代用燃料的研究與應(yīng)用

隨著大氣環(huán)境和全球能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，商用車(chē)燃料及其排放物對(duì)空氣的污染問(wèn)題備受關(guān)注，代用燃料的開(kāi)發(fā)和使用已成為必然趨勢(shì)。本文詳細(xì)介紹了目前全球范圍內(nèi)使用較多的代用燃料的研究與應(yīng)用發(fā)展情況。

1 天然氣（NG）

天然氣作為汽車(chē)燃料，根據(jù)燃燒狀態(tài)的不同可分為液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG），具有單位熱值高、排氣污染小、供應(yīng)可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界車(chē)用清潔燃料的發(fā)展方向，而天然氣汽車(chē)則已成為發(fā)展最快、使用量最多的新能源汽車(chē)。

1.1 液態(tài)天然氣（LNG）成分對(duì)重型發(fā)動(dòng)機(jī)的影響[1]

天然氣的應(yīng)用減少了重型公路運(yùn)輸產(chǎn)生的溫室氣體排放，但也面臨著挑戰(zhàn)。天然氣的成分在不同的燃料供應(yīng)商和地理區(qū)域之間可能有很大差異。因此，本文就燃料成分變化對(duì)配備引燃點(diǎn)火裝置的重型直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

高壓直接噴射（HPDI）是一種能夠匹配柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能同時(shí)還可用天然氣代用90%以上柴油燃料的技術(shù)。與重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的其他代用品相比，液化天然氣（LNG）可以有效增大體積并提高重量能量密度。對(duì)于HPDI，這種狀態(tài)具有比氣態(tài)天然氣（無(wú)論是作為壓縮天然氣在高壓下儲(chǔ)存，還是在諸如吸收儲(chǔ)存的更特別的系統(tǒng)中儲(chǔ)存）明顯的優(yōu)勢(shì)，減少了實(shí)現(xiàn)直接噴射到高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃料壓力所需的壓縮功。

圖1 HPDILNG燃油系統(tǒng)[1]

圖1 為基于LNG的HPDI燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件示意圖。在該系統(tǒng)中，使用泵將低溫LNG首先壓縮至所需的供應(yīng)壓力（標(biāo)準(zhǔn)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)中最高約300 bar），然后將天然氣通過(guò)熱交換器以確保其在供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)之前完全蒸發(fā)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在配有渦流測(cè)功機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，包括6個(gè)安裝在水冷壓電壓力傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)扭矩和速度由測(cè)功機(jī)上的傳感器確定，在系統(tǒng)的多個(gè)點(diǎn)記錄進(jìn)氣和廢氣流壓力和溫度。使用Meriam層流元件測(cè)量增壓空氣流量，并使用重量燃料平衡測(cè)量柴油流量。使用Horiba MEXA3100DEGR排放臺(tái)測(cè)量CO、CO2、NOx、THC和CH4的排放，這也用于測(cè)量進(jìn)氣CO2，以量化EGR（廢氣再循環(huán)）率。使用AVL 415煙度計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放的煙霧排放。

對(duì)15 L HPDI天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，評(píng)估對(duì)低質(zhì)燃料的敏感性，并評(píng)估基于燃燒感應(yīng)的補(bǔ)償策略是否適合減輕燃料成分變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。這項(xiàng)工作的主要發(fā)現(xiàn)是：

（1）HPDI燃燒主要對(duì)燃料密度敏感

（2）氣態(tài)燃料中較高濃度的乙烷和丙烷導(dǎo)致較長(zhǎng)的燃燒持續(xù)時(shí)間，但不會(huì)嚴(yán)重影響燃燒起始或峰值放熱率。

（3）一旦扭矩被校正，受燃料成分影響的主要排放物是PM和CH4。由于乙烷和丙烷的濃度增加，CH4在PM增加時(shí)明顯降低。由于當(dāng)前DOC和DPF后處理系統(tǒng)的高效性，尾氣中PM的排放不受影響。

1.2 甲烷值對(duì)壓縮天然氣（CNG）直噴發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響[2]

天然氣（NG）和可再生甲烷作為汽車(chē)燃料的基本要求是可靠的抗爆性，高抗爆性能夠優(yōu)化具有高壓縮比和高渦輪增壓器增壓的專(zhuān)用NG發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。NG可以與所有類(lèi)型的可再生甲烷混合，混合率高達(dá)100%，具有未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

NG主要由甲烷組成，與汽油相比具有許多燃燒優(yōu)勢(shì)。由于比汽油更有利的C/H比，NG燃燒排放的二氧化碳基于油箱到車(chē)輪（Tank To Wheel）減少約25%，顆粒排放也大大降低。如圖2所示，2014年型號(hào)的歐洲CNG乘用車(chē)比同類(lèi)車(chē)輛中的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)減少約15%的比扭矩和約20%的比功率。扭矩和功率損失主要是由CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率降低引起的，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)目前與端口燃料噴射系統(tǒng)（CNG取代空氣）一起運(yùn)行。

為了描述NG的抗爆性，引入了甲烷值（MN）。通常NG的最低甲烷值為65，并且絕大多數(shù)NG（～99.8%）的MN高于70。生物甲烷和電力-氣體甲烷的MN通常遠(yuǎn)高于80。從汽車(chē)的角度來(lái)看，任何甲烷燃料應(yīng)至少提供的最低MN為70。但迄今為止，描述汽車(chē)CNG燃料質(zhì)量的歐洲標(biāo)準(zhǔn)草案提出了最低MN為65。因此，MN從70減少到65所引起的效率差異對(duì)未來(lái)的NG（甲烷燃料）標(biāo)準(zhǔn)化具有相當(dāng)大的意義。

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在12.9壓縮比的輕量化小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)上，MN 69和MN 64之間的測(cè)量效率差異為0.21%-0.35%。測(cè)量的效率降低是由較低的MN隨后的爆震限制燃燒引起的。同時(shí)，針對(duì)較大汽缸排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比的增加都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率的顯著增加。因此，具有較大排量的發(fā)動(dòng)機(jī)在MN69燃料和MN64燃料之間會(huì)產(chǎn)生更高的效率損失差。

1.3 濕空氣對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和PM排放影響的研究[3]

美國(guó)大約29%的溫室氣體（GHG）排放由運(yùn)輸部門(mén)生產(chǎn)，減少運(yùn)輸溫室氣體排放的戰(zhàn)略包括引入低碳燃料，提高車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸系統(tǒng)效率，以及減少碳密集型活動(dòng)。天然氣是低碳燃料，最近CEC（California Energy Commission）的報(bào)告指出，隨著CNG車(chē)輛的改裝，乘用車(chē)的溫室氣體減排量為20%至30%，重型車(chē)輛的溫室氣體減排量為11%至23%。液化天然氣（LNG）是重型車(chē)輛的代用燃料，到2022年，重型汽車(chē)的溫室氣體減排量將在12%至16%之間。

濕空氣系統(tǒng)一直是減少CNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的有效方法，在該方法中，水蒸氣被注入到吸入的空氣中并提供給發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。該過(guò)程降低了汽缸中局部溫度并提高了空氣-燃料混合物的比熱，由此也有助于消除了發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的熱點(diǎn)，隨著溫度降低，實(shí)現(xiàn)NOx還原。通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)，濕空氣系統(tǒng)可以減少氮氧化物排放，而不會(huì)顯著增加碳?xì)浠衔锏呐欧拧?/p>

本文在研究不同濕度水平的潮濕空氣對(duì)非預(yù)混合燃燒氣體排放的影響基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)氣中不同濕度水平如何影響排氣中NO的排放，并使用天然氣作為燃料的自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。同時(shí)，進(jìn)一步研究了潮濕空氣進(jìn)氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物（PM）排放的影響。

圖3 數(shù)值模擬燃燒室[3]

數(shù)值研究使用假定的概率密度函數(shù)燃燒模型模擬單個(gè)汽缸中的非預(yù)混燃燒，即圖3所示的數(shù)值模擬燃燒室。對(duì)干燥和潮濕的進(jìn)氣進(jìn)行模擬，測(cè)量0%、15%和30%相對(duì)濕度（RH）。數(shù)值結(jié)果顯示，與干燥進(jìn)氣的NO排放相比，在15%RH下NO排放減少了65%；在30%RH下，NO排放減少了93%。實(shí)驗(yàn)在四種不同的馬力（HP）下進(jìn)行，分別為5、12.5、25和37.5，以及30%、45%和60%的三種RH。結(jié)果顯示，相對(duì)濕度每增加15%，NOx排放量減少近10%。

2 液化石油氣（LPG）作為代用燃料的綜合調(diào)查[4-5]

液化石油氣主要是碳?xì)浠衔锼M成的，其主要成分為丙烷、丁烷以及其他的烷烴等。用作運(yùn)輸燃料時(shí)，LPG比汽油和柴油燃料更清潔。在排放因子的比較中，LPG的NOx排放通常較低，PM10排放量占汽油的35-42%，乘用車(chē)和輕型商用車(chē)的柴油燃料排放量約為3%。對(duì)于重型車(chē)輛，LPG排放分別為汽油和柴油燃油的23%和5%，而對(duì)于公共汽車(chē)，排放約占汽油和柴油燃料的5%。三種燃料類(lèi)型的CO排放和VOCs（排氣）相對(duì)類(lèi)似。

本文介紹了菲律賓國(guó)家工程中心（UPNEC）為菲律賓能源部評(píng)估液化石油氣作為公共交通，特別是專(zhuān)線(xiàn)小型公共汽車(chē)（jeepney）的代用燃料的研究結(jié)果。研究分別進(jìn)行了道路測(cè)試和底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試。

經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）在負(fù)載系數(shù)為60-70%的道路試驗(yàn)和負(fù)載系數(shù)為100%的底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)中，LPG實(shí)際里程總是小于柴油實(shí)際里程，并且負(fù)載系數(shù)越高，實(shí)際里程數(shù)減少越多。

（2）在道路測(cè)試中，LPG jeepney的柴油當(dāng)量里程與其對(duì)應(yīng)柴油jeepney的實(shí)際里程大致相同。這意味著柴油和LPG具有相似的能量轉(zhuǎn)換效率，LPG實(shí)際里程主要是由于LPG熱值低于柴油。

（3）在底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試中，LPG jeepney的柴油當(dāng)量里程小于其對(duì)應(yīng)柴油jeepney的實(shí)際里程數(shù)。這是由于在高負(fù)荷系數(shù)下，LPG熱值低于柴油，導(dǎo)致LPG jeepney的能量轉(zhuǎn)換效率低于柴油jeepney。

（4）道路試驗(yàn)表明存在一種運(yùn)行狀態(tài)可使得LPG能量轉(zhuǎn)換效率高于柴油，找到這種運(yùn)行方式即可實(shí)現(xiàn)LPG jeepney的優(yōu)化。

（5）除了更綠色的排放外，政府財(cái)務(wù)激勵(lì)（例如燃料定價(jià)）中應(yīng)考慮實(shí)際里程，燃料能量含量和能量轉(zhuǎn)換效率，以促進(jìn)在公共交通用車(chē)中更好的使用LPG。

3 G10和B10燃料在輕型柴油車(chē)的應(yīng)用[6]

生物柴油和GTL（Gas To Liquid）燃料是柴油燃料的兩種典型代用燃料。低混合比（≤10%）生物柴油和GTL燃料可無(wú)需改變發(fā)動(dòng)機(jī)的配置直接用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。文章重點(diǎn)研究同一柴油車(chē)中使用的低混合比生物柴油和GTL燃料的差異，并得出最佳燃料選擇。

如圖4所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)配備有高壓共軌系統(tǒng)，冷卻EGR系統(tǒng)和DOC，在NEDC模式下的底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行了輕型柴油車(chē)的氣體和顆粒排放研究，實(shí)驗(yàn)燃油分別為B10（10%生物柴油+90%柴油，v/v）和G10（10%GTL燃料+90%柴油，v/v）。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[6]

結(jié)果表明，與柴油燃料相比：

（1）在NEDC循環(huán)期間，B10和G10均可分別減少51.2%和52.3%的CO排放。由于在低排氣溫度下DOC效率低，第一個(gè)城市駕駛循環(huán)（UDC-1）具有更高的CO排放。

（2）在整個(gè)NEDC循環(huán)期間，B10燃料的HC排放增加了10.5%，G10燃料則減少了46.9%；另外，使用B10將導(dǎo)致NOx的排放量增加14.2%，而G10則減少6.8%。

（3）三種燃料的二氧化碳排放量關(guān)系為B10＞柴油＞G10，低熱值差異明顯。其中，B10和G10都可以減少成核模式粒子數(shù)排放和比粒子數(shù)排放，且G10具有較低的粒子數(shù)排放。

4 加氫處理植物油（HVO）在重型壓燃式點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[7]

近年來(lái)，加氫處理植物油（HVO）由于其優(yōu)于生物柴油的一些優(yōu)點(diǎn)而獲得了普及，例如更高的十六烷值，更低的沉積物形成，更好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性等。HVO與生物柴油不同，其生產(chǎn)過(guò)程中使用氫氣而不是甲醇作為催化劑，從植物油中除去氧氣。

文章采用改進(jìn)的6缸重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（改進(jìn)為單缸操作）研究HVO燃料的顆粒數(shù)量排放特性。在各種發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷（6，8，10，12和14 bar IMEP）下進(jìn)行不同燃料噴射壓力的調(diào)查。五個(gè)軌道壓力選自800至2 000 bar，步長(zhǎng)為300 bar。結(jié)果表明，軌道壓力的增加傾向于增加成核模式顆粒數(shù)濃度（量化增加），而發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加會(huì)導(dǎo)致更高的總顆粒數(shù)濃度。與礦物柴油相比，HVO的煙霧顆粒和氮氧化物（NOx）排放沒(méi)有明顯的差異，但成核模式中的部分發(fā)射顆粒會(huì)隨著燃料噴射壓力的增加而增加。

總的來(lái)說(shuō)，HVO在NOx、煙度和顆粒數(shù)排放方面表現(xiàn)類(lèi)似于礦物柴油，它是一種植物油衍生燃料，可以作為柴油的代用燃料，減少二氧化碳對(duì)環(huán)境的污染。

綜上所述，為緩解石油資源匱乏和需求之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，越來(lái)越多的代用燃料被測(cè)試并應(yīng)用，但是代用燃料并非完全優(yōu)于傳統(tǒng)燃料，要想實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，還需要更進(jìn)一步的研究與創(chuàng)新。