第六章 内燃机的替代燃料

第六章内燃机的替代燃料,第一节替代燃料概述第二节含氧燃料第三节合成油第四节气体替代燃料第五节替代燃料的生命周期分析,第一节替代燃料概述,能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，目前，能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化已成为当今世界和我国的两大难题。为缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有利于我国长期可持续稳定的发展和环境保护，需要发展内燃机替代清洁燃料以部分取代石油基燃料即汽油和柴油。,第二节含氧燃料,一、醇类燃料二、二甲醚三、生物柴油,一、醇类燃料,1.醇类燃料在汽油中的溶解度2.甲醇燃料3.乙醇,1.醇类燃料在汽油中的溶解度,图6-1甲醇在汽油中的互溶度与环境温度的关,1.醇类燃料在汽油中的溶解度,图6-2乙醇在汽油和重柴油中的互溶临界温度与其含水率的关1重柴油2汽油,1.醇类燃料在汽油中的溶解度,图6-3乙醇与重柴油、轻柴油互溶温度与乙醇容积比的关1重柴油2轻柴油,2.甲醇燃料,(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性表6-1表示了甲醇及其他替代燃料与汽油、柴油物化性质的比较。(2)甲醇燃料在发动机上的试验结果,(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性,1)甲醇燃料的低热值仅为汽油的46%左右，因此当在汽油机上燃用甲醇或甲醇汽油混合燃料时，应增加循环油量，从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高，使发动机在燃用甲醇燃料时动力性能不降低甚至可以提高，同时也有合适的空燃比。2)甲醇燃料的汽化热为汽油的7倍(按相同热值的混合气计)，从而使混合气在汽化时的温降较大。3)甲醇燃料的辛烷值高,在汽油机上使用时可以提高压缩比,有利于提高发动机的动力性能和经济性能。4)由于甲醇燃料的汽化热大,因此进入气缸的混合气温度低,滞燃期长,应适当增大点火提前角。5)甲醇含氧量达50%，利于燃料完全燃烧，降低CO和HC排放。6)在定容燃烧弹中测出的甲醇的层流火焰传播速度为32.7cm/s，汽油为25.2cm/s，在相同条件下，甲醇的燃烧速度高于汽油，燃烧持续期缩短，有利于提高热效率。,(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性,7)甲醇的着火极限比汽油、柴油浓，使用更安全。特性1)甲醇对呼吸系统、皮肤、眼睛等有毒，要对相关人员进行安全教育和岗前培训，对甲醇汽油加色，杜绝口吸或饮用。2)有些塑料件和橡胶件与甲醇不能兼容，会发生溶胀，导致采用上述材料的密封件失效；甲醇对一些非铁金属有腐蚀性。3)甲醇沸点较低(65)，容易在供油系统中发生高温气阻。4)甲醇的吸水性强，在运输和贮存时除防火外，还要防湿，否则将影响甲醇的纯度，甲醇汽油混合燃料吸水后易产生分层。5)甲醇燃烧后会产生醛类等非常规排放物。,(2)甲醇燃料在发动机上的试验结果,1)在汽油机上燃用醇类燃料。2)在柴油机上燃用甲醇燃料的试验结果。,图6-4醇类燃料发动机与汽油机的排放比,3.乙醇,1)乙醇燃料的低热值为汽油的62%左右。2)乙醇燃料的汽化热为汽油的2.9倍，从而使混合气在汽化时温降大，这有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，会造成发动机冷起动困难(尤其是在冬季)和暖机时间长。3)乙醇燃料的辛烷值高,在火花点火发动机上使用时,可以提高压缩比,有利于提高发动机的动力性能和经济性能。4)乙醇燃料的汽化热大,进入气缸的混合气温度低,滞燃期长,应适当增大点火提前角。5)乙醇的粘度比汽油高得多，当管道中流动阻力较大时，会导致火花点火发动机高速、高负荷时功率上不去。,二、二甲醚,1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性2.二甲醚/柴油混合燃料在压燃式发动机上的应用3.二甲醚燃料在压燃式发动机上的应用,1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性,1)二甲醚的十六烷值比轻柴油高，自燃温度比轻柴油低，因此它特别适合作为轻柴油的替代燃料使用，它滞燃期短，有利于减少NOx排放和降低燃烧噪声。2)二甲醚分子结构中没有CC键，只有CH和CO键，此外它含氧34.8%(质量分数)，因此在任何工况下均可实现无烟燃烧。3)二甲醚蒸发热约为柴油的1.6倍,它有利于降低气缸内的最高燃烧温度，使NOx排放下降。4)二甲醚的沸点低，喷入气缸后能立即汽化，因此二甲醚对喷油系统的喷射压力要求不高。特性1)二甲醚的低热值为柴油的64.7%，密度又比柴油小，因此为使发动机燃用二甲醚后与燃用柴油机有相同的功率输出，必须增大循环供油量。2)二甲醚是一种很强的溶剂,虽然对金属没有腐蚀性,但是与天然橡胶不能兼容，其燃油供给系统的橡胶部件、橡胶油封和垫片会因溶胀等原因损坏,需要采用新型耐二甲醚的橡胶(氟醚橡胶等)或高分子材料(如聚四氟乙烯)等。,1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性,3)二甲醚粘度很低，作为燃料使用时需加润滑添加剂，以免供油系统的针阀、柱塞偶件等磨损和卡死。4)二甲醚的蒸气压随温度增加而急剧升高，在20的常温下，其蒸气压为0.40.5MPa(图6-5)。,图6-5二甲醚蒸气压与温度的关,2.二甲醚/柴油混合燃料在压燃式发动机上的应用,图6-7二甲醚/柴油混合燃料车的颗粒排,3.二甲醚燃料在压燃式发动机上的应用,图6-6发动机燃用不同比例二甲醚/柴油混合燃料时的碳烟排放对,三、生物柴油,1.生物柴油的理化性质和使用特性2.生物柴油在发动机上的应用,1.生物柴油的理化性质和使用特性,1)热值比柴油低；但密度比柴油高，容积热值与柴油接近，因此发动机的供油系统几乎不需要改动。2)粘度比柴油高，影响喷雾特性和冷起动性能，但随着温度升高，植物油粘度下降较快。3)十六烷值比柴油低，闪点和着火温度均比柴油高，着火性能比柴油差，在柴油机上使用时，一般要加大喷油提前角。4)一般含氧，对燃烧有利。5)可以任意比例和柴油混合。6)含有少量水分、灰分、残炭和杂质，再加上本身的重馏分多，相对分子质量很高，挥发性差，因此在燃烧室周围零件上易产生积炭引起运动零件磨损。7)主要成分是不饱和脂肪酸，它的氧化安定性差，容易变质。,2.生物柴油在发动机上的应用,图6-8生物柴油对发动机排放的影,第三节合成油,1.合成油的物化性质和使用特性2.合成油在发动机上的应用,1.合成油的物化性质和使用特性,(1)低温特性较差合成油的闪点和滤清器阻塞点的温度都比较高，不适宜在寒冷地区使用；同时合成油中含有大分子直链烷烃石蜡，易在低温时析出，使合成油的流动和喷雾困难，冷起动性能恶化。(2)润滑性较差通常硫和芳香烃含量较低的燃料都存在润滑性较差的缺点，合成油的粘度处在美国2号轻柴油的下限，高频往复试验台(HighFrequencyReciprocatingRig，缩写HFRR)试验值超标，改进的方法是在燃料中应用润滑添加剂，如亚油酸、亚麻酸等。,1.合成油的物化性质和使用特性,(3)对浸油弹性体有影响通常若燃油芳香烃含量较高，浸油弹性体(常用的有氟化橡胶和腈类橡胶)会有较大膨胀，而合成油芳香烃含量较低，有可能使弹性体收缩，产生漏油现象，需添加橡胶增容剂。,2.合成油在发动机上的应用,(1)合成油在发动机上的应用一台直喷式柴油机在结构参数不变时，燃用合成油和2号轻柴油的瞬时放热率曲线对比如图6-9所示。(2)合成油/标准柴油混合燃料在发动机上的应用合成油是一种高品质的柴油，它可以和普通柴油进行任意比例的互溶,提高普通柴油的品质。,图6-9合成油和2号轻柴油的瞬时放热率曲线对BTDC上止点前,图6-10发动机燃用合成油与柴油时N和PM排放的变,图6-11合成油在混合油中的比例对排放的影,图6-12燃用合成油时推迟喷油提前角对排放的影,第四节气体替代燃料,1.液化石油气2.天然气3.氢气,1.液化石油气,(1)火花点火发动机上的应用LPG作为火花点火式发动机的替代燃料，大多是在汽车发动机上采用加装气体燃料供给系统的方法来实现，这种两用燃料发动机既可燃用汽油，也可燃用LPG，但它没有充分发挥LPG的潜力。(2)压燃式内燃机上的应用在常压下,丙烷和丁烷的辛烷值较高，自燃温度分别是510和430，因此LPG在柴油机上的应用以柴油引燃LPG的柴油/LPG双燃料发动机为主。,图6-13LR6105Q柴油机改为柴油/LPG双燃料发动机前后的特性比,2.天然气,(1)发动机的性能CNG发动机的排放特性和经济性要优于LPG发动机。(2)天然气汽车使用中存在的主要问题及相应解决办法,(1)发动机的性能CNG发动机的排放特性和经济性要优于LPG发动机。,1)火花点火发动机上的应用。2)压燃式内燃机上的应用。,图6-14汽油/CNG两用燃料发动机的充量系数与功率输,(2)天然气汽车使用中存在的主要问题及相应解决办法,1)简单改装的两用燃料发动机在燃用天然气时，发动机的功率比使用汽油时有明显下降,功率一般要下降15%左右,甚至更多。2)腐蚀与早期磨损问题。3)CNG发动机对天然气品质较敏感。4)相对于液态燃料发动机，燃料蒸发汽化可吸收蒸发热,降低进气温度，CNG发动机的进气温度较高，燃烧室零件的热负荷较高，气门、气门座均需用耐热材料制造。,3.氢气,1)氢比较适合在火花点火发动机中使用，可以提高压缩比和热效率。2)氢气在空气中的层流燃