柴油机代用燃料应用现状分析

李婕，王谷娜，梁时光，宋建桐

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

前言

随着人民生活水平的不断提高，汽车已成为人们日常生活中的重要交通工具，但由传统燃油车所带来的能源问题和环境问题也越来越严峻。截至2015年末，世界汽车保有量已突破12亿辆。根据公安部统计，截至2017年11月，我国民用机动车总保有量达3.10亿辆。其中，各类汽车2.17亿辆，摩托车1.6亿辆。截止至2018年4月，北京市机动车保有量596.8万辆。在能源消耗方面，我国已成为世界上仅次于美国的石油消费第二大国，公路交通领域的石油消耗量占全球总消耗量的42%。在环境污染方面，北京和上海的空气污染物中，有66.7%的CO排放，68. 4%的HC排放和46%的NOx排放来自于机动车。从长远意义来看，环境问题和能源问题最终的解决之道应是积极探索中国能源利用战略[1]。开发新的代用燃料，解决能源问题，已经成为汽车工业需解决的迫在眉睫的问题。

1892年，德国工程师鲁道夫·狄塞尔发明了柴油机，因其具有热效率高、经济性好、低速转矩大、中大负荷 CO、HC排放低、可靠性好、寿命长等特点，广泛应用于客车、货车等商用车和部分乘用车上[2,3]。在欧洲，对柴油机的需求量每年以23%的速度增长，我国对柴油机的需求量也逐年增大。19世纪70年代以来，随着石油危机的到来，激起了人们开发代用燃料的热情。

1 生物柴油

1900年，德国工程师鲁道夫·狄塞尔在巴黎博览会上，使用花生油作柴油机燃料[4]。1912年，他在美国密苏里工程大会上曾经预言植物油将成为发动机燃料发展的一个重要方向。但植物油的碳链长、分子量大、低温流动性差、粘度高、不易雾化，若柴油机直接燃用，易导致堵塞喷油嘴等发动机故障，再加上其成本相对柴油较高，使生物柴油在当时很难得到推广。

自20世纪50年代末60年代初，人们就开始研究生物柴油及其生产技术，20世纪80年代以后得到迅速发展。1983年，美国科学家 Craham Quick将亚麻籽油甲酯应用于柴油机，正常燃烧了1000小时，其将可再生的脂肪酸甲酯定义为生物柴油，这就形成了狭义的生物柴油定义。1984年，美国和德国等国的科学家将脂肪酸甲酯和乙酯作为柴油机燃料，这就形成了广义的生物柴油定义：生物柴油是以动、植物油脂以及餐饮废油等为原料油，通过酯交换反应，生成的甲酯或乙酯，可供内燃机使用[5]。目前由于价格原因，纯生物柴油应用较少，大多是以一定比例与柴油混合，形成混合液，掺混记作Bxx，表示混合液中生物柴油的质量浓度，例如B20表示其含有20%质量的生物柴油。

与柴油相比，推广生物柴油最大的障碍是其价格较高。然而，与经济性相比，健康和环保就显得更为重要。生物柴油具有较低的废气排放，这使得它非常适合在市区使用，这能够使它的环境效益达到最大化。在欧洲的很多国家，使用生物柴油会减免部分税，来补贴用户，这使得生物柴油具有一定的竞争力。而且，最近石油价格的快速增长，减小了生物柴油与柴油之间的价格差距。

表1 一些国家的生物燃料政策

生物柴油具有与柴油类似的理化性质和燃烧特性，因此柴油机可以在不做任何调整的情况下燃用生物柴油。与柴油相比，生物柴油具有较高的十六烷值，不含芳香烃和硫，而且含有其质量11%的氧，这些性质保证了生物柴油具有较低的排放。生物柴油具有很高的闪点，这保证了其作为代用燃料的安全性。它也是唯一一种可以延长柴油机使用寿命的代用燃料，因为其具有较好的润滑性。另外，在整个生命周期内，生物柴油的CO2排放会降低很多，因为生物燃料能够较快的参与碳循环，即从发动机燃烧生物柴油排放CO2，到植物生长通过光合作用而吸收CO2，再到产出生物柴油的原材料[6]。美国能源部的研究表明：与燃用柴油相比，燃用 B20和 B100在整个燃料生命周期内，CO2排放降低 15.6%和78.4%。

世界各国使用生物柴油的相关政策见表 1。尽管生物柴油作为柴油机代用燃料有很多优点，但是它的一些性能还是有待改善的。例如，生物柴油的热值较低，氮氧化合物排放较高。在发展中国家和发达国家发展生物柴油，能够在一定程度上解决因使用石化燃料而造成的环境污染问题[7]。

2 二甲醚

二甲醚是最简单的醚类，可以以天然气、煤、原油及非石化燃料的生物质为原料合成生产。二甲醚的化学方程式为CH3OCH3，燃烧时具有明显的蓝色火焰，其物理性质与液化石油气相似。

随着能源危机的加剧，二甲醚作为柴油代用燃料越来越受到人们的重视。自从上世纪90年代中期，就有研究人员将二甲醚作为柴油机代用燃料进行研究。二甲醚的辛烷值高达55，含有约35%的氧，分子结构不含C-C化学键，这使得二甲醚具有与柴油接近的热效率，而且在燃烧过程中不产生碳烟排放。由于二甲醚的十六烷值较高，使其具有较好的着火性能。另外，由于二甲醚的沸点较低，其雾化较好。因为二甲醚具有如此多的优点，它很有可能成为柴油机主要的代用燃料。

与传统柴油相比，二甲醚具有较低的HC和CO排放，其燃烧不产生碳烟，而且二甲醚的噪声和振动也较低。与柴油相比，二甲醚的NOx小幅降低。为了降低其NOx排放，研究者采用不同的喷油策略，降低燃烧温度。另外，二甲醚在柴油机上应用，需要增加一套新的燃油系统，发动机不需要做任何调整。二甲醚热值较低，要保持与柴油机同样的续驶里程，需要的油箱体积为柴油的两倍。二甲醚在柴油机上应用的主要问题不是燃烧，而是其理化性质的问题。二甲醚的粘度比柴油低20倍，润滑效果差，降低了油泵与喷油器的使用寿命，而且导致高压油泵和喷油器泄露严重。

3 天然气

天然气为烷烃混合物，如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等，还含有少量较高的烯烃，如乙烯，及微量的硫化氢和氮气。天然气汽车可以采用压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）。天然气作为车用燃料已经具有数十年的历史。常压下，将天然气冷却到-162℃时，其由气态液化为液态，体积缩小为 1/600。液态天然气的甲烷含量超过 98%，因此其性质与甲烷非常相近。在常温下，压力为20MPa的压缩天然气密度为175kg/m3，液化天然气的密度为435kg/m3。

与汽油和柴油相比，天然气具有环保性、安全性和经济性好的特点，其作为代用燃料具有较低排放、良好的经济性和可靠的安全性。天然气燃烧的火焰温度低，使NOx排放降低。因为在所有的碳氢燃料中，天然气的C/H比最低。与传统燃料相比，天然气不含芳香烃，含有很少的硫，其微粒排放明显降低。另外，因为天然气不含C-C化学键，其燃烧排放较低的多环芳烃和碳烟。

1988年，四川石油管理局在南充建立了我国第一座CNG加气站，将先进充气装置和天然气汽车的改装部件从新西兰引入中国，填补了我国天然气汽车的空白。之后，四川石油管理局在天然气汽车国产化上做了很多尝试，做出了巨大贡献。据统计，截止1997年末，天然气汽车保有量4594辆，44座加气站，2000年天然气汽车保有量4.7余万辆，增加了10倍，其中以北京、深圳、上海等大城市为主。我国改装的车辆以汽油载重车为主，首先在各油田推广使用，效果较好。目前，我国的天然气汽车技术比较先进，在天然气—柴油双燃料发动机上作了大量的研究工作，中国在稀薄燃烧技术和天然气电控发动机方面的发展已经赶上了世界先进水平。

据统计，截至到2017年底，我国共有天然气汽车（包括CNG和LNG）超过608万辆，同比增加50.4万辆，增幅为34.6%。液化天然气技术开发与应用是国家鼓励项目，我国液化天然气的开发与应用才刚刚起步，具有很大的发展空间。2017年，我国所拥有的天然气加气站8400多座，同比增加约600座，增幅为7.7%。

4 结论

柴油机主要代用燃料有生物柴油、二甲醚和天然气等。生物柴油具有可再生和环境污染小等优点，但由于其生产及原材料成本较高，目前可以作为能源的一种补充；二甲醚目前没有形成一定市场，在未来汽车能源组成中可能将成为重要部分，但目前前景尚较难估量；天然气在许多国家和地区已经获得广泛使用，技术已经比较成熟，在短期内可成为柴油营运车辆的主流。