乙醇作為車(chē)用燃料的可行性及常見(jiàn)問(wèn)題

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(chē)用燃料的可行性及常見(jiàn)問(wèn)題李永平(北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院,北京100044)摘要:介紹乙醇汽油作為燃料時(shí)的物理化學(xué)特點(diǎn),與普通汽油、柴油的理化特性進(jìn)行了對比,總結出乙醇汽油的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎上,針對車(chē)用乙醇汽油在使用過(guò)程中常見(jiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了具體的解決方法。關(guān)鍵詞:替代燃料;乙醇汽油;物化特性中圖分類(lèi)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?xún)热紮C燃用的石油燃料(汽油、柴油等)是烴類(lèi)燃料,而醇類(lèi)是烴基和羥基組成的化合物,這就從近年來(lái),我國汽車(chē)工業(yè)迅速發(fā)展,汽車(chē)保有量化學(xué)性質(zhì)上決定了醇類(lèi)可以作為內燃機的代用燃逐年增加。目前汽車(chē)的燃料主要以石油產(chǎn)品為主,料。從分子組成上來(lái)看,乙醇的分子式為而世界石油資源日益減少,發(fā)動(dòng)機燃料的供應將越CH2CH2OH,含有2個(gè)碳原子、6個(gè)氫原子和1個(gè)來(lái)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(chē)用汽油、柴油造成的-21的液態(tài)烴類(lèi)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(xué)性質(zhì)上,有相似的地車(chē)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(lái)源廣泛、豐富,抗爆性好,與柴油的理化性質(zhì)主要差異見(jiàn)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(chē)用乙醇燃料的推廣使用中,遇到一些問(wèn)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(guò)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(lèi)|Cn烴類(lèi)分子量2乙醇燃料與汽油、柴油物理化學(xué)含氧量特性的比較密度中國煤化工708乙醇是一種無(wú)色透明、易揮發(fā)、易燃的液體。沸點(diǎn)CNMHG20180-370收修改稿日期:200707252008年3月李永平:乙醇作為車(chē)用燃料的可行性及常見(jiàn)問(wèn)題11續表(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(diǎn)/℃m13-∞0-30-=35-10強,可采用高壓縮比,提高發(fā)動(dòng)機熱效率,降低耗閃點(diǎn)(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(zhù)火汽化熱/(/kg)084031-034025-0.30性能差,在柴油機中燃用時(shí)比較困難低熱值/(M)2m849-45-83使用乙醇燃料的優(yōu)缺點(diǎn)著(zhù)火溫度/℃0~468270-350火焰傳播速度3.1使用乙醇燃料的優(yōu)點(diǎn)(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(zhù)火界限/%(o)3.5~1801.3-76含糖作物、含淀粉作物以及纖維類(lèi)原料,這些都是理論空燃比/845147-150143-146可再生資源且來(lái)源豐富。理論混合氣熱值/′2780(2)排放性能好。車(chē)用乙醇汽油含氧量達(M/kg)267027862.72-2.7935%,使燃燒更加充分,據國家汽車(chē)研究中心所作十六烷值CN5-2545-65的發(fā)動(dòng)機臺架試驗和行車(chē)試驗結果表明,使用車(chē)用辛烷值RON乙醇汽油,在不進(jìn)行發(fā)動(dòng)機改造的前提下,動(dòng)力性能基本不變,發(fā)動(dòng)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(jìn)燃料的燃燒完全,節省燃料;(3)動(dòng)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(dòng)機的熱效率和動(dòng)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(dòng)機的進(jìn)氣量,從而提高發(fā)動(dòng)機減少了30%以上的動(dòng)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(chē)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(mén)、排氣管消聲4)從沸點(diǎn)看,乙醇沸點(diǎn)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(cháng)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(dòng)機的起動(dòng)不利;易,儲運使用方便。與傳統的發(fā)動(dòng)機技術(shù)有繼承(5)從凝固點(diǎn)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(shí),發(fā)動(dòng)機結構溫度下都能正常使用變化不大。(6)閃點(diǎn)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(diǎn)火源時(shí)能夠著(zhù)火的溫度,它影響到燃料的運輸和存(1)經(jīng)濟性差。國內乙醇的價(jià)格長(cháng)期高于汽放、使用過(guò)程的安全性,乙醇的閃點(diǎn)遠低于柴油的油,現在是靠國家扶持、政府補貼,才使車(chē)用乙醇閃點(diǎn)汽油的價(jià)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(guān)鍵。是汽油的27倍,汽化時(shí)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(huì )引起發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣溫度降低,增加了發(fā)動(dòng)機倍多,蒸發(fā)潛熱大會(huì )使乙醇燃料低溫起動(dòng)和低溫運冷起動(dòng)的困難;行性能惡化,如果發(fā)動(dòng)機不加裝進(jìn)氣預熱系統,燃(8)從低熱值看,乙醇比汽油約低40%,因燒全醇燃料時(shí)汽車(chē)難以起動(dòng)。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(zhù)火溫度看,通常情況下乙醇要比汽油更難以點(diǎn)燃,這也增加了使用含醇汽油發(fā)動(dòng)機起要行CNMHG有汽油的61%,要大動(dòng)的難度;(4)易產(chǎn)生氣阻。乙醇的沸點(diǎn)只有78℃,在柴油機第30卷第2期發(fā)動(dòng)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(chē)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(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生解決方法:GB18351-2004《車(chē)用乙醇汽油》乙酸,對金屬特別是銅有腐蝕作用。有關(guān)試驗表對水分含量有嚴格的限制,規定車(chē)用乙醇汽油水分明,汽油中乙醇含量在10%以下時(shí),對金屬基本含量不大于0.20%。因此,只要是正規加油站出沒(méi)有腐蝕,但乙醇含量超過(guò)15%時(shí),則必須添加售的車(chē)用乙醇汽油就不會(huì )出現因含水產(chǎn)生分層而帶有效的腐蝕抑制劑。來(lái)麻煩。(6)與材料的適應性差。乙醇是一種優(yōu)良的4.5金屬腐蝕現象溶劑,易對汽車(chē)密封橡膠及其他合成非金屬材料產(chǎn)原因:乙醇在燃燒過(guò)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(chē)用乙醇高,腐蝕性越大。汽油的含水量超過(guò)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(dòng)機;離,影響使用。車(chē)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(zhuān)供車(chē)用乙醇汽油的儲4.6橡膠材料出現溶脹裂紋現象罐、槽車(chē)、調和與加油設施。原因:乙醇汽油對供油系統的橡膠部件(如4使用乙醇燃料的常見(jiàn)問(wèn)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(jìn)而失效,對塑料件也有類(lèi)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(diǎn)火時(shí)間調整得不晴橡膠、聚脂樹(shù)脂等材料。②在燃料中加入某些添合適、混合氣偏稀等;③車(chē)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(jìn)氣門(mén)表面及周?chē)纬煞e炭,如果不及時(shí)清脹。洗,會(huì )影響進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉的嚴密性,導致燃燒不完4.7發(fā)動(dòng)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適當調整點(diǎn)潤滑油膜洗掉,加重磨損;②乙醇汽油燃燒時(shí)生成火時(shí)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(diǎn)低,在超過(guò)其沸點(diǎn)溫度位的腐蝕與磨損的高溫下,蒸氣壓會(huì )迅速增大,因此夏季行車(chē)時(shí),解決方法:①改變發(fā)動(dòng)機零部件材料(如活在長(cháng)時(shí)間大功率、大負荷高速行駛和在市區內長(cháng)時(shí)塞環(huán)鍍鉻);②使用專(zhuān)用的乙醇燃料發(fā)動(dòng)機潤滑油間的低速開(kāi)空調行駛的情況下,都會(huì )引起發(fā)動(dòng)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(yǔ)數值;②檢查油箱附件一蒸汽閥的工作狀況,必要車(chē)用乙醇汽油在實(shí)際使用過(guò)程中能顯著(zhù)降低汽時(shí)予以疏通維護或更換。車(chē)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(wèn)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(guò)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(wèn)題,而且隨著(zhù)石油產(chǎn)品的日益枯竭,石油價(jià)格的解決方法:①檢查清理油路,排除故障;②調攀升,乙醇經(jīng)濟性差的缺點(diǎn)將不復存在。推廣使用整點(diǎn)火時(shí)間車(chē)用中國煤化工舉措,對緩解我4.4使用中分層現象國石CNMHG的依賴(lài)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(cháng)亞土廠(chǎng)型幣買(mǎi)的良性循環(huán)及可持乙醇汽油一且遇水就會(huì )發(fā)生相分離,造成油箱上、(下轉第17頁(yè))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(shí),Fe添加劑排到大氣中其機理的研究[刀].燃料化學(xué)學(xué)報,2005,34(2):230-的比例較大。這可能跟Fe的來(lái)源較多,比如機械磨損,外來(lái)灰塵,排氣管材料磨損等有關(guān)。[2]資新運柴油機微粒捕捉器的研究現狀及發(fā)展趨勢[門(mén)]4.3柴油催化添加劑在微粒捕集器中的沉積問(wèn)題車(chē)用發(fā)動(dòng)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(jìn)展[].內燃機,2002(4):2-5時(shí),有一部分會(huì )沉積在柴油機燃油系統、發(fā)動(dòng)機燃[4]P Nag, K-H Song, T A Litzinger, DC Haworth. A chemical燒室和排氣系統內。試驗表明,金屬添加劑在過(guò)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(guò)濾體上的金屬添加劑燃燒產(chǎn)物會(huì )堵塞過(guò)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(lài)天貴劉孟祥董喜俊翟立謙柴油機微粒捕響柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性,且排入大氣中的金屬集器過(guò)濾材料與再生方法分析與研究[J].內燃機,2004飄塵又會(huì )引起二次污染。因此有必要對添加劑沉積(3):1-4部位、金屬原始沉積現象是否存在等開(kāi)展進(jìn)一步的[6]魏雄武,杜傳進(jìn)柴油機微粒捕集器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現狀與分析[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(chē)微粒捕集器過(guò)濾5結論材料研究進(jìn)展[].材料導報,2002,16(6):28-31[8]楊德勝楊懿柴油機微粒陶瓷過(guò)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(jìn)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(shí),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(jìn)微粒10c.A.stoi,.N. Pontikakis,.M.Sano.Epri捕集器再生,再生機理主要是通過(guò)降低碳煙的著(zhù)火mental validation of a fuel additive assisted regenerationmodel in silicon carbide diesel filters[ J]. Automobile En溫度和活化能來(lái)促進(jìn)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(jìn)微粒捕集器and emission aerosols of diesel vehicles with and without再生時(shí),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(guān)鍵。(上接第12頁(yè))續發(fā)展,具有積極意義。[3]鄧元望劉放浪劉學(xué)英乙醇燃料及其在發(fā)動(dòng)機中的應用[J]小型內燃機與摩托車(chē),2005(1)參考文獻[4]劉金寶車(chē)用乙醇汽油推廣應用中存在的問(wèn)題及建議[1]王春杰,崔平,王瑋湯大鋼我國推廣車(chē)用乙醇汽油過(guò)J煉油與化工,2005(2)程中面臨的問(wèn)題及應對措施[J]石油與天然氣化工[5]顧潔唐華車(chē)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(yáng)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(chē)工程,2004(2)京:中國石化出版社,2005中國煤化工CNMHG