第30卷(2008)第2期柴油機Diesel Enginel.30(2008)No.2性能與排放乙醇作為車用燃料的可行性及常見問題李永平(北京交通大學機械與電子控制工程學院,北京100044)摘要:介紹乙醇汽油作為燃料時的物理化學特點,與普通汽油、柴油的理化特性進行了對比,總結出乙醇汽油的優(yōu)缺點。在此基礎上,針對車用乙醇汽油在使用過程中常見的一些問題進行了分析并提出了具體的解決方法。關鍵詞:替代燃料;乙醇汽油;物化特性中圖分類號:TK41·.71文獻標識碼:A文章編號:10014357(200)02001003The Feasibility of Ethanol as automobile Fuel and Its Common ProblemsLi Yongping(School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)Abstract: Ethanol fuels physical and chemical characteristics as automobile fuel are introduced and com-ordinary petrol and diesel, and ethanol fuels advantages and disadvantages are conclded. On thihe common problems of ethanol fuel in application are analyzed and concrete solutions areKeywords: altemative fuel; ethanol fuel; physical and chemical characteristics1前言內(nèi)燃機燃用的石油燃料(汽油、柴油等)是烴類燃料,而醇類是烴基和羥基組成的化合物,這就從近年來,我國汽車工業(yè)迅速發(fā)展,汽車保有量化學性質(zhì)上決定了醇類可以作為內(nèi)燃機的代用燃逐年增加。目前汽車的燃料主要以石油產(chǎn)品為主,料。從分子組成上來看,乙醇的分子式為而世界石油資源日益減少,發(fā)動機燃料的供應將越CH2CH2OH,含有2個碳原子、6個氫原子和1個來越緊張。因此,使用替代燃料是解決我國石油資氧原子;而汽油、柴油則是碳原子為5-12或10源短缺的重要措施。另外,車用汽油、柴油造成的-21的液態(tài)烴類混合物,不含氧元素。乙醇和汽環(huán)境污染也日益嚴重,使用清潔替代燃料是減少汽油、柴油在自身的物理化學性質(zhì)上,有相似的地車排放污染的有效途徑。在眾多清潔替代燃料中,方,也有不同的地方。乙醇在標準狀況下與汽油乙醇燃料由于具有來源廣泛、豐富,抗爆性好,與柴油的理化性質(zhì)主要差異見表1。石油燃料的理化性能相近,因而受到更多的重視。但是在車用乙醇燃料的推廣使用中,遇到一些問表1乙醇、汽油和柴油理化性質(zhì)差異題,影響了乙醇燃料的發(fā)展,但通過采取有效的措汽油柴油施,可以解決其中的大部分困難。分子式CH, CH, OH|C烴類|Cn烴類分子量2乙醇燃料與汽油、柴油物理化學含氧量特性的比較密度中國煤化工708乙醇是一種無色透明、易揮發(fā)、易燃的液體。沸點CNMHG20180-370收修改稿日期:200707252008年3月李永平:乙醇作為車用燃料的可行性及常見問題11續(xù)表(10)從理論空燃比看,乙醇比汽油小;柴油(11)從抗爆性看,乙醇辛烷值高,抗爆性凝點/℃m13-∞0-30-=35-10強,可采用高壓縮比,提高發(fā)動機熱效率,降低耗閃點(閉)/℃13-1445--3865-88油量,可抵消因熱值低耗油量大的不足黏度(20℃)/1.200.28-0.593.0-8.0(12)從十六烷值看,乙醇十六烷值低,著火汽化熱/(/kg)084031-034025-0.30性能差,在柴油機中燃用時比較困難低熱值/(M)2m849-45-83使用乙醇燃料的優(yōu)缺點著火溫度/℃0~468270-350火焰?zhèn)鞑ニ俣?.1使用乙醇燃料的優(yōu)點(m/s2)0.38~0.58(1)資源豐富。我國生產(chǎn)乙醇的主要原料有著火界限/%(o)3.5~1801.3-76含糖作物、含淀粉作物以及纖維類原料,這些都是理論空燃比/845147-150143-146可再生資源且來源豐富。理論混合氣熱值/′2780(2)排放性能好。車用乙醇汽油含氧量達(M/kg)267027862.72-2.7935%,使燃燒更加充分,據(jù)國家汽車研究中心所作十六烷值CN5-2545-65的發(fā)動機臺架試驗和行車試驗結果表明,使用車用辛烷值RON乙醇汽油,在不進行發(fā)動機改造的前提下,動力性能基本不變,發(fā)動機功率稍有下降。尾氣排放中的由表1分析可知:CO和HC化合物平均減少30%以上,有效地降低(1)從分子結構上看,汽油中不含氧,而乙醇了有害尾氣的排放。中含氧,更有利于促進燃料的燃燒完全,節(jié)省燃料;(3)動力性能好。乙醇辛烷值高,可采用高(2)乙醇含氧量高,使燃料燃燒更加充分,壓縮比提高發(fā)動機的熱效率和動力性。加上其蒸發(fā)大大改善了尾氣排放性能,CO和CH化合物平均潛熱大,可提高發(fā)動機的進氣量,從而提高發(fā)動機減少了30%以上的動力性(3)從密度上看,它們的差別不大,混合燃(4)積炭減少。因車用乙醇汽油的燃燒特性料的密度相近,混合后分離的傾向小;能有效地消除火花塞、燃燒室、氣門、排氣管消聲4)從沸點看,乙醇沸點比汽油低,因此在器部位積炭的形成,避免了因積炭形成而引起的故能使汽油沸騰的條件下,乙醇也能沸騰,這對汽化障,延長部件使用壽命。有利,但它是單一組分,缺少高揮發(fā)性的組分,對(5)使用方便。乙醇常溫下為液體,操作容發(fā)動機的起動不利;易,儲運使用方便。與傳統(tǒng)的發(fā)動機技術有繼承(5)從凝固點看,兩者都較低,在低溫環(huán)境性,特別是使用乙醇汽油混合燃料時,發(fā)動機結構溫度下都能正常使用變化不大。(6)閃點是在試驗室狀態(tài)下測量的燃料接觸3.2使用乙醇燃料的缺點火源時能夠著火的溫度,它影響到燃料的運輸和存(1)經(jīng)濟性差。國內(nèi)乙醇的價格長期高于汽放、使用過程的安全性,乙醇的閃點遠低于柴油的油,現(xiàn)在是靠國家扶持、政府補貼,才使車用乙醇閃點汽油的價格維持不變。因此,降低生產(chǎn)成本,是其(7)從汽化潛熱看,燃料乙醇的汽化潛熱約健康發(fā)展的關鍵。是汽油的27倍,汽化時吸收的熱量比汽油大得(2)蒸發(fā)潛熱大。乙醇的蒸發(fā)潛熱是汽油的2多,這會引起發(fā)動機進氣溫度降低,增加了發(fā)動機倍多,蒸發(fā)潛熱大會使乙醇燃料低溫起動和低溫運冷起動的困難;行性能惡化,如果發(fā)動機不加裝進氣預熱系統(tǒng),燃(8)從低熱值看,乙醇比汽油約低40%,因燒全醇燃料時汽車難以起動。但在汽油中混合低比此,做同樣的功,用燃料乙醇耗量要比普通汽油要例的醇,由燃燒室壁供給液體醇以蒸發(fā)熱,蒸發(fā)潛熱大V中國煤化工的有利因素。(9)從著火溫度看,通常情況下乙醇要比汽油更難以點燃,這也增加了使用含醇汽油發(fā)動機起要行CNMHG有汽油的61%,要大動的難度;(4)易產(chǎn)生氣阻。乙醇的沸點只有78℃,在柴油機第30卷第2期發(fā)動機正常工作溫度下,很容易產(chǎn)生氣阻,使燃料中、下各部乙醇與汽油的比例不同,使車用乙醇汽供給量降低甚至中斷。油不能正常燃燒,影響使用效果。(5)腐蝕金屬。乙醇在燃燒過程中,會產(chǎn)生解決方法:GB18351-2004《車用乙醇汽油》乙酸,對金屬特別是銅有腐蝕作用。有關試驗表對水分含量有嚴格的限制,規(guī)定車用乙醇汽油水分明,汽油中乙醇含量在10%以下時,對金屬基本含量不大于0.20%。因此,只要是正規(guī)加油站出沒有腐蝕,但乙醇含量超過15%時,則必須添加售的車用乙醇汽油就不會出現(xiàn)因含水產(chǎn)生分層而帶有效的腐蝕抑制劑。來麻煩。(6)與材料的適應性差。乙醇是一種優(yōu)良的4.5金屬腐蝕現(xiàn)象溶劑,易對汽車密封橡膠及其他合成非金屬材料產(chǎn)原因:乙醇在燃燒過程中產(chǎn)生的乙酸,對燃料生輕微的腐蝕、溶漲、軟化或龜裂作用。系統(tǒng)的許多金屬材料都有腐蝕作用,且乙醇含量越(7)易分層。燃料乙醇易于吸水,車用乙醇高,腐蝕性越大。汽油的含水量超過標準指標后,容易發(fā)生液相分解決方法:①使用耐腐蝕的金屬制造發(fā)動機;離,影響使用。車用乙醇汽油的儲運周期只有4~②在燃料中加防腐蝕添加劑。5天,因此必須改造、建設專供車用乙醇汽油的儲4.6橡膠材料出現(xiàn)溶脹裂紋現(xiàn)象罐、槽車、調(diào)和與加油設施。原因:乙醇汽油對供油系統(tǒng)的橡膠部件(如4使用乙醇燃料的常見問題及解決油的油封、墊圓等)有一定的溶脹作用,使其方案產(chǎn)生溶脹、軟化、龜裂進而失效,對塑料件也有類似的作用4.1油耗增加解決方法:①釆用氟橡膠、氟硅橡膠、聚硫橡原因:①乙醇熱值低,消耗量大;②由于駕駛膠、氯丁橡膠等耐乙醇汽油混合燃料的材料代替丁員對乙醇燃料的特性掌握不夠,點火時間調(diào)整得不晴橡膠、聚脂樹脂等材料。②在燃料中加入某些添合適、混合氣偏稀等;③車用乙醇汽油比普通汽油加劑也可以減輕乙醇汽油對橡膠和塑料材料的溶更易在進氣門表面及周圍形成積炭,如果不及時清脹。洗,會影響進氣門關閉的嚴密性,導致燃燒不完4.7發(fā)動機磨損全、油耗上升原因:①乙醇汽油能將氣缸和活塞環(huán)等部位的解決辦法:①清潔油箱、油路;②適當調(diào)整點潤滑油膜洗掉,加重磨損;②乙醇汽油燃燒時生成火時間、混合氣濃度等;③使用清洗型乙醇汽油清乙酸,能直接腐蝕金屬,造成腐蝕磨損,且乙酸還潔劑。能與潤滑油中的抗氧防腐劑(如二烷基二硫代磷4.2易產(chǎn)生氣阻酸鋅)發(fā)生反應而使其失效,從而增大各摩擦部原因:乙醇燃料的沸點低,在超過其沸點溫度位的腐蝕與磨損的高溫下,蒸氣壓會迅速增大,因此夏季行車時,解決方法:①改變發(fā)動機零部件材料(如活在長時間大功率、大負荷高速行駛和在市區(qū)內(nèi)長時塞環(huán)鍍鉻);②使用專用的乙醇燃料發(fā)動機潤滑油間的低速開空調(diào)行駛的情況下,都會引起發(fā)動機溫(堿度較高,可中和乙醇燃料燃燒產(chǎn)生的乙酸)。解決辦法:①降低乙醇汽油組分油的蒸氣壓5結束語數(shù)值;②檢查油箱附件一蒸汽閥的工作狀況,必要車用乙醇汽油在實際使用過程中能顯著降低汽時予以疏通維護或更換。車尾氣中HC和CO的排放量,有利于改善環(huán)境。4.3起步發(fā)頓和加速不良雖然也存在一些油耗增加、經(jīng)濟性差等問題,但是原因:①汽油濾清器或燃油噴嘴堵塞使油路不在推廣使用中,通過采取一定的措施能夠解決這些暢,供油不足;②混合氣偏稀問題,而且隨著石油產(chǎn)品的日益枯竭,石油價格的解決方法:①檢查清理油路,排除故障;②調(diào)攀升,乙醇經(jīng)濟性差的缺點將不復存在。推廣使用整點火時間車用中國煤化工舉措,對緩解我4.4使用中分層現(xiàn)象國石CNMHG的依賴性,改善原因:乙醇與汽油可以互溶,但抗水性較差,大氣境,近長亞土廠型幣買的良性循環(huán)及可持乙醇汽油一且遇水就會發(fā)生相分離,造成油箱上、(下轉第17頁)2008年3月馬林才:柴油添加劑和微粒捕集器的協(xié)同性分析與研究中的,主要有環(huán)烷酸Fe、二茂鐵等,其中二茂鐵參考文獻的降低碳煙排放效果好于環(huán)烷酸鐵。當Fe添加劑l]馬林才,劉穎.有機金屬化合物降低柴油機炭煙排放及與微粒捕集器結合使用時,Fe添加劑排到大氣中其機理的研究[刀].燃料化學學報,2005,34(2):230-的比例較大。這可能跟Fe的來源較多,比如機械磨損,外來灰塵,排氣管材料磨損等有關。[2]資新運柴油機微粒捕捉器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[門]4.3柴油催化添加劑在微粒捕集器中的沉積問題車用發(fā)動機,2000,126(2):1-4.柴油催化添加劑的燃燒產(chǎn)物隨排氣流經(jīng)捕集器[3]高永建陳國需秦敏董俊修燃油助燃劑研究進展[].內(nèi)燃機,2002(4):2-5時,有一部分會沉積在柴油機燃油系統(tǒng)、發(fā)動機燃[4]P Nag, K-H Song, T A Litzinger, DC Haworth. A chemical燒室和排氣系統(tǒng)內(nèi)。試驗表明,金屬添加劑在過濾kinetic modelling study of the mechanism of soot reduction體中的沉積率與濾芯對微粒的捕集效率基本一致。by oxygenated additives in diesel engines[ J]. Int J Engine積累在過濾體上的金屬添加劑燃燒產(chǎn)物會堵塞過濾Research,2001(2):163-175.體孔隙,縮短捕集器使用壽命,導致背壓上升,影[S]龔金科賴天貴劉孟祥董喜俊翟立謙柴油機微粒捕響柴油機的動力性和經(jīng)濟性,且排入大氣中的金屬集器過濾材料與再生方法分析與研究[J].內(nèi)燃機,2004飄塵又會引起二次污染。因此有必要對添加劑沉積(3):1-4部位、金屬原始沉積現(xiàn)象是否存在等開展進一步的[6]魏雄武,杜傳進柴油機微粒捕集器關鍵技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析[J]柴油機設計與制造,2005,14(4):4-7研究。[7]吳曉東翁端,陳華鵬,徐魯華.柴油車微粒捕集器過濾5結論材料研究進展[].材料導報,2002,16(6):28-31[8]楊德勝楊懿柴油機微粒陶瓷過濾器再生方法的探討柴油添加劑能降低柴油機的碳煙微粒排放,尤[J].內(nèi)燃機,2004(1):18-21其是具有催化作用的有灰型助燃消煙添加劑,還可[9]G.A以促進微粒捕集器的再生。微粒捕集器的再生有多sis of soot emitted by a modem diesel engine run on catalyst種方法,其中微波再生和催化再生將是比較可行的doped fuel[J]. Combustion and Flame, 2003, 132: 157方法。在催化再生時,選用合適的柴油添加劑非常重要,如Ce、P和Fe等添加劑都能有效促進微粒10c.A.stoi,.N. Pontikakis,.M.Sano.Epri捕集器再生,再生機理主要是通過降低碳煙的著火mental validation of a fuel additive assisted regenerationmodel in silicon carbide diesel filters[ J]. Automobile En溫度和活化能來促進碳煙微粒氧化。其中微粒捕集器中由于VOF的存在,使得柴油添加劑對碳煙的peering,2004,218:729744[11] Ulrich A, wichser A. Analysis of additive metals in fuel催化作用得到了提高。柴油添加劑促進微粒捕集器and emission aerosols of diesel vehicles with and without再生時,柴油中的硫含量,添加劑本身的沉積,以particle traps[J]. Analytical Bioanalytical Chemistry及添加劑/柴油溶液的穩(wěn)定性都將是影響添加劑和2003,37:7181微粒捕集器協(xié)同使用的關鍵。(上接第12頁)續(xù)發(fā)展,具有積極意義。[3]鄧元望劉放浪劉學英乙醇燃料及其在發(fā)動機中的應用[J]小型內(nèi)燃機與摩托車,2005(1)參考文獻[4]劉金寶車用乙醇汽油推廣應用中存在的問題及建議[1]王春杰,崔平,王瑋湯大鋼我國推廣車用乙醇汽油過J煉油與化工,2005(2)程中面臨的問題及應對措施[J]石油與天然氣化工[5]顧潔唐華車用乙醇汽油的儲存和使用[J].石油庫與2004(3)加油站,2006(3[2]呂興才李德鋼楊劍光張武高黃震柴油機燃用乙醇[6]熊云徐小明劉信陽清潔燃料基礎及應用[M].北柴油燃料的燃燒與排放特性[]汽車工程,2004(2)京:中國石化出版社,2005中國煤化工CNMHG