化、在空氣中十分穩(wěn)定、無腐蝕性，而且具有優(yōu)良的混溶性(易溶于汽油、四氧化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多種有機溶劑)。其理化性質(zhì)和LPG相似,最大的優(yōu)點是十六烷值高(大于55)，氣體燃燒幾乎不產(chǎn)生碳煙,特別適合于柴油車輛。同時具有優(yōu)良的壓燃性,非常適合于壓燃式發(fā)動機,通常用作為柴油機的替代燃料。但是DME液體狀態(tài)下單位容積的低熱值僅為柴油一半。DME燃料一般是將天然氣進行合成,由合成氣再制取[5]?！凹状继娲?，二甲醚替代柴油”，這是有關(guān)專家就目前石油短缺提出的燃料替代思路。上海市目前已完成了DME汽車研發(fā)及DME公交客車試驗運行，一個多月的路況試驗運行數(shù)據(jù)表明，各項性能指標良好，我國車用DME應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)已躍居世界先進行列。DME十六烷值高，蒸發(fā)潛熱大，自燃溫度比柴油低，這決定了DME比柴油更適于做壓燃式發(fā)動機燃料。對直噴式柴油機車燃用DME的性能與排放的研究結(jié)果表明，DME發(fā)動機的功率可較柴油發(fā)動機提高10%~15%，熱效率提高2%~3%，燃燒噪聲可降低5~10dB；而且氮氧化物、一氧化碳等污染物的排放量也很低，可以滿足歐洲Ⅲ排放標準。眾所周知，柴油機循環(huán)(壓燃式)比汽油機循環(huán)(火花點燃式)的熱效率高7%~9%，從燃料有效利用角度看，應(yīng)有更多的汽車利用柴油機作為動力。但柴油發(fā)動機存在尾氣氮氧化物、硫化物與黑煙等排放問題，會形成酸雨，污染大氣環(huán)境，氮氧化物還破壞臭氧層。而DME發(fā)動機卻可彌補上述不足。同柴油機相比，DME有如下優(yōu)勢：①分子中只有C-O鍵和C-H鍵，含氧，燃燒后生成的炭微粒少，并允許采用較大量的廢氣循環(huán)，降低NOx排放量；②十六烷值高于柴油，自燃溫度低，滯燃期比柴油短，因而NOx排放少，燃燒噪聲也低；③DME與空氣的理論混合氣熱值比柴油高5%左右，因此DME發(fā)動機功率可以高于柴油機；④氣化潛熱是柴油的1.6倍，可大幅度降低柴油機最高燃燒溫度，改善NOx的排放性能[7]。2．2．3醇類燃料甲醇是從天然氣、石油和煤炭中提取的，具有高辛烷值、低發(fā)熱量、低污染和無排煙等特點。甲醇燃燒完全，可減少20%～50%HC的排放，顆粒物及NOX排放也很低。此外，其揮發(fā)性低，加油和行駛過程中蒸發(fā)損失小。目前，商用甲醇主要為M85(85%甲醇+15%汽油)和M100，M100性能優(yōu)于M85，具有更大的環(huán)境優(yōu)越性。但甲醇毒性大，有腐蝕性，其生產(chǎn)過程是從能源的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài),能源利用率低。乙醇是最早開發(fā)的替代燃料。純乙醇作燃料具有非常低的碳氫化合物(HC)和有毒物排放。乙醇可從谷物、纖維素等生物發(fā)酵產(chǎn)生，但其成本太高，約為汽油的兩倍以上，若生產(chǎn)工藝技術(shù)無重大突破,很難廣泛推廣。一般內(nèi)燃機燃用的石油燃料(柴油、汽油等)是烴類燃料，而醇類是烴基與羥基-OH組成的化合物。這就從本質(zhì)上決定了醇類可以作為內(nèi)燃機的代用燃料。醇類燃料主要指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。醇分子結(jié)構(gòu)中含有氧，更易于燃燒，理化特性與汽油接近，表2給出了甲醇、乙醇、汽油的基本理化性質(zhì)和燃燒性質(zhì)的對比。從表2可以看出：醇類的熱值比汽油低得多；其化學(xué)當(dāng)量比所需的空氣比汽油燃燒所需的空氣少得多；醇類的汽化潛熱高，汽化時所需的熱量也比汽油多。醇類的飽和蒸氣壓比汽油低。低的蒸氣壓力和高的汽化潛熱使其蒸發(fā)更困難，因而對混合氣形成系統(tǒng)提出了更高的要求。醇類的辛烷值高，允許內(nèi)燃機的壓縮比高，這對點燃式內(nèi)燃機的燃燒特別有利。將汽油機改為醇類發(fā)動機不太困難。醇是含氧燃料，其著火界限寬，在燃燒時有自供氧效應(yīng)，可以使燃燒更完善，有利于組織稀薄燃燒，減少碳煙和CO排放[8]。表2甲醇、乙醇、汽油理化特性和燃燒特性的對比燃料特性甲醇乙醇汽油密度（20℃）kg·0．7920.78930.72~0.78沸點(℃)64．578.440~210氣化熱(MJ·kg-1)1．0880.8540.31~0.34辛烷值RON106~115~11080~98低熱值HL(MJ·kg-1)19．91626.77843.9~44.4著火溫度(℃)470434350~468理論空燃比A/F（kg·L-1）6．458.4514.7~15.0與空氣著火界限(體積分數(shù))%6．0~36．53.5~18.01.3~7.6最小點火能量(mJ)0．140.630.25~0.27最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s)0．523—0.38~0.582．2．4生物柴油生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物,油粽、黃連木等油料林木果實,工程微藻等水生植物以及動物油脂、餐飲廢油等為原料生產(chǎn)的液體燃料。生物柴油具有優(yōu)良的潤滑性能和發(fā)動機低溫啟動性能,方便貯運且燃燒性能優(yōu)良。生物柴油的理化性質(zhì)和礦物柴油的不同，而且不同原料制成的生物柴油之間也不同，這些不同的性質(zhì)會導(dǎo)致發(fā)動機點火、燃燒、排放特征的明顯不同。通常用CN（十六烷值）值來表示燃油的自燃性，它會影響整個燃燒過程。CN值低，則燃料發(fā)火困難，滯燃期長，柴油機工作粗暴。CN過高，會導(dǎo)致燃燒惡化。從表3看出生物柴油的CN值高于普通柴油，這意味著如果使用純生物柴油或使用生物柴油與柴油的混合燃料，CN增加，致使燃料自燃溫度降低，滯燃期短，有利于發(fā)動機冷啟動，還能夠降低HC和CO排放。表3各種生物柴油的十六烷值原料油CN值原料油CN值0#油>45動物脂50.17大豆油47回鍋油52.91天然棕桐油49橡膠油44.81向日葵油46.9亞麻仁油55.14相對同一蒸發(fā)量的餾出溫度越低，表明燃油蒸發(fā)性越好，越有利于可燃混合氣的形成和燃燒。表4給出了多種原料制取的生物柴油的初始餾出溫度（IBP）、10%，50%，90%餾出溫度及終餾溫度（FBP）。從表4中可以看出，生物柴油的餾出溫度較2#柴油的要高，也就是說生物柴油的蒸發(fā)性能不如2#柴油。表4各種生物柴油的餾程原料油初始餾出溫度/℃T10/℃T50/℃T90/℃終餾溫度/℃2#柴油185210260315345大豆油302328334351356天然棕櫚油6371335360610菜籽油326340344348366動物脂—316.7328336.4—回鍋油—331336342.1—運動粘度是表明燃料流動及霧化性能的重要指標。運動粘度太高或太低時，都會影響發(fā)動機的供油過程，從而影響發(fā)動機性能。從表5中可見，生物柴油的粘度普遍比礦物柴油的高，但仍然能夠滿足柴油機燃料的使用要求。表5各種生物柴油的粘度原料油40℃粘度/（mm2·s-1原料油40℃粘度/（mm2·s-1柴油>45動物脂4.8大豆油4.5亞麻仁油3.59黃油5.16菜籽油4.83液體燃料的低溫性是指在低溫下，燃料在發(fā)動機供油系統(tǒng)中能否順利地泵運和通過油濾，并且能夠保證發(fā)動機正常供油的性能。從表6可以看出，生物柴油的蝕點和凝點比0#柴油的要高。所以，生物柴油的低溫性能不如0#柴油。表6各種生物柴油的低溫性原料油濁點/℃凝點/℃冷濾點/℃0#柴油—≤4—大豆油3-41菜籽油-4-10.83.6動物脂13.9911亞麻仁油—-15—熱值是生物柴油應(yīng)用于發(fā)動機的基本衡量指標，與發(fā)動機的動力性能密切相關(guān)。生物柴油含碳量低于普通柴油，從表7中可以看出，生物柴油的低熱值低于礦物柴油的低熱值，在不影響柴油機熱效率的情況下，使用生物柴油的燃油經(jīng)濟性應(yīng)該比石化柴油低10%左右[9]。表7各種生物柴油的低熱值原料油低熱值/(MJ·kg-1)原料油低熱值/(MJ·kg-1)0#柴油44.95橡膠油38.65大豆油40.67亞麻仁油40.374黃油37.144向日葵油38.57菜籽油37.34廢棕櫚油39.3052．3本章小結(jié)綜上分析各種替代燃料的優(yōu)缺點，并結(jié)合實際情況，目前最具應(yīng)用價值的替代燃料是NG。NG和其它替代燃料比主要有如下優(yōu)點:(1)熱值高，辛烷值高，十六烷值低，排放好，噪聲小。熱值高，單位體積混和氣放出的熱量多，功率損失?。恍镣橹蹈?，十六烷值低，車輛的點火性能好，爆震傾向小，噪音小。目前替代燃料方興未艾，各國都在致力發(fā)展車用替代燃料以應(yīng)對能源危機和環(huán)境壓力。替代燃料也呈現(xiàn)出多元化、交叉化、綜合化的發(fā)展趨勢(氫氣、沼氣、植物油、動物油、燃料電池及雙燃料內(nèi)燃機等都已在不同領(lǐng)域開發(fā)或應(yīng)用)。雖然天然氣存在儲氣壓高、發(fā)動機體積效率低以及功率下降等問題，但是綜合目前各種替代燃料的發(fā)展現(xiàn)狀，天然氣是最具應(yīng)用價值的。3．替代燃料的應(yīng)用技術(shù)3．1替代燃料發(fā)動機實驗3．1．1生物柴油發(fā)動機實驗研究進展國內(nèi)外對生物柴油進行了廣泛深入的發(fā)動機實驗研究。生物柴油由于熱值較柴油低、能量密度低，所以燃用生物柴油，發(fā)動機的功率和扭矩較柴油有所減低，但因其含氧10%-11%，所以燃燒更充分，HC、CO和PM排放比柴油有明顯下降，NOx排放總體由于燃料含氧有所上升，僅在個別工況可能由于生物柴油的十六烷值較高，著火延遲縮短，減少了預(yù)混燃燒的量導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度較柴油略低而NOx排放減少。生物柴油含硫很少，所以SO2排放幾乎為零。對于生物柴油以不同比例和柴油摻燒的大量試驗表明，B20的混合燃料有比較好的綜合排放，生物柴油比例過高可能引起NOx排放的惡化。然而通過一定比例的EGR和噴油推遲可以有效降低生物柴油的NOx排放，但EGR可能引起發(fā)動機油耗、效率方面的不利影響。有關(guān)燃料噴射特性方面的研究表明生物柴油由于其粘度比柴油大，故其噴霧特性比柴油略差，可能一定程度影響發(fā)動機缸內(nèi)燃燒[10]。3．1．2生物柴油摻燒乙醇的發(fā)動機實驗以一臺EQ4BTA壓燃式發(fā)動機為試驗臺架，對餐飲廢油制生物柴油進行了發(fā)動機實驗研究?？紤]到生物柴油由于粘度大而噴霧性能較差的情況，選取生物柴油摻混不同比例乙醇而配制的混合燃料為實驗燃料，研究了添加不同比例乙醇生物柴油的燃燒和排放性能，并將其與0#柴油進行了對比，分析各種燃料對發(fā)動機燃燒和排放的影響。生物柴油含氧11%，理論空燃比為12.5，本實驗用生物柴油十六烷值大于49，低熱值32.5MJ/L。乙醇（C2H5OH）含氧34.7%，理論空燃比A/F為8.45，十六烷值為8，低熱值26.77MJ/kg，20℃時密度為0.79kg/L,運動粘度為1.52mm2/s（小于柴油和生物柴油），比熱容2.72kJ/kg（大于柴油），汽化潛熱為904kJ/kg（大于柴油的207），沸點78.5℃。本實驗用生物柴油的物性參數(shù)如下表表8燃料物性參數(shù)名稱乙醇生物柴油密度@25℃0.7940.875低熱值(MJ/kg)26.7737.14十六烷值849研究法辛烷值116—沸點(℃)78.5—含氧量（%）34.711T90(℃)—356.4比熱容（kJ/kg）2.72—汽化潛熱（kJ/kg）904—運動粘度@40℃(mm21.524.403理論A/F8.4512.5含硫量(massppm)0176（1）實驗臺架及測試設(shè)備實驗用發(fā)動機為一臺東風(fēng)EQ4BTA柴油機，發(fā)動機參數(shù)如表9所示。表9EQ4BTA發(fā)動機參數(shù)發(fā)動機型號東風(fēng)4BTA柴油機進氣形式增壓中冷標定功率/轉(zhuǎn)速92kW/2800rpm最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速410N·m/1650rpm缸徑/行程102mm/120mm氣缸排量3.92升壓縮比17.5實驗用主要測試設(shè)備如下表10。表10試驗所用主要測試設(shè)備電渦流測功機中國北方發(fā)動機研究所全自動控制系統(tǒng)中國北方發(fā)動機研究所曲軸角標觸發(fā)儀長春第一光學(xué)儀器廠氣缸壓力傳感器Kistler壓電式，6125A型電荷放大器Kistler，5015型消光式煙度計AVL439型五氣體排放測試儀AVL4000型試驗系統(tǒng)圖和燃燒分析儀連接示意圖如圖3-1，3-2所示。發(fā)動機發(fā)動機油耗儀測功機燃燒分析儀進氣排氣五氣分析儀煙度計（2）實驗方案實驗燃料的選取實驗用燃料分別為D(柴油)、BE10(含10%乙醇的生物柴油)、BE20（含20%乙醇的生物柴油和BE30（含30%乙醇的生物柴油），其摻混比均為體積比。三種混合燃料的重要參數(shù)十六烷值如圖3-3[1]所示。實驗工況點的設(shè)定實驗選取1200rpm和1600rpm兩個轉(zhuǎn)速。用1200rpm代表低轉(zhuǎn)速，1600rpm，代表接近最大扭矩轉(zhuǎn)速。負荷分別選30Nm，90Nm，150Nm。30Nm代表低負荷，90Nm代表中低負荷，以150Nm代表中等負荷。（3）實驗結(jié)果及分析生物柴油含氧11%，理論空燃比為12.5，加入的乙醇（C2H5OH）含氧34.7%，理論空燃比A/F為8.45，因此一般認為生物柴油的燃燒速率要比柴油等非含氧燃料快，生物柴油和乙醇的混合燃料含氧更多，但燃燒情況還有賴于混合燃料十六烷值和其它各因素的影響。同時生物柴油具有較高的十六烷值，易于壓燃，有縮短滯燃期的傾向。而另一方面，生物柴油粘度較大，噴霧和霧化性能較差，利于壓燃的混合氣形成較慢，從這個角度講又有滯燃期延長的傾向。乙醇對缸內(nèi)燃燒的潛在影響：（1）乙醇運動粘度小，流動性好，因此生物柴油中加入乙醇可降低粘度改善噴霧和霧化。（2）同時乙醇有是一種低沸點燃料，沸點僅為78.5℃，因此加乙醇的生物柴油在噴油后由于缸內(nèi)溫度較高而可能出現(xiàn)乙醇的率先汽化，可能產(chǎn)生二次霧化或微爆效應(yīng)，進一步促進燃油揮發(fā)霧化。（3）從乙醇的理化特性我們還可以看到乙醇具有相當(dāng)于柴油3圖3-4為在1200rpm，30Nm工況點，燃料D、BE10、BE20、BE30各自的放熱率曲線，缸內(nèi)壓力曲線和缸內(nèi)溫度曲線。由放熱率圖可以明顯的看出15℃ABTDC附近出現(xiàn)的燃料蒸發(fā)吸熱效應(yīng)的變化和對滯燃期的延長，燃料BE30放熱率峰值明顯后移2-3℃A，這是由于其含有汽化潛熱大的乙醇最多和十六烷值降低最多而導(dǎo)致，在燃料噴油后的吸熱效應(yīng)也比較明顯。BE10、BE20、B30放熱率峰值逐步有所降低，這可能因為低負荷噴油少，含氧逐步增多又使燃燒越來越柔和、充分。對于缸內(nèi)壓力曲線，BE10燃料性質(zhì)和D最接近，缸內(nèi)壓力曲線也和D同步上升下降，只是燃燒開始后壓力始終在柴油的缸壓曲線之下，但差距很小。BE20著火時刻進一步延遲。BE30由于噴油后燃油汽化吸熱更多和其本身的低十六烷值，著火延遲較BE20更長，所以缸內(nèi)最高壓力位置較BE20輕微后移。缸內(nèi)溫度方面，燃料BE20和BE30均有降低，圖3-5為1200rpm，90Nm時D、BE10、BE20、BE30四種燃料的放熱率、缸壓和缸內(nèi)溫度曲線。因十六烷值繼續(xù)降低而使預(yù)混燃燒部分增加，所以BE20、BE30燃料放熱率峰值升高。同時，負荷上升導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高，因此燃料汽化吸熱和十六烷值降低引起的滯燃期延遲已不再像低負荷30Nm時那么明顯，燃料引起的著火推遲作用有減小的趨勢。BE10、BE20、BE30的后燃放熱較柴油減少，尤其BE10，在燃燒相位不變的情況下，后燃較柴油顯著減少，這對其提升效率是有益的。此工況點下缸內(nèi)壓力峰值均幾乎處在上止點附近，缸壓曲線差別較小，僅有BE20、BE30著火延遲的不同，BE30雖著火最遲，但其放熱更靠近上止點，幾乎最先達到缸內(nèi)壓力峰值，這樣說明其上止點之前做負功少，因此將給BE30的效率帶來進一步的提升。對于缸內(nèi)溫度的變化情況，如圖3-5所示，BE20缸內(nèi)溫度高于D和BE10，BE10稍低于D，BE30和柴油D差不多。圖3-6是1200rpm，150Nm時D、BE10、BE20、BE30四種燃料在燃燒過程中的放熱率曲線、缸內(nèi)壓力曲線和缸內(nèi)溫度曲線圖。隨著負荷進一步加大，含氧燃料噴油量較柴油繼續(xù)增加，繼BE20、BE30后BE10也由于噴油量明顯增多和含氧燃燒效率高且燃燒快而放熱率峰值上升(高過柴油)。另一方面，負荷上升、噴油量上升帶來的缸內(nèi)溫度上升和殘余廢氣溫度上升進一步削弱燃料的汽化吸熱和十六烷值較低而導(dǎo)致的滯燃期延長，因此燃燒放熱相位由低負荷的各種燃料著火時刻區(qū)別明顯而變?yōu)榫煌潭认駾靠近。缸內(nèi)壓力曲線也可以看出BE30雖著火時刻最晚，但其壓力升高最快，這可能和其含氧更多有關(guān)。同時由圖可以看出含氧燃料的缸內(nèi)壓力峰值均高于柴油。與前相比，如缸內(nèi)溫度圖所示，負荷的增大使含氧燃料缸內(nèi)燃燒溫度的增幅進一步上升，但BE30燃料由于始終比較明顯的著火延遲并不是最高，反而是BE20對燃燒相位推后作用相對BE30小，放熱率峰值又比柴油高，所以升溫幅度最大，同理30Nm時BE10降溫幅度最小。圖3-7為1600rpm，30Nm時D、BE10、BE20、BE30四種燃料在發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程中的放熱率曲線，缸內(nèi)壓力曲線和缸內(nèi)溫度曲線。由于轉(zhuǎn)速升高，每行程運行時間縮短，燃料不能充分的汽化吸熱，所以BE10、BE20的汽化吸熱不明顯，滯燃期沒有延長，BE20甚至提前著火。BE30由于其低達37的十六烷值和含有更多比例的汽化潛熱大的乙醇依然保持明顯的著火延遲，燃燒相位明顯推后，放熱率峰值方面含氧燃料由于燃燒速率快和徹底所以放熱率峰值均有所上升。從圖3-7中還可以看出在著火時刻差不多的的情況下，BE10、BE20的燃燒持續(xù)期均短于柴油D。缸內(nèi)壓力方面，BE30由于推遲著火所以最高壓力位置輕微后移，最高壓力高于柴油。BE20著火時刻幾乎未發(fā)生變化，最高壓力位置幾乎出于上止點處，且最高壓力高于D。對于缸內(nèi)溫度，BE30因有著火時刻的明顯滯后，高溫持續(xù)時間短。BE20、BE10和D最高溫度依次降低。圖3-8是1600rpm，150Nm時D、BE10、BE20、BE30四種燃料缸內(nèi)燃燒過程中放熱率曲線、缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線圖。其中BE20、BE30的燃燒持續(xù)期均縮短，效率較柴油D有所提升。缸內(nèi)溫度、壓力在此工況點下和柴油相比無明顯變化。3．2甲醇用作柴油替代燃料的研究現(xiàn)狀3．2．1柴油機燃用甲醇主要方法優(yōu)缺點分析柴油機燃用純甲醇方式主要有：提高十六烷值法、外源助燃法(包括火花塞助燃和電熱塞助燃)、空氣加熱法等方式。（1）提高十六烷值法由于甲醇十六烷值低，自燃溫度高，不易壓燃。在甲醇中加入一些著火溫度低的物質(zhì)如硝酸鹽化合物，提高甲醇的十六烷值，可以改善甲醇的著火性能，實現(xiàn)甲醇在柴油機上直接壓燃。其主要優(yōu)點：不需要對原機進行任何改動，燃用甲醇就可以保證發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。其主要缺點：燃料成本增加，硝酸基化合物燃燒會產(chǎn)生有毒排放物，是制約該方法實際應(yīng)用的主要因素。（2）外源助燃法利用高能點火或火花點火，可以在柴油機上燃用純甲醇。外源助燃法能夠?qū)崿F(xiàn)純甲醇發(fā)動機的可靠點火，使用方便，但是須要對柴油機進行改裝，增加火花塞或電熱塞，適用于新發(fā)動機的生產(chǎn)，對已經(jīng)投入使用的發(fā)動機而言，改裝比較困難。一是火花塞助燃。高辛烷值的甲醇決定了甲醇是點燃式內(nèi)燃機的適宜燃料。吉林大學(xué)在1130型單缸直噴式柴油機上進行了燃用99.9%精制工業(yè)甲醇的試驗。結(jié)果表明，采用多火花點火系統(tǒng)可使甲醇小負荷時的有效熱效率提高30%～40%。西安交通大學(xué)在S195型單缸柴油機上采用多火花塞的助燃方式，能夠?qū)崿F(xiàn)無煙燃燒，其熱效率與原機相當(dāng)。二是電熱塞助燃。天津大學(xué)在X1105型柴油機上進行了采用電熱塞助燃法燃用純甲醇的試驗。結(jié)果表明，隨著電熱塞功率的提高，高負荷時的熱效率和低溫啟動性能均優(yōu)于原機，燃料消耗率有所下降。（3）空氣加熱法用空氣加熱器對進氣道的空氣進行加熱，用高壓泵將甲醇噴入燃燒室著火來保證甲醇自燃。其主要優(yōu)點：在對發(fā)動機改動較少的情況下可以燃用純甲醇。其主要缺點：壓縮比要求高，純甲醇燃燒起動困難，要借助柴油起動暖機后，再切換到燃用甲醇，難以推廣。甲醇/柴油摻混燃燒的方式可分為：混合燃料法(助溶劑法或稱乳化法)、雙燃料法(包括化醇器法和雙噴射法)、組合燃料法、熏蒸法等方式。甲醇/柴油摻混燃燒的方式可分為：混合燃料法(助溶劑法或稱乳化法)、雙燃料法(包括化醇器法和雙噴射法)、組合燃料法、熏蒸法等方式。（1）混合燃料法混合燃料法就是在甲醇/柴油混合燃料被噴入柴油機氣缸之前，用壓力混合或者加上適當(dāng)助溶劑或乳化液，使甲醇和柴油均勻混合，然后通過燃料供給系統(tǒng)把混合燃料噴入柴油機缸內(nèi)著火燃燒。其主要優(yōu)點是對原柴油機改動較小，能夠取得較好的性能。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)采取新的乳化工藝，將柴油和甲醇混合，按選定的配比方案研制混合燃料，在X195柴油機上進行試驗。試驗表明，在結(jié)構(gòu)不變的情況下，柴油機燃用乳化的甲醇/柴油混合燃料，熱效率有明顯的提高，在中、高負荷時燃料消耗量明顯下降，經(jīng)濟性好，平均節(jié)油率為9.42%，排溫有不同程度降低，排煙得到明顯改善，大大減少了環(huán)境污染；但在燃用混合燃料時，滯燃期將延長。為了提高柴油機的動力性，要增加噴油泵循環(huán)供油量，使得發(fā)動機工作稍顯“粗暴”。西安交通大學(xué)研究了直噴柴油機燃用不同摻混比的甲醇和柴油混合燃料對柴油機經(jīng)濟性、動力性、燃燒特性和排放特性的影響。同時，測試了摻甲醇量分別為10%，15%，20%混合燃料和純柴油時柴油機各種性能。通過結(jié)果的比較，分析了甲醇摻混量對其影響的規(guī)律和原因。采用等過量空氣系數(shù)法確定試驗工況，以保證在同樣的燃燒條件下進行比較。結(jié)果表明，在等轉(zhuǎn)速和等過量空氣系數(shù)條件下，加入一定量的甲醇改善了柴油機的燃燒特性，具有較高的燃燒熱效率；煙度和CO排放隨甲醇摻混量的增加而下降，摻甲醇使NO排放升高，并在摻醇量為10%～15%時達到最大值。西華大學(xué)對不同甲醇/柴油混合比例M20、M30、M40、M50這4種甲醇/柴油混合燃料進行了互溶性試驗研究。在1臺稍加改裝的柴油機上，通過添加一定的助溶劑，在不更換原發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)的情況下，對柴油機燃用M15和M30進行了發(fā)動機的燃燒工作特性及其排放特性研究。結(jié)果表明，當(dāng)甲醇的比例增大時，添加的助溶劑量也要相應(yīng)增大，才能保證互溶而不至于分層；但是在甲醇/柴油較低的混合比例(低于20%)下，添加較小量的助溶劑，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的互溶，發(fā)動機工作穩(wěn)定。柴油機燃用甲醇/柴油混合燃料時的NOx和碳煙排放同時下降，結(jié)合成本考慮的比油耗下降。（2）雙燃料法一是化醇器法。在柴油機進氣管上安裝類似汽油機化油器的化醇器，甲醇在進氣的過程中被汽化，進入燃燒室后由柴油引燃。此方法需要提供兩套燃料供給系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。二是雙噴射法。兩個燃料噴射系統(tǒng)向一個燃燒室噴射燃料，一個噴射主燃料甲醇，另一個噴射引燃柴油。該方法需要在缸蓋上安裝兩只噴嘴，還要安裝電熱塞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3）組合燃料組合燃料法是指在啟動、暖車及小負荷工作時，柴油機僅以純柴油進行工作；而在中高負荷時由柴油引燃噴入氣缸的甲醇均質(zhì)預(yù)混合氣。天津大學(xué)在1臺高速直噴式柴油機上采用甲醇/柴油組合燃燒方式進行了研究。結(jié)果表明，采用組合燃燒的發(fā)動機不僅可成功替代部分柴油，而且實現(xiàn)了同時降低發(fā)動機碳煙和NO排放的目的，從總的能量利用率上也較原機有一定幅度的提高。（4）熏蒸法熏蒸法是較早采用的一種摻混甲醇燃燒的方法。它是利用柴油機的排氣余熱對液態(tài)甲醇進行加熱、蒸發(fā)后再和空氣混合，進入氣缸燃燒。甲醇的輸入量通過化油器或文丘利管進行控制。其主要優(yōu)點：柴油機的結(jié)構(gòu)改動小，利用柴油機的余熱汽化甲醇，可以回收部分熱量，有利于能量的充分利用。其主要缺點：甲醇的蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)量隨工況變化的控制較為困難；當(dāng)汽化甲醇的摻燒比增加時(>40%質(zhì)量比)，柴油機低負荷燃油經(jīng)濟性變差，高負荷時容易工作粗暴[11]。3．2．2甲醇用作柴油替代燃料存在的主要問題（1）腐蝕問題甲醇是極性很強的物質(zhì)，對金屬有較強的腐蝕性，對塑料和橡膠有溶漲作用，因此會對與甲醇接觸的柴油機部位如噴油泵、供油管道、氣門和氣門座、塑料橡膠件等造成不利影響[11]。所以，當(dāng)采用高含醇量的混合燃料時，要配以耐油性好的橡膠材料和避免在供油系中使用塑料件。但當(dāng)混合燃料中的含醇比例低如小于10%時，腐蝕和溶脹的影響可忽略，可直接使用而不必采用相應(yīng)的措施[12]。（2）非常規(guī)排放物問題柴油機燃用甲醇后，盡管對常規(guī)排放物的排放量有較大的改善，但同時帶來了新的問題，就是未燃醇、甲酸等非常規(guī)排放物，還有甲醛的排放量可達到常規(guī)發(fā)動機的5倍左右，需要加快研究解決[11]。（3）甲醇/柴油混合燃料的互溶及分層問題醇類集親水性和親油性于一身，一方面甲醇在常溫下能以一定比例溶于汽油，不能互溶(乙醇在常溫下能與汽油互溶)，另一方面甲醇和乙醇能與水以任何比例互溶，汽油與水相互排斥。因此，醇類與汽油混合燃料存在分層問題。同時醇類中混有的水分愈多，與汽油的互溶性愈差，醇與油分層愈嚴重。在汽油機中摻燒醇類，醇類與汽油必須均勻混合，如果醇油分層，則對發(fā)動機燃燒的均勻性和工作過程的均勻性有明顯影響。這會造成熱效率下降，排污增加，同時增加了發(fā)動機的震動、噪聲和機件早期損壞[12]?？紤]到甲醇的物化特性，柴油機燃用純甲醇不是最佳辦法，比較柴油機燃用甲醇/柴油摻混燃燒方法中，混合燃料法是最便捷的方法，但是存在甲醇與柴油互溶穩(wěn)定性問題，需要在助溶劑及其互溶工藝上加強研究[11]。3．3合成油技術(shù)3．3．1合成油技術(shù)隨著石油資源的逐年消耗，天然氣技術(shù)的成熟，天然氣在能源中的地位愈加重要20世紀90年代以來，許多大公司都投巨資開發(fā)天然氣合成液體烴（GTL）技術(shù)。天然氣轉(zhuǎn)化生產(chǎn)合成燃料的優(yōu)點是不含硫、氮等雜質(zhì)和芳烴等非理想組分，是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料。目前EXXON公司開發(fā)的合成油技術(shù)稱為AGC—21技術(shù)。其技術(shù)路線是天然氣通過流化床反應(yīng)器，催化轉(zhuǎn)為合成氣，合成氣通過懸浮床反應(yīng)器催化轉(zhuǎn)化為正構(gòu)烷烴，最后通過固定床加氫異構(gòu)化轉(zhuǎn)化為合成油。這種合成油可與20美元/桶的德克薩斯中質(zhì)原油進行競爭。SHELL公司開發(fā)的合成油技術(shù)稱為SMDS技術(shù)。技術(shù)路線是天然氣氧化生產(chǎn)合成氣，采用Fischer—Ttopsch合成工藝把合成氣轉(zhuǎn)化為大分了重質(zhì)烷烴，最后通過加氫裂化把大分了烷烴轉(zhuǎn)化為中餾分油。采用該技術(shù)的合成油工廠己于1993年在馬來西亞投產(chǎn)。車用燃氣是指車用LPG（液化天然氣）、CNG（壓縮天然氣）、LNG（液化天然氣）。[13]天然氣制合成油技術(shù)源于二戰(zhàn)期間德國開發(fā)的煤制合成氣經(jīng)費—托合成(FischerOTropsch)獲得合成油的工藝，美國在1948年就利用該技術(shù)曾建設(shè)以天然氣為原料制合成油的36×104t/a裝置，后由于經(jīng)濟問題停運。80至90年代間實現(xiàn)工業(yè)化的三套合成油裝置分別是新西蘭采用Mobil公司的甲醇制汽油(MTG)工藝，以天然氣為原料的GTL裝置；馬來西亞使用Shell公司的中間餾分油合成工藝(SMDS)的GTL裝置以及南非以天然氣為原料的費—托合成裝置；三套GTL裝置它們以天然氣為原料，第一步將天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣，經(jīng)過費—托合成路線的有Shell公司的SMDS工藝和Sasol公司的Synthol工藝，而Mobil公司的MTG工藝則以甲醇為中間產(chǎn)物。其中Shell公司的SMDS工藝被認為是目前世界GTL裝置成功的首選工藝，該工藝的工業(yè)化裝置已于1993年5月在馬來西亞成功地應(yīng)用，獲得了優(yōu)質(zhì)的柴油燃料，現(xiàn)已改造為具有生產(chǎn)柴油、石腦油、優(yōu)質(zhì)石蠟等多種產(chǎn)品的能力。目前，GTL技術(shù)的開發(fā)正方興未艾，許多國家已經(jīng)宣布了一些建設(shè)GTL裝置的計劃情況，見表3。已經(jīng)開發(fā)成功等待工業(yè)化的工藝有：美國Exxon公司的號稱“21世紀氣體轉(zhuǎn)化工藝”的AGC—21工藝，Syntroleum公司的工藝、美國能源部所屬單位的GasCat工藝以及Rentech工藝等。Exxon公司的AGC—21工藝分造氣(采用流化床工藝)、漿液床費托合成和產(chǎn)品改質(zhì)三個階段，圖為其工藝流程示意圖。天然氣、氧氣和水蒸汽在鎳基催化劑反應(yīng)器中反應(yīng)生成H2/CO比接近2：1的合成氣，然后在高活性鈷基催化體系作用下，于漿液床反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)FOT合成反應(yīng)，生成分子量范圍很廣的烷烴混合物，最后將混合物經(jīng)固定床加氫異構(gòu)改質(zhì)為液態(tài)烴產(chǎn)品，AGCO21工藝生產(chǎn)的柴油產(chǎn)品性質(zhì)明顯的優(yōu)于目前廣泛使用的常規(guī)柴油[14]。3．3．2煤基合成油技術(shù)煤基合成油技術(shù)隨著原有價格不斷上漲和戰(zhàn)略儲備的需要，使得煤基合成油技術(shù)得到開發(fā)和利用。法國煤直接液化技術(shù)在南非己經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)；煤間接液化技術(shù)也在中國、美國等國家開花結(jié)果。中國科學(xué)院山西煤化所開發(fā)了鐵基催化劑的F—T合成油技術(shù)，并形成自主知識產(chǎn)權(quán)，2009年，由中科合成油公司、撫順石油化工研究院和中國石油集團工程設(shè)計有限公司撫順分公司共同完成的中國第一套煤基合成油工業(yè)試驗裝置在內(nèi)蒙占即將投產(chǎn)。國家己批準的煤基合成油工業(yè)項目正在規(guī)劃之中，其產(chǎn)品與天然氣合成油相似屬于清潔燃料[13]。目前中科院山西煤化所在國內(nèi)共建有三套示范裝置，分別為潞安、伊泰和神華，三套裝置均從2006年開始建設(shè)，潞安和伊泰集團最早建成，目前生產(chǎn)負荷在100%以上，日產(chǎn)量在450噸左右，裝置已穩(wěn)定運行四年以上，各項技術(shù)指標均處于國際領(lǐng)先地位。通過示范裝置的成功示范，有力驗證了中科院山西煤化所自主研發(fā)的煤基合成油技術(shù)可行，催化劑活性、油品產(chǎn)率及能效等方面已經(jīng)達到或超過了國外技術(shù)水平[15]。3．4本章小結(jié)3．4．1生物柴油摻混乙醇燃料發(fā)動機臺架試驗結(jié)果介紹了用于生物柴油摻混乙醇燃料發(fā)動機臺架試驗的發(fā)動機參數(shù)及相關(guān)測試儀器和測試方法，通過在一臺4BTA柴油機上燃用BE10、BE20、BE30和D的對比試驗，得出以下主要結(jié)論：（1）生物柴油添加乙醇可利用其汽化吸熱和十六烷值下降推遲燃料著火時刻，使滯燃期延長。但當(dāng)轉(zhuǎn)速提高和負荷上升時，缸內(nèi)溫度隨之升高，加乙醇提高汽化吸熱的效果逐步降低，但通過加乙醇使十六烷值有較大降幅來推遲著火時刻仍然可行（如BE30）。（2）BE20可在保持著火時刻變化不大的情況下發(fā)揮自身含氧燃料優(yōu)勢，燃燒速率較快，放熱率峰值上升，最高壓力較高及位置好、燃燒等容度高，所以能耗率低，發(fā)動機效率得到提升。BE30通過推后燃燒相位及含氧利于燃燒等特點也可提高發(fā)動機效率，但不如BE20效果好。（3）發(fā)動機燃用BE30燃料可有效降低NOx排放，燃用BE20燃料NOx出現(xiàn)一定幅度的上升。含氧燃料HC和CO微幅上升，總體保持在原機很低的水平?；旌先剂嫌捎诤酰紵熍欧趴傮w呈現(xiàn)降低趨勢。（4）生物柴油摻燒乙醇可以降低油耗率，提升發(fā)動機效率，但在大負荷時由于供油量大又沿用柴油的供油系統(tǒng)噴油持續(xù)期延長，從而抑制燃料優(yōu)勢的進一步發(fā)揮，節(jié)能增效效果不如小負荷時明顯。3．4．2替代燃料應(yīng)用技術(shù)總結(jié)甲醇用作柴油機燃料時分為燃用純甲醇和甲醇/柴油摻混燃燒。柴油機燃用純甲醇的方法主要有：提高十六烷值法、外源助燃法(包括火花塞助燃和電熱塞助燃)、空氣加熱法這些方法。甲醇/柴油摻混燃燒的方法可分為：混合燃料法(助溶劑法或稱乳化法)、雙燃料法(包括化醇器法和雙噴射法)、組合燃料法、熏蒸法等方法。甲醇資源豐富，燃燒性能優(yōu)良，特別是柴油機燃用甲醇/柴油混合燃料時，對柴油機改動較小，比較好地克服了純甲醇在柴油機中應(yīng)用的缺點和兼顧了甲醇和柴油二者的優(yōu)點。只要注意解決出現(xiàn)的新問題，甲醇/柴油混合燃料作為柴油機的替代燃料，是一種柴油機燃用甲醇最便捷的方法。此技術(shù)不但能夠緩解石油供應(yīng)緊張的矛盾，還可以顯著降低有害物質(zhì)的排放，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，應(yīng)用前景廣闊。運輸燃料市場是任何化工產(chǎn)品都難以比擬的，因此，對于GTL工藝而言，不存在市場限制問題，世界石油儲量的不斷消耗和對0含硫量燃油的環(huán)保需求也使得天然氣合成油成為可替代的能源。在未來的幾年里GTL工藝的技術(shù)研究將會更加成熟，天然氣合成油的規(guī)模會不斷擴大，也會開發(fā)出更多的理想合成油產(chǎn)品，GTL裝置的投資成本和裝置的操作消耗指標都會明顯降低。鑒于環(huán)保和市場因素，合成油在亞太地區(qū)的發(fā)展會遲一些，因此，我國應(yīng)該利用機會提前考慮開發(fā)適合我國國情的GTL工藝(如SMDS)技術(shù)路線、完善現(xiàn)有的造氣工藝，在使反應(yīng)與工藝優(yōu)化組合的同時，研究高效的合成催化劑和反應(yīng)器，使GTL工藝在我國盡快工業(yè)化、規(guī)?；?．經(jīng)濟性和生命周期研究4．1替代燃料生命周期4．1．1替代燃料生命周期車用替代燃料的生命周期是從“原料生產(chǎn)”開始到“燃燒/車輛使用”結(jié)束的系統(tǒng)過程，由“原料生產(chǎn)”、“燃料生產(chǎn)”和“燃燒/車輛使用”3個單元過程組成，通過“運輸”聯(lián)系到一起(見圖1)[16]。原料生產(chǎn)原料生產(chǎn)材料運輸能源運輸運輸運輸材料燃燒/車輛使用替代燃料生產(chǎn)能源能源消耗和環(huán)境污染物排放在每個階段都可能發(fā)生，因此污染物排放控制和能源消耗控制也應(yīng)該貫穿于整個生命周期。由美國能源基金會資助，中國汽車技術(shù)研究中心、中國石化院等單位進行的中國車用能源研究課題采用了美國阿肯實驗室開發(fā)的GREET評價模型方法，結(jié)合中國的具體情況，計算出國內(nèi)各種替代燃料的能源效率情況以及排放情況。結(jié)果表明：在中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)下，甲醇摻燒燃料的能量效率要低于汽油和柴油。計算采用40%甲醇以天然氣為原料，60%甲醇以煤原料時，M85甲醇汽油的總能量消耗要高于汽油59.46%；M5汽油要比普通汽油增加3.52%。E10摻燒汽油比普通汽油高5.29%。主要是在燃料生產(chǎn)階段能量消耗較大。比較全生命周期各種排放物情況，甲醇和乙醇燃料在汽車運行時的排放量略有減少，生產(chǎn)過程中的排放量有較大增加，特別是采用煤為原料時，各種氣體的排放量增長幅度較大。與汽油相比，M85的CO2排放量增加91.21%，NO2排放量增加4.7%，SOx的排放量增加78.74%，NOx排放量增加62.89%。比較各種燃料的經(jīng)濟性，根據(jù)不同替代燃料車的燃油經(jīng)濟性，同時考慮維修增加費用的情況，按各種替代燃料的預(yù)計價格，測算出各種車輛在整個運行年限內(nèi)的總費用情況，表明M85和M100車的運行費用略低于汽油車，乙醇E10車的運行費用要稍高于汽油。全壽命周期研究顯示醇類燃料的總能量消耗和排放物比汽油高，主要是由于醇類燃料不能像石油那樣直接取得，燃料加工生產(chǎn)需要消耗能量并產(chǎn)生CO2等副產(chǎn)品，生物柴油、氫能源等都存在這樣的問題。通過提高燃料生產(chǎn)裝置的節(jié)能技術(shù)和綜合加工能力，可以逐步降低燃料生產(chǎn)消耗等能量和排放物[17]。4．1．2木薯乙醇生命周期多目標優(yōu)化生命周期評價是一種對產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝及活動給環(huán)境造成的壓力進行評價的客觀過程。國內(nèi)外在車用替代燃料生命周期評價方面作了大量研究工作，國內(nèi)的研究主要集中在清單分析上。目前，基于生命周期評價的多目標優(yōu)化研究已成為一個新的研究方向。利用建立的優(yōu)化模型，采用可變?nèi)莶罘ㄇ蠼?，對木薯乙醇進行多目標優(yōu)化計算。以1輛100km耗油為9.9L(混合工況)的汽油車或功能相當(dāng)?shù)囊掖?汽油混合燃料汽車行駛2×105km為研究對象，以其行駛影響類型的權(quán)重通過把層次分析法與專家咨詢法相結(jié)合獲得。把所有的影響類型歸入可持續(xù)發(fā)展目標下的一組，將不同影響類型對可持續(xù)發(fā)展的影響程度進行兩兩比較，根據(jù)賦予的分值，通過專家咨詢得到不同影響類型對可持續(xù)發(fā)展影響的重要性標度，形成兩兩判斷矩陣。求解判斷矩陣的特征向量，歸一化處理后得各影響類型的權(quán)重。對判斷矩陣進行一致性檢驗，將所有符合一致性檢驗的專家咨詢權(quán)重的算術(shù)平均值作為各影響類型的最終權(quán)重。多目標優(yōu)化后，木薯乙醇生命周期環(huán)境影響總水平值為3.37×10-5人/km，與初始值比較，降低44.7%。因此，通過木薯乙醇生命周期影響多目標優(yōu)化，可以達到使其生命周期影響協(xié)調(diào)降低的目的。在設(shè)計變量多目標優(yōu)化值基礎(chǔ)上，改變混合比例變量和“燃料生產(chǎn)”單元燃料使用變量，不同混合比例及不同燃料情況下木薯乙醇生命周期環(huán)境影響總水平值如圖2所示。由圖可見，隨著混合比例的增加，其生命周期環(huán)境影響總水平值減少；在煤、重油、柴油和天然氣4種燃料中，天然氣產(chǎn)生的生命周期環(huán)境影響總水平值最小。而且，生命周期環(huán)境影響總水平值的優(yōu)化值與分析值一致[16]。4．2經(jīng)濟性分析4．2．1甲醇的經(jīng)濟性長期以來阻礙甲醇燃料汽車發(fā)展的主要問題是甲醇燃料價格偏高，不能與汽油競爭。從我國甲醇生產(chǎn)的實際情況分析，由于天然氣價格較高，甲醇成本不可能有較大的下降，約在1200元/噸左右。采用煤制甲醇路線的甲醇裝置，由于我國煤炭資源豐富、煤價低廉，煤制甲醇的生產(chǎn)成本較低，約為1000-1200元/噸，在煤炭價格低廉的地區(qū)(如山西、內(nèi)蒙古)建設(shè)大型甲醇裝置，甲醇的生產(chǎn)成本可控制在1000元/噸左右。1998-2000年間，國家經(jīng)貿(mào)委和國家科委聯(lián)合組織山西佳新能源化工實業(yè)有限公司承辦《甲醇燃料汽車示范工程項目》。兩年間，示范車隊對化油車、單點電噴車、和多點電噴車進行對比試驗。通過跟蹤監(jiān)測加注汽油量、加注甲醇量、行駛里程、從而計算得到百公里消耗燃料情況和替代比。對于M85甲醇燃料，不同車型甲醇對汽油的替代比不同，一般在1.6-2.25之間。國外資料報道M85甲醇燃料與汽油的體積替代比1.81，低比例摻燒（M3-M5）替代比幾乎為1：1。按平均甲醇對汽油的體積替代比1.81計，當(dāng)國際新加坡米納斯原油價格分別為18美元/桶、21美元/桶和25美元/桶時，我國90#汽油零售中準價為2962元/噸、3253元/噸和3731元/噸。因甲醇1266升/噸，90#汽油1388升/噸，M85甲醇燃料1266升/噸，則折算重量替代率為1.97，如不計混配成本，則燃料甲醇零售價格應(yīng)為1503元/噸1650元/噸和1893元/噸。取油品市場常規(guī)批零差價系數(shù)1.055，則燃料甲醇出廠批發(fā)價應(yīng)分別為1424目前我國甲醇企業(yè)的生產(chǎn)水平相對較低，單位甲醇成本較高，如果按上述測算價供應(yīng)燃料甲醇，則甲醇企業(yè)僅能保本微利生產(chǎn)，一些較為落后的小廠則會處于虧損狀態(tài)。國內(nèi)中等水平甲醇企業(yè)的合理出廠價格為：中氨廠聯(lián)醇1640元/噸、中氨廠富氧聯(lián)醇1798元/噸。由于裝置規(guī)模較大，也可以滿足燃料供應(yīng)。利用現(xiàn)有中小化肥廠改造方案，相關(guān)影響因素較多，在化肥市場受阻，而企業(yè)各方面條件較好的前提下，對部分化肥廠進行改產(chǎn)甲醇的方案，經(jīng)濟效益遜于改造和新建大型甲醇項目，但如果采用合理的優(yōu)化改造方案效益尚可[17]。4．2．2乙醇的經(jīng)濟性燃料乙醇的生產(chǎn)工藝采用生物發(fā)酵法，按其原料又可以分為植物纖維水解路線和淀粉質(zhì)原料路線。植物纖維水解路線的原料主要有甘蔗榨糖后的蔗渣等；淀粉質(zhì)原料路線的原料主要有甘薯、木薯、玉米等含淀粉質(zhì)的農(nóng)副產(chǎn)品。由于甘薯、木薯、玉米等農(nóng)副產(chǎn)品原料資源豐富，以玉米為原料的淀粉質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇工藝技術(shù)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量較好，是目前世界乙醇生產(chǎn)的最主要的工藝。未來中國燃料乙醇以玉米乙醇為主，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)對用玉米生產(chǎn)乙醇成本進行了調(diào)研測算，從調(diào)研結(jié)果及成本構(gòu)成分析看，工藝確定以后，食用乙醇的成本主要取決于糧食的價格，食用乙醇與玉米的比價大約在4.28左右。從食用乙醇價格推算燃料乙醇價格，從表11和表12可以看出，燃料乙醇價格始終高于汽油價格。表112000年不同玉米價格下燃料乙醇價格單位：元/噸玉米900955101010651120117512