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        柴油機(jī)代用燃料應(yīng)用現(xiàn)狀分析

        2018-10-22 08:39:16李婕王谷娜梁時(shí)光宋建桐
        汽車(chē)實(shí)用技術(shù) 2018年19期
        關(guān)鍵詞:生物汽車(chē)

        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(chē)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(chē)已成為人們?nèi)粘I钪械闹匾煌üぞ?,但由傳統(tǒng)燃油車(chē)所帶來(lái)的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)峻。截至2015年末,世界汽車(chē)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(guó)民用機(jī)動(dòng)車(chē)總保有量達(dá)3.10億輛。其中,各類(lèi)汽車(chē)2.17億輛,摩托車(chē)1.6億輛。截止至2018年4月,北京市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量596.8萬(wàn)輛。在能源消耗方面,我國(guó)已成為世界上僅次于美國(guó)的石油消費(fèi)第二大國(guó),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(lái)自于機(jī)動(dòng)車(chē)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)意義來(lái)看,環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題最終的解決之道應(yīng)是積極探索中國(guó)能源利用戰(zhàn)略[1]。開(kāi)發(fā)新的代用燃料,解決能源問(wèn)題,已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)需解決的迫在眉睫的問(wèn)題。

        1892年,德國(guó)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(zhǎng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于客車(chē)、貨車(chē)等商用車(chē)和部分乘用車(chē)上[2,3]。在歐洲,對(duì)柴油機(jī)的需求量每年以23%的速度增長(zhǎng),我國(guó)對(duì)柴油機(jī)的需求量也逐年增大。19世紀(jì)70年代以來(lái),隨著石油危機(jī)的到來(lái),激起了人們開(kāi)發(fā)代用燃料的熱情。

        1 生物柴油

        1900年,德國(guó)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(guó)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(zhǎng)、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(duì)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(kāi)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(guó)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(guó)和德國(guó)等國(guó)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(guò)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(guó)家,使用生物柴油會(huì)減免部分稅,來(lái)補(bǔ)貼用戶(hù),這使得生物柴油具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。而且,最近石油價(jià)格的快速增長(zhǎng),減小了生物柴油與柴油之間的價(jià)格差距。

        表1 一些國(guó)家的生物燃料政策

        生物柴油具有與柴油類(lèi)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(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命的代用燃料,因?yàn)槠渚哂休^好的潤(rùn)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(zhǎng)通過(guò)光合作用而吸收CO2,再到產(chǎn)出生物柴油的原材料[6]。美國(guó)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(guó)使用生物柴油的相關(guān)政策見(jiàn)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(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)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(wèn)題[7]。

        2 二甲醚

        二甲醚是最簡(jiǎn)單的醚類(lèi),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(lái)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(guò)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N(xiāo)Ox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(wèn)題不是燃燒,而是其理化性質(zhì)的問(wèn)題。二甲醚的粘度比柴油低20倍,潤(rùn)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?chē)可以采用壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)。天然氣作為車(chē)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(guò) 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?,天然氣的C/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(guó)第一座CNG加氣站,將先進(jìn)充氣裝置和天然氣汽車(chē)的改裝部件從新西蘭引入中國(guó),填補(bǔ)了我國(guó)天然氣汽車(chē)的空白。之后,四川石油管理局在天然氣汽車(chē)國(guó)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(chē)保有量4594輛,44座加氣站,2000年天然氣汽車(chē)保有量4.7余萬(wàn)輛,增加了10倍,其中以北京、深圳、上海等大城市為主。我國(guó)改裝的車(chē)輛以汽油載重車(chē)為主,首先在各油田推廣使用,效果較好。目前,我國(guó)的天然氣汽車(chē)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(guó)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(guó)共有天然氣汽車(chē)(包括CNG和LNG)超過(guò)608萬(wàn)輛,同比增加50.4萬(wàn)輛,增幅為34.6%。液化天然氣技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是國(guó)家鼓勵(lì)項(xiàng)目,我國(guó)液化天然氣的開(kāi)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(guó)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(méi)有形成一定市場(chǎng),在未來(lái)汽車(chē)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(guó)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(yíng)運(yùn)車(chē)輛的主流。

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