对清洁代用燃料汽车发动机技术论述摘要：在人类即将跨入21世纪的时候，世界范围的环保呼声越来越高，针对环境和能源形势的日趋恶化，汽车作为污染环境和消耗能源的大户，备受人们的关注，在车用能源供应短缺与大气环境保护的双重压力下，人们一直在寻求内燃机新型清洁代用燃料。

开发环境污染小且具有一定发展前景的“绿色汽车发动机”，已成为世界各汽车公司竞争相开发的热点。

由于各国资源分布、科技实力不同，因而，开发“绿色汽车发动机”也型式各异。

关键词：汽车，发动机，能源危机，清洁，污染，新能源。

引言：随着我国经济快速发展，能源消费逐年增长，石油对外依存度不断递增，石油安全已成为我国亟待解决的重大问题。

同时，能源利用过程中产生的环境污染问题也困扰着我国的经济发展，尤其汽车能源需求与环境保护的面临双重巨大压力。

汽车行驶的主要燃料是从石油中提炼出来的柴油和汽油，据世界能源大会数据表明，我国的能源资源，煤的保有储量约占世界的30％，可采年数达数百年，石油的保有储量仅占世界的2.4％。

1993年起我国已成为石油纯进口国，2000年我国石油总需求的33％已从国外进口，预测2010年我国石油总需求的47％需进口，我国石油的供应将严重不足。

在另一方面，我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。

据统计，近年来上海城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的86％、90％和56％，北京在非采暖期，城区内机动车排放的CO、HC和NOx已分别占总排污负荷的60％、86.8％和54.7％。

城市机动车排放污染日趋严重。

针对我国自然条件和能源资源特色，逐步改变汽车能源结构，发展汽车清洁代用燃料，在发动机上实现高效、低污染的燃烧，控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。

1、天燃气发动机以天然气作燃料的发动机已有50多年的历史了。

可以说人类开发天然气发动机的技术是相当成熟的。

天然气是天然资源，产自油气田和气田。

在地球上的贮量很大。

天然气发动机最大的优点是排污染低：CO排入量是汽油机的1/15，HC排放量是汽油机的1/5，SO2排放量是汽油机的1/10，CO2的排放量是汽油机的4/5，另外，天然气发动机不会造成成润滑油稀释，可延长发动机寿命，同是还可降低汽车噪声等。

天然气的主要成份是甲烷(一般为83%～99%)及少量其他烃类和CO2等。

天然气具有较高的辛烷值，抗爆性能好，与汽油相比，燃烧更完全。

据美国EPA 报告，天然气汽车可以降低40%的HC排放，50%的CO排放，无碳烟排放，其中HC排放的90%为甲烷类物质，光化学反应低，采用缸内直喷和稀薄燃烧技术可进一步提高发动机效率，降低污染物排放，符合各国有关的环境排放标准。

天然气汽车因为其良好的排放特性及丰富的储量而成为各种代用燃料汽车的首选。

天然气的储存方式主要有压缩天然气(CNG，15MPa～20MPa)、液化天然气(LNG，沸点-162℃)和吸附天然气(ANG)；CNG是目前车用天然气燃料的主要储存方式，CNG在汽车上使用的主要缺点是储气瓶重量重、占用体积大，与液体燃料相比，天然气体积能量密度低，20Mpa压力下的CNG燃料仅相当于汽油能量密度的30％。

为克服CNG技术的上述缺陷，国际上天然气另一储存方式是液化天然气，LNG是对地质开采的天然气气体通过“三脱”净化处理，实施低温液化处理而成，液化后的体积仅是原气态体积的1/625，LNG的能量密度是CNG的三倍多、能量密度大大提高，但LNG的生产成本相对较高，储存容器的绝热性要求高，这些是制约其发展的因素。

吸附式储存天然气（ANG）技术是目前尚处研究阶段的一种天然气储存方式，它用多孔吸附剂填充在储存容器中，在中高压（3.5Mpa 左右）条件下，利用吸附剂对天然气高的吸附容量来增加天然气的储存密度。

ANG 作为未来替代CNG的一项新技术将有广阔的发展前景，但由于技术上的不少难点还有待解决，故在目前还尚难进入实用化阶段。

目前世界上不少国家都有使用天然气汽车，为了鼓励使用天然气汽车，一些国家还改燃天燃气的汽车实行补贴，可以相信，当加油站全部改为加气站时，真正意义的“绿色汽车”时代就会到来2．液化石油气发动机液化石油气（LPG）由于具有低的污染物排放被认为是内燃机的较理想代用燃料，已经被成功地应用于汽油机。

液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。

作为车用燃料LPG的主要成份是丙烷、丁烷和少量烯烃和戊烷。

LPG辛烷值较高，燃料费比酒精、汽油、柴油等便宜，CO、NOx等有害排放量低于汽油机排放，基本上消除黑烟和颗粒物(PM)，发动机工作噪音低。

①污染少。

LPG是由G3（碳三）、G4（碳四）组成的碳氢化合物，可以全部燃烧，无粉尘。

在现代化城市中应用，可大大减少过去以煤、柴为燃料造成的污染。

②发热量高。

同样重量LPG的发热量LPG的发热量相当于煤的2倍，液态发热量为45 185～45 980kJ/M3。

③易于运输。

LPG在常温常压下是气体，在一定的压力下或冷冻到一定温度可以液化为液体，可用火车（或汽车）槽车、LPG船在陆上和水上运输。

④压力稳定。

3．氢气发动机氢气(H2)长期来主要用作宇宙飞行器发射和推进的燃料。

作为汽车燃料，氢气辛烷值高，发动机热效率高，发动机可在空气过量系数(λ)较大的范围内稳定燃烧，点火能量低，不到汽油最低点火能量的1/10，且氢燃料的火焰传播速度快，低温下易起动，其燃烧生成物主要是水和NOx，不产生HC、CO和碳烟排放。

但在发动机上使用还有回火、早燃、燃烧控制等问题尚待解决。

氢的主要缺点是储运性能很差，氢的沸点为-253℃，以液态方式储存时成本高，不适宜长期储存。

氢的制取原料有天然气、煤、水。

从水制取氢有电解法、热化学法、光解法及微生物法。

至今这些制氢方法的成本及能耗都较高、难以进行大规模制氢用于车用燃料，因此氢气必须在解决降低生产成本、储存运输等难题后，才能走向实用。

氢气可从电解水、煤的氧气化、天然气中大量制取。

由于水是取之不尽的。

所以它被认为是未来能源结构中重要的组成部分。

氢是一种最清洁的燃料，燃料物主要是水，其次是在空气燃料中形成微量的NO X，对空气没有什么污染，因此，发达国家对氢燃料十分重视。

以氢气为燃料的汽车发动机的研究院经历了一个曲折前功尽弃进的过程，研究工作从30年代就已开始，但进展不大。

70年代的石油危机给各国重新敲响了警钟，氢气再次被人们所关注。

目前，世界一些知名的大汽车公司都有研制出了自己的氢气发动机。

然而，要推广应用氢气燃料发动机还要解决一系列技术问题：1)需用要找到氢气在汽车上安全有效和贮运方法；2)要找到大量生产廉价氢气的方法；3)要解决氢气燃料的供给系统。

但是，从长远和发展的观点来看，氢气发动机最有前途。

4．醇类燃料发送机醇类燃料甲醇和乙醇，具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点。

作为汽车燃料，醇类燃料自身含氧，在发动机燃烧中可提高氧燃比，CO和HC的排放较汽油和柴油的低，几乎无碳烟排放；另外，由于汽化潜热高，可降低进气温度，提高充气效率，使最高燃烧温度低，发动机的NOx排放较低。

发动机使用甲醇燃料，会产生有毒的醛类排放。

此外甲醇对人体毒性较大，它对金属有腐蚀作用，对橡胶皮革有溶涨作用，会使塑料提早老化，这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限制。

乙醇燃料以掺烧或纯烧方式已成功地用于汽油机上，汽油醇（gasohol）混合燃料在巴西、美国已应用许多年，技术上已十分成熟。

乙醇在柴油机上应用要远逊于在汽油机上的应用，其主要原因是柴油与乙醇不能互溶，掺烧困难，此外乙醇燃料十六烷值低，在柴油机上需用柴油引燃或点火塞点燃，要对燃烧系统做较大改动。

目前国内外有关机构正在研制帮助乙醇与柴油互溶的助溶剂，生成柴油醇（diesohol），这样可以在发动机不作改动或是很少改动的情况下使用柴油醇燃料，满足发动机经济性，动力性和环保的要求。

研究表明加入1％的助溶剂和10％－15％乙醇的柴油醇燃料，发动机微粒与一氧化碳排放显著降低，发动机500小时耐久性试验后，发动机的燃油系统、机械磨损都正常，主要配合间隙没有超差，柴油醇在发动机上的应用将具有很大潜力。

醇类燃料甲醇可由一氧化碳和氢气合成制得，因此它可从煤、天然气和油页岩制取。

乙醇可利用发酵的方法，从甘蔗、玉米、薯类等农作物及木质纤维素中提取，这些原料不仅储量大，而且大都可再生，是一种可再生能源。

存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高，约为汽油的两倍，需在生产技术上寻求突破，降低能耗和成本，则乙醇燃料会有非常广泛的应用前景。

5.二甲醚发动机二甲醚(Dimethyl ether)，简称DME，是一种含氧燃料，它无毒性，常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性。

二甲醚无C-C链，其十六烷值大于55，具有优良的压燃性，非常适合于压燃式发动机，用作为柴油机的代用燃料。

国内外相关研究表明燃用二甲醚燃料的发动机，在对原柴油机的燃油系统进行必要改造后，在保持原柴油机高热效率前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳烟排放为零，没有任何加速烟度，发动机燃烧噪声可降低10dB(A)左右。

使发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳、非甲烷碳氢和醛类有害排放具有达到世界上最严格的美国加州超低排放车(ULEV)标准的潜力。

显示了二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料，实现柴油机汽车高效率、低噪声、超低排放的前景。

由于DME燃料的超低排放特性，二甲醚燃料汽车技术已引起到国内外专家高度重视，各国纷纷开始研制开发燃用二甲醚燃料的车用柴油机和汽车。

同时从二甲醚燃料衍生或有关的具有较高沸点的含氧燃料，如 Dimethoxy methane(DMM),Diethylene glycol dimethyl ether (DGM), Diemethyl carbonate （DMC），Diethyl succinate (DES)等，近几年也受到发动机研究者的高度兴趣和重视，利用上述含氧燃料与柴油制成混合燃料可显著改善柴油机碳烟排放。

为今后汽车燃料的设计与多样性，进而实现对燃料雾化、着火、燃烧和有害排放的控制提供了新途径。

二甲醚燃料的制取可以煤、天然气、生物有机物等为原料产生合成气一氧化碳、二氧化碳和氢气，然后常规通过二步法先制得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。

近年来丹麦Topsoe公司等成功地开发出了以天然气为原料产生合成气，由合成气一步法高效制备二甲醚的工艺，大大降低了二甲醚的生产成本。

6．生物燃料发动机全球变暖是不争的事实，人们正在开发来源广泛的生物能源。

生物燃料是指从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。

目前，已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油、甲醇酯混合油等。