乙醇燃料的发展及其在发动机中的应用

级35聋率2拖拉机与农用运输车Vol 35 NeTractor Farm ThFeb.,2008乙醇燃料的发展及其在发动机中的应用汤兆平,孙剑萍(华东交通大学,南昌330013)摘要:在石油危机及环保的双重压力下,乙醇无疑是当今车用化石燃料最具潜力的替代品。使用乙酶燃料不但可以改善能源结构、减少对石油进口的依赖,同时可以降低汽率的有害排放。通过调查乙醇燃料及乙醇燃料汽车在国内外的发展状况,分析了乙醇燃料的生产工艺、市场的合理价格,研究了乙罅掺合比例对燃料及发动机性能的影响。关键词:乙醇燃料;价格分析;发动机性能中图分类号:TF58文献标识码:A文章编号:1006-0006(2008)01-0012-02Ethanol Fuels Development and its Application on EnginesTANG Zhao-ping, SUN Jian-pingEast China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)Abstract: Ethanol fuel is one kind of engine fuel that has the most latent capacity to replace fossil fuel under theof petroleum crisis and environment protection. Its application can not only improve energy structure andreduce the dependence on import petroleum, but also decrease the emissions from vehicles. It was Investigated thadevelopment situation of ethanol fuel and ethanol fuel-automobile in home and abroad. The productive technology and rationalmarketplace price were analyzed as well as ethanol blending impact of proportion over fuel and engine function was studiedKey words: Ethanol fuel; Price analysis; Engine performance随着汽车保有量的增加,机动车尾气排放已经成为城市空气污(可以使用任意比例的汽油、乙醇混合燃料)市场加快了乙醇燃料染的一个主要因素,同时,全球性的能源不足问题也越来越突出。控的发展,灵活燃料车已成为新车市场主角。在2006年1月份销量的制汽车尾气排放和缓解能源压力的一个重要途径是采用新型清洁的新车中,灵活燃料汽车占73%。巴西政府正准备鼓励发展E85的汽燃料-2)。含氧生物燃料乙醇,与普通汽油相比,以其燃烧更完全车,乙醇及其汽车市场将进一步拓展。CO排放量较低燃烧性能与汽油相似等优良特性,被称为21世纪的1978年,美国实施《能源税收法案),免除E0燃料4美分/加仑绿色能源”,已经成为改善城市空气质量的重要法宝。据统计世的消费税。1992年,美国鼓励使用乙醇作新配方汽油的充氧剂极界上已有近20个国家推广使用乙醇汽油。大地促进了乙醇的生产。至今,美国约有400万辆可燃乙醇车,有1乙醇燃料及乙醇燃料汽车在国内外的发展状况135座加油站可加E85乙醇汽油。200年5月,全球最大的零售商早在1908年,美国人享利,福特就设计制造出世界上第一台沃尔玛公司表示,将在其经营的383家美国加油站中提供乙醇汽油纯乙醇汽车。1930年乙醇汽油混合燃料在美国内布拉斯加州首次克莱斯勒公司2006年1月表示,其2008车款年度总产量的1/4将为面市。同期德、法巴西等国也开始了乙醇汽油的应用。二次世界可燃乙醇车205年8月,美国总统布什签署的一项能源法案要求大故期间能源紧缺促使乙醇燃料的研究非常活跃,但后来价格低廉在2012年,政府强制使用的乙醇量从40亿加仑增加到75亿加仑的石化系燃油大量生产汽油和柴油凭借价格和性能上的优势在发为保护地下水资源,还将在2014年12月3日以后禁止在汽油中使动机燃料领域占据垄断地位用MTBE(甲基叔丁基醚)。这些措施将进一步推动美国燃料乙醇产70年代初,石油危机使乙醇燃料的研究又重新受到重视。太平业快速发展洋乙醇公司总裁 Neil Koehler表示,“只要油价维持在50美元/桶以2006年6月,日本环境省和经产省共同制定乙醇燃料开发的相关上,乙醇行业就一定很有潜力。”当前石油价格已超60美元/桶世政策,计划从200年起推广使用E3,200年开始推广E0。目前,界各国都加快了乙醇燃料推广应用的步伐。本许多汽车制造商在海外销售含10%至25%乙醇的混合燃料车。巴西不仅是世界上最早通过立法手段强制推广乙醇汽油的国200年9月本田汽车公司宣布将在巴西以3万辆的年产量销售纯家,也是目前世界上唯一不使用纯汽油做汽车燃料的国家。早在乙醇小型汽车并准备针对日本市场作为环保技术发展的重点方向。1931年,巴西政府就颁布法令,规定在全国所有地区销售的汽油必我国开发乙醇燃料起步较晚。2000年9月,国家经贸委要求中须添加2%-5%的无水乙醇。此后,政府又陆续颁布法令提高添加国石化集团对乙醇作为车用燃料的可行性进行系统研究。2002年无水乙醇的比例202年将上限提高到25%6206年3月由于担初进AYH中国煤化工号河南省的郑州、洛阳通燃料市场%的份额2年月随着已西启动灵活地料汽车汽油首批试点使用车用乙CNMHG,在东北三省、河南、安收稿日期:2007-01-05基金项目:华东交通大学校立科研基金资助;江西省载运工具与装备重点实验室资助汤兆平等:乙醇燃料的发展及其在发动机中的应用徽全省以及其他27个地市封闭推广乙醇汽油。乙醇汽油消费量占元/ta目前最为理想的是已列为国家863计划的中国农业工程研究全国汽油消费市场的20%,成为仅次于巴西、美国的第三大乙醇燃设计院试验成功的领先国际水平的甜高梁种植及高梁秸秆制酒技料生产和使用国。2006年11月12日,国家发改委工业司副司长熊术,提炼的乙醇市售价约2000元/。以油醇耗用比1:16计算,可必琳在“2006中国生物质能源发展战略论坛”上指出,到“十一五比汽油价格略低末,乙醇汽油将占我国汽油消费量的一半以上。4乙醇的掺合对燃料及发动机的影响乙醇柴油的研究早在20世纪70年代就已开始,但由于乙醇和4.1对燃料的影响柴油的相溶性较差及乙醇柴油成本较高的限制,目前为止,只有乙醇与汽油混合,会出现膨胀现象如1L乙醇与9L汽油混合,巴西政府刚刚批准生产E3-D并在市场上销售。其体积为1002L。乙醇和柴油的相溶性较差。K.R. Gerdes和G.】2乙醇混合燃料的生产工艺Suppes研究表明,一般情况下随乙醇含量的增加,相分离温度逐渐车用乙醇燃料由变性燃料乙醇和汽(柴)油以一定比例混配而升高但不同组成的柴油其变化规律和最终的趋势不同。对于大多成。燃料乙醇的生产方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法两种。数柴油当乙醇体积分数近50%时,相分离温度最高,这种现象属于近年来受原油资源问题及乙烯价格上涨的制约,合成法被生物法取液体相溶时的双强效应。代。生物法以玉米、小麦、薯类甘蔗、甜菜、木屑树枝和植物秸杆等乙醇分子中富含38%的氧。掺合7.7%的乙醇汽油含氧量可农产品或农林废弃物为原料酶解糖化发酵制造乙醇达27%;摻合比例提高到10%,含氧量将达到35%。含氧量的提资料显示,当乙醇汽油中水分超过0.3%时,就会油水相分离,高有利于燃料燃烧均匀减少局部富氧和局部缺氧的几率,减小空造成发动机熄火。因此,必须采用新型脱水工艺将含水分降到1%燃比提高燃烧热效率。M. Abu-Qudais M等“的试验结果显示,以下。美国燃料乙醇脱水技术已从共沸蒸馏改进成分子筛脱水及能E5-DE20-D的热效率分别提高了36%和5.4%。耗更低的淀粉脱水。乙醇的辛烷值高,十六烷值较低。乙醇的添加可以较有效提高由于乙醇和柴油的相溶性较差,目前国内外有关公司已经研制汽油的抗爆性却使柴油机的发火性能变差。有关研究显示,国内典出乙醇柴油的混合技术,可在原机不作改动或是很少改动的情况下型催化裂化汽油添加10%的乙醇后,RON辛烷值提高3.4个单位,使用。该技术主要有两种,一种是机械混合法,属乙醇低比例混合MON辛烷值增加14个单位。而E0-D的十六烷值比纯柴油约降法;另一种为助溶剂法,属乙醇高比例混合法。2002年美国Pare低5.5个单位E15-D降低93个单位,国内研究还发现乙醇柴油中En公司研制的乙醇柴油混溶助溶剂 Purana,于2004年实现了商乙醇达到70%时会产生爆燃现象。品化。2006年11月,河南天冠集团经过近五年的不懈攻关,在乙醇柴与汽(柴)油相比,乙醇热值低、油耗高。以E10为例,低温启动油机械混合法和乙醇柴油助溶剂法研究方面取得突破性进展。他们·性能和驱动加速性能较差其热比纯汽油少3.8%,即在相同情况开发的机械混合法不需添加任何助溶剂就可获得乙醇含量在10%以下汽车行驶的里程比使用纯汽油少3.8%。下的混合燃料;开发的助溶剂法,在含乙醇10%以上的乙醇柴油中仅乙醇易蒸发、闪点低。加入汽油后会产生蒸汽压调和效应,调和需添加少量助溶剂,就可解决低温下乙醇与柴油难以互溶的难题。蒸汽压随乙醇体积分数的增加而提高。蒸汽压过高容易发生气阻,3乙醇的价格分析使油泵不能向发动机供油;同时影响发动机热态停车后的启动性能。乙醇的加入对柴油的闪点降低起着直接的影响, Michio等51发现加由于各国采用的原料、工艺及劳动力价格不同,乙醇市场价格也助溶剂、含醇5%-20%的乙醇柴油,闪点均降低至15-16℃。与乙有差异。表1为2005年巴西、美国和我国的乙醇燃料销售价格表1巴西、美国和中国的乙醇燃料销售价格1 Ethanol Fuel Soil Price in brazi, USA and China美元/L42对发动机零部件的影响乙醇在汽油机上的应用技术已经相当成熟,巴西和美国多年的实践经验证明,普通汽油车无需任何改动就可以使用添加10%乙醇巴西以甘蔗为原料,经过30多年的发展,该国已成为燃料乙醇生的汽油。超过15%乙醇的汽油则必须对汽车发动机进行调整产能力最大、成本最低的国家,其乙醇燃料售价0.19美元/L(而国内由于乙醇是一种有机溶剂,在生产、储存燃烧过程都会产生有汽油售价0.6-0.7美元/L),已经具备相当的市场竞争力。目前日机酸易对机件产生腐蚀和磨损。需清洗燃油系统和油箱,对汽车的本瑞上澳大利亚、加拿大韩国等均有意从巴西进口乙醇和引进技术。塑料密封件进行防腐蚀处理更换部分橡胶材料如软管更换为丁睛美国采用玉米为原料,乙醇燃料售价0.33美元/L,普通无铅汽橡胶密封件更换为含氟橡胶油约058美元/L。美国能源部日前投资3000万美元开发第二代纤我国试点使用中发现,发动机使用初期,燃油系零部件、油路及维素酶,计划3年内使生物酶的费用减小到每生产1加仑乙醇约10油管壁上的沉积物会剌落下来可能会导致滤清器的堵塞;长期使用美分以下(约为现在生物酶费用的1/10)。美国Pnte大学可再生汽油醇时,一些镁、铝、锌的合金、镀铅锡的钢板及有些黑色金属将遭能源实验室利用基因工程发现的转基因酶可将五碳糖转化为乙醇,到腐蚀尤其在燃料分层时更明显;润滑油的酸度值及粘度增加在使技术难度极大的“五碳糖发酵制乙醇技术”取得重大突破,展现了发动机进气系统的部件上容易产生油污润滑油污染严重可能导致纤维素、半纤维素制乙醇的良好前景。拉缸;供油泵中的橡胶件、化油器加速泵中的皮碗及滤清器中的橡胶中国的乙醇提炼缺乏高效性,乙醇汽油的推广正陷入困局。据油封出现胀大现象全国清洁汽车行动协调小组办公室专家组组长王秉刚介绍,“九五”4.3对发动机动力性的影响期间,政府在河南、吉林黑龙江3个产粮大省尝试推广乙醇汽油,遇中国煤化工使动力性能下降。但到了很大的问题。主要表现为价格缺乏竞争力引起了加油站和消CNMH充分燃烧,从而使功费者的双重不满。根据国内两家有代表性的乙醇厂商的生产成本分率上升园家汽车研究中心所析,当玉米价为95219元/时燃料乙醇的成本为3897元/1;薯干作的发动机台架试验和行车试验结果表明使用车用乙醇汽油发动价为93元t时燃料乙醇的成本为3668元1;2000年12月下旬受机不需改造动力性能基本不变国际国内粮食上涨因素影响,燃料乙醇的成本高达4200-4500(下转第16页)拖拉机与农用运输车第1期2008年2月时颗粒过滤器中所含的炭烟被缓慢而仔细地转化成CO2压缩中气(0.608MPa)主动还原:当温度达580℃时涂层中的氧化陶瓷成分可利用氧H0TD型发动机电磁阀气来加速热还原反应。方法是通过补充喷油(与主喷油接近)加大喷油量延迟喷油时刻关闭废气再循环、阻塞节气门等多种方法来向喷气净化空气管路将涡轮增压器的温度提高到约450℃。“4.5.3控制过程发动机控制单元中有一个预先编制好的模拟程序,该程序根据使用者的驾驶风格和压差传感器获得的信号来判断过滤器的吸附饱铠装电加热器和程度,在必要时执行主动还原程序。对于常见的城市循环工况,每图3逆向喷气净化过滤器系统示意图行驶1000~2000km应通过发动机管理系统来进行一次主动的还Fig 3 Fit of Puritying Filter by Reverse Jet原过程。4.5A6L3.0V6-TD型柴油发动机颗粒过滤器催化转化器的温度超过350℃时,进行第二次补充喷油。由于4.5.I过滤器结构补充喷油时刻与主喷油有段时间差燃油仅被汽化,而尚未燃烧。这如图4所示,该颗粒过滤器的滤芯为陶瓷材料,陶瓷壁上涂有些燃油蒸汽在催化转化器处发生反应,将气体温度提高到750℃,于层铑和氧化陶瓷的混合物。滤芯的结构与传统的催化转化器相似是炭烟颗粒就开始燃烧二者的区别在于该颗粒过滤器的通道在进气和排气方向上是交替锁机油燃烧后的剩余物(机油灰)无法除掉过滤器内,从闭的,这样含有炭烟的废气必须得穿过透气的氧化硅层,才能流到排而导致过滤器失效。因此,当行驶里程达到150000-20000km气系统出口,炭烟则滞留在陶瓷壁上。时,必须更换过滤器31催化转换器压差传感器有涂层的颗粒过滤器发动[试验证明:在柴油机上使用颗粒过滤器能收到良好的减少颗粒物排放的效果电控技术的应用为颗粒过滤器工作效率的提高和工氧传感器温度传感器温度传感器G235作过程的优化提供了技术上的保证废气再循环系统4A6L3.0V6-TD型柴油发动机颗粒过滤器参考文献Fig 4 Diesel Pellet Filter of 3.01-V6-TDI A6L1]李兴虎汽车环境保护技术M]北京:北京航空航天大学出版社,2004.温度传感器C488的作用是调节第二次补充喷油的喷油量使过(2]陈家瑞汽车构造[M]北京:人民交通出版社,200滤器前的温度达到620℃,以提高炭烟颗粒的燃烧速度。3]栾琪文汽车电控柴油机结构原理与维修[M]北京:机械工业出版社,206去传感器作用是监控颗粒过滤器前后的压力差、识别过滤器编辑史洛晨)是否被炭烟堵塞。作者简介:姚虹(1968-),女,讲师哈尔滨工业大学在读硕士,主要研究方4.5.2还原反应向为车辆工程;刘建食(1977-),女,讲师广西大学硕士研究生,主要研究方被动还原(即不由发动机管理系统控制):当温度是3500-500℃向为能源与动力出出示出柳出柳学出示出出出出出御出出出彩种出出出(上接第13页)P Satee de Caro研究发现低负载时乙醇柴油的输出功率与纯柴5结束语油的输出功率无明显差别;高负载时,乙醇柴油的输出功率略有降低,1993年我国已成为石油净进口国,2000年石油总需求量的33%但总的降低幅度不大。含醇5%-20%的乙醇柴油最大输出功率降低幅度小于5%,同时,乙醉含量越高最大输出功率降低越多6。已从国外进口,2006年石油进口依存度已上升到57%。以可再生的乙醇作为汽车代或部分替代燃料,对维护我国能源安全、改善能源4.4对发动机经济性的影响燃料总热值降低,所以在相同输出结构保证社会经济健康稳定发展有着重要的意义功率的情况下,乙醇汽(柴)油的油耗较纯汽(柴)油高,且乙醇含量参考文献:越高油耗越高。。研究表明E0耗油率上升7%-8%,E10-D和(1]何邦全发动机含氧燃料的燃烧与排放特性研究[R]博士后研究报告E20-D耗油率分别上升3%和7%。北京:清华大学,20035对排放的影响[2]何邦全,王建昕阎小光柴油机含氧燃料的研究进展[门]农业机械学使用低比例的乙醇混合燃料,改善了燃烧,会普遍降低CO排报,2003,34(1):134-138放。NO,排放取决于最高燃烧温度,而CH排放决定于燃料的组分3]曹湘洪我国发展燃料乙醇和乙醇汽油应注意的若干问题[石油炼及内燃机工作过程的温度。制与化工,2001,32(6):7~10验证明使用F6,与常规汽油相比HC排放降低10%-27%,[4】 ABU-QUDAIS M. HADDAD O. QUDAISAT M. The Efect of Alcohol Fumico降低10%-28%,NO,减少7%-16%,有毒气体降低9%-32%ation on Diesel Engine Performance and Emissions J ].Ene其他条件不变使用E10,CO排放降低30%以上,HC降低10%左右& Management,2000,41:389-399使用E15HC降低5%,NO降低40%,CO排放增加约,的助溶[5] MICHIO Ikura, MARIA Stanciulescu, EDWARD Hogan, Low Temperature美国的科罗拉多矿业学院2000年对E10-D(加入剂)与联邦2号柴油进行对比试验结果发现乙醇柴油发动机的PM[6什H中国煤化工M:202-Additive with Diesed Ethanol降低34%~40%,CO降低20%-28%,NO,降低2%~5%。CNMH G.0565-574编辑史洛晨)当然无论是使用乙醇汽油还是乙醇柴油汽车的排气中都有非规排放物未燃醇醛类要高于原先使用汽油或柴油。然而,通过作者简介:汤光平(19070-),男,江苏常州人,华东交通大学机电工程学院副书优化内燃机,它们的排放量可以大大降低。记,副教授。