1.2.2　几种代用燃料的特点

1.2.2.1　气体燃料

（1）天然气

天然气（Natural Gas，NG）是理想的汽油替代燃料之一，天然气可以用压缩天然气燃料（Compress Natural Gas，CNG）、液化天然气燃料（Liquefied Natural Gas，LNG）和吸附天然气（Adsorbed Natural Gas，ANG）等方式在发动机中加以利用。天然气的主要成分为甲烷，随产地不同，甲烷的含量为83%～99%；由于组成变化，理论空燃比、热值也不同。此外，由于天然气的密度低于汽油，使吸入发动机的新鲜空气量减少，发动机的输出功率下降，仅为汽油机的90%左右。天然气具有以下优势：蕴藏量比石油大，可开采的年限比石油长，分布面积比石油广，而且发动机应用天然气的燃烧完善度、定容度和热效率都优于石油燃料。但是天然气作为车用燃料需要建设加气站网络，加气站的建设需要大量投资。目前，以压缩天然气作为汽油替代燃料的清洁环保型公交车已在大中城市广泛应用。

（2）液化石油气

液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，LPG）燃料是一种性能优良的汽油替代燃料。液化石油气分为油田液化气和炼油厂液化气两种。油田液化气来自油田，不含烯烃，可直接用作车用燃料；炼油厂液化气主要是催化裂化过程和延迟焦化炼油过程的产物，含有大量丁烯、丙烯以及少量乙烷及异丁烯，因烯烃类为不饱和烃，燃烧后结胶严重，对发动机的火花塞、气门、活塞环等零件损坏较大，不适宜直接作为车用燃料，还需要再加工，一般要使烯烃含量低于6%才能用作车用燃料^［15］。液化石油气的主要成分有丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等。液化石油气的能量密度比天然气的大，蒸气压力较低，易于储存运输。液化石油气的运行成本和排放都优于汽油。

（3）氢气

氢气发动机燃烧不产生CO、HC、CO₂和PM等有害排放物，因此氢气被认为是最清洁的燃料。氢气的低热值为120.17MJ/kg，是柴油的2.8倍，氢气的点火能量低，火焰传播速度快，能够优化发动机燃烧过程，提高发动机燃烧效率^［16］。而且，氢气的来源和储量非常丰富。但是氢气作为发动机燃料也存在明显的缺点，比如沸点低，储存成本高，易爆炸，易早燃，因此在汽车上还较少直接应用^［10］。

1.2.2.2　液体燃料

（1）醇类燃料

醇类燃料是很好的汽车替代能源之一，它不仅可以用作汽车代用燃料，而且可以用作汽车替代能源——燃料电池的原料。与汽油相比，醇类燃料的特点是：

①热值低、含氧量大、理论空燃比小，所以二者的混合气热值相当，保证发动机的动力性能不降低^［17］。

②醇的汽化潜热是汽油的3倍左右，燃料蒸发汽化可以促使进气温度进一步降低，增加充气量，但是冷启动困难，需要预热。

③醇的辛烷值高，抗爆性能好，对提高压缩比有利。

④醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大。

⑤甲醇对视神经有损伤作用，有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。另外，甲醇对金属有一定的腐蚀作用，应采用防腐蚀措施。

⑥醇类的十六烷值很低，着火性差，着火延迟期长，在压燃式内燃机中使用醇类很困难。

⑦醇类燃料的着火上下限都比石油燃料宽，能在稀混合气区工作，有利于降低油耗；燃烧完全，燃烧产物中基本没有碳烟，NO_x的排放浓度也很低，是一种低污染性燃料^［15］。

①甲醇　甲醇可以从煤、木材（包括木材碎料、木屑）、天然气、石油伴生气、植物秸秆，甚至城市可燃垃圾等物质中提炼或合成。我国是世界产煤第一大国，煤田分布很广，南北林区也相当广阔，利用煤或木材边料、树枝、木柴、木屑等，用工业化方法生产甲醇是可行的，可以因地制宜进行，从而降低生产成本。凡是可以用低成本方法同时得到H₂和C或CO的地方，都可以用合成法获得甲醇。甲醇也可以从可再生物质中制取，属于可再生能源。甲醇与汽油、柴油同属于液态燃料，使用、储存和运输方便。

②乙醇　乙醇可以通过淀粉、含糖物质发酵生产或者由生物质经过水解、酶解及发酵过程可以获得，是可再生的绿色能源之一。它的原料来源丰富，包括甘蔗、玉米、薯类等农作物及木质纤维素等，生产工艺成熟。乙醇燃料是目前在世界上进行大面积商业推广的车用生物质燃料之一，它的使用方式主要有汽油的含氧添加剂（乙醇添加量为5%～22%）、灵活燃料汽车（乙醇与汽油的混合比在0～85%之间变化）和乙醇燃料汽车（使用纯乙醇的内燃机）3种，另外，乙醇燃料电池和乙醇-柴油混合燃料还处于试验阶段。

我国在推进国家能源发展战略的大框架下，燃料乙醇已经成为替代石油的成熟模式。目前我国推广应用的燃料乙醇属无水乙醇（水分含量不大于0.8%）。含水乙醇（水分含量约5%）因为减少了无水乙醇生产过程中装备复杂且能耗大的脱水环节，将具有很好的发展前景。采用“含水乙醇汽油”技术，对燃料乙醇工厂的硬件投入和产品成本将大幅下降^［18］。

含水乙醇具有可再生和低能耗的特点，是一种以生物材料为原料，通过发酵等途径得到的可燃液体^［19］。作为一种清洁的并且可以再生的友好燃料，使用掺加乙醇的汽油能够大大降低汽车排气中的一氧化碳和PM2.5等有害物质。

（2）二甲醚（DME）

二甲醚（dimethylether，DME）是一种可再生的能源，它不仅可从石油及天然气中直接提取合成，也能从煤、植物、生活垃圾中提取合成。凡是可以用低成本方法同时得到CO和H₂的地方，都可以直接或间接获得二甲醚。二甲醚十六烷值大于55，高于柴油，理论热值约为柴油的64%，有望作为柴油替代品。二甲醚燃烧时各种有害气体排放量大大低于柴油，可使柴油机的排放达到完全无烟的水平^［20］。二甲醚在燃烧中不产生碳烟，且NO_x和CO排放亦很低。但是，二甲醚作为气体燃料，需要对原有的发动机供油系统做较大调整，且运输配送困难。除了民用和汽车燃料外，二甲醚还在集中和分布式发电、化工和燃料电池领域有很好的应用前景。

（3）生物柴油

生物柴油即脂肪酸甲酯，主要以植物油（大豆油、菜籽油等）、动物油脂、废食用油以及油料作物为原料，在甲醇或乙醇的催化剂作用下，将温度加热到 230～250℃下进行酯化反应制成。它燃烧完全、无毒、可生物降解，是环境友好的可再生能源之一^［21］。一般而言，生物柴油可以和柴油以任意比互溶。因此，可以在柴油机不做任何改变的情况下，直接应用于柴油发动机。生物柴油的热值一般低于柴油，会造成发动机动力性有一定下降；同时，生物柴油的十六烷值高于柴油，导致着火延迟期变短，燃烧等容度下降，热效率降低^［22］。由于生物柴油不含芳香烃，且为含氧燃料，因此，生物柴油对碳烟的减排效果相当明显。由于生物柴油具有对环境友好、不容易意外失火、储运和使用方便等诸多优点，因此也是值得我们大力开发和利用的一种替代能源。

（4）乳化柴油

乳化柴油是水与柴油通过乳化剂、助乳化剂在一定乳化设备经乳化而形成的油包水（W/O）型乳液。乳化柴油具有乳化过程简单、乳化油燃烧效率高、燃烧过程污染物排放少等诸多优点。乳化柴油的应用研究已成为燃料节能减排研究领域中的热点。到目前为止，在不对发动机做任何改进的情况下，乳化柴油是能够同时降低NO_x、PM和HC排放的燃料^［23］。乳化柴油不仅可以节约石油燃料，而且可以大大减少环境污染，是一种很有发展前途的替代燃料。