内燃机的代用燃料

内燃机的代用燃料第一页，共四十一页，2022年，8月28日第一节发展代用燃料汽车(内燃机)的重要性第二节内燃机的代用燃料 一、液体代用燃料

(一)醇类燃料

(二)二甲醚

(DimethylEther，缩写DME)(三)煤制油

(又称合成汽油和合成柴油)(四)生物柴油

二、气体代用燃料

(一)石油气(LPG)(二)天然气(NG)(三)氢气三、电能

(一)电动汽车（ElectricalVehicle，缩写EV）

(二)混合动力汽车（HybridElectricalVehicle，缩写HEV）

(三)燃料电池汽车（FuelCellVehicle，缩写FCV）内容第二页，共四十一页，2022年，8月28日第一节

发展代用燃料汽车(内燃机)的重要性

20世纪60年代后，全世界经历了三次重大的石油危机（第一次1973-1974年，第二次1979-1980年，第三次1990年），与此同时，全球环境污染严重，它不仅影响到发达国家，也逐渐影响到发展中国家。能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶化己成为世界两大难题，中国也不例外。中国是一个富煤贫油的国家，石油资源不足，有关统计资料表明，到2001年底止，我国石油的探明可开采储量为33亿t，年产量为1.6亿t左右，储采比为20/1，而全世界石油的平均储采比也仅为40/1左右，见表6-1。预计今后十年，我国的石油缺口将会越来越大。表6-2列出了我国2000---2010年石油的供需预测。第三页，共四十一页，2022年，8月28日第四页，共四十一页，2022年，8月28日第五页，共四十一页，2022年，8月28日第二节内燃机的代用燃料

内燃机的代用燃料可以分为液体与气体两种，此外也可用电能来代替燃料，驱动汽车。

一、液体代用燃料

（一）醇类燃料

醇类燃料主要有甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)

。甲醇可以从天然气、煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成，它们都是液体燃料。

20世纪60年代为了控制内燃机的排气污染，一些国家对低污染的醇类燃料发生兴趣，1973年石油危机后，进一步认识到代用燃料的重要性。我国从20世纪80年代初开始对甲醇燃料在内燃机中部分代用或全部代用作了相当广泛的研究，先后组织了M15（甲醇比例）甲醇汽油发动机的台架试验和车队试验，组织了M85甲醇汽油和M100全甲醇发动机的开发和试验车队，取得了丰富的经验。当前我国石油资源严重短缺，醇类燃料的开发应用，有利于发挥我国的资源优势。

E10（乙醇比例）第六页，共四十一页，2022年，8月28日常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较见表6-3。从表6-3所列的醇类燃料的性质可以看到:1)醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为汽油的46%，乙醇为汽油的62%;但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的43%，乙醇为汽油的60%。应增大循环供油量。

2)醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，甲醇为1101kJ/kg，乙醇为862kJ/kg，甲醇为汽油的3.7倍，乙醇为汽油的2.9倍，从而使混合气在燃料蒸发时温降大(甲醇为汽油的7倍，乙醇为汽油的4.16倍)。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，滞燃期长，应适当增大点火提前角。

3)醇类燃料的辛烷值高，甲醇为109，乙醇为110，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。醇类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。

1.醇类燃料的物化特性和使用特性第七页，共四十一页，2022年，8月28日第八页，共四十一页，2022年，8月28日

汽油机可以燃用醇与汽油的混合燃料，醇类燃料在汽油中的互溶度通常与环境温度有关，如图6-1所示[2]。图中线外是互溶区，线内是两液的分层区。当混合燃料以汽油为主或以甲醇为主时，能互溶的温度较低，而当两液接近掺半混合时，互溶要求的温度较高。为使甲醇与汽油的混合燃料在常温和低温下保持单相而不分层，必须加中高碳醇

(如异丁醇

)、苯、丙酮等做助溶剂。试验表明:在0℃溶解20%的甲醇仅需3.5%容积比的杂醇。

2醇类燃料在汽油中的溶解度和助溶剂

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乙醇与汽油的混合油在吸水或掺水后互溶的性能要比甲醇稳定，但仍需控制它的含水量。图6-2[2]所示为乙醇在汽油和重柴油中的互溶临界温度及其与含水率的关系，当乙醇含水率愈高，它能溶于汽油或柴油的临界温度越高(即愈难溶解于汽油或柴油)。由于乙醇的相对密度与汽油比较接近，它溶解于汽油的临界温度(曲线2)要比溶解于重柴油的温度(曲线l)低13--15℃。图6-3[2]所示为乙醇与重柴油、轻柴油互溶温度与乙醇容积比的关系，以乙醇为主或以柴油为主时，能互溶的温度较低，而乙醇与轻柴油的互溶温度要低于重柴油。第十页，共四十一页，2022年，8月28日第十一页，共四十一页，2022年，8月28日

(1)在点燃式发动机上用醇类燃料

1)醇含量较低的混合燃料的试验结果混合燃料中醇的质量分数不大于20%时属于醇含量较低的混合燃料。在解放牌汽车发动机CA-l0B上的试验结果表明，混合燃料中醇的质量分数在20%以下时仍能保证发动机较好的起动性能，在不改变发动机结构的情况下，燃用掺醇量小于20%的混合燃料可在动力性能稍有改善的同时，降低能耗5%左右，在进一步提高压缩比后，功率能提高5%--7%，能耗降低6%--10%。在东风汽车发动机EQ6100上的试验结果表明，使用M15混合燃料的动力性能与燃用纯汽油相当或略高，能耗降低3%左右;3醇类燃料在发动机上的试验结果第十二页，共四十一页，2022年，8月28日

若对汽油机结构参数进行调整(增大点火提前角和循环供油量)，则燃用M15的功率比燃用纯汽油大，转矩增大3%，能耗降低3.6%;若进一步提高压缩比，则发动机的动力性能和经济性能还能进一步提高。排放方面，燃用混合燃料发动机的CO,HC,NO:均有不同程度下降，见表6-4。第十三页，共四十一页，2022年，8月28日美国根据联邦试验规程，在点燃式发动机上燃用M15燃料时测得的排放物与燃用汽油的比较见表6-5,CO,NOx有较大幅度下降，HC则略有增加(通过氧化催化反应器进行后处理)。第十四页，共四十一页，2022年，8月28日

德国根据ECE试验规程，在点燃式发动机上燃用M15,E25汽油的排放测试结果见表6-6[3],燃用M15,E25时，CO、N0x排放均有所下降，HC则略有提高，HC排放提高的原因是:与负荷特性、外特性试验不同，ECE循环包括有怠速暖机工况，负荷率较低，此时混合燃料的HC排放要高于燃用汽油。第十五页，共四十一页，2022年，8月28日

2)醇含量较高的混合燃料的试验结果在点燃式发动机上燃用醇含量较高或纯醇燃料时排放改善效果较为明显。它能明显降低CO排放量，HC排放量也略有下降(通常醇含量较高或纯甲醇发动机需用排气加热进气，以加快暖机过程，从而可使排温升高)。由于甲醇蒸发潜热高，在其他条件相同时，它能降低压缩温度和最高燃烧温度，从而在多数情况下它可以降低NOx排放，但由于甲醇火焰传播速度和放热速率快，它的滞燃期长，需要增大点火提前角，又会增大NOx排放，因此它对NOx排放的影响不明显，如图6-4所示。第十六页，共四十一页，2022年，8月28日点燃式发动机燃用醇类燃料时发动机有未燃醇和醛等有害排放物，见表6-7。综上所述，当汽车燃用混合燃料或纯醇燃料时，只要优化其燃烧过程，其能耗和NOx，CO及HC排放都可以降低，醇燃料发动机排出的致癌多环芳香烃含量也比汽油低。第十七页，共四十一页，2022年，8月28日

(2)压燃式发动机燃用醇类燃料

醇类燃料十六烷值低，自燃温度高，难于压燃，在压燃式发动机上使用时，需要采用助燃措施(火花塞、电热塞助燃)或加入着火改进剂(IgnitionImprover)。

第十八页，共四十一页，2022年，8月28日(1)甲醇作为车用燃料有以下优点:1)甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模专门生产，也可以利用现有的氮肥厂设备联产，或采用多联产(热、电、化工产品如甲醇、二甲醚、合成气等联产，简称IGCC),生产成本低。2)甲醇是液体燃料，可以沿用石油燃料的运输储存系统，基础设施投入少。

3)燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、经济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。4.醇类燃料的优缺点第十九页，共四十一页，2022年，8月28日甲醇的主要缺点是:

1)有毒、不可饮入口中或溅入眼中，须对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。

2)排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。

3)甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶、不锈钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。

第二十页，共四十一页，2022年，8月28日

(2)乙醇(酒精)

乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。巴西和美国分别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。美国政府从20世纪90年代起一直以每年7亿美元的巨额补贴来维持每年50亿升的乙醇产量(约400万t，每吨补贴约175美元左右)，且产量还在逐年增加，用来作为汽油的替代燃料和辛烷值及氧的添加剂(汽油中加10%左右乙醇)。第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点:

1)辛烷值高(110左右)，可以代替目前正在使用的无铅抗爆添加剂甲基叔丁基醚(MTBE)。乙醇无毒，对环境无危害，而MTBE则被怀疑会污染地下水和致膀胱癌等，在美国一些州已被禁用，2004年全面禁用。

2)乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高，发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC,NOx也可以有不同程度的降低(取决于发动机结构及其调整状态)。火花点火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料(掺烧比例大时需加助溶剂)，压燃式发动机也可以燃用乙醇，但需有助燃措施。第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日

乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是:

1)乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、存放期过长甚至霉变的粮食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。但我国可耕地面积少(为世界的7%)，人口多(占全世界人口的22%)，粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大(生产乙醇的耗能量接近乙醇发出的能量)、耗粮大，生产乙醇过程中有大量CO2排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，政府要考虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应用。

2）利用能源作物(如甜高粱的茎杆、木薯等)制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低1000元/t左右，秸秆制酒精是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日

(二)二甲醚

(DimethylEther，缩写DME)二甲醚又称甲醚，简称DME，在常压下是一种无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。相对密度（20℃）0.666，熔点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸气压约为0.5MPa，与液化石油气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮，燃烧热（气态）为1455kJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。二甲醚在常温、常压下为无色、无味、无臭气体，在压力下为液体，性能与液化石油气（LPG）相似二甲醚的毒性：二甲醚的毒性很低，气体有刺激及麻醉作用的特性，通过吸入或皮肤吸收过量的此物品，会引起麻醉，失去知觉和呼吸器官损伤。第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日二甲醚是醚的同系物，但与用作麻醉剂的乙醚不一样，毒性极低；能溶解各种化学物质；由于其具有易压缩、冷凝、气化及与许多极性或非极性溶剂互溶特性，广泛用于气雾制品喷射剂、氟利昂替代制冷剂、溶剂等，另外也可用于化学品合成，用途比较广泛。二甲醚作为一种新兴的基本化工原料，由于其良好的易压缩、冷凝、汽化特性，使得二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。如高纯度的二甲醚可代替氟里昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂，减少对大气环境的污染和臭氧层的破坏。由于其良好的水溶性、油溶性，使得其应用范围大大优于丙烷、丁烷等石油化学品。代替甲醇用作甲醛生产的新原料，可以明显降低甲醛生产成本，在大型甲醛装置中更显示出其优越性。作为民用燃料气其储运、燃烧安全性，预混气热值和理论燃烧温度等性能指标均优于石油液化气，可作为城市管道煤气的调峰气、液化气掺混气。也是柴油发动机的理想燃料，与甲醇燃料汽车相比，不存在汽车冷启动问题。它还是未来制取低碳烯烃的主要原料之一。第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日由统计确认的矿物燃料埋藏量的可开采年份是：(至1997年，BP统计)石油：42年；天然气：62年：煤：224年。其中，石油资源在21世纪迎来生产颠峰后生产量将逐渐减少。天然气可开采年分比石油长20年，还在进行开发，估计将来的埋藏量可达现在3倍，不用担心资源的枯竭；煤可开采年份300年。在二甲醚大量生产时主要考虑用煤作燃料。由于石油资源短缺、煤炭资源丰富及人们环保意识的增强，二甲醚作为从煤转化成的清洁燃料而日益受到重视，成为近年来国内外竞相开发的性能优越的碳一化工产品。第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日作为LPG和石油类的替代燃料，二甲醚是具有与LPG的物理性质相类似的化学品，在燃烧时不会产生破坏环境的气体，能便宜而大量地生产。与甲烷一样，被期望成为21世纪的能源之一。二甲醚特有的理化性能奠定了其在国际、国内市场上的基础产业地位，可广泛应用于工业、农业、医疗、日常生活等领域。二甲醚未来主要用于替代汽车燃油、石油液化气、城市煤气等，市场前景极为广阔，是目前国际、国内优先发展的产业。自然界里二甲醚并不存在，必须由原料来制成，天然气和煤是目前较好的原料。当然在考虑原料问题时，对矿物燃料的资源量必须同时考虑。我国自80年代就开始将二甲醚用作燃料的开发研究，一部分企业和研究机关的试验已进入实验室规模的验证阶段。要真正替代LPG、LNG以及石油燃料，必须要考虑制造成本。在最近的一段时间里应格外考虑与LPG的竞争。第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日二甲醚理化性质二甲醚（简称DME），又称木醚、氧二甲、习惯上简称甲醚。分子式：C2H6O结构式：CH3—O—CH3二甲醚的性质：二甲醚上一种无色、具有轻微醚香味的气体，具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。还具有优良的混溶性，能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶。在100ml水中可溶解3.700ml二甲醚气体，且二甲醚易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多种有机溶剂，加入少量助剂后就可与水以任意比互溶。其燃烧时火焰略带亮光。第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日DME(CH3OCH3)是目前世界上被普遍看好的压燃式发动机超清洁燃料。它可以用作民用、车用和燃汽轮机燃料替代LPG、柴油和天然气，其优点是:

1)广泛的可获得性。可以由煤或天然气制得，从而可以利用我国丰富的煤炭资源。

2)超清洁。研究结果表明，柴油机燃用二甲醚时可以实现高的功率输出和热效率(与柴油机相当或略高)，低噪声和无烟燃烧，其排放不采用复杂后处理装置即可达欧洲III和美国ULEV标准，并有潜力达到欧洲IV排放标准，见表6-8与表6-9[11]。

3)生产DME的传统技术为二步法，即由合成气制成甲醇，再将甲醇脱水制成DME,生产成本较高。目前已开发成功生产DME的先进方法(一步法或整体一步法)，可大幅度降低其生产成本(1100元/t左右)，此外若采用多联产技术，二甲醚的成本可以更低。DME用作车用燃料由于沸点低、粘度小，需要对整个燃油系统加压或采用共轨燃油系统，此外应对柱塞偶件等进行减摩与耐磨处理或在燃油中加润滑添加剂。第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日第三十页，共四十一页，2022年，8月28日

煤制油是将煤炭通过化工过程变成油品。煤制油分为直接液化和间接液化两种。

直接液化是将煤在高压(7MPa)下加氢液化，其技术在世界上尚不完全成熟，目前在日本、美国有中试项目。间接液化是将煤先气化成合成气(CO+H2)，在中压下(3MPa左右)Fischer-Tropsch技术催化合成液体燃料(简称为F-T合成)。用F-T技术合成的柴油(简称F-T油)，其十六烷值可大于70，低硫(质量分数在10-5以下)，低芳烃(小于1%),热值与柴油相当，在柴油机上使用可以降低N0x和碳烟微粒排放。它可以与柴油以任意比例互溶，一些国家(如美国的Argonne国家实验室)正在研究F-T油与柴油的混合油(50%的柴油和50%的F-T油的混合油简称FT-50)在柴油机上使用的可能性及其燃烧与排放特性。(三)煤制油

(又称合成汽油和合成柴油)第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日

生物柴油是一种非化石的可再生能源，它作为柴油机的代用燃料受到越来越多的关注，目前已知的可作为内燃机使用的植物油有30多种。植物油的粘度高，约为柴油的11---17倍，低温流动性差，需要进行酯化处理，即通过酯基转移作用将植物油转化成一价酯类，降低其粘度，维持其辛烷值和热值不变。压燃式发动机可以燃用纯生物油，也可使用植物油和柴油的混合油(如20%的大豆渣油与柴油的混合油称为B20)。植物油的十六烷值较高(40左右)，能量密度较高(约为柴油的90%左右)，与石油系燃料互溶性好，不存在分层问题，含氧8%—10%，可以降低碳烟/微粒排放。目前世界上植物油产量相对石油来说还很少，今后随着其产量的增大，用植物油取代柴油会越来越可行。此外，我国餐饮业有大量的废油倒入下水道，由于粘度大，冬季时易造成堵塞，如将废油收集后经适当处理转化为生物柴油，会有较好的经济和社会效益。日本每年有近30万t餐饮废油转化为生物柴油作为柴油机的代用燃料使用，我国也正在开发生物柴油在压燃式发动机中的应用。

(四)生物柴油第三十二页，共四十一页，2022年，8月28日

气体燃料曾是内燃机的主要燃料，煤气机是最早的内燃机。由于气体燃料的能量密度小(单位体积热值低)且储运不便，致使液体燃料逐步取代了气体燃料。但在气体燃料资源丰富的国家和地区，它在内燃机上的使用一直没有停止过。

近20年来，随着石油资源的逐渐枯竭、气体燃料开采量的加大和远距离输送、净化脱水及储运技术的提高，气体燃料液化技术和液化气体燃料电控喷射技术等的发展，特别是随着对内燃机排放指标要求的日益严格，气体燃料在内燃机上的使用又进入了一个新的发展时期。目前在内燃机上使用的气体燃料有天然气、液化石油气、沼气、煤气、氢气等，其中以压缩天然气(CompressedNaturalGas,缩写CNG)和液化石油气(LiquefiedPetroleumGas,缩写LPG)为主。燃气汽车以使用燃料种类不同可分为单一燃料汽车(Mono-FuelVehicle),两用燃料汽车(Bi-FuelVehicle)和混合燃料汽车(Dual-FuelVehicle)。

二、气体代用燃料第三十三页，共四十一页，2022年，8月28日

评价内燃机用气体燃料的性能参数主要有热值、辛烷值、十六烷值、化学计量空燃比、着火温度等。由于多数气体燃料是多组分的混合气体，且组分可能在一定范围内变化，因此其性能参数也不是一个固定值。常用天然气、液化石油气与液体燃料(汽油、柴油)性质的比较见表6--3。

第三十四页，共四十一页，2022年，8月28日（一）石油气(LPG)LPG的主要成分是丙烷和丁烷，发动机用的LPG一般是纯丙烷(C3H8)或丙烷与丁烷(C4H10)的混合物。它的主要技术特点如下:

1）汽化温度低。常温下，石油气在0.2---0.6MPa的压力下即可液化(随组分不同而定)，因此，液化石油气的汽化较为容易，与空气混合的均匀性大大优于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低，表6-10表示了LPG(不同组分)和汽油在转鼓试验台上的试验结果比较。

2)LPG的燃烧特性与汽油相当，其热值略高于汽油。

3)LPG的辛烷值高，抗爆性能优于汽油，允许采用较高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。

汽化的LPG对发动机的充量系数有不利影响，因此简单改装后的气体燃料发动机的功率会有所下降。第三十五页，共四十一页，2022年，8月28日第三十六页，共四十一页，2022年，8月28日NG的主要成分是甲烷，它的存储方式主要有两种，一是直接以气体方式储存，即将其压缩至特制的容器中(压力为20一30MPa)，再经减压器减压后供给发动机。另一种是以液体方式储存，由于甲烷的临界温度低，通常采用低压(