柴油机代用燃料研究现状评析

2010-04-11葛玉萍

黄河水利职业技术学院学报 2010年3期

连萌，葛玉萍

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

能源是人们进行生产和赖以生存的物质基础。能源出现问题，势必对整个国民经济产生严重影响。作为主要能源的化石燃料(占能源的90%)，不仅储量有限，而且由于石油、煤等化石燃料中含有C、S、Pb、尘埃及放射性物质，其燃烧后的产物中含有大量的有害气体（如CO、HC、N0x、SO2、PbO 等）、有害颗粒和一定剂量的放射性物质，对人类的生活环境造成严重污染。

柴油是压燃式发动机（即柴油机）的燃料，也是消耗量最大的石油产品之一。由于柴油机较汽油机热效率高、功率大、燃料单耗低、比较经济，故应用日益广泛。它主要作为拖拉机、大型汽车、内燃机车及土建、农用机械的动力[1]。目前，就经济性和性能而言，没有什么燃料可与柴油相竞争。但从长远来看，为了保护环境和人类的健康，保持燃料的可持续利用，由柴油转换到代用燃料将是不可避免的。

所谓代用燃料，一般是指用以替代传统的石油系燃料(柴油、汽油等)的非石油系燃料,如醇类燃料、植物油等。也可以广义地理解为，凡是可以取代内燃机出厂规定使用燃料的，都可称为代用燃料[2，3]，如低质重馏分油、乳化柴油等。目前，发展发动机燃用代用燃料主要是为了减轻对石油燃料(汽油、柴油)需求的压力和降低发动机有害物的排放量。

1 国内外主要代用燃料的种类

结合国内外代用燃料应用技术的研究成果，适宜做柴油机代用燃料的燃料主要有甲醇、植物油、煤浆燃料、低质燃油、沼气和DME（二甲醚）。

1.1 甲醇

甲醇的分子结构式是CH-OHC。它具有资源丰富、排放洁净、常温下为液态、方便储运等特点，而且甲醇发动机技术对传统发动机技术有继承性，结构变化不大。因此，甲醇作为柴油的代用燃料，受到了广泛关注。目前甲醇用于柴油机，主要有以下方式：

（1）火花点火式纯甲醇发动机。甲醇是富氧燃料，这种发动机在性能上的最大特点是可以实现无烟燃烧，即使超负荷工作，烟度仍近于零，所以有清洁发动机之称。这对于进一步提高发动机平均有效压力及车用发动机低速扭矩都极为有利。此外，甲醇燃烧后，有害排放物NOx、HC、CO 也都比柴油机低。

（2）甲醇、柴油乳化油发动机。在这种发动机中，甲醇和柴油以乳化油形式通过喷油器进入气缸燃烧。乳化油有微爆效应，可以改善燃烧。这种乳化油同柴油掺水乳化油一样，可以在机外用乳化设备预制，也可以采用随机形式，即把一个小型乳化器连接在原有的燃油管道上，实现边乳化边燃烧。

（3）甲醇、柴油双喷射式发动机。在这种发动机中，甲醇和柴油分别用两套独立的燃油系统。发动机工作时，先向气缸内喷入少量引燃柴油，在滞燃期内，通过另一个喷油器再喷射主燃料甲醇，使之燃烧。这种方式与燃用纯柴油相比，在保持原有的经济、动力性能的基础上，NOx 排放量可降低l／3，实现以甲醇为主燃料的无烟运转。

（4）甲醇汽化—柴油发动机。这种发动机在进气支管上分别加装一个小尺寸文特利管，进气时，利用支管喉部的真空度将甲醇从甲醇箱中引出，并与空气混合进入气缸。在压缩过程终了时，用喷入气缸的柴油引燃。采用这种方式，发动机的功率不受影响，排出气体中的NOx 及烟度下降，而HC、CO 有所增加。有研究表明，最大掺烧甲醇量为2 0%~25%[4]。

但是，甲醇作为代用燃料也存在一些问题需要解决。例如：（1）着火性差。甲醇的十六烷值仅为3 左右，而它的自燃温度却高达470℃，既难以压燃，也不易被点燃。（2）发动机冷起动困难。甲醇的汽化潜热大，是汽油或柴油的3 倍多，需要特殊的技术措施帮助甲醇汽化。（3）黏度低，直接使用柴油机原有的燃油喷射系统时，会造成系统磨损甚至卡死等故障，从而影响发动机的可靠性和耐久性。（4）对有色金属、橡胶等有强烈的腐蚀作用。（5）与柴油互溶困难，不易保证其与柴油的均匀混合，混合燃料易分层，稳定性较差。（6）滞燃期相对较长，火焰传播速度快。所以，甲醇添加比例较大时，在发动机的速燃期内压力升高率大，工作粗暴，容易发生敲缸等，使发动机运动零部件所受冲击负荷增加[5]，影响发动机的使用寿命。

1.2 植物油

植物油虽然种类很多，但其成分为各种不同高级脂肪酸甘油酯，其组成物的物化性质相近。与轻柴油相比，其主要特点是黏度大(100℃时比柴油大8～10 倍)、残碳值高、未饱和脂肪酸多。

国外介绍生物柴油在柴油机上长期使用考核情况的有关资料表明：南非以向日葵油为原料制成的生物柴油已完成1 300 h 试验。巴西以大豆油为原料制成的生物柴油试验已进行1 400 h，道路试验客、货车分别行驶了4 万多km 及5000 多km。澳大利亚生产生物柴油供壳牌石油公司进行运转试验，平均每天行驶96 km，连续运转14～28 d，效果与天然柴油一样[6]。

综合国内外柴油机燃用植物油的试验研究结果，大致可以归结为两点：

（1）柴油机不需要大的变动即可燃用100%植物油，其输出功率、比能耗及排放特性均与柴油相近。但植物油因其黏度大、残碳值高、未饱和脂肪酸成分多等弱点，若长时期运转，容易导致喷油器和燃烧室表面积炭、活塞环黏结和过滤器阻塞等现象，而且冷起动比较困难。换句话说，它仅适宜作短期应急运转。

（2）如要作长时期运转，则需改善油质。其途径是，在植物油中掺混柴油(可以互溶)，组成混合燃料，或对植物油进行酯化处理。酯化处理的目的就是去除植物油中甘油的成分，降低黏度、增加挥发性，使燃料特性更接近柴油。我国曾在柴油机上对棉籽油及经脂化处理后得到的甲酯作过性能对比试验，结果表明，二者的动力性能都可达到燃用柴油的水平，而且后者热效率略高，废气排放和烟度降低，超负荷性能也优于柴油[7]。但是，由于植物油甲酯的挥发性不如柴油，长期运转存在润滑油稀释问题。

总之，植物油大都可作为柴油机的代用燃料，关键在于如何保证良好的燃烧及柴油机的耐久性。不过，柴油机燃用代用燃料时，虽然涉及问题较多，但按对柴油机的基本工作要求来制订代用燃料的应用原则，仍可获得较好的效果，只是对不同的植物油，应通过试验确定不同的原则。

1.3 煤浆燃料

煤粉的热能转换效率高达95%。柴油机燃用煤粉的实用性取决于零部件的耐久性，为适应当前技术发展的要求，使用燃用煤粉的现实措施是把净化煤做成煤浆燃料，即用煤粉和柴油COM (Coal Oil Mixture) 或用煤粉和水组成CWM(Coal Water Mixture)燃料[8]。美国西南研究所在一台Mercedes OM314(D×S＝97×120)高速直喷式柴油机上进行了COM 燃料试验。试验结果表明，在保持相同功率的情况下，由于煤粉的存在，使燃烧速度减慢，导致热效率有所降低，排温和烟度随燃料中含碳量及转速的增加而增加[9]，最大功率随含碳量增加而降低。经11 h 运转，发动机无明显积炭，但窜气量显著增加（这是由于活塞环和气缸套的颗粒磨损所致），喷油泵有少量磨损，并有卡死现象。

要使煤浆达到实用阶段，还需要解决一系列问题：（1）煤浆的稳定剂。作为商业应用，必须保证煤浆中煤粒分散均匀，相互不聚结，在较长时间内不沉淀。（2）柴油机的磨损问题。煤浆在柴油机上长时间燃烧，对供油系统的磨损将大大超过柴油。（3）煤浆的燃烧特性。因煤的燃烧速度比柴油低，所以需要根据煤浆的燃烧特性设计新型的柴油机。在现有的柴油机上调整喷油提前角，或将煤浆用于中、低速柴油机，不失为一种解决问题的办法。

1.4 DME（二甲醚）

二甲基醚简称DME，是一种最简单的醚类化合物，已被广泛用作化妆品业的一种喷雾剂，其分子式为CH-O-CH3，几乎无毒、无腐蚀性，常温、常压下是无色气体，不损害臭氧层。由于其分子式里不含直接的C-C 键，且含有一个氧原子，因而能够大大减少碳烟的生成，从而实现无烟燃烧。它的十六烷值为55~60，稍高于柴油(40~55)和其他代用燃料的十六烷值[10]。这意味着DME 具有非常好的自燃性能，同时它沸点低，能快速形成良好的混合气，从而缩短着火延迟期，使柴油机具有较好的冷起动性，比较适合压燃点火的柴油机。由于受DME 生产规模的限制，以前DME 多用作化妆品的喷雾推进剂。DME 在柴油机上的应用也存在一些需要解决的问题[11]。如：（1）沸点低(-20℃)，使其易汽化，需要加压存储，所以供油系统与传统柴油机有所不同。（2）对金属没有腐蚀性，但对一些橡胶弹性元件来说，若长时间暴露在DME 中，会使其性能恶化，因此需要认真选择密封件。（3）由于DME 黏度较低(为柴油的0.07～0.1 倍)，供油系统部件容易磨损，所以，柴油机燃用DME，主要难点是如何解决润滑和密封问题。

1.5 天然气和液化石油气

天然气的主要成分是甲烷(CH4)，主要以压缩天然气和液化天然气的形式在发动机上燃用。发动机燃用天然气最为显著的优越性就是低污染。有资料表明，天然气汽车CO 排放量是汽油车的1/15，HC 排放量是汽油车的1／5，形成酸雨的SO 排放量是汽油车的1／l0，导致温室效应的CO2排放量是汽油车的4／5。柴油机使用天然气时，优点更为突出，能够明显降低颗粒物和NOX排放量，彻底消除排气黑烟，并且由于天然气中不含苯环芳香烃，也减少了致癌物质的排放。另外，发动机燃用天然气时，集碳少，可减少对发动机的磨损，延长发动机的寿命，降低机油的消耗，而且冷起动性得到了改善[12]。从经济性考虑，由于天然气资源丰富、成本低，发动机的燃料费用能够大大降低。

柴油机燃用天然气和液化石油气所存在的问题主要有：（1）燃料的储存。因这两种燃料常态下为气体，需要钢瓶等耐压容器加高压储存，费用较高。（2）功率损失。这主要是容积效率损失造成的：发动机燃用气体燃料时功率损失-般为10%~20%，因而必须寻求功率恢复的途径。（3）点火问题。由于天然气和液化石油气的十六烷值低、着火温度高，靠压缩不能实现着火，必须采取点火措施，如用火花塞等，并且同汽油相比，它更难点燃，所以火花塞的点火能量要更大些。

目前，天然气和液化石油气在柴油机上主要有以下两种应用形式。一种为燃料与空气混合后进入汽缸、用火花塞点燃，另一种是喷入柴油引燃的双燃料方式。

2 我国代用燃料特点评价

虽然目前国内外的内燃机代用燃料种类很多，但判断代用燃科在我国是否具有实用价值，还要从以下3 个方面进行综合评价。

2.1 我国能源与相关国情

我国煤炭资源极其丰富，已经勘探证实的储量达7 000 亿t(已探明的石油地质储量为71 亿t)。因此，代用燃料的制取可以以煤为原料。可供柴油机使用的煤基燃料有煤基柴油、煤气、甲醇，以及用煤直接精制而成的煤粉和煤浆燃料等。

不过，也应看到，我国煤炭资源虽然丰富，但分布很不均衡，有64%分布在华北，长江流域以南不少地区既缺煤又缺石油。不过，长江流域以南往往气候适宜、雨量充分，植物资源(食用植物油和野生植物油)却十分丰富，因而可以因地制宜加以开发。当前最大的障碍是植物油价格偏高。我国有关专家认为，菜子油(指含芥酸量高的一种，不宜食用)、棉子油、茶油、黑皂油、乌柏子油、松根油等是我国很有发展前途的植物油。沼气在我国农村应用已相当普遍，用沼气做燃料也是解决农机燃料问题的一个重要途径，很有现实意义。

2.2 能源转换效率与投资成本

能源转换效率是代用燃料本身热值与生产单位重量的代用燃料所耗费的能量 (包括原料热值和工艺燃料热值)之比。其投资成本可以用生产每单位热值所需投资费用，即单位投资成本来表示。我国目前煤基液体燃料未能推广使用的主要原因是投资费用大、成本高。

2.3 代用燃料的应用方式

与柴油相比，各种代用燃料的物化性质（如十六烷值、挥发性、黏度、残碳值等）存在不同程度的差异。因此，在实际应用中，为使发动机仍能保持原有性能，或者是发动机作必要的结构变动，以适用代用燃料的正常燃烧，即“以机适应油”，或者是改善燃料的物化性质，来满足发动机对燃料性能的要求，即“以油适应机”。从代用燃料的代用程度来看，有的可以实现“全部代用”，而有的只能“部分代用”。我国目前的代用燃料研究偏重于“部分代用”，这样，发动机改动少、技术难度低一些，适合于当前柴油紧缺，适度发展代用燃料的过渡时期的实际情况。