乙醇作为车用燃料的可行性及常见问题

第30卷(2008)第2期柴油机Diesel Enginel.30(2008)No.2性能与排放乙醇作为车用燃料的可行性及常见问题李永平(北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044)摘要:介绍乙醇汽油作为燃料时的物理化学特点,与普通汽油、柴油的理化特性进行了对比,总结出乙醇汽油的优缺点。在此基础上,针对车用乙醇汽油在使用过程中常见的一些问題进行了分析并提出了具体的解决方法。关键词:替代燃料;乙醇汽油;物化特性中图分类号:TK41·.71文献标识码:A文章编号: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前言内燃机燃用的石油燃料(汽油、柴油等)是烃类燃料,而醇类是烃基和羟基组成的化合物,这就从近年来,我国汽车工业迅速发展,汽车保有量化学性质上决定了醇类可以作为内燃机的代用燃逐年增加。目前汽车的燃料主要以石油产品为主,料。从分子组成上来看,乙醇的分子式为而世界石油资源日益减少,发动机燃料的供应将越CH2CH2OH,含有2个碳原子、6个氢原子和1个来越紧张。因此,使用替代燃料是解决我国石油资氧原子;而汽油、柴油则是碳原子为5-12或10源短缺的重要措施。另外,车用汽油、柴油造成的-21的液态烃类混合物,不含氧元素。乙醇和汽环境污染也日益严重,使用清洁替代燃料是减少汽油、柴油在自身的物理化学性质上,有相似的地车排放污染的有效途径。在众多清洁替代燃料中,方,也有不同的地方。乙醇在标准状况下与汽油乙醇燃料由于具有来源广泛、丰富,抗爆性好,与柴油的理化性质主要差异见表1。石油燃料的理化性能相近,因而受到更多的重视。但是在车用乙醇燃料的推广使用中,遇到一些问表1乙醇、汽油和柴油理化性质差异题,影响了乙醇燃料的发展,但通过采取有效的措汽油柴油施,可以解决其中的大部分困难。分子式CH, CH, OH|C烃类|Cn烃类分子量2乙醇燃料与汽油、柴油物理化学含氧量特性的比较密度中国煤化工708乙醇是一种无色透明、易挥发、易燃的液体。沸点CNMHG20180-370收修改稿日期:200707252008年3月李永平:乙醇作为车用燃料的可行性及常见问题11续表(10)从理论空燃比看,乙醇比汽油小;柴油(11)从抗爆性看,乙醇辛烷值高,抗爆性凝点/℃m13-∞0-30-=35-10强,可采用高压缩比,提高发动机热效率,降低耗闪点(闭)/℃13-1445--3865-88油量,可抵消因热值低耗油量大的不足黏度(20℃)/1.200.28-0.593.0-8.0(12)从十六烷值看,乙醇十六烷值低,着火汽化热/(/kg)084031-034025-0.30性能差,在柴油机中燃用时比较困难低热值/(M)2m849-45-83使用乙醇燃料的优缺点着火温度/℃0~468270-350火焰传播速度3.1使用乙醇燃料的优点(m/s2)0.38~0.58(1)资源丰富。我国生产乙醇的主要原料有着火界限/%(o)3.5~1801.3-76含糖作物、含淀粉作物以及纤维类原料,这些都是理论空燃比/845147-150143-146可再生资源且来源丰富。理论混合气热值/′2780(2)排放性能好。车用乙醇汽油含氧量达(M/kg)267027862.72-2.7935%,使燃烧更加充分,据国家汽车研究中心所作十六烷值CN5-2545-65的发动机台架试验和行车试验结果表明,使用车用辛烷值RON乙醇汽油,在不进行发动机改造的前提下,动力性能基本不变,发动机功率稍有下降。尾气排放中的由表1分析可知:CO和HC化合物平均减少30%以上,有效地降低(1)从分子结构上看,汽油中不含氧,而乙醇了有害尾气的排放。中含氧,更有利于促进燃料的燃烧完全,节省燃料;(3)动力性能好。乙醇辛烷值高,可采用高(2)乙醇含氧量高,使燃料燃烧更加充分,压缩比提高发动机的热效率和动力性。加上其蒸发大大改善了尾气排放性能,CO和CH化合物平均潜热大,可提高发动机的进气量,从而提高发动机减少了30%以上的动力性(3)从密度上看,它们的差别不大,混合燃(4)积炭减少。因车用乙醇汽油的燃烧特性料的密度相近,混合后分离的倾向小;能有效地消除火花塞、燃烧室、气门、排气管消声4)从沸点看,乙醇沸点比汽油低,因此在器部位积炭的形成,避免了因积炭形成而引起的故能使汽油沸腾的条件下,乙醇也能沸腾,这对汽化障,延长部件使用寿命。有利,但它是单一组分,缺少高挥发性的组分,对(5)使用方便。乙醇常温下为液体,操作容发动机的起动不利;易,储运使用方便。与传统的发动机技术有继承(5)从凝固点看,两者都较低,在低温环境性,特别是使用乙醇汽油混合燃料时,发动机结构温度下都能正常使用变化不大。(6)闪点是在试验室状态下测量的燃料接触3.2使用乙醇燃料的缺点火源时能够着火的温度,它影响到燃料的运输和存(1)经济性差。国内乙醇的价格长期高于汽放、使用过程的安全性,乙醇的闪点远低于柴油的油,现在是靠国家扶持、政府补贴,才使车用乙醇闪点汽油的价格维持不变。因此,降低生产成本,是其(7)从汽化潜热看,燃料乙醇的汽化潜热约健康发展的关键。是汽油的27倍,汽化时吸收的热量比汽油大得(2)蒸发潜热大。乙醇的蒸发潜热是汽油的2多,这会引起发动机进气温度降低,增加了发动机倍多,蒸发潜热大会使乙醇燃料低温起动和低温运冷起动的困难;行性能恶化,如果发动机不加装进气预热系统,燃(8)从低热值看,乙醇比汽油约低40%,因烧全醇燃料时汽车难以起动。但在汽油中混合低比此,做同样的功,用燃料乙醇耗量要比普通汽油要例的醇,由燃烧室壁供给液体醇以蒸发热,蒸发潜热大V中国煤化工的有利因素。(9)从着火温度看,通常情况下乙醇要比汽油更难以点燃,这也增加了使用含醇汽油发动机起要行CNMHG有汽油的61%,要大动的难度;(4)易产生气阻。乙醇的沸点只有78℃,在柴油机第30卷第2期发动机正常工作温度下,很容易产生气阻,使燃料中、下各部乙醇与汽油的比例不同,使车用乙醇汽供给量降低甚至中断。油不能正常燃烧,影响使用效果。(5)腐蚀金属。乙醇在燃烧过程中,会产生解决方法:GB18351-2004《车用乙醇汽油》乙酸,对金属特别是铜有腐蚀作用。有关试验表对水分含量有严格的限制,规定车用乙醇汽油水分明,汽油中乙醇含量在10%以下时,对金属基本含量不大于0.20%。因此,只要是正规加油站出没有腐蚀,但乙醇含量超过15%时,则必须添加售的车用乙醇汽油就不会出现因含水产生分层而带有效的腐蚀抑制剂。来麻烦。(6)与材料的适应性差。乙醇是一种优良的4.5金属腐蚀现象溶剂,易对汽车密封橡胶及其他合成非金属材料产原因:乙醇在燃烧过程中产生的乙酸,对燃料生轻微的腐蚀、溶涨、软化或龟裂作用。系统的许多金属材料都有腐蚀作用,且乙醇含量越(7)易分层。燃料乙醇易于吸水,车用乙醇高,腐蚀性越大。汽油的含水量超过标准指标后,容易发生液相分解决方法:①使用耐腐蚀的金属制造发动机;离,影响使用。车用乙醇汽油的储运周期只有4~②在燃料中加防腐蚀添加剂。5天,因此必须改造、建设专供车用乙醇汽油的储4.6橡胶材料出现溶胀裂纹现象罐、槽车、调和与加油设施。原因:乙醇汽油对供油系统的橡胶部件(如4使用乙醇燃料的常见问题及解决油的油封、垫圆等)有一定的溶胀作用,使其方案产生溶胀、软化、龟裂进而失效,对塑料件也有类似的作用4.1油耗增加解决方法:①釆用氟橡胶、氟硅橡胶、聚硫橡原因:①乙醇热值低,消耗量大;②由于驾驶胶、氯丁橡胶等耐乙醇汽油混合燃料的材料代替丁员对乙醇燃料的特性掌握不够,点火时间调整得不晴橡胶、聚脂树脂等材料。②在燃料中加入某些添合适、混合气偏稀等;③车用乙醇汽油比普通汽油加剂也可以减轻乙醇汽油对橡胶和塑料材料的溶更易在进气门表面及周围形成积炭,如果不及时清胀。洗,会影响进气门关闭的严密性,导致燃烧不完4.7发动机磨损全、油耗上升原因:①乙醇汽油能将气缸和活塞环等部位的解决办法:①清洁油箱、油路;②适当调整点润滑油膜洗掉,加重磨损;②乙醇汽油燃烧时生成火时间、混合气浓度等;③使用清洗型乙醇汽油清乙酸,能直接腐蚀金属,造成腐蚀磨损,且乙酸还洁剂。能与润滑油中的抗氧防腐剂(如二烷基二硫代磷4.2易产生气阻酸锌)发生反应而使其失效,从而增大各摩擦部原因:乙醇燃料的沸点低,在超过其沸点温度位的腐蚀与磨损的高温下,蒸气压会迅速增大,因此夏季行车时,解决方法:①改变发动机零部件材料(如活在长时间大功率、大负荷高速行驶和在市区内长时塞环镀铬);②使用专用的乙醇燃料发动机润滑油间的低速开空调行驶的情况下,都会引起发动机温(碱度较高,可中和乙醇燃料燃烧产生的乙酸)。解决办法:①降低乙醇汽油组分油的蒸气压5结束语数值;②检查油箱附件一蒸汽阀的工作状况,必要车用乙醇汽油在实际使用过程中能显著降低汽时予以疏通维护或更换。车尾气中HC和CO的排放量,有利于改善环境。4.3起步发顿和加速不良虽然也存在一些油耗增加、经济性差等问题,但是原因:①汽油滤清器或燃油喷嘴堵塞使油路不在推广使用中,通过采取一定的措施能够解决这些畅,供油不足;②混合气偏稀问题,而且随着石油产品的日益枯竭,石油价格的解决方法:①检查清理油路,排除故障;②调攀升,乙醇经济性差的缺点将不复存在。推广使用整点火时间车用中国煤化工举措,对缓解我4.4使用中分层现象国石CNMHG的依赖性,改善原因:乙醇与汽油可以互溶,但抗水性较差,大气境,近長亚土厂型币买的良性循环及可持乙醇汽油一且遇水就会发生相分离,造成油箱上、(下转第17页)2008年3月马林才:柴油添加剂和微粒捕集器的协同性分析与研究中的,主要有环烷酸Fe、二茂铁等,其中二茂铁参考文献的降低碳烟排放效果好于环烷酸铁。当Fe添加剂l]马林才,刘颖.有机金属化合物降低柴油机炭烟排放及与微粒捕集器结合使用时,Fe添加剂排到大气中其机理的研究[刀].燃料化学学报,2005,34(2):230-的比例较大。这可能跟Fe的来源较多,比如机械磨损,外来灰尘,排气管材料磨损等有关。[2]资新运柴油机微粒捕捉器的研究现状及发展趋势[门]4.3柴油催化添加剂在微粒捕集器中的沉积问题车用发动机,2000,126(2):1-4.柴油催化添加剂的燃烧产物随排气流经捕集器[3]高永建陈国需秦敏董俊修燃油助燃剂研究进展[].内燃机,2002(4):2-5时,有一部分会沉积在柴油机燃油系统、发动机燃[4]P Nag, K-H Song, T A Litzinger, DC Haworth. A chemical烧室和排气系统内。试验表明,金属添加剂在过滤kinetic modelling study of the mechanism of soot reduction体中的沉积率与滤芯对微粒的捕集效率基本一致。by oxygenated additives in diesel engines[ J]. Int J Engine积累在过滤体上的金属添加剂燃烧产物会堵塞过滤Research,2001(2):163-175.体孔隙,缩短捕集器使用寿命,导致背压上升,影[S]龚金科赖天贵刘孟祥董喜俊翟立谦柴油机微粒捕响柴油机的动力性和经济性,且排入大气中的金属集器过滤材料与再生方法分析与研究[J].内燃机,2004飘尘又会引起二次污染。因此有必要对添加剂沉积(3):1-4部位、金属原始沉积现象是否存在等开展进一步的[6]魏雄武,杜传进柴油机微粒捕集器关键技术发展现状与分析[J]柴油机设计与制造,2005,14(4):4-7研究。[7]吴晓东翁端,陈华鹏,徐鲁华.柴油车微粒捕集器过滤5结论材料研究进展[].材料导报,2002,16(6):28-31[8]杨德胜杨懿柴油机微粒陶瓷过滤器再生方法的探讨柴油添加剂能降低柴油机的碳烟微粒排放,尤[J].内燃机,2004(1):18-21其是具有催化作用的有灰型助燃消烟添加剂,还可[9]G.A以促进微粒捕集器的再生。微粒捕集器的再生有多sis of soot emitted by a modem diesel engine run on catalyst种方法,其中微波再生和催化再生将是比较可行的doped fuel[J]. Combustion and Flame, 2003, 132: 157方法。在催化再生时,选用合适的柴油添加剂非常重要,如Ce、P和Fe等添加剂都能有效促进微粒10c.A.stoi,.N. Pontikakis,.M.Sano.Epri捕集器再生,再生机理主要是通过降低碳烟的着火mental validation of a fuel additive assisted regenerationmodel in silicon carbide diesel filters[ J]. Automobile En温度和活化能来促进碳烟微粒氧化。其中微粒捕集器中由于VOF的存在,使得柴油添加剂对碳烟的peering,2004,218:729744[11] Ulrich A, wichser A. Analysis of additive metals in fuel催化作用得到了提高。柴油添加剂促进微粒捕集器and emission aerosols of diesel vehicles with and without再生时,柴油中的硫含量,添加剂本身的沉积,以particle traps[J]. Analytical Bioanalytical Chemistry及添加剂/柴油溶液的稳定性都将是影响添加剂和2003,37:7181微粒捕集器协同使用的关键。(上接第12页)续发展,具有积极意义。[3]邓元望刘放浪刘学英乙醇燃料及其在发动机中的应用[J]小型内燃机与摩托车,2005(1)参考文献[4]刘金宝车用乙醇汽油推广应用中存在的问题及建议[1]王春杰,崔平,王玮汤大钢我国推广车用乙醇汽油过J炼油与化工,2005(2)程中面临的问题及应对措施[J]石油与天然气化工[5]顾洁唐华车用乙醇汽油的储存和使用[J].石油库与2004(3)加油站,2006(3[2]吕兴才李德钢杨剑光张武高黄震柴油机燃用乙醇[6]熊云徐小明刘信阳清洁燃料基础及应用[M].北柴油燃料的燃烧与排放特性[]汽车工程,2004(2)京:中国石化出版社,2005中国煤化工CNMHG