清洁燃料汽车-醇类汽车

第五章醇类汽车醇类燃料：主要是甲醇和乙醇第一节概述一、甲醇汽车的发展二十世纪七十年代，两次石油危机以后，日本、欧州、美国等发达国家十分重视甲醇燃料的研究，到八十年代末、九十年代初甲醇燃料及甲醇醇汽车的应用均告发展成熟。美国的甲醇燃料是在八十年代正式提出推广使用的。当时由于汽车发动机对环境的污染影响日趋严重，在很多大城市如洛杉矶等造成了光化学烟雾对环境的严重污染状况。美国国会及政府受到众多的环境保护组织压力，当时的里根总统责成布什副总统组织了庞大的专家委员会，调查研究提出对策。从1985年开始至1987年结束花了数千万美元，写出了环境对策咨文，发表在1987年下半年醇周报（Alcoholweek）上，概括起来，总内容是：“世界上最清洁的汽车发动机燃料是甲醇燃料”；“未来的汽车发动机燃料是甲醇燃料”此后，美国以此为依据，提出了环境保护法修正案，严格限制汽车尾汽排放标准，提倡使用甲醇燃料及甲醇汽车，曾一度明令加州政府公用车使用甲醇燃料。并在1988年洛杉矶奥运会期间，为改善该城市环境，运动会组织委员会所有用车（大约300－400辆）均订购德国大众汽车公司的一批捷达牌甲醇汽车作为该会的标志亮点之一。此后，甲醇燃料就成为环境保护的政府立法措施来加以提倡。但是，在八十年代末期至九十年代初期，正处在甲醇燃料及甲醇汽车在美国大肆推广应用的关键时刻，世界甲醇燃料价格攀升，从80美元直升至500美元，而原油价格相对下滑直至每桶8美元（约56美元／公吨），油醇比价出现逆转的形势且维持时间最长达三年之久。市场和经济因素使正在起步发展的甲醇燃料及汽车受到严重的挫折。国际大跨国石油公司，出于自身的政治和经济利益，大肆地操纵国际市场的油醇价格，始终维持在甲醇燃料高于或略高于石油燃料比值范围，以扼制甲醇燃料的发展。与此同时毫无根据地喧染，以煤化工生产甲醇要增加温室气体二氧化碳的排放量，而导致地球的温室效应等等，开展了一系列反宣传及反措施企图控制甲醇燃料的发展空间。进入本世纪以来，随着石油危机的日益加剧，石油价格出现了飞涨，从12美元／桶升至60美元／桶，这就为煤制甲醇的价格营造了一个较大范围的竟争空间，甲醇燃料出现了竞争优势。随着我国煤制甲醇技术的大力推广，目前我国在甲醇燃料的生产和应用方面取得了很大的发展。最近在山西、陕西、山东、北京、重庆等地正准备建设6个年生产60万吨甲醇的生产基地，根据可行性评价结论证实，其完成成本均在600－850元／吨之间，即使按等热值计算，其价格也大大低于汽、柴油。根据测算不同的大、中、小型甲醇生产装置，甲醇吨产品的投资大约在1700－3000元范围内，如以改造和新建相结合，平均吨甲醇投资可按2000元计。另外，甲醇生产可充分利用焦炉气和高硫煤资源，起到变废为利、化废为宝的作用，可以解决全国煤储量一半以上的高硫煤的出路问题，利于我国的经济、环境及社会的可持续发展，是良好的循环经济工程二、乙醇汽车的发展三、甲醇与乙醇燃料的性能比较乙醇主要来自于粮食资源，具有再生性，能促进陈化粮的消耗，但从经济性分析，一般生产1吨乙醇要消耗3~3.5吨粮食，而且，由于我国粮价较高，乙醇生产工艺落后，所以生产乙醇的成本较高，车用乙醇还要进行防水、防腐蚀等，也会增加成本，目前，乙醇在汽油机上得到了一定应用[59][60]。甲醇的来源广泛，可通过煤转化合成，还可通过天然气制取、木材甚至垃圾来制取，而我国是一个煤炭资源较丰富的国家，利用煤炭制取甲醇符合了我国的国情，目前，我国已经具有非常成熟的煤制甲醇技术，且生产成本也很低。另外，甲醇的含氧量和C/H比都大于乙醇，因此甲醇较乙醇更清洁。四、甲醇与乙醇作为汽车燃料的优势良好的动力性和经济性；降低NOx和碳烟；缓解石油消耗；刺激农业生产。第二节醇类燃料的来源和主要特点一、醇类燃料的来源

1、甲醇—又称木醇或木精甲醇可利用天然气、煤、石脑油、重质燃料、木材、垃圾等来提炼。传统方法主要以天然气为原料，反应式如下：100~200大气压200℃以下通过铜管CH4+0.5O2CH3OH+Q50~1000大气压200~270℃铜锌铝触媒剂CO+2H2CH3OH+Q煤制取甲醇的工艺是先将煤制成煤气，其主要成份H2、CO和CO2分别占50%、28%和12%，在一定条件下H2和CO可以合成为甲醇：1、乙醇乙醇又称酒精或火酒。乙醇可由乙烯水合而成，但主要是通过含有糖（如甘蔗、甜菜）和淀粉（玉米、木薯、土豆）的农作物发酵后制得。二、醇类燃料的特性1、燃料经济性好醇类燃料的辛烷值高，具有较好的抗暴性，因此可相应地提高发动机的压缩比，从而有利于提高发动机的热效率。另外，火焰传播速度快，燃烧速度快，会增加定容燃烧部分，有利于提高热效率；醇类燃料的着火界限宽，利于采用稀混合气，降低燃料消耗。2、有害排放物低甲醇和乙醇的含氧量分别为50%和347%，有利于改善燃烧，完全燃烧时只产生水和CO2，而且，C/H值较大，是较为清洁的燃料。采用稀混合气，也有利于排气净化。3、储运方便甲醇和乙醇都是无色透明、易挥发的可燃液体，便于储运和携带。4、低温起动性差醇类燃料的汽化潜热大和饱和蒸汽压较低，造成混合气的降温较大，使汽化困难，难以形成均匀、雾化良好的混合气，同时会使压燃着火的延迟期变长，影响启动性能，且工作粗暴。而且，醇类燃料的沸点较低，有助于与空气形成混合气，但缺少高挥发性的组分，也对内燃机启动不利。5、热值和能量密度较低与汽油和柴油相比，醇类燃料的热值和能量密度较低，因此，输出相同的功率，需要醇类燃料的量相对会增加。6、有腐蚀作用醇类燃料对铅锡镀层、镁、锌、铜、铝和黑色金属有一定腐蚀作用。对腈橡胶有轻微的腐蚀、溶胀、软化或龟裂作用。而且，甲醇有一定的毒性，会刺激人的视神经系统，可导致视神经衰弱、失明等。甲醇在供油系统会产生不溶于醇的燃油氧化物，会造成供油系统堵塞。第三节醇类燃料内燃机应用方式：掺烧、纯烧一、掺烧

㈠、在汽油机上掺烧醇类燃料掺烧方式：混合燃料法—与汽油混溶（加助溶剂）熏蒸法—先物化再混合1、混合燃料法1）乙醇与汽油混合E10、E20特点：①动力性—不改变循环供油量时，功率下降②经济性—体积油耗大于纯汽油③排放性—CO、HC下降（含氧），NOx不变④润滑差—磨损加大⑤易气阻—馏出温度低、易挥发⑥冷起动性差—汽化潜热大，不易汽化⑦易分层—乙醇吸水性强，而汽油排斥水2）甲醇与汽油混合M5、M15、M85

性能与乙醇类似2、熏蒸法①双喷口化油器法掺烧比决定于量孔径比，可通过针阀调节。②混合掺烧法先由混合器混合→浮子室→量孔→化油器③利用进气道真空吸入真空控制掺烧比④电喷进气管—喷嘴或电控化油器气缸—喷嘴直喷㈡、在柴油机上掺烧醇类燃料掺烧方式：乳化液法、熏蒸法、蒸气法、缸内直喷1、乳化液法

醇与柴油不易相溶，乳化困难，不易压燃。甲醇与柴油混合燃料的稳定性较差，当甲醇含量超过30%时，柴油与甲醇容易分层，并且稳定存放的时间也缩短。稳定时间较长的在38～50天。甲醇的乳化率大于30%，会造成混合燃料的滞燃期较长，发动机冷起动困难，工作粗暴。

1）非稳定乳化液机械乳化—细化（超声波乳化器）、粉碎（搅拌器）

边乳化边进入发动机2）准稳定乳化液加入少量表面活性剂（司班、吐温、高级醇），稳定期为1天或数天3）微乳化液加较多助溶剂，稳定期较长4）高压油管中压力下降时乳化油泵出油阀回位，使油管压力下降，醇进入，利用紊流作用形成乳化液2、熏蒸法利用醇表面张力和黏度低的特点，将醇雾化与空气混合，由进气管送入气缸，由柴油引燃。1）化油器法通过化油器雾化2）文丘里管法歧管上安装文丘里管，利用高速气流吸入醇（起动时，气流速度小，不吸入醇）3）低压喷射多点，进气管喷射3、蒸气法先加热醇，形成气体，送入气缸4、缸内直喷

电热塞燃油喷嘴甲醇喷嘴二、纯烧醇类燃料不易压燃，起动性差改进方案：提高压缩比；增大供油能力（防气阻）；起动预热；加大油箱等。1、纯烧方法1）火花塞点火在发动机缸盖上装一个火花塞，通过喷嘴将燃油直接喷射到缸内，形成不均匀混合气，靠火花塞点燃可燃混合气，以火焰传播方式进行燃烧，因此它不同于传统的汽油机和柴油机，而是一种非均匀混合气以火焰传播方式进行分层燃烧的方法。可以实现无烟燃烧，NOX的排放仅为柴油机的1/3。

2）电热塞助燃法在柴油机缸盖上某一适当部位安装一个电热塞，在发动机起动时，先将电热塞预热，喷嘴把甲醇直接喷到电热塞炽热的电热塞表面上，进而使甲醇着火燃烧。可以燃用纯甲醇M100，实现无烟燃烧。电热塞点火，点火能量和面积均大，对点火位置处混合气浓度要求不向火花塞那样严格，特别适合不均匀混合气点火。3）热面助燃法甲醇发生表面着火的温度比柴油、汽油低得多，并且其表面着火温度随着气缸内气体温度及热面表面积的增加而降低。根据这一特点，将一块绝缘材料板用少量金属热线缠绕，并将其固定在气缸盖底面的其一适当位置上，使喷嘴喷出的甲醇恰好有一部分能够喷到绝缘板上。当发动机起动时，首先接通电源，加热热线。甲醇被喷到绝缘板上即被热线点燃，引起着火。助燃法的主要缺点：增加燃烧室的复杂程度；对火花塞、电热塞等的热疲劳强度、点火能量等要求很高，还要考虑甲醇喷射方向与助燃热源的优化匹配[15,16,19,20,21]。低负荷火焰传播速度低，有时还会有失火现象发生，因而热效率低，HC、CO排放差。4）甲醇裂解法或变质法①甲醇裂解法方法1：纯甲醇CH3OH→2H2+CO方法2：甲醇及水溶液CH3OH+H2O→3H2+CO生成66.7%H2和33.3%CO与空气混合后作为内燃机燃料这种燃料燃烧速度快、着火界限宽，但热值低约24.3MJ/Kg②变质法利用催化方法使部分甲醇变质为二甲醚（DME）