内燃机替代燃料及其应用前景分析

唐纯逸 李瑞娜 王忠

摘 要：目前我国石油对外依存度达到70%以上，寻找合适的内燃机替代燃料是缓解能源危机的重要途径之一。能源多元化是内燃机燃料的趋势，各种醇类、醚类、酯类等燃料正在逐渐改变能源结构。

关键词：替代燃料; 甲醇; 生物柴油; F-T柴油

中图分类号：TK407.9        文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2021）8-197-002

内燃机自诞生以来已历经一百多年，是当今用量最大、用途最广、最为重要的热能动力机械。但是目前内燃机面临着来自能源和环境两方面的压力。据中国政府网数据显示[1]，2020年我国汽车销售量达到2531万辆，全国机动车保有量已达到3.72亿辆。内燃机是我国机动车的主要动力，消耗了大量的石油燃料。2020年我国原油表观消费量近7亿吨，石油对外依存度达到72.7%[2]。2019年，我国机动车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分别为3327.3万吨、407.1万吨、574.3万吨和50.9万吨。为了解决石化能源紧缺和环境污染问题，寻求清洁可再生能源已成为人们迫切的需求。本文根据汽油机、柴油机的特点，讨论了内燃机的优质替代燃料及应用前景。

1.内燃机替代燃料的要求

目前可以作为内燃机替代燃料的物质很多，不仅需要考虑其资源是否丰富、稳定、可再生，与现有内燃机技术体系和基础设施是否相兼容等，还需要考虑其生产过程是否友好，对内燃机的动力性和经济性有无显著影响，以及燃料的成本是否能接受。现有的替代燃料并不能完全满足以上几点要求，只能根据具体情况进行具体应用。

在选用替代燃料时，需要考察替代燃料的主要性能参数，并与汽油和柴油进行对比其中特别重要的参数有[3]：

（1）替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值（汽油机）、十六烷值（柴油机）、与汽油及柴油的互溶性和稳定性（作混合燃料应用时）。

（2）代用燃料的低热值，化学计量空燃比。

（3）燃料的粘度与润滑性能。

（4）与弹性密封材料的兼容性。

（5）燃料本身及燃烧排放物的毒性。

（6）燃料本身的生物降解性。

2.汽油机替代燃料及其应用前景分析

醇类燃料的特性与汽油相近，通常以醇类燃料作为汽油机的替代燃料，常用的醇类燃料有甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。

2.1甲醇

甲醇可从煤炭及天然气中提炼，或采用生物材料生产，来源广泛、工艺成熟。目前，我国甲醇生产能力已达到7855.5万吨，甲醇作为汽油机替代燃料的主要优点如下：

（1）甲醇的辛烷值为112，汽油辛烷值为92，因此甲醇的抗爆性优于汽油，在汽油机上使用时可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。

（2）甲醇含氧量达50%，有利于燃料完全燃烧，降低CO和HC排放。

（3）通过试验测量出的甲醇的层流火焰传播速度为32.7cm/s，汽油为25.2cm/s，在相同条件下甲醇的燃烧速度高于汽油，燃烧持续期缩短，有利于提高热效率。

（4）甲醇的着火极限比汽油、柴油浓，使用更安全。

目前，甲醇燃料已经得到了广泛的应用，既可以百分百替代汽油，也可以和汽油混合使用实现部分替代。2018年年底，西安的M100以纯甲醇为燃料的出租车正式上线，直至2019年5月，已有1万辆在运营。届时，西安甲醇汽车存量超过西安所有的特斯拉，蔚来，小鹏，威马等所有电动车数目总和。

2.2乙醇

乙醇生产原料是植物，如巴西用甘蔗生产乙醇。目前使用的乙醇燃料主要有E85（85%乙醇和15%汽油）和E95。我国使用的乙醇燃料主要是E90（10%乙醇和90%汽油）。乙醇还用作为汽油添加剂，提高抗爆性，汽油中加入约10%的乙醇或乙基叔丁醚（ETBE）。比汽油减少30%的烟雾。

乙醇在内燃机上的应用情况类似甲醇，目前主要应用于汽油。由于乙醇成本较高，因此在国内还没有大范围的推广应用。萨博汽车公司曾推出纯乙醇燃料轿车，使用纯乙醇做燃料的萨博9-3敞篷轿车，由四缸发动机和两台电发动机驱动。ADM公司是美国最大的乙醇燃料生产商，每年生产的乙醇燃料超过10亿加仑，2013年9月份，该公司宣布将提高乙醇燃料的生产能力，每年将生产15亿加仑的乙醇燃料。另一家风险投资公司则计划投资26亿美元建造生产生物燃料的工厂，仅此一项投资将增加美国乙醇生产能力的40%。

3.柴油机替代燃料及其应用前景分析

常见的柴油替代燃料有二甲醚、F-T柴油和生物柴油。

3.1二甲醚

二甲醚（DME）是一种比较理想的适合柴油机使用的代用燃料，DME是一种最简单的醚类化合物。DME的着火性能要明显优于柴油，而且DME的含氧量为34.8%，易于完全燃烧，有利于污染物排放的减少。在环保方面，DME即使直接进入大气中也不会发生光化学反应，不会形成二次污染，对人体无害、只有当DME的体积含量达到10%时才对人体有轻微的麻醉作用。因此，DME相对于其他的替代燃料而言对环境保护的压力几乎没有。DME不仅可从煤、石油及天然气中直接提取合成，也能从植物、生活垃圾中提取合成，对煤炭资源丰富的我国而言，使用DME更具有重要意义。

目前，欧美和日韩等发达国家已相继开展了DME燃料发动机与汽车的开发。例如欧洲的VOLVO汽车公司研制出了燃用DME燃料的大客车样车用于试车与示范。日本NK签司和交通公害研究所分别研制了燃用DME燃料的卡车样车。五十铃汽车公司研制了DME燃料城市客车样车，计划小规模推广。

3.2生物柴油

生物柴油的生产原料主要为植物、动物和海洋生物的废油脂以及生活废油。从这些原料中提炼生物柴油，不仅可以为社会生产提供能源，还可以实现可持续发展。因此，无论是在生产、加工环节，还是在能源的消费过程中，都可以证明生物柴油是一种可持续发展可再生的能源。

目前，生物柴油主要以混合燃料方式用于柴油机，如把20%生物柴油与80%生物柴油混合，称为B20燃料等。欧盟是世界最大的生物柴油产销区，欧盟把生物燃料作为主要替代能源，并制定了《欧盟生物燃料战略》[3]，规划生物燃料占全部燃料的比重将从2005年的2%增长到2010年的5.75%;到2030年，生物燃料在交通运输业燃料中占的比重将达到25%。与扩大生物柴油的生产相适应，欧盟发布了两项新的促进其市場销售的指令，要求欧盟各国降低生物柴油税率。

3.3F-T柴油

F-T柴油是指煤经过Fischer-Tropsch合成技术得到的液体燃料，属于间接液化方法得到的液体燃料。F-T柴油主要由直链和支链饱和烷烃构成，碳原子数范围为C9-C25，且芳香烃和硫含量极低，十六烷值约为75，远高于柴油的十六烷值45。与柴油相比着火性好，滞燃期短，燃烧扩散速度快，颗粒排放低，是矿物柴油理想的替代燃料。F-T柴油在国内主要是山西一带发展的比较迅猛，山西潞安矿业公司开展了“F-T柴油混合燃料发动机应用试验研究”的科研开发项目，研究表明F-T柴油可以在发动机上应用，无需改变发动机结构[4]。

随着人们对汽车排放问题的逐渐重视以及对各种化石燃料资源枯竭的担忧，寻找一种新型的、低污染可再生的能源成为当前研究的重点和热点。就目前的局势来看，能源多元化是内燃机燃料的趋势，各种醇类、醚类、酯类等燃料正在逐渐改变能源结构。

参考文献：

[1]中国政府网[EB/OL] http：//www.gov.cn/

[2]本刊讯.《2020中国能源化工产业发展报告》发布[J]石油库与加油站，2020，29（01）：18

[3]京涛.欧盟发展生物燃料战略的启示[J]今日国土，2007，000（005）：18-19

[4]汪恒.甲醇/F-T柴油混合燃料柴油机的燃烧与排放特性[D]太原：太原理工大学，2013