汽车节能与排放控制_汽车能源与排放控制
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甲醇汽车的发展现状与前景
摘要：随着汽车工业的发展，也加剧了石油资源的短缺、生态环境的日益恶化等社会问题，尤其是汽车的有害排放物对人类生存环境所造成的危害日益严重。清洁燃料汽车是汽车工业发展的客观选择，其中甲醇燃料汽车就是一种极具发展潜力的清洁燃料汽车。
关键词：汽车；甲醇；燃料
Abstract：The development of automobile industry brings about many social problems like aggravating the shortage of oil resources, the deterioration of ecological environment, especially the damage to our living environments caused by automobile emiions.The development of clean-fuel vehicles is an objective choice of automobile industry，including methanol with extremely splendid potential.The article analyses and discues the source, specific property of methanol and related technical iues of methanol internal-combustion engines.Key words：Automobile;Methanol;Fuel
汽车已经成为人类社会必不可少的、便捷的交通工具和一个国家或地区现代化程度的重要标志。随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。我国汽车工业近年来迅速发展，并保持稳定上升的态势，成为国民经济发展的重要组成部分。
1.发展甲醇汽车的必要性
当今汽车用燃料主要是石油系燃料，石油资源属不可再生资源。由于我国的石油储藏量和开采量有限，石油需求将越来越多地依赖进口。汽车拥有量的增加，引发了强劲的石油需求，进而对能源供给提出了严峻的挑战。从科学发展观出发，走煤基甲醇体系能源化工的发展路线是当代我国化学工业发展的方向。
城市空气污染的主要污染源就是以汽油和柴油为燃料的汽车排放的废气,而甲醇汽车的碳氢化合物和氮氧化合物的非放量较普通汽车低得多,降低排废对大气的污染,这是汽车制造部门长期以来努力追求的目标之一。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]。美、欧、日等发达国家已先后制订了严格的汽车排放法规，汽车生产商也先后投入巨额资金对汽车废气污染进行控制和改进，目前已取得了相当的成就，值得我们借鉴[2]。以此技术路线为基础，醇醚清洁燃料是补充和替代石油的最佳代用燃料，提出了经济、环境和社会可持续发展。三十多年的实践证明醇醚汽车，特别是甲醇清洁燃料汽车在国内外的发展己被证实是当代汽车技术发展的新方向之一。
2.甲醇的性质及优势
2.1 甲醇的特点
甲醇是一种质轻、无色、略有臭味、低污染的燃料，与水能无限互溶[3]。由于甲醇只有一个C原子，没有C-C键，且含有50％的氧，是一种燃烧后排气污染较少的含氧燃料，热值较低。与汽油及柴油相比，甲醇着火温度高，具有较高的辛烷值及抗爆性。纯甲醇燃烧时不易看到火焰，具有较宽广的着火极限。但甲醇在供油系统中可能产生不溶于醇的燃油氧化物沉淀，使过滤器及化油器量孔堵塞，对燃油系统中的一些零部件有腐蚀作用。另外，甲醇具有一定的毒性，对人体有害。
甲醇作为汽车燃料具有以下优缺点：
优点：
（1）甲醇的率烷值高为109，比汽油的率烷值（91~98）高，所以可使压缩比提高而不致生爆震，从而获得较高的功率输出,热效率也可得到改善。
（2）因甲醇的燃烧速度快，可以烯薄燃烧，对提高热效率和改善排废性能是有利的。
（3）甲醇中不含有硫磺，所以不会产生亚硫酸气体。
（4）甲醇是含氧燃料，因含碳量少，燃烧时几乎不产生黑烟，这作为改善排废性能和发动机内部防止积垢的对策是有效的。
（5）甲醇的着火点比汽油、柴油高，一旦发生水灾，用水就可灭火，对提高安全性有利的。
缺点：
（1）甲醇每单位容积的发热量比汽油、柴油约低一半。
（2）甲醇汽化潜热低，所以低温起动困难。
（3）.甲醇对燃料系统的材料有腐蚀作用。
（4）甲醇易使润滑油稀释，润滑油早期变质。
（5）十六烷值低，不适用压缩点火方式[4]。
2.2 甲醇的优势
甲醇主要在以下几方面影响内燃机性能：
（1）化学成份及燃烧产物。由于醇类燃料中含有氧，所以化学当量比要比汽油和柴油低，且由于含氧及C/H值比较大，所以完全燃烧时产生较多的水及较少的CO2。由于排气中含水量高，所以冬天在甲醇汽车的尾气排放中会有明显的白色蒸气出现。在甲醇内燃机启动、暖机期间及缸内温度不高时，容易在气缸壁上形成冷凝物，促使酸性物质的生成及磨损的增加。
（2）沸点及凝固点。相对于汽油来说，醇类燃料低的沸点有助于燃料——空气混合气的形成。然而由于其中缺少高挥发性的组分，故对启动不利。
由于甲醇的凝固点温度较低，所以无需担心在环境温度较低时化油器出现结冰现象。
（3）热值。甲醇的热值是汽油的47％，而在理论空燃比下，单位重量的甲醇燃料——空气混合气的热值与石油燃料混合气的热值基本一样。
（4）汽化潜热。由于甲醇分子间有强的氢键，汽化潜热大，混合气的温降也较大。甲醇高的汽化潜热所产生的冷却效应妨碍了在运行温度下的完全汽化，使甲醇雾化、汽化困难，难以形成均匀、雾化良好的混合气。压缩终了时，缸内温度降低，使着火的延迟期变长，同时还会影响启动性能。虽然温降不小，但还不至于达到凝点温度。不过也有好的一面，甲醇较高的汽化潜热可以降低压缩负功，提高充气效率。
（5）辛烷值。由于甲醇燃料具有较高的辛烷值，因此甲醇内燃机可采用较高的压缩比，提高内燃机的热效率，并且甲醇燃料也是提高汽油辛烷值的优良添加剂。
（6）着火极限。甲醇的着火上下极限都比石油燃料宽，因而能在稀混合气区工作，有利于排气净化及降低油耗，同时也有利于空燃比的控制。
（7）火焰传播速度。甲醇燃料的火焰传播速度比汽油快，如均匀混合的汽油火焰传播速度为OX米/秒，而甲醇为52米/秒，这对于甲醇燃料的使用是十分有利的[5]。甲醇汽车的研究现状
3.1国内研究现状
我国对甲醇燃料的研究起步于20世纪70年代初期。“六五”期间由国家科委组织、交通部负责将M15(甲醇占15％)甲醇掺烧汽油研究列入国家重点攻关项目，在山西组织有480辆汽车、并建有4个加油站的营运规模。“七五”期间，由国家科委组织，中科院负责将492发动机改烧甲醇(M85以上)技术列入攻关项目。“八五”期间，进行中、德M100科技合作项目，有8辆桑塔纳轿车在北京行驶，并建有1个加油站。同期，国家继续将低比例M3、M5甲醇燃料应用列入攻关计划。在四川、重庆等地有数百辆汽车投入运营试验。
多年来，有关部门和科研院所进行了相应甲醇燃料汽车的开发研究。1996年由国家科委和福特汽车公司组织中科院、清华大学、化工部、山西省等单位参加并完成“中国山西和
其它富煤地区，把煤转化汽车燃料及其应用的经济、环境和能源利用的生命周期评估”的课题研究。在此基础上由国家科委推荐，原国家经贸委于1997年对国家甲醇燃料汽车试验示范项目立项，由山西佳新能源化工实业有限公司承担实施，组建50辆甲醇轻型客车队进行商业化试验示范。另外，山西省自行研制成功的“华顿甲醇汽油”，在太原经23辆汽车试验运行5个月效果良好，并组织了凯迪拉克、凌志400、本田雅阁、富康、捷达、桑塔纳、金杯、解放140、微型车等十几种车型共23辆汽车参加试用，3个月销售使用20 t，无一例不良反应。它不仅每吨售价比国标号汽油低200元至800元，而且二氧化碳等尾气排放平均降低了30％以上。此次检测认定，其各项指标均达到或超过同标号国标无铅汽油，环保与节能功效突山，取得较为理想的效果。
实验证明，甲醇作为燃料应用于汽车已完全突破技术关，特别是以15％的比例将甲醇掺入汽油中燃烧，无任何技术和环保问题，也不用改造发动机，加注燃料也不受地域限制。2002年山西省在太原、阳泉、临汾、晋城等4个城市进行了甲醇汽油产业化示范推广。到2005年3月底，中石化山西分公司所属各试点城市石油公司，已新建和改建了100座加油站销售甲醇汽柴油。山西佳新公司生产的M85-M100甲醇燃料公交车和城际公交车。先后在阳泉、太原至晋中等地投入运营；大同云岗汽车集团公司全甲醇燃料装置，在省内外改装在用车的数量已达1000辆，年燃用甲醇1万多t。全省累计使用甲醇汽油的机动车达到了近50万辆次，涉及近50种车型，共消耗甲醇汽油12192 t，使用变性甲醇1836 t。
经过多年的研究开发，我国在甲醇燃料汽车的开发方面已具有了一定基础，作为在汽油中掺入5％、15％、25％和85％的甲醇及纯甲醇(100％)汽车燃料的试验研究，也进行了大量的实质性工作。特别是低比例掺烧甲醇，汽车无需做任何改动，直接掺入汽油中使用[6]。
美国是推广应用甲醇燃料最力的国家,政府确立以能源部为中心,环保署、运输部等机构密切配合,并与国际能源机构广泛合作,对甲醇燃料的推广应用发挥积极的指导作用。为促进甲醇汽车的生产销售和使用,政府出台了相关的政策法规,并制定了奖励办法,规定每购买一辆甲醇汽车政府补助400美元, 并无偿提供M85甲醇燃料。为确保海滨地区的空气质量,加里福尼亚州有着最严格的汽车排放法规,也是最鼓励使用代用燃料车辆的地区。加州能源委员会从1978年开始倡导和组织了甲醇汽车的试验研究,1980年开始燃用甲醇燃料的试验,1983年组织了500多辆甲醇汽车进行了车队试验。BOA公司将300辆改造的甲醇汽车进行了营运试验。MOT将多种M100甲醇发动机装在公交汽车上进行了营运试验,其中有公司的火花塞助燃式甲醇发动机,奔驰公司的预混合火花点火式甲醇发动机,通用公司的2行程压燃式甲醇发动机等。此外,能源部计划将甲醇汽车作为联邦政府用车,并已有多辆作为政府用车的甲醇汽车在加里福尼亚和伊利诺斯两州的寒冷地区投人使用。截至2005年,已有127000辆甲醇汽车在加州投人营运,其中4000多辆公交车上装置了DDC公司生产的6V92压燃式甲醇发动机。
福特公司和通用公司于20世纪80年代中期相继开发了灵活燃料车辆技术,并面向车队和大众销售。FFV是用一个燃油箱向发动机供给汽油、甲醇或者二者不同组分的混合燃料,由专用的甲醇浓度传感器检测燃料中的甲醇浓度,并将检测结果反馈给电控单元,计算机根据燃料充分调整燃料供给量和点火正时等参数。
3.2 国外研究现状
美国是推广应用甲醇燃料最力的国家,政府确立以能源部为中心,环保署、运输部等机构密切配合,并与国际能源机构广泛合作,对甲醇燃料的推广应用发挥积极的指导作用。为促进甲醇汽车的生产销售和使用,政府出台了相关的政策法规,并制定了奖励办法,规定每购买一辆甲醇汽车政府补助400美元, 并无偿提供M85甲醇燃料。为确保海滨地区的空气质量,加利福尼亚州有着最严格的汽车排放法规,也是鼓励使用代用燃料车辆的地区。加州能源委员会从1978年开始倡导和组织了甲醇汽车的试验研究,1980年开始燃用甲醇燃料的试验,1983年组织了500多辆甲醇汽车进行了车队试验[7]。BOA公司将300辆改造的甲醇汽车进行了营运试验。MOT将多种M100甲醇发动机装在公交汽车上进行了营运试验,其中有公司的火
花塞助燃式甲醇发动机,奔驰公司的预混合火花点火式甲醇发动机,通用公司的2行程压燃式甲醇发动机等。此外,能源部计划将甲醇汽车作为联邦政府用车,并已有多辆作为政府用车的甲醇汽车在加里福尼亚和伊利诺斯两州的寒冷地区投人使用。截至2005年,已有127000辆甲醇汽车在加州投人营运,其中4000多辆公交车上装置了DDC公司生产的6V92压燃式甲醇发动机。
福特公司和通用公司于20世纪80年代中期相继开发了灵活燃料车辆技术,并面向车队和大众销售。FFV是用一个燃油箱向发动机供给汽油、甲醇或者二者不同组分的混合燃料,由专用的甲醇浓度传感器检测燃料中的甲醇浓度,并将检测结果反馈给电控单元,计算机根据燃料充分调整燃料供给量和点火正时等参数。甲醇汽车存在的问题及发展前景
国内甲醇燃料已在夏利桑塔纳轿车上进行应用试验。山西云岗汽车集团有限责任公司研制开发了全甲醇(M100)汽车燃烧装置已通过鉴定。从1996年—2000年7月开发6600轻客电喷甲醇汽车；目前B在越野车捷选轿车6600轻客微型车上安装使用，效果良好。
然而，尽管甲醇作为汽车燃料的技术条件已经成熟，但是由于甲醇在生产、储运过程中产生的可溶性酸、胶质氧化物、水分等对汽车零部件有不利的影响，还需要对汽车部分零部件进行必要的改进。由于甲醇能量密度较低，燃油箱容积需适当放大，需对燃油箱的材料进行耐腐蚀、渗透试验；油泵喷油器需采用甲醇专用的，而且还因为甲醇当中的胶质，喷油嘴在冬天易发生堵塞现象；燃油管（包括软管和金属管）需要改进。甲醇中的酸性物质会对金属产生腐蚀，所以要改变金属管镀层工艺，等等。
在安全性方面，甲醇与汽油一样，均具有中等毒性。如果人直接饮用一定量甲醇是要严重中毒的，呼吸道吸入等接触，达到一定浓度和时间也会产生一定的中毒反应。但是正常使用不会产生对人健康的危害，更不会产生公害。只有在有意识的危害行为、无知误饮（如假酒)等情况下，才有可能发生甲醇对人的中毒事件。甲醇作为燃料应用就和在工业生产过程大量作为原料或溶剂、在实验室作为试剂等一样，其安全问题是容易控制和防范的。
关于甲醇燃料的动力性问题，国内外的研究表明，在提高压缩比后M85（M100)甲醇发动机的动力性优于汽油发动机[8]。使用M15汽油，动力性也没有明显下降，主要是由于辛烷值提高，燃烧状改善，抵消了热值低的弱点。使用甲醇燃料所产生的气阻、醇油互溶性等其他问题，都有相应的技术加以解决，都不会影响其推广应用。
甲醇是传统的化工产品,其原料煤、天然气和可再生的植物纤维素等资源丰富。甲醇燃料来源丰富,燃烧性能优良,完全或部分取代石油作为内燃机燃料,不但能缓解石油供应紧张的矛盾,还能显著降低有害物质的排放,具有较强的经济效益和社会效益。以煤制甲醇的生产效益来看,每生产1t甲醇耗煤1.5～1.8t,产煤区的煤价在100元/t左右,工业甲醇成本800元/t左右,而市场甲醇价格2300元/t,这是巨大的利润空间。再以甲醇燃料的使用看,理论上1.8t甲醇相应于1t汽油,而实际中甲醇汽油辛烷值高、爆发力强,实际消耗1.4t相当于1t汽油,按目前汽油价格7317元/t,甲醇2300元/t, 每消耗1t甲醇可比汽油降低成本2926元。中国经济的快速发展,也为甲醇汽油提供了巨大的市场需求。专家预测,到2020年中国的石油产量在1.7～2.0亿t, 供需缺口3.3～3.6亿t,按3t石油生产1t汽油计算,汽、柴油缺口1.2亿t,相当于2.09 ～2.28亿t甲醇, 而且还不包括甲醇作为四大基本原料的消耗[9]。2020年甲醇的市场销量可能在3亿t左右,尽快出台甲醇发展产业政策,促进甲醇工业发展,形成国家支柱产业是当务之急。随着科技的发展和进步,特别是世界范围内的石油涨价和石油资源日见枯萎,甲醇作为燃料的经济性更加凸显出来,同时甲醇燃料的大力推广和应用还具有良好的环保特性,可减少汽车尾气污染物HC、CO60%以上的排放。
目前, 绝大部分汽车燃用的是汽油或柴油, 而世界已探明的石油资源迄今已开采消耗掉了50%, 随着用油量的日益增加, 地球石油资源枯竭的日子将为期不远汽车作为现代科学技术的产物, 为人类文明作出了不可磨灭的贡献, 但其所造成的环境污染也给人类生存带来了
灾难性的影响。在环境保护和能源多元化的双重战略需求下, 发展代用燃料已是势在必行。在众多的代用燃料中, 甲醇的先天条件和后期发展都占据了优势。
因而，尽管甲醇燃料汽车的发展存在着诸多问题，但其以用前景是非常光明的[10]。参考文献
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[2] 姚春德,程传辉.柴油/甲醇组合燃烧发动机排放及后处理技术的研究.2005.12
[3] 孙维生.甲醇性质与解毒,中国化工报,2004,8
[4] 包健民.甲醇汽车的前景,能源研究与信息,2004,2
[5] 周齐,李宝成,王勇.甲醇汽车的应用,城市公共交通,2003,5
[6] 李俊红.甲醇汽车替代燃料的宠儿,世界汽车,2005,7
[7] Suppes GJ, Chen Z, Chan P N.Review of cetane improver technology and alternative fuel
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[10] 徐家龙.甲醇汽车的现状与未来,世界汽车,1996,5
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