連 萌，葛玉萍

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

能源是人們進(jìn)行生產(chǎn)和賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。 能源出現(xiàn)問題，勢必對整個國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 作為主要能源的化石燃料(占能源的90%)，不僅儲量有限，而且由于石油、煤等化石燃料中含有C、S、Pb、塵埃及放射性物質(zhì)，其燃燒后的產(chǎn)物中含有大量的有害氣體 （如CO、HC、N0x、SO2、PbO 等）、有害顆粒和一定劑量的放射性物質(zhì)， 對人類的生活環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

柴油是壓燃式發(fā)動機（即柴油機）的燃料，也是消耗量最大的石油產(chǎn)品之一。 由于柴油機較汽油機熱效率高、功率大、燃料單耗低、比較經(jīng)濟(jì)，故應(yīng)用日益廣泛。 它主要作為拖拉機、大型汽車、內(nèi)燃機車及土建、農(nóng)用機械的動力[1]。 目前，就經(jīng)濟(jì)性和性能而言，沒有什么燃料可與柴油相競爭。 但從長遠(yuǎn)來看，為了保護(hù)環(huán)境和人類的健康，保持燃料的可持續(xù)利用，由柴油轉(zhuǎn)換到代用燃料將是不可避免的。

所謂代用燃料， 一般是指用以替代傳統(tǒng)的石油系燃料(柴油、汽油等)的非石油系燃料,如醇類燃料、植物油等。 也可以廣義地理解為， 凡是可以取代內(nèi)燃機出廠規(guī)定使用燃料的，都可稱為代用燃料[2，3]，如低質(zhì)重餾分油、乳化柴油等。 目前，發(fā)展發(fā)動機燃用代用燃料主要是為了減輕對石油燃料(汽油、柴油)需求的壓力和降低發(fā)動機有害物的排放量。

1 國內(nèi)外主要代用燃料的種類

結(jié)合國內(nèi)外代用燃料應(yīng)用技術(shù)的研究成果，適宜做柴油機代用燃料的燃料主要有甲醇、植物油、煤漿燃料、低質(zhì)燃油、沼氣和DME（二甲醚）。

1.1 甲醇

甲醇的分子結(jié)構(gòu)式是CH-OHC。 它具有資源豐富、排放潔凈、常溫下為液態(tài)、方便儲運等特點，而且甲醇發(fā)動機技術(shù)對傳統(tǒng)發(fā)動機技術(shù)有繼承性，結(jié)構(gòu)變化不大。 因此，甲醇作為柴油的代用燃料，受到了廣泛關(guān)注。 目前甲醇用于柴油機，主要有以下方式：

（1）火花點火式純甲醇發(fā)動機。 甲醇是富氧燃料，這種發(fā)動機在性能上的最大特點是可以實現(xiàn)無煙燃燒， 即使超負(fù)荷工作，煙度仍近于零，所以有清潔發(fā)動機之稱。 這對于進(jìn)一步提高發(fā)動機平均有效壓力及車用發(fā)動機低速扭矩都極為 有利。 此外，甲醇燃燒后，有害排放物NOx、HC、CO 也都比柴油機低。

（2）甲醇、柴油乳化油發(fā)動機。 在這種發(fā)動機中，甲醇和柴油以乳化油形式通過噴油器進(jìn)入氣缸燃燒。 乳化油有微爆效應(yīng)，可以改善燃燒。 這種乳化油同柴油摻水乳化油一樣，可以在機外用乳化設(shè)備預(yù)制，也可以采用隨機形式，即把一個小型乳化器連接在原有的燃油管道上，實現(xiàn)邊乳化邊燃燒。

（3）甲醇、柴油雙噴射式發(fā)動機。 在這種發(fā)動機中，甲醇和柴油分別用兩套獨立的燃油系統(tǒng)。 發(fā)動機工作時，先向氣缸內(nèi)噴入少量引燃柴油，在滯燃期內(nèi)，通過另一個噴油器再噴射主燃料甲醇，使之燃燒。 這種方式與燃用純柴油相比，在保持原有的經(jīng)濟(jì)、 動力性能的基礎(chǔ)上，NOx 排放量可降低l／3，實現(xiàn)以甲醇為主燃料的無煙運轉(zhuǎn)。

（4）甲醇汽化—柴油發(fā)動機。 這種發(fā)動機在進(jìn)氣支管上分別加裝一個小尺寸文特利管，進(jìn)氣時，利用支管喉部的真空度將甲醇從甲醇箱中引出，并與空氣混合進(jìn)入氣缸。 在壓縮過程終了時，用噴入氣缸的柴油引燃。 采用這種方式，發(fā)動機的功率不受影響，排出氣體中的NOx 及煙度下降，而HC、CO 有所增加。 有研究表明， 最大摻燒甲醇量為2 0%~25%[4]。

但是，甲醇作為代用燃料也存在一些問題需要解決。 例如：（1）著火性差。 甲醇的十六烷值僅為3 左右，而它的自燃溫度卻高達(dá)470℃，既難以壓燃，也不易被點燃。（2）發(fā)動機冷起動困難。 甲醇的汽化潛熱大，是汽油或柴油的3 倍多，需要特殊的技術(shù)措施幫助甲醇汽化。 （3）黏度低，直接使用柴油機原有的燃油噴射系統(tǒng)時， 會造成系統(tǒng)磨損甚至卡死等故障，從而影響發(fā)動機的可靠性和耐久性。 （4）對有色金屬、橡膠等有強烈的腐蝕作用。 （5）與柴油互溶困難，不易保證其與柴油的均勻混合，混合燃料易分層，穩(wěn)定性較差。 （6）滯燃期相對較長，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁?所以，甲醇添加比例較大時，在發(fā)動機的速燃期內(nèi)壓力升高率大，工作粗暴，容易發(fā)生敲缸等，使發(fā)動機運動零部件所受沖擊負(fù)荷增加[5]，影響發(fā)動機的使用壽命。

1.2 植物油

植物油雖然種類很多， 但其成分為各種不同高級脂肪酸甘油酯，其組成物的物化性質(zhì)相近。 與輕柴油相比，其主要特點是黏度大(100℃時比柴油大8～10 倍)、殘?zhí)贾蹈?、未飽和脂肪酸多?/p>

國外介紹生物柴油在柴油機上長期使用考核情況的有關(guān)資料表明：南非以向日葵油為原料制成的生物柴油已完成1 300 h 試驗。 巴西以大豆油為原料制成的生物柴油試驗已進(jìn)行1 400 h， 道路試驗客、 貨車分別行駛了4 萬多km 及5000 多km。 澳大利亞生產(chǎn)生物柴油供殼牌石油公司進(jìn)行運轉(zhuǎn)試驗，平均每天行駛96 km，連續(xù)運轉(zhuǎn)14～28 d，效果與天然柴油一樣[6]。

綜合國內(nèi)外柴油機燃用植物油的試驗研究結(jié)果，大致可以歸結(jié)為兩點：

（1）柴油機不需要大的變動即可燃用100%植物油，其輸出功率、比能耗及排放特性均與柴油相近。 但植物油因其黏度大、殘?zhí)贾蹈摺⑽达柡椭舅岢煞侄嗟热觞c，若長時期運轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致噴油器和燃燒室表面積炭、活塞環(huán)黏結(jié)和過濾器阻塞等現(xiàn)象，而且冷起動比較困難。 換句話說，它僅適宜作短期應(yīng)急運轉(zhuǎn)。

（2）如要作長時期運轉(zhuǎn)，則需改善油質(zhì)。 其途徑是，在植物油中摻混柴油(可以互溶)，組成混合燃料，或?qū)χ参镉瓦M(jìn)行酯化處理。 酯化處理的目的就是去除植物油中甘油的成分，降低黏度、增加揮發(fā)性，使燃料特性更接近柴油。 我國曾在柴油機上對棉籽油及經(jīng)脂化處理后得到的甲酯作過性能對比試驗，結(jié)果表明，二者的動力性能都可達(dá)到燃用柴油的水平，而且后者熱效率略高，廢氣排放和煙度降低，超負(fù)荷性能也優(yōu)于柴油[7]。 但是，由于植物油甲酯的揮發(fā)性不如柴油，長期運轉(zhuǎn)存在潤滑油稀釋問題。

總之，植物油大都可作為柴油機的代用燃料，關(guān)鍵在于如何保證良好的燃燒及柴油機的耐久性。 不過，柴油機燃用代用燃料時，雖然涉及問題較多，但按對柴油機的基本工作要求來制訂代用燃料的應(yīng)用原則， 仍可獲得較好的效果，只是對不同的植物油，應(yīng)通過試驗確定不同的原則。

1.3 煤漿燃料

煤粉的熱能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。 柴油機燃用煤粉的實用性取決于零部件的耐久性，為適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的要求，使用燃用煤粉的現(xiàn)實措施是把凈化煤做成煤漿燃料， 即用煤粉和柴油COM (Coal Oil Mixture) 或用煤粉和水組成CWM(Coal Water Mixture)燃料[8]。 美國西南研究所在一臺Mercedes OM314(D×S＝97×120)高速直噴式柴油機上進(jìn)行了COM 燃料試驗。試驗結(jié)果表明，在保持相同功率的情況下，由于煤粉的存在，使燃燒速度減慢，導(dǎo)致熱效率有所降低，排溫和煙度隨燃料中含碳量及轉(zhuǎn)速的增加而增加[9]，最大功率隨含碳量增加而降低。 經(jīng)11 h 運轉(zhuǎn)，發(fā)動機無明顯積炭，但竄氣量顯著增加 （這是由于活塞環(huán)和氣缸套的顆粒磨損所致），噴油泵有少量磨損，并有卡死現(xiàn)象。

要使煤漿達(dá)到實用階段， 還需要解決一系列問題：（1）煤漿的穩(wěn)定劑。 作為商業(yè)應(yīng)用，必須保證煤漿中煤粒分散均勻，相互不聚結(jié)，在較長時間內(nèi)不沉淀。 （2）柴油機的磨損問題。 煤漿在柴油機上長時間燃燒，對供油系統(tǒng)的磨損將大大超過柴油。 （3）煤漿的燃燒特性。 因煤的燃燒速度比柴油低，所以需要根據(jù)煤漿的燃燒特性設(shè)計新型的柴油機。 在現(xiàn)有的柴油機上調(diào)整噴油提前角，或?qū)⒚簼{用于中、低速柴油機，不失為一種解決問題的辦法。

1.4 DME（二甲醚）

二甲基醚簡稱DME，是一種最簡單的醚類化合物，已被廣泛用作化妝品業(yè)的一種噴霧劑， 其分子式為CH-O-CH3，幾乎無毒、無腐蝕性，常溫、常壓下是無色氣體，不損害臭氧層。 由于其分子式里不含直接的C-C 鍵， 且含有一個氧原子，因而能夠大大減少碳煙的生成，從而實現(xiàn)無煙燃燒。 它的十六烷值為55~60，稍高于柴油(40~55)和其他代用燃料的十六烷值[10]。 這意味著DME 具有非常好的自燃性能，同時它沸點低，能快速形成良好的混合氣，從而縮短著火延遲期，使柴油機具有較好的冷起動性，比較適合壓燃點火的柴油機。 由于受DME 生產(chǎn)規(guī)模的限制，以前DME 多用作化妝品的噴霧推進(jìn)劑。DME 在柴油機上的應(yīng)用也存在一些需要解決的問題[11]。如：（1）沸點低(-20℃)，使其易汽化，需要加壓存儲，所以供油系統(tǒng)與傳統(tǒng)柴油機有所不同。 （2）對金屬沒有腐蝕性，但對一些橡膠彈性元件來說，若長時間暴露在DME 中，會使其性能惡化，因此需要認(rèn)真選擇密封件。 （3）由于DME 黏度較低(為柴油的0.07～0.1 倍)，供油系統(tǒng)部件容易磨損，所以，柴油機燃用DME，主要難點是如何解決潤滑和密封問題。

1.5 天然氣和液化石油氣

天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，主要以壓縮天然氣和液化天然氣的形式在發(fā)動機上燃用。 發(fā)動機燃用天然氣最為顯著的優(yōu)越性就是低污染。 有資料表明，天然氣汽車CO 排放量是汽油車的1/15，HC 排放量是汽油車的1／5，形成酸雨的SO 排放量是汽油車的1／l0， 導(dǎo)致溫室效應(yīng)的CO2排放量是汽油車的4／5。 柴油機使用天然氣時，優(yōu)點更為突出，能夠明顯降低顆粒物和NOX排放量，徹底消除排氣黑煙，并且由于天然氣中不含苯環(huán)芳香烴，也減少了致癌物質(zhì)的排放。 另外，發(fā)動機燃用天然氣時，集碳少，可減少對發(fā)動機的磨損，延長發(fā)動機的壽命，降低機油的消耗，而且冷起動性得到了改善[12]。從經(jīng)濟(jì)性考慮，由于天然氣資源豐富、成本低，發(fā)動機的燃料費用能夠大大降低。

柴油機燃用天然氣和液化石油氣所存在的問題主要有：（1）燃料的儲存。因這兩種燃料常態(tài)下為氣體，需要鋼瓶等耐壓容器加高壓儲存，費用較高。 （2）功率損失。 這主要是容積效率損失造成的： 發(fā)動機燃用氣體燃料時功率損失-般為10%~20%，因而必須尋求功率恢復(fù)的途徑。 （3）點火問題。 由于天然氣和液化石油氣的十六烷值低、著火溫度高，靠壓縮不能實現(xiàn)著火，必須采取點火措施，如用火花塞等，并且同汽油相比，它更難點燃，所以火花塞的點火能量要更大些。

目前， 天然氣和液化石油氣在柴油機上主要有以下兩種應(yīng)用形式。 一種為燃料與空氣混合后進(jìn)入汽缸、用火花塞點燃，另一種是噴入柴油引燃的雙燃料方式。

2 我國代用燃料特點評價

雖然目前國內(nèi)外的內(nèi)燃機代用燃料種類很多，但判斷代用燃科在我國是否具有實用價值， 還要從以下3 個方面進(jìn)行綜合評價。

2.1 我國能源與相關(guān)國情

我國煤炭資源極其豐富，已經(jīng)勘探證實的儲量達(dá)7 000 億t(已探明的石油地質(zhì)儲量為71 億t)。因此，代用燃料的制取可以以煤為原料。 可供柴油機使用的煤基燃料有煤基柴油、煤氣、甲醇，以及用煤直接精制而成的煤粉和煤漿燃料等。

不過，也應(yīng)看到，我國煤炭資源雖然豐富，但分布很不均衡，有64%分布在華北，長江流域以南不少地區(qū)既缺煤又缺石油。 不過，長江流域以南往往氣候適宜、雨量充分，植物資源(食用植物油和野生植物油)卻十分豐富，因而可以因地制宜加以開發(fā)。 當(dāng)前最大的障礙是植物油價格偏高。 我國有關(guān)專家認(rèn)為，菜子油(指含芥酸量高的一種，不宜食用)、棉子油、茶油、黑皂油、烏柏子油、松根油等是我國很有發(fā)展前途的植物油。 沼氣在我國農(nóng)村應(yīng)用已相當(dāng)普遍，用沼氣做燃料也是解決農(nóng)機燃料問題的一個重要途徑，很有現(xiàn)實意義。

2.2 能源轉(zhuǎn)換效率與投資成本

能源轉(zhuǎn)換效率是代用燃料本身熱值與生產(chǎn)單位重量的代用燃料所耗費的能量 (包括原料熱值和工藝燃料熱值)之比。其投資成本可以用生產(chǎn)每單位熱值所需投資費用，即單位投資成本來表示。 我國目前煤基液體燃料未能推廣使用的主要原因是投資費用大、成本高。

2.3 代用燃料的應(yīng)用方式

與柴油相比，各種代用燃料的物化性質(zhì)（如十六烷值、揮發(fā)性、黏度、殘?zhí)贾档龋┐嬖诓煌潭鹊牟町悺?因此，在實際應(yīng)用中，為使發(fā)動機仍能保持原有性能，或者是發(fā)動機作必要的結(jié)構(gòu)變動，以適用代用燃料的正常燃燒，即“以機適應(yīng)油”，或者是改善燃料的物化性質(zhì)，來滿足發(fā)動機對燃料性能的要求，即“以油適應(yīng)機”。 從代用燃料的代用程度來看，有的可以實現(xiàn)“全部代用”，而有的只能“部分代用”。 我國目前的代用燃料研究偏重于“部分代用”，這樣，發(fā)動機改動少、技術(shù)難度低一些，適合于當(dāng)前柴油緊缺，適度發(fā)展代用燃料的過渡時期的實際情況。

3 結(jié)語

我國的發(fā)動機工業(yè)較為落后，排氣污染較為嚴(yán)重。 要解決柴油機廢氣排放問題，需要從多方面努力。 燃料是一個重要的影響方面，需要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。 具體來說，主要包括以下幾個方面：

（1）柴油作為柴油機燃料，在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將占主導(dǎo)地位。 因此，應(yīng)進(jìn)一步深入研究柴油品質(zhì)對柴油機性能和排放的影響，改進(jìn)燃油生產(chǎn)工藝，提高燃油品質(zhì)，使柴油的各項指標(biāo)盡量滿足低排放的要求。

（2）對技術(shù)上較為成熟、使用效果較好的代用燃料要繼續(xù)大力推廣。這主要是指天然氣和液化石油氣。 我國天然氣資源十分豐富， 現(xiàn)在天然氣汽車在我國已得到很好的普及。

（3）積極研究開發(fā)有前景的其他代用燃料，如：甲醚、甲醇等。 對甲醇已有較多的研究，尤其是對混合燃料的方式，研究較為深入。 對這些前景較好的代用燃料，應(yīng)進(jìn)行深入的研究，為其大規(guī)模應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

[1] 何學(xué)良，詹勇厚. 內(nèi)燃機燃料[M]. 北京：中國石化出版社，1999：5-10.

[2] 陳鴻奎. 關(guān)于我國柴油機的代用燃料[J]. 小型內(nèi)燃機，1993（1）：42-48.

[3] 周玉明. 內(nèi)燃機代用燃料[J]. 內(nèi)燃機，2002(6)：38-39.

[4] 盧紅兵. 柴油甲醇混合燃料燃燒與排放特性的實驗研究[D]. 西安交通大學(xué)，2003.

[5] 竇林琪，張龍海. 日本、德國甲醇及代用燃料發(fā)動機汽車情況[J]. 山西能源與節(jié)能，2002(2)：8-9.

[6] 朱行. 美國生物柴油的發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)科技通訊，2001(6):1-2.

[7] 實德明. 柴油機代用燃料-生物柴油的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1991（2）：92-98.

[8] 何宗敬.甲烷、油、煤水漿作柴油機代用燃料的實驗研究[J]. 浙江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，1994（4）：234-238.

[9] 韓樹，畢小平. 柴油機燃用水煤漿技術(shù)的綜述[J].內(nèi)燃機工程，1998（4）：5-9.

[10] 鄭尊清，堯命發(fā). 柴油機燃用二甲基醚的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].小型內(nèi)燃機，1998(5)：12-16.

[11] 郭斌峰，李瑞芳. 二甲醚做柴油機代用燃料的研究[J].中國科技信息，2008（17）：131-134.

[12] 姚春德， 劉增勇. 柴油引燃天然氣的雙燃料燃燒機理的研究[C] //中國工程熱物理學(xué)會. 中國工程熱物理學(xué)會第十屆年會論文集青島：761-763.