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内燃机的替代燃料
Choongsik Bae Jaeheun Kim
韩国理工大学机械工程系
摘要：本文介绍了汽车发动机应用的潜在替代燃料，包括火花点火(SI)和压缩点火(CI)发动机。它还包括在先进燃烧研究应用中替代燃料的应用。SI引擎的代表性替代燃料包括压缩天然气(CNG)、氢气(H2)液化石油气(LPG)、酒精燃料(甲醇和乙醇);而CI引擎则包括生物柴油、二甲基醚(DME)和喷气推进-8 (JP-8)。石脑油作为一种先进燃烧的替代燃料，在预混料压缩点火中得到了应用。本文对每一种替代燃料的生产、储存和供应链进行了简要的总结，然后讨论了这些替代燃料的主要研究目的，还介绍了这些替代燃料在发动机燃烧中的相对优缺点。发动机燃烧的内容主要包括雾化过程、空气燃料混合特性和最终燃烧产物形成过程中的燃烧过程，通过这些内容对每种替代燃料进行分析。除了介绍替代燃料的概述，以及每一种燃料的发动机燃烧特性概要，本文还描述目前的替代燃料分布状况和未来的前景。
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引言
- 背景
内燃机是将燃烧产生的热能转化为机械能的机器。本文的主要研究对象为往复式发动机，如汽油发动机和柴油发动机。由于其功率密度高、效率高，已被广泛应用于客运、商用车、发电等工业领域。燃烧过程是最重要的能量转换方式之一，可以将燃料化学能直接转换成热能。因此，可以说人类活动很大程度上被化石能源促进且依靠于化石燃料能源。
过去几十年的人口增长使得对化石燃料的需求极大增长。幸运的是，由于钻探技术的改善，以及大量的页岩气(天然气)储备的出现，对化石燃料枯竭的预测时间不断扩大。因此，尽管像核能、太阳能、风能等新能源有很大发展，燃烧技术将继续在能量转换领域发挥重要作用。
在过去的一个世纪里，汽油和柴油这两种燃料极大应用并且在内燃机和汽车行业有快速发展。汽油燃料的燃烧是经过火花塞后，均匀的空气燃料混合物在汽油机中点燃，而柴油的燃烧则是燃料在柴油机中被压缩在高温气体中自燃。尽管汽油和柴油作为传统汽车燃料在市场上有稳定的供应链以及确定的地位有很长的历史时期了，但直到20世纪80年代，对替代燃料的研究逐渐开始出现。
替代燃料定义及其重要性
替代燃料的定义取决于环境。当前学术研究定义替代燃料为与传统汽油和柴油燃料一样最终形式和制造来源方面具有多样性。例如：乙醇燃料被认为是汽油发动机的替代品，不管它的原始来源是传统的原油还是任何可再生的生物质。《能源政策法案》(EPAct)规定的替代燃料还包括大量的非常规燃料，包括酒精，如乙醇（包括与汽油混合超过85％）；天然气和国内天然气副产品液化燃料；液化石油气（LPG) ；煤合成液体燃料（CTL）；氢气（H2）；生物柴油（B100）；除酒精外，来源于生物物质的燃料；以及有产能安全和环境便利大量非化石燃料。
使用替代燃料的重要性可以归结为以下几个方面：
（1）通过延长使用可再生能源的替代燃料和减轻有限的化石燃料能源的担忧来追求能源的可持续性。
（2）与传统燃料相比，能提高发动机的效率和发动机的排放以及替代燃料优越的物理或化学特性。
（3）以及减轻传统石油矿物燃料的不平衡使用。
从各种能源资源中寻找稳定的能源供应和相应的转向可再生能源是必要的，因为目前大多数能源资源都依赖于矿物燃料，而这些燃料的可用性是有限的。尽管传统液体石油燃料仍将主导未来50年的运输燃料，但能源安全(能源可持续性)和减少温室气体(GHG)排放的担忧也导致了可再生生物燃料的使用量增加。化石燃料的使用是二氧化碳排放的主要来源，人类活动每年产生约250亿吨二氧化碳。使用可再生的生物燃料可以形成二氧化碳生命周期，从社会的角度来看，这将有助于减少二氧化碳排放总量。比如：全生命周期评估(LCA)进行比较传统燃料和生物燃料的温室气体影响表明,生物燃料来自植物油,以及玉米生产乙醇和麦当他们使用生物质作为主要能源来源,将削减温室气体排放上留有大约一半的传统燃料的基础。这一分析考虑到其生产、运输和储存所产生的温室气体排放，以及它们在车辆中使用的排放，从而减少了生物量在其生长阶段从大气中吸收的二氧化碳量。
到2012年，生物燃料占全球运输燃料总量的3%左右。图1显示，随着运输部门的能源需求在短期内持续增长，生物燃料与燃料总量的比例也有望增加，从长远的角度来看，这最终可能会导致净温室气体排放的大量减少。实施低碳运输燃料，如第二代生物燃料，除了提高车辆的效率外，预计将有助于降低未来温室气体排放到目前水平的最佳方案(称为“2DS方案”)。从技术角度来看，广泛使用可再生生物燃料或替代燃料也可以直接促进发动机性能和排放特性的改善。燃料效率与危险排放之间的平衡，如未燃烧的碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)一直是发动机研究领域的一个重要课题。由于燃料的燃烧是空气和燃料相互决定的，可替代燃料的独特性能在燃料燃烧过程中得到有利的、直接的应用。目前全球范围内都在研究可替代燃料的应用，揭示其广阔的应用潜力。
全球对交通运输领域的能源需求预计将持续增长，每年的增长量为1.2％至1.4％。与此同时，化学燃料对衍生品不平衡的需求可能将引起人们关注。到2040年，中等馏分油（如柴油）与汽油燃料的比例预计将从1.8增长到2.4左右。这种对柴油的更高需要可能导致能量分配不平衡。新颖的燃料概念，如汽油压缩点火(GCI)，最初提出用汽油实现压缩点火，使用低等级汽油的替代燃料，如石脑油，以改善其他先进燃烧概念的缺点，也被证明是可行的。换句话说，在炼油厂的这些低等级的副产品，通常被视为废物以及需要进一步加工，可以成为先进燃烧概念的替代燃料，并有助于减轻常规燃料的不平衡使用。其他主要的炼油副产品燃料包括轻组分蒸馏物，如丙烷和丁烷(这是液化石油气的主要成分)和甲烷(天然气)。在内燃机中扩大使用这些燃料能有助于缓解能源不平衡的问题。
替代燃料的考虑
对于CI和SI引擎的替代燃料的一些常见的关键考虑如下:
bull;燃烧特性（化学性质，如辛烷值和十六烷值）
bull;物理特性（燃烧雾化及混合形成，在较大温度范围内发动机的可操作性）
bull;低位热值
bull;兼容性（包括汽车和发动机制造商的支持及成本）
bull;制造成本及基础设施。
燃烧性能直接决定了给定的替代燃料是否适合发动机运行。物理性质也很重要，因为它们决定了可燃混合物的形成。辛烷值和十六烷值将在第2和第3节中详细讨论。低位热值决定了燃料作为一种能源载体的有效性。与传统燃料相比，低位热值的水平更佳，否则燃油消耗的数量可能会成为问题。
与现有的发动机硬件或燃料供应基础设施的材料兼容性对于将替代燃料打入市场非常重要。否则，需要花费大量的额外成本进行硬件修改。在讨论兼容性时，润滑差异是一个典型的例子。燃料的低润滑，如二甲基醚(DME)或喷射推进剂-8 (JP-8)，可能导致复杂的燃油喷射设备(5)的故障，例如柴油发动机的共轨直接喷射系统(CRDI)。因此，润滑改善剂和添加剂是必要的，以防止可能损坏的硬件。
制造成本是制造商和消费者的实际问题之一。在过去的几十年里，随着技术的进步，制造成本降低了；然而，与传统的汽油和柴油相比，替代燃料的价格仍然很高。区域市场的主要替代燃料的价格表明，在将其归一化到同等的能源含量基础上，它们的价格更贵。表1显示乙醇价格高达$37.22/百万英热单位(Btu)，而汽油价格为$28.95/百万Btu。生产燃料的成本在时间和区域上都有很大的不同，这取决于原料的当地市场价格和生产规模。
目前的生产、影响及未来的远景
图3总结了从化石来源及生物量中生产液体和一些气态燃料的所有可用途径。如今，大部分的运输燃料都来自于原油的精炼，尽管石油、页岩和页岩气等非传统原料的生产一直在增加。合成液体燃料具有类似于石油衍生产品的特性，可由任何碳氢化合物或煤原料的气化和费托合成(FT)过程产生。表2总结了各种燃料的重要特征，包括常规燃料和替代燃料。
许多熟悉的替代燃料，如乙醇(生物乙醇)和先进的生物柴油，在中等规模的生产中，它们与现有的内燃机车有适度的兼容性，并且实现了较低的温室气体排放。从传统方法(或第一代生物燃料)到先进方法(第二代生物燃料)的生产技术提高了生产效率，促进了不可食用生物原料的利用。食用资源的使用会导致食品价格的上涨，并在过去受到广泛的批评。表3总结了各国每年的乙醇生产情况。乙醇被认为是一种环保型燃料，因为传统的饲料原料，如糖蜜、甘蔗汁和玉米，可以作为CO2的汇聚点。特别是玉米和甘蔗是美国和巴西的主要原料，而巴西是世界上最大的乙醇生产国。美国也是生物柴油的主要生产国，在2012年日产原油940万桶。
表2显示压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)也比CNG获得的替代燃料(如DME和h2)与现有的分销基础设施具有更好地兼容。这些燃料对具有某些修改的车辆仍然具有吸引力。此外，由于页岩气储量的可获得性，最近，人们对CNG作为替代燃料的兴趣有所恢复。2015年的天然气储量与产量(R/P)比为54，原油约为52。图4显示，美国天然气总产量中页岩气的份额从2000年的1%增加到2012年的40%;预计2040年将增加到53%。页岩气在市场上产生了稳定的天然气价格，而由于页岩气生产，石油价格在过去几年中出现了波动。
一些研究人员在主要替代燃料的生命周期研究法的基础上进行了广泛的油井到燃料（WTW)的 co2排放和效率研究。尽管WTW对生物燃料的能源要求比传统的汽油和柴油要高，但它们的WTW温室气体排放量却比较低。例如，大豆甲基酯衍生生物柴油的GHG还原范围约为常规柴油的50%。然而，与其他生物燃料相比，生物乙醇的co2减少幅度更低。从谷物或种子生物燃料过渡到高产的木质纤维素能源作物衍生生物燃料被建议进一步减轻生物燃料的温室气体排放的影响。
研究目标
尽管其他替代燃料在与现有系统的兼容性方面似乎没有吸引力，但这并不意味着它们是不适用的。人们也注意到其他替代燃料，包括h2，其他酒精燃料，DME和JP-8。此外，还研究了不适用于传统SI发动机的炼油工艺的衍生产品，也为具有新型燃烧概念的发动机应用进行了研究。在表2中没有提到的其他替代燃料包括氨(NH 3)和各种醚用于SI发动机，如甲基叔丁基醚(MTBE)、叔丁基醚(ETBE)和叔戊基甲基醚；二乙醚(DEE)和各种酯类，如大豆甲基酯(SME)、油菜籽甲酯(RME)和氢化大豆乙基酯(HySEE)用于CI发动机。每个燃料必须单独评估，因为它在内燃机使用时具有的独特属性。
本文简要介绍了替代燃料的背景、目前的生产方法和基础设施，如供应链等。从喷雾和燃烧特性的角度分析了各替代燃料在内燃机的应用潜力和可行性。关注这两个方面是很重要的，因为燃料的燃烧与空气燃料的相互作用密切相关。从发动机效率和排放形成两个方面分析了各替代燃料的优缺点。替代燃料的清单如下:SI发动机的燃料是CNG，醇类燃料如甲醇和乙醇，LPG和h2;而用于CI引擎的燃料是生物柴油、DME和喷气推进剂8 (JP-8)。石脑油被列入先进的燃烧领域。
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用于汽油发动机的替代燃料
- 汽油发动机的燃料要求
在传统的SI发动机中，空气-燃料混合物被引入气缸，压缩到上止点(TDC)附近，准备被点燃。燃烧是由火花塞上的放电启动的。SI发动机燃烧现象的显著特征是混合空气燃料混合物的火焰传播。自动点火可能发生在SI引擎，称为“敲缸”；然而，这是一种不良的异常燃烧现象。爆震可以是多点自燃，在最终气体区域的整个预混空气燃料混合物中，伴随极快的热释放和对发动机的损坏(末端气体是气缸内未燃烧的气体，在传播火焰之前，准备燃烧)。爆震可能是由燃料性能和发动机设计参数引起的。对SI发动机的燃料有几个要求，包括防止撞击。以下是一些汽油燃料的要求，以及用于SI应用的替代燃料。
bull;辛烷值
bull;贫油可燃极限和燃烧稳定性
bull;层流燃烧速度
bull;低位热值（空气-燃料混合）
bull;挥发性，沸腾曲线，蒸汽压
辛烷值决定了给定燃料的抗爆性，它是决定给定替代燃料是否适用于SI燃烧的决定性因素。异辛烷是一种非常具有抗冲击性能的物质，它的辛烷值为100，而正庚烷是易感的，被赋值为0。一种未知燃料的辛烷值是由燃料研究(CFR)发动机决定的，其辛烷值等于对应于异辛烷/正庚烷混合物中异辛烷比例的数值，这表明了相同的爆震特性。辛烷值可以通过研究辛烷值(RON)或马达辛烷值（MON）来显示。根据测量方法。普通汽油在特定市场上有91和82.5的RON和MON值。汽油发动机的爆震或自动点火的发生可以通过livengood- wu积分方程进行量化。这种不好的爆震现象的决定性因素可以归结为燃料的自动点火延迟时间，即点火延迟本身也是由环境温度和燃料反应性决定的。汽油辛烷值的增加阻碍了压缩比的增加，从而限制了当前发动机的效率。可替代燃料的辛烷值在未来的汽油发动机发展中可能起主导作用。
为了减轻SI发动机在部分负荷工况下的泵送损失，研究了贫燃燃烧的概念。然而，由于在精益生产过程中，后处理系统(三路催化剂(TWC))的转换效率不高，尾管没有NOx排放被指出是主要缺点之一。减少NOx排放的典型解决方案是使用废气再循环(EGR)来代替过量的O2。由于空气燃料混合物的精密度是由燃料本身的可燃性决定的，使用更大的易燃性窗口的替代燃料可以有助于提高EGR的耐受性，从而进一步减少NOx的排放。
虽然混合物的燃烧持续时间受混合气湍流强度的控制，但层流燃烧
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