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专家论坛->乙醇燃料发动机的研究与发展
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乙醇燃料发动机的研究与发展
所属类型:专家论坛   |   阅读次数:20138  
 

 

 

 

    金福祥 张武高 周校平 黄震

    上海交通大学

    燃料乙醇不但可以改善能源结构,减少对石油进口的依赖,同时可以降低汽车的有害排放。本文论述乙醇作为燃料的发展过程,作为一种极具潜力的替代燃料,分析其特性及应用前景。

  

1.乙醇燃料的历史
乙醇被用作燃料的历史由来已久,早在1908年,就有人做过乙醇燃料的尝试。在二次世界大战期间,能源紧缺促使对乙醇燃料的研究非常活跃,但由于以后大量的价格低廉石化系燃油的生产,使汽油和柴油成为发动机的主要燃料。汽油和柴油在价格和性能上的优势,使其在发动机燃料领域占有垄断地位。石油的产量巨大,使得其价格非常低,大规模的生产使得汽油柴油能充分供应。但是石油系燃料,是不可再生能源,目前探明的储量按照现在的开采量,即使是在石油储量最丰富的中东地区,也最多能开采七十多年。因此,寻求一种可以替代和部分替代石油系燃料的问题已成为迫在眉睫的问题。到七十年代初,石油危机使对乙醇燃料的研究又逐渐受到重视。1979年初,当时的卡特总统宣布使用和推广添加10%乙醇的汽油,可以免征联邦税的政策。这大大有利于销售商和消费者,同时节省了国家的石油资源。至今,这种称为gasohol的醇汽油(E10)已普遍在全美使用,特别是其中西部有广大农村的28个州,已经建立起广泛的醇汽油的供应网点。美国于1992年开始鼓励使用乙醇作新配方汽油的充氧剂,从而极大地促进了美国燃料乙醇的生产。1996年,美国国家地质综合考察部的一篇研究报告指出,作为汽油抗爆剂的MTBE(甲基叔丁基醚),对地下水质有污染。为此,美国加州政府在1999年3月颁布了在2003年前取消使用MTBE的法规。2000年3月,美联邦政府也发表了取消MTBE使用的声明。由于含10%乙醇的汽油不要求改动汽车发动机,在减少空气污染方面与MTBE有相同的效果,因此各乙醇生产公司对其发展持乐观态度。
在巴西早在1973年石油危机爆发时,政府就下决心使用乙醇做替代燃料,巴西地处亚热带,四季气候温和,极适合作物生长,甘蔗是乙醇的主要原料。巴西汽车燃料的34%是酒精,每年作为燃料消耗掉的乙醇约为3.8亿加仑。乙醇燃料的推广得到了政府的大力支持,现在用甘蔗生产的乙醇为巴西1200万辆小汽车的1/3提供动力。1979年,第一批完全用乙醇的汽车在巴西问世,1981年,巴西新出售的小汽车中有23%是用乙醇的,1985年,这一比例达84.5%。1989年,因巴西甘蔗产量不足,目前巴西销售的全部小汽车中,乙醇汽车约占30%~40%,其他新车都是燃用乙醇-汽油混合燃料。在南美最大的城市圣保罗,230万辆运行的小汽车中有120万辆以乙醇-汽油为燃料,110万辆用乙醇燃料,自1990年始,纯汽油的小汽车就被完全禁止进口。1999年,巴西政府执行计划把20万辆出租车和80万辆政府用车改为用酒精醇为燃料的汽车。巴西政府通过投资酒精生产并对使用酒精燃料予以比较高的补贴来促进酒精燃料的使用。在巴西乙醇燃料已经是一个很成熟的产业,使之成为世界最大的酒精消费国之一,并为社会提供了大量的就业机会。
在欧洲,1992年欧共体通过法律,统一了矿物油的价格,对再生能源的使用施行免税政策。瑞典和法国政府都有相关政策发展酒精燃料,到2005年,法国的5%的燃料应该来自再生能源,法国酒精燃料的试验在80年代已经开始进行了,但是,燃料酒精的使用走向商业化,却是始于1991年国家颁布相应的税收刺激政策后。酒精最初被用于少量与汽油混合作为汽油机燃料,近来酒精的用途不断扩大,用酒精47%与异丁烯53%混合形成ETBE。在法国,从甜菜制酒精是一项传统产业。近来从小麦中制取酒精也越来越活跃,自90年代,已建成了两个大型生产厂,另外有一个类似的用淀粉制酒精的正在筹建中。
在亚洲国家中,泰国是对酒精燃料的推广最为积极的国家之一,皇室和政府对发展酒精表现出了极大的兴趣,他们与福特汽车公司联合建立研究机构,成立了专门的委员会负责发展燃料酒精的可行性研究及发展计划和政策。2000年11月泰国政府与巴西政府签署了乙醇生产合作协议,并于2000年12月开始执行相应的税收激励政策,促进乙醇的应用。
在中国,随着经济的迅速发展,汽车的保有量高速增长,这使得对汽车能源的需求与日俱增。1993年我国已是石油净进口国,2000年石油总需求量的33%已从国外进口。我国政府已充分认识到开发使用这种"绿色能源"的重要性,大力发展乙醇燃料的计划已经被列上日程,生产燃料乙醇的项目列入国家"十五"示范工程重大项目。2001年4月国家推广应用车用乙醇汽油试点项目之一--20万吨变性燃料乙醇项目,在南阳天冠集团公司正式投产,河南省政府于2001年6月18日颁布了河南省部分地区试用车用乙醇汽油的通告,确定郑州、洛阳、南阳作为试点城市。在郑州、洛阳和南阳将建立15个乙醇汽油加油站。在长春一个用玉米为原料、年产60万吨燃料乙醇的工程开工。这是我国目前最大的燃料乙醇生产项目,生产规模在世界范围也位居前列,目前广西用木薯作为原料生产乙醇燃料的项目正计划上马。

2.乙醇燃料发展的主要技术问题
乙醇燃料在车用发动机应用技术上是完全可行的,乙醇的辛烷值比汽油高,并且着火燃烧浓度极限比汽油的相应范围宽的多,乙醇中含氧,汽油中添加一定比例的乙醇后,不仅能部分替代汽油,还可以改善燃烧,降低有害排放。
表一. 乙醇的基本物化性质
分子量 46.069 体积热值MJ.L-1 21.26
含氢量% 0.1313 摩尔热值kJ.mol-1 2.67
含氧量% 0.3473 着火温度 434
含碳量% 0.5214 与空气混合着火界限 6.0~36.5
密度(20℃)kg.L-1 0.7893 辛烷值(MON) 90~94
液态粘度(20℃)MPa.s 1.200 辛烷值(RON) 100~112
气态粘度(300℃)MPa.s 0.166 十六烷值 8
液态比热容kJ.(kg.K)-1 2.342 理论空燃比A/F(kg.kg-1) 8.45
汽化热kJ.kg-1 854 沸点℃ 78.4
凝点℃ -117.3 理论分子变更系数 1.0653
低热值MJ.kg-1 26.778 最小点火能量MJ 0.63

乙醇的密度略大于汽油,而低于柴油;其汽化潜热明显高于汽油和柴油的汽化热。在粘度方面,乙醇的粘度大于汽油而低于柴油,这对于喷射的雾化是十分有利的,用乙醇作为柴油机的燃料可以获得良好的雾化效果,降低缸内最高温度,使燃烧更充分,热效率更高。乙醇的低热值相当于汽油的60.9%,相当于柴油的62.8%,但从相对能耗的角度看,单位低热值的热效率并不比汽油和柴油低。

2.1在汽油机上应用的技术:
在汽油机上的应用技术已经相当成熟,巴西和美国已经大量使用汽油醇(gasohol),已经在燃料乙醇和乙醇汽油的生产和应用方面形成了完备的技术规范和管理章程。迄今为止,美国已累计销售了6000亿加仑以上的乙醇汽油。在巴西根据自己的国情采用E20,在这两种情况下,对于市场上的汽车可以不作任何改动而不影响汽车的性能。从燃料的运输和补给上可以利用现有的运输加油系统,无需再进行大的基础设施投资。同样在美国也销售E85汽油,使用这种燃料的汽车是专用的,只能在有这种燃料销售的地区使用。E85的加油站不同于普通的加油站,若要推广使用需要投资建设大量的基础设施。
对于使用化油器的汽车,可以用化醇器供醇法,只需要化油器加大主量孔,减薄气缸盖垫片增加压缩比,即可达到保持原机功率的目的;现代汽油机常用直接喷油法,乙醇可以通过与汽油混合形成乙醇汽油,由现有的喷油器直接喷入进气支管或气缸,这样可以更好的使汽油和乙醇混合,而且更好控制燃烧,调节喷醇量和喷醇时间。目前,在汽油机上使用乙醇的技术已经比较成熟,关键是需要国家产业政策的支持,使消费者和制造商都从中获益,创造适合其市场化的条件。 2.2在柴油机上的应用技术
近年来,在世界范围内车用发动机出现柴油机化的趋势,这主要是由于柴油机比功率大,寿命长且经济性好,安装调试也比较方便,并且由于电子控制等新技术的应用,使得柴油机的排放已经能够符合现在的排放法规。乙醇在柴油机上应用要远逊于在汽油机上的应用,其主要原因是柴油与乙醇不能互溶。国外曾经有研究者在柴油机进气管上或缸盖上加装乙醇喷油器,按设定的比例进行乙醇和柴油的缸内混合,混合的比例可以在相当宽广的范围内调整,在进气管内喷射可以降低进气温度(乙醇的汽化潜热比较大)有利于提高进气量,并且对乙醇喷射系统要求不高,但混合的比例不能太高,否则起动困难;缸内乙醇喷射按理论能实现任意比例与柴油混合,但是这种方案要求另外加装一套控制精度与柴油喷射系统相当的喷射系统,控制上难度较大,并且这两种方案都使乙醇在柴油机上应用的成本明显提高,实际应用比较困难。
目前国外有关公司正在研制使乙醇和柴油互溶的助溶添加剂,生成柴油醇(diesohol),这样可以在原机不作改动或是很少改动的情况下柴油醇燃料,满足发动机经济性,动力性和环保的要求,适合推广使用。
美国的科罗拉多矿业学院在2000年进行了用助溶剂制成含氧柴油醇,加入1%的助溶剂和10%以上的乙醇柴油燃料,表二是柴油醇与美国2号柴油的排放性能比较。试验采用十三工况法测量CO、NOx、PM和烟度。
排放试验
1. EPA No.2 Diesel vs No.2 O2Diesel
排放测试项目 CO NOx PM BHP
下降百分比 20-28% 2-5% 34-40% -1-+2%
2. Low Aromatic CARB Diesel vs CARBO2Diesel
排放测试项目 CO NOx PM BHP
下降百分比 25% 0 39% 2%
试验结果可见,发动机微粒与一氧化碳排放显著降低,发动机500小时耐久性试验的结果表明发动机的燃油系统、机械磨损都正常,主要配合间隙没有超差。这些试验充分说明,柴油醇在发动机的实际应用具有很大潜力。上海交通大学内燃机研究所目前也正在进行柴油醇发动机的研究工作。

3.发展前景
乙醇的生产原材料来源比较广泛,巴西以甘蔗为原料,美国用玉米作原料,而泰国则准备以木薯为原料来生产酒精。各个国家和地区可以根据自己具体的情况选择适合自己的原材料,国外最近研究的基因生物酶转化技术可以用基因工程技术促使生物酶基因转变,目前美国普渡大学再生能源研究所正在从事这方面的研究,这样被转基因的催化酶用于以纤维素为原料制取酒精,使得纤维素中的木糖也能有较高的转化率,且生物酶的活性可以维持较长的时间,转化效率高。 从理论上说几乎任何植物或是加工废弃物,都可以作为生产乙醇的原料,原料成本可以降到很低的程度,若能进行大规模生产,则乙醇燃料会有非常广泛的应用前景,其适用范围十分宽广,价格上也会极具竞争力。
乙醇燃料对于改善环境,节约石化能源有着深远的意义,我国乙醇燃料已经开始启动,乙醇将作为汽油添加剂有望逐步取代现有MTBE, 对促进乙醇燃料的推广有着十分积极的意义,但是要使乙醇燃料真正投入使用并形成产业化,需要国家有关部门制定完善的政策法规,规范汽车生产和销售,并加以相应的税收政策的支持。

 

    参考文献略

 



文章提交:hubbub     
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