乙醇燃料的發(fā)展及其在發(fā)動(dòng)機中的應用

級35聾率2拖拉機與農用運輸車(chē)Vol 35 NeTractor Farm ThFeb.,2008乙醇燃料的發(fā)展及其在發(fā)動(dòng)機中的應用湯兆平,孫劍萍(華東交通大學(xué),南昌330013)摘要:在石油危機及環(huán)保的雙重壓力下,乙醇無(wú)疑是當今車(chē)用化石燃料最具潛力的替代品。使用乙酶燃料不但可以改善能源結構、減少對石油進(jìn)口的依賴(lài),同時(shí)可以降低汽率的有害排放。通過(guò)調查乙醇燃料及乙醇燃料汽車(chē)在國內外的發(fā)展狀況,分析了乙醇燃料的生產(chǎn)工藝、市場(chǎng)的合理價(jià)格,研究了乙罅摻合比例對燃料及發(fā)動(dòng)機性能的影響。關(guān)鍵詞:乙醇燃料;價(jià)格分析;發(fā)動(dòng)機性能中圖分類(lèi)號:TF58文獻標識碼:A文章編號:1006-0006(2008)01-0012-02Ethanol Fuels Development and its Application on EnginesTANG Zhao-ping, SUN Jian-pingEast China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)Abstract: Ethanol fuel is one kind of engine fuel that has the most latent capacity to replace fossil fuel under theof petroleum crisis and environment protection. Its application can not only improve energy structure andreduce the dependence on import petroleum, but also decrease the emissions from vehicles. It was Investigated thadevelopment situation of ethanol fuel and ethanol fuel-automobile in home and abroad. The productive technology and rationalmarketplace price were analyzed as well as ethanol blending impact of proportion over fuel and engine function was studiedKey words: Ethanol fuel; Price analysis; Engine performance隨著(zhù)汽車(chē)保有量的增加,機動(dòng)車(chē)尾氣排放已經(jīng)成為城市空氣污(可以使用任意比例的汽油、乙醇混合燃料)市場(chǎng)加快了乙醇燃料染的一個(gè)主要因素,同時(shí),全球性的能源不足問(wèn)題也越來(lái)越突出?？氐陌l(fā)展,靈活燃料車(chē)已成為新車(chē)市場(chǎng)主角。在2006年1月份銷(xiāo)量的制汽車(chē)尾氣排放和緩解能源壓力的一個(gè)重要途徑是采用新型清潔的新車(chē)中,靈活燃料汽車(chē)占73%。巴西政府正準備鼓勵發(fā)展E85的汽燃料-2)。含氧生物燃料乙醇,與普通汽油相比,以其燃燒更完全車(chē),乙醇及其汽車(chē)市場(chǎng)將進(jìn)一步拓展。CO排放量較低燃燒性能與汽油相似等優(yōu)良特性,被稱(chēng)為21世紀的1978年,美國實(shí)施《能源稅收法案),免除E0燃料4美分/加侖綠色能源”,已經(jīng)成為改善城市空氣質(zhì)量的重要法寶。據統計世的消費稅。1992年,美國鼓勵使用乙醇作新配方汽油的充氧劑極界上已有近20個(gè)國家推廣使用乙醇汽油。大地促進(jìn)了乙醇的生產(chǎn)。至今,美國約有400萬(wàn)輛可燃乙醇車(chē),有1乙醇燃料及乙醇燃料汽車(chē)在國內外的發(fā)展狀況135座加油站可加E85乙醇汽油。200年5月,全球最大的零售商早在1908年,美國人享利,福特就設計制造出世界上第一臺沃爾瑪公司表示,將在其經(jīng)營(yíng)的383家美國加油站中提供乙醇汽油純乙醇汽車(chē)。1930年乙醇汽油混合燃料在美國內布拉斯加州首次克萊斯勒公司2006年1月表示,其2008車(chē)款年度總產(chǎn)量的1/4將為面市。同期德、法巴西等國也開(kāi)始了乙醇汽油的應用。二次世界可燃乙醇車(chē)205年8月,美國總統布什簽署的一項能源法案要求大故期間能源緊缺促使乙醇燃料的研究非?；钴S,但后來(lái)價(jià)格低廉在2012年,政府強制使用的乙醇量從40億加侖增加到75億加侖的石化系燃油大量生產(chǎn)汽油和柴油憑借價(jià)格和性能上的優(yōu)勢在發(fā)為保護地下水資源,還將在2014年12月3日以后禁止在汽油中使動(dòng)機燃料領(lǐng)域占據壟斷地位用MTBE(甲基叔丁基醚)。這些措施將進(jìn)一步推動(dòng)美國燃料乙醇產(chǎn)70年代初,石油危機使乙醇燃料的研究又重新受到重視。太平業(yè)快速發(fā)展洋乙醇公司總裁 Neil Koehler表示,“只要油價(jià)維持在50美元/桶以2006年6月,日本環(huán)境省和經(jīng)產(chǎn)省共同制定乙醇燃料開(kāi)發(fā)的相關(guān)上,乙醇行業(yè)就一定很有潛力?！碑斍笆蛢r(jià)格已超60美元/桶世政策,計劃從200年起推廣使用E3,200年開(kāi)始推廣E0。目前,界各國都加快了乙醇燃料推廣應用的步伐。本許多汽車(chē)制造商在海外銷(xiāo)售含10%至25%乙醇的混合燃料車(chē)。巴西不僅是世界上最早通過(guò)立法手段強制推廣乙醇汽油的國200年9月本田汽車(chē)公司宣布將在巴西以3萬(wàn)輛的年產(chǎn)量銷(xiāo)售純家,也是目前世界上唯一不使用純汽油做汽車(chē)燃料的國家。早在乙醇小型汽車(chē)并準備針對日本市場(chǎng)作為環(huán)保技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。1931年,巴西政府就頒布法令,規定在全國所有地區銷(xiāo)售的汽油必我國開(kāi)發(fā)乙醇燃料起步較晚。2000年9月,國家經(jīng)貿委要求中須添加2%-5%的無(wú)水乙醇。此后,政府又陸續頒布法令提高添加國石化集團對乙醇作為車(chē)用燃料的可行性進(jìn)行系統研究。2002年無(wú)水乙醇的比例202年將上限提高到25%6206年3月由于擔初進(jìn)AYH中國煤化工號河南省的鄭州、洛陽(yáng)通燃料市場(chǎng)%的份額2年月隨著(zhù)已西啟動(dòng)靈活地料汽車(chē)汽油首批試點(diǎn)使用車(chē)用乙CNMHG,在東北三省、河南、安收稿日期:2007-01-05基金項目:華東交通大學(xué)校立科研基金資助;江西省載運工具與裝備重點(diǎn)實(shí)驗室資助湯兆平等:乙醇燃料的發(fā)展及其在發(fā)動(dòng)機中的應用徽全省以及其他27個(gè)地市封閉推廣乙醇汽油。乙醇汽油消費量占元/ta目前最為理想的是已列為國家863計劃的中國農業(yè)工程研究全國汽油消費市場(chǎng)的20%,成為僅次于巴西、美國的第三大乙醇燃設計院試驗成功的領(lǐng)先國際水平的甜高梁種植及高梁秸稈制酒技料生產(chǎn)和使用國。2006年11月12日,國家發(fā)改委工業(yè)司副司長(cháng)熊術(shù),提煉的乙醇市售價(jià)約2000元/。以油醇耗用比1:16計算,可必琳在“2006中國生物質(zhì)能源發(fā)展戰略論壇”上指出,到“十一五比汽油價(jià)格略低末,乙醇汽油將占我國汽油消費量的一半以上。4乙醇的摻合對燃料及發(fā)動(dòng)機的影響乙醇柴油的研究早在20世紀70年代就已開(kāi)始,但由于乙醇和4.1對燃料的影響柴油的相溶性較差及乙醇柴油成本較高的限制,目前為止,只有乙醇與汽油混合,會(huì )出現膨脹現象如1L乙醇與9L汽油混合,巴西政府剛剛批準生產(chǎn)E3-D并在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。其體積為1002L。乙醇和柴油的相溶性較差。K.R. Gerdes和G.】2乙醇混合燃料的生產(chǎn)工藝Suppes研究表明,一般情況下隨乙醇含量的增加,相分離溫度逐漸車(chē)用乙醇燃料由變性燃料乙醇和汽(柴)油以一定比例混配而升高但不同組成的柴油其變化規律和最終的趨勢不同。對于大多成。燃料乙醇的生產(chǎn)方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法兩種。數柴油當乙醇體積分數近50%時(shí),相分離溫度最高,這種現象屬于近年來(lái)受原油資源問(wèn)題及乙烯價(jià)格上漲的制約,合成法被生物法取液體相溶時(shí)的雙強效應。代。生物法以玉米、小麥、薯類(lèi)甘蔗、甜菜、木屑樹(shù)枝和植物秸桿等乙醇分子中富含38%的氧。摻合7.7%的乙醇汽油含氧量可農產(chǎn)品或農林廢棄物為原料酶解糖化發(fā)酵制造乙醇達27%;摻合比例提高到10%,含氧量將達到35%。含氧量的提資料顯示,當乙醇汽油中水分超過(guò)0.3%時(shí),就會(huì )油水相分離,高有利于燃料燃燒均勻減少局部富氧和局部缺氧的幾率,減小空造成發(fā)動(dòng)機熄火。因此,必須采用新型脫水工藝將含水分降到1%燃比提高燃燒熱效率。M. Abu-Qudais M等“的試驗結果顯示,以下。美國燃料乙醇脫水技術(shù)已從共沸蒸餾改進(jìn)成分子篩脫水及能E5-DE20-D的熱效率分別提高了36%和5.4%。耗更低的淀粉脫水。乙醇的辛烷值高,十六烷值較低。乙醇的添加可以較有效提高由于乙醇和柴油的相溶性較差,目前國內外有關(guān)公司已經(jīng)研制汽油的抗爆性卻使柴油機的發(fā)火性能變差。有關(guān)研究顯示,國內典出乙醇柴油的混合技術(shù),可在原機不作改動(dòng)或是很少改動(dòng)的情況下型催化裂化汽油添加10%的乙醇后,RON辛烷值提高3.4個(gè)單位,使用。該技術(shù)主要有兩種,一種是機械混合法,屬乙醇低比例混合MON辛烷值增加14個(gè)單位。而E0-D的十六烷值比純柴油約降法;另一種為助溶劑法,屬乙醇高比例混合法。2002年美國Pare低5.5個(gè)單位E15-D降低93個(gè)單位,國內研究還發(fā)現乙醇柴油中En公司研制的乙醇柴油混溶助溶劑 Purana,于2004年實(shí)現了商乙醇達到70%時(shí)會(huì )產(chǎn)生爆燃現象。品化。2006年11月,河南天冠集團經(jīng)過(guò)近五年的不懈攻關(guān),在乙醇柴與汽(柴)油相比,乙醇熱值低、油耗高。以E10為例,低溫啟動(dòng)油機械混合法和乙醇柴油助溶劑法研究方面取得突破性進(jìn)展。他們·性能和驅動(dòng)加速性能較差其熱比純汽油少3.8%,即在相同情況開(kāi)發(fā)的機械混合法不需添加任何助溶劑就可獲得乙醇含量在10%以下汽車(chē)行駛的里程比使用純汽油少3.8%。下的混合燃料;開(kāi)發(fā)的助溶劑法,在含乙醇10%以上的乙醇柴油中僅乙醇易蒸發(fā)、閃點(diǎn)低。加入汽油后會(huì )產(chǎn)生蒸汽壓調和效應,調和需添加少量助溶劑,就可解決低溫下乙醇與柴油難以互溶的難題。蒸汽壓隨乙醇體積分數的增加而提高。蒸汽壓過(guò)高容易發(fā)生氣阻,3乙醇的價(jià)格分析使油泵不能向發(fā)動(dòng)機供油;同時(shí)影響發(fā)動(dòng)機熱態(tài)停車(chē)后的啟動(dòng)性能。乙醇的加入對柴油的閃點(diǎn)降低起著(zhù)直接的影響, Michio等51發(fā)現加由于各國采用的原料、工藝及勞動(dòng)力價(jià)格不同,乙醇市場(chǎng)價(jià)格也助溶劑、含醇5%-20%的乙醇柴油,閃點(diǎn)均降低至15-16℃。與乙有差異。表1為2005年巴西、美國和我國的乙醇燃料銷(xiāo)售價(jià)格表1巴西、美國和中國的乙醇燃料銷(xiāo)售價(jià)格1 Ethanol Fuel Soil Price in brazi, USA and China美元/L42對發(fā)動(dòng)機零部件的影響乙醇在汽油機上的應用技術(shù)已經(jīng)相當成熟,巴西和美國多年的實(shí)踐經(jīng)驗證明,普通汽油車(chē)無(wú)需任何改動(dòng)就可以使用添加10%乙醇巴西以甘蔗為原料,經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,該國已成為燃料乙醇生的汽油。超過(guò)15%乙醇的汽油則必須對汽車(chē)發(fā)動(dòng)機進(jìn)行調整產(chǎn)能力最大、成本最低的國家,其乙醇燃料售價(jià)0.19美元/L(而國內由于乙醇是一種有機溶劑,在生產(chǎn)、儲存燃燒過(guò)程都會(huì )產(chǎn)生有汽油售價(jià)0.6-0.7美元/L),已經(jīng)具備相當的市場(chǎng)競爭力。目前日機酸易對機件產(chǎn)生腐蝕和磨損。需清洗燃油系統和油箱,對汽車(chē)的本瑞上澳大利亞、加拿大韓國等均有意從巴西進(jìn)口乙醇和引進(jìn)技術(shù)。塑料密封件進(jìn)行防腐蝕處理更換部分橡膠材料如軟管更換為丁睛美國采用玉米為原料,乙醇燃料售價(jià)0.33美元/L,普通無(wú)鉛汽橡膠密封件更換為含氟橡膠油約058美元/L。美國能源部日前投資3000萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)第二代纖我國試點(diǎn)使用中發(fā)現,發(fā)動(dòng)機使用初期,燃油系零部件、油路及維素酶,計劃3年內使生物酶的費用減小到每生產(chǎn)1加侖乙醇約10油管壁上的沉積物會(huì )剌落下來(lái)可能會(huì )導致濾清器的堵塞;長(cháng)期使用美分以下(約為現在生物酶費用的1/10)。美國Pnte大學(xué)可再生汽油醇時(shí),一些鎂、鋁、鋅的合金、鍍鉛錫的鋼板及有些黑色金屬將遭能源實(shí)驗室利用基因工程發(fā)現的轉基因酶可將五碳糖轉化為乙醇,到腐蝕尤其在燃料分層時(shí)更明顯;潤滑油的酸度值及粘度增加在使技術(shù)難度極大的“五碳糖發(fā)酵制乙醇技術(shù)”取得重大突破,展現了發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣系統的部件上容易產(chǎn)生油污潤滑油污染嚴重可能導致纖維素、半纖維素制乙醇的良好前景。拉缸;供油泵中的橡膠件、化油器加速泵中的皮碗及濾清器中的橡膠中國的乙醇提煉缺乏高效性,乙醇汽油的推廣正陷入困局。據油封出現脹大現象全國清潔汽車(chē)行動(dòng)協(xié)調小組辦公室專(zhuān)家組組長(cháng)王秉剛介紹,“九五”4.3對發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性的影響期間,政府在河南、吉林黑龍江3個(gè)產(chǎn)糧大省嘗試推廣乙醇汽油,遇中國煤化工使動(dòng)力性能下降。但到了很大的問(wèn)題。主要表現為價(jià)格缺乏競爭力引起了加油站和消CNMH充分燃燒,從而使功費者的雙重不滿(mǎn)。根據國內兩家有代表性的乙醇廠(chǎng)商的生產(chǎn)成本分率上升園家汽車(chē)研究中心所析,當玉米價(jià)為95219元/時(shí)燃料乙醇的成本為3897元/1;薯干作的發(fā)動(dòng)機臺架試驗和行車(chē)試驗結果表明使用車(chē)用乙醇汽油發(fā)動(dòng)價(jià)為93元t時(shí)燃料乙醇的成本為3668元1;2000年12月下旬受機不需改造動(dòng)力性能基本不變國際國內糧食上漲因素影響,燃料乙醇的成本高達4200-4500(下轉第16頁(yè))拖拉機與農用運輸車(chē)第1期2008年2月時(shí)顆粒過(guò)濾器中所含的炭煙被緩慢而仔細地轉化成CO2壓縮中氣(0.608MPa)主動(dòng)還原:當溫度達580℃時(shí)涂層中的氧化陶瓷成分可利用氧H0TD型發(fā)動(dòng)機電磁閥氣來(lái)加速熱還原反應。方法是通過(guò)補充噴油(與主噴油接近)加大噴油量延遲噴油時(shí)刻關(guān)閉廢氣再循環(huán)、阻塞節氣門(mén)等多種方法來(lái)向噴氣凈化空氣管路將渦輪增壓器的溫度提高到約450℃?！?.5.3控制過(guò)程發(fā)動(dòng)機控制單元中有一個(gè)預先編制好的模擬程序,該程序根據使用者的駕駛風(fēng)格和壓差傳感器獲得的信號來(lái)判斷過(guò)濾器的吸附飽鎧裝電加熱器和程度,在必要時(shí)執行主動(dòng)還原程序。對于常見(jiàn)的城市循環(huán)工況,每圖3逆向噴氣凈化過(guò)濾器系統示意圖行駛1000~2000km應通過(guò)發(fā)動(dòng)機管理系統來(lái)進(jìn)行一次主動(dòng)的還Fig 3 Fit of Puritying Filter by Reverse Jet原過(guò)程。4.5A6L3.0V6-TD型柴油發(fā)動(dòng)機顆粒過(guò)濾器催化轉化器的溫度超過(guò)350℃時(shí),進(jìn)行第二次補充噴油。由于4.5.I過(guò)濾器結構補充噴油時(shí)刻與主噴油有段時(shí)間差燃油僅被汽化,而尚未燃燒。這如圖4所示,該顆粒過(guò)濾器的濾芯為陶瓷材料,陶瓷壁上涂有些燃油蒸汽在催化轉化器處發(fā)生反應,將氣體溫度提高到750℃,于層銠和氧化陶瓷的混合物。濾芯的結構與傳統的催化轉化器相似是炭煙顆粒就開(kāi)始燃燒二者的區別在于該顆粒過(guò)濾器的通道在進(jìn)氣和排氣方向上是交替鎖機油燃燒后的剩余物(機油灰)無(wú)法除掉過(guò)濾器內,從閉的,這樣含有炭煙的廢氣必須得穿過(guò)透氣的氧化硅層,才能流到排而導致過(guò)濾器失效。因此,當行駛里程達到150000-20000km氣系統出口,炭煙則滯留在陶瓷壁上。時(shí),必須更換過(guò)濾器31催化轉換器壓差傳感器有涂層的顆粒過(guò)濾器發(fā)動(dòng)[試驗證明:在柴油機上使用顆粒過(guò)濾器能收到良好的減少顆粒物排放的效果電控技術(shù)的應用為顆粒過(guò)濾器工作效率的提高和工氧傳感器溫度傳感器溫度傳感器G235作過(guò)程的優(yōu)化提供了技術(shù)上的保證廢氣再循環(huán)系統4A6L3.0V6-TD型柴油發(fā)動(dòng)機顆粒過(guò)濾器參考文獻Fig 4 Diesel Pellet Filter of 3.01-V6-TDI A6L1]李興虎汽車(chē)環(huán)境保護技術(shù)M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.溫度傳感器C488的作用是調節第二次補充噴油的噴油量使過(guò)(2]陳家瑞汽車(chē)構造[M]北京:人民交通出版社,200濾器前的溫度達到620℃,以提高炭煙顆粒的燃燒速度。3]欒琪文汽車(chē)電控柴油機結構原理與維修[M]北京:機械工業(yè)出版社,206去傳感器作用是監控顆粒過(guò)濾器前后的壓力差、識別過(guò)濾器編輯史洛晨)是否被炭煙堵塞。作者簡(jiǎn)介:姚虹(1968-),女,講師哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀碩士,主要研究方4.5.2還原反應向為車(chē)輛工程;劉建食(1977-),女,講師廣西大學(xué)碩士研究生,主要研究方被動(dòng)還原(即不由發(fā)動(dòng)機管理系統控制):當溫度是3500-500℃向為能源與動(dòng)力出出示出柳出柳學(xué)出示出出出出出御出出出彩種出出出(上接第13頁(yè))P Satee de Caro研究發(fā)現低負載時(shí)乙醇柴油的輸出功率與純柴5結束語(yǔ)油的輸出功率無(wú)明顯差別;高負載時(shí),乙醇柴油的輸出功率略有降低,1993年我國已成為石油凈進(jìn)口國,2000年石油總需求量的33%但總的降低幅度不大。含醇5%-20%的乙醇柴油最大輸出功率降低幅度小于5%,同時(shí),乙醉含量越高最大輸出功率降低越多6。已從國外進(jìn)口,2006年石油進(jìn)口依存度已上升到57%。以可再生的乙醇作為汽車(chē)代或部分替代燃料,對維護我國能源安全、改善能源4.4對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性的影響燃料總熱值降低,所以在相同輸出結構保證社會(huì )經(jīng)濟健康穩定發(fā)展有著(zhù)重要的意義功率的情況下,乙醇汽(柴)油的油耗較純汽(柴)油高,且乙醇含量參考文獻:越高油耗越高。。研究表明E0耗油率上升7%-8%,E10-D和(1]何邦全發(fā)動(dòng)機含氧燃料的燃燒與排放特性研究[R]博士后研究報告E20-D耗油率分別上升3%和7%。北京:清華大學(xué),20035對排放的影響[2]何邦全,王建昕閻小光柴油機含氧燃料的研究進(jìn)展[門(mén)]農業(yè)機械學(xué)使用低比例的乙醇混合燃料,改善了燃燒,會(huì )普遍降低CO排報,2003,34(1):134-138放。NO,排放取決于最高燃燒溫度,而CH排放決定于燃料的組分3]曹湘洪我國發(fā)展燃料乙醇和乙醇汽油應注意的若干問(wèn)題[石油煉及內燃機工作過(guò)程的溫度。制與化工,2001,32(6):7~10驗證明使用F6,與常規汽油相比HC排放降低10%-27%,[4】 ABU-QUDAIS M. HADDAD O. QUDAISAT M. The Efect of Alcohol Fumico降低10%-28%,NO,減少7%-16%,有毒氣體降低9%-32%ation on Diesel Engine Performance and Emissions J ].Ene其他條件不變使用E10,CO排放降低30%以上,HC降低10%左右& Management,2000,41:389-399使用E15HC降低5%,NO降低40%,CO排放增加約,的助溶[5] MICHIO Ikura, MARIA Stanciulescu, EDWARD Hogan, Low Temperature美國的科羅拉多礦業(yè)學(xué)院2000年對E10-D(加入劑)與聯(lián)邦2號柴油進(jìn)行對比試驗結果發(fā)現乙醇柴油發(fā)動(dòng)機的PM[6什H中國煤化工M:202-Additive with Diesed Ethanol降低34%~40%,CO降低20%-28%,NO,降低2%~5%。CNMH G.0565-574編輯史洛晨)當然無(wú)論是使用乙醇汽油還是乙醇柴油汽車(chē)的排氣中都有非規排放物未燃醇醛類(lèi)要高于原先使用汽油或柴油。然而,通過(guò)作者簡(jiǎn)介:湯光平(19070-),男,江蘇常州人,華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院副書(shū)優(yōu)化內燃機,它們的排放量可以大大降低。記,副教授。