未来的燃料

未来的燃料诸如e85和生物柴油之类的替代燃料现在是主流的,并预计是使用的未来燃料。您可以在任何弯曲燃料的车辆中燃烧汽油和E85的任何混合物。至于生物柴油,在各种柴油应用中使用从B05(5%生物柴油)到B100(100%生物柴油)的共混物。那么今天正在考虑哪些其他未来的燃料?

前跑步者现在是天然气和丙烷。凭借压裂,天然气丰富,且相对便宜。天然气长期以来一直被一些舰队用作替代燃料(如公用事业公司,废物搬运工,公共汽车和市政车辆),但现在出现在更广泛的市场上。2013年,天然气提供了不到1%的车辆人口的电力。美国能源部表示,该国上有大约112,000个天然气动力车辆。

燃烧天然气的大多数车辆必须用汽油或柴油专门转换为燃烧气体燃料。通用电机,福特和克莱斯勒所有提供了具有双重燃料功能的“双燃料”拾取卡车,因此它们可以燃烧天然气或柴油。目前有天然气选项的唯一乘用车是本田思域,但随着越来越多的汽车制造商正在寻找在美国市场提供汽车和卡车的天然气版本,可能会很快变化。其中一些将是直天然气,而其他人将是双燃料汽油/天然气或柴油/天然气。在最近的东京车展,马自达揭开了天然气动力的Mazda3概念车。这辆车有一个双重燃料系统,据报道,在天然气上运行时,据报道有20%的里程。SkyActiv 2.0L发动机具有14:1的压缩比,因此它与天然气合作。

替代燃料好处

为什么天然气?它比汽油或柴油燃料更便宜,更清洁,并且在柴油发动机比柴油燃料中燃烧更清洁。天然气生产比柴油的碳排放量约20至25%,含有含硫。天然气目前出售汽油等价为每加仑1.95美元的价格,使其成为汽车燃料的三分之一昂贵。在欧洲,亚洲甚至南美洲,天然气汽车相对普遍(根据DOE的全球超过1480万辆)。许多人认为天然气是我们未来的能源计划中的主要成分,并且比使用由玉米或生物柴油制成的乙醇等食物的可再生燃料更好的选择。

一个适用于可能很快看到自然气体作为替代燃料的申请是大型8级覆盖18轮重型卡车。事实上,根据母鹿的说法,如果所有7级和8级卡车被转化为CNG或LNG,它会将我们国家对油的食欲减少14%。

天然气长期以来一直被用作静止发动机和越野发动机的替代燃料,但最近柴油发动机制造商一直在开发出于公路使用的原发动机的天然气版本。

康明斯最近推出了两个新的火花点火柴油发动机(8.9L ISL-G和11.9L ISX12G),可以在天然气或柴油上运行。在燃烧柴油时,发动机可以满足发射标准,没有柴油颗粒过滤器或尿素后处理。康明斯还拥有15升Westport ISX15G柴油发动机,其在95%天然气和5%柴油的混合物上运行。沃尔沃还在推出高压直喷天然气/柴油选择。

燃烧天然气时燃料里程的差异与柴油相比根据燃油系统的类型和对发动机的修改,可以从减少5%到20%到增加5%到20%。当发动机为天然气进行优化时,它可以提供与柴油或汽油几乎相同的燃油里程。

天然气具有非常高的辛烷值(130个研究辛烷值或ron)和低十六烷等级(小于10),但燃烧的速度较慢,温度低于汽油或柴油。增加发动机的压缩比以利用其高辛烷值评级提高了热效率,而仔细注入和点火正时(使用火花时)优化燃烧。

燃烧天然气的经济学取决于应用,以及发动机是工厂选项还是售后市场转换。在乘用车或皮卡上安装双燃料系统可以花费数千美元,并且在8级卡车上,天然气燃料系统可以增加数万美元到卡车的成本!即便如此,许多人表示天然气和柴油价格之间的成本节约在里程加起来时提供相对较短的回报。

气态燃料比较天然气和液化天然气

天然气实际上是气体的混合物,通常是约91至95%甲烷(CH 4),其中痕量的其他烃如丙烷,乙烷和丁烷在混合物中。

从历史上看,它一直是油井钻井的副产品,但今天它是通过液压开裂(“压裂”)气体轴承岩层深度低于地面的燃气岩层来恢复。

天然气可作为汽油或柴油动力车辆中的替代电机燃料,作为压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。甲烷在室温下是低压气体。由于已经蒸发,它通过喷嘴或双馈喷射器注入发动机时与空气良好混合。然而,对于储存在燃料箱中的天然气,必须首先被压缩或冷却并液化以增加其密度。当压缩时,它通常存储在3,000至3,600psi的加强燃料箱内。液化时,将其冷却至减去260度F(-162℃)并保持在绝缘低温罐中。

CNG通常用于车辆在一天内行驶不到200英里并返回到加油的中心位置的应用中。集中加油适用于在CNG或LNG上运行的当地送货车队,公共汽车,驾驶室和市政车辆,但专用的天然气车辆通常缺乏更常规燃料的范围 - 而公共CNG / LNG加油站可能很难在很多地区找到。对于较长的范围驾驶,LNG是更好的选择,因为当冷却并冷凝成液体时,它是更密集的。这允许将更大量的燃料存储在车辆上以进行扩展的驱动范围。

全国各地的公共CNG和LNG加油设施可用,但它们仍然只占所有零售燃料网点的1%。在天然气可能成为主流替代燃料之前,必须增加更多更多。这将需要对加油基础设施进行重大投资。根据全国方便店的协会,将CNG或LNG功能添加到新的或现有的灌装站的成本约为50万美元。

在私人汽车中使用CNG作为发动机燃料的优点之一是,如果家里有火炉、火炉和热水器的天然气管道,汽车可以在家庭车库中加油。一个家庭车库高压CNG加油泵的价格约为4000美元,是雪佛兰volt混合动力汽车或日产Leaf电动汽车的240伏家用充电站价格的近两到三倍。

汽油桶

CNG和LNG燃料箱的庞大且昂贵,但在大多数车辆中的传统燃料箱比传统的燃料箱更重。由于尺寸限制,燃料储存能力和范围与传统燃料不如传统燃料 - 如果车辆只有在CNG上运行的单个燃料系统,则可以产生范围焦虑。卡车有更多的货物空间,通常可以容纳更大的燃料箱,在CNG或LNG上提供更多范围。另一种选择是具有双燃料系统,其允许发动机在天然气或传统燃料上运行,这取决于可用。

加油比填充汽油或柴油的车辆需要更长的时间,并且需要特殊的软管连接,配件和分配设备(高压压缩机或低温储罐)。安全可能是高压CNG或超冷LNG的关注,但如果有泄漏甲烷比空气轻,并且快速上升和分散。它还具有比汽油或柴油更高的点火点,使其少于传统电机燃料的火灾危险。

赛车燃料CNG作为赛车燃料

通过CNG长期以来一直用于普通的日常驾驶和动力静止发动机,它也发现了赛车爱好者中的一个小但不断增长的利基。回到1970年,一个CNG燃料火箭车称为蓝色火焰设定了630英里/小时的土地速度记录。蓝色火焰产生了估计的58,000马力,是第一辆车每小时超过1000公里的车辆。

帕特里克赛车为美国莱姆人系列开发了天然气动力赛车。原型挑战天然气赛车的目的是提高天然气性能潜力的认识。E85对绿色燃料的兴趣在于,E85乙醇酒精在圆形轨道和拖曳赛中寻找甲醇醇的含量较低的替代品。The U.S. Dept. of Energy, Environmental Protection Agency and Society of Automotive Engineers (SAE) have developed “Green Racing” guidelines to help foster development of alternative fuels that can be used in future production vehicles, to enhance energy independence and to reduce carbon emissions from motor vehicles. The Prototype Challenge cars are powered by a 6.2L Chevy LS3 engine that tuned to deliver 450 horsepower on natural gas.

在芝加哥最近的肌肉汽车和克罗尔特国民车展车展上,有一个复古庞蒂亚克GTO,已被转换为CNG。汽车在引擎盖下具有雪佛兰LS发动机,具有隐藏在后座后侧的躯干中的高压CNG燃料箱。CNG燃料填充剂拟合隐藏在背部保险杠的牌照后面。

丙烷

另一个将在运输中发挥越来越大的作用的另一个气态燃料是丙烷(也称为液化石油气的LPG)。根据国家丙烷天然气协会,我们有丙烷从我们的耳朵出来。美国于2010年成为丙烷的净出口国,2011年丙烷产量最早超过了消费者需求。

丙烷是天然气井和炼油的副产品,并且丰富的供应意味着它比汽油便宜,但不像天然气那么便宜。丙烷目前售价约为2.40美元至每加仑2.50美元,可在全国几千个网点上获得。它在从叉子升降机到拾取卡车的所有东西都使用,并且有许多公司可以在现有汽车,卡车和其他类型的车辆上进行丙烷转化(转换通常需要约4,000美元至6,500美元,具体取决于申请)。目前,美国拥有大约160,000件丙烷动力车辆,全球约1300多万辆。

丙烷的化学式是C3H8,所以它的含碳量比汽油少。使它更清洁燃料比汽油更环保,但它也含有更少的热量比汽油每加仑汽油(91000热量丙烷和115400),但在一磅每磅基丙烷含有更多的热量比汽油(19750 18970的热量与热量汽油)。正因为如此,大多数发动机与丙烷或汽油的功率差不多,除非发动机经过优化,采用更高的压缩比,以利用丙烷更高的辛烷值(112 RON)。当使用更高的压缩比时,丙烷会产生更多的能量。

像天然气一样,丙烷在室温下是蒸气。但与天然气不同,如果冷却至减去44摄氏度,或压缩并在密封罐内的压力下压缩并保持液化。在80度F的液态中只需要大约128psi,以便在80度F处保持丙烷,这比CNG燃料系统所需的压力要小得多。因此,丙烷燃料箱的工作压力范围为175至250psi。

丙烷以各种级别提供各种目的。用于电机燃料的版本是HD5,其含有90%的丙烷,加上少量丁烷,甲烷和丙烯。丙烷燃烧类似于汽油,需要略微稀释的空气/燃料比为15.7至1(与汽油而与14.7至1相比)。丙烷易于空气混合,但可以缓慢在亚零温度下蒸发。因此,可能需要罐加热器在寒冷天气期间将燃料蒸汽输送到发动机。

丙烷可用于汽油或柴油发动机上的单个燃料或双燃料系统中。发动机燃烧丙烷通常比汽油或柴油发动机更清洁,因此阀门保持清洁器,油持续更长时间。电机油特殊添加剂通常建议使用丙烷的包装。

天然气赛车

另一种可以在内燃机中燃烧的气体燃料是氢气(H2)。它是地球上最轻、最丰富的元素,但它必须由其他物质制成,如甲烷、甲醇、煤,甚至水(通过电解)。因为它必须从其他东西中提取,生产成本使氢变得昂贵(大约每加仑汽油4美元)。

氢是所有替代燃料的最干净,当它燃烧时只生产水蒸气。它不含碳,因此有零一氧化碳(CO),二氧化碳(CO 2)或烃(HC)排放。然而,氮气(NOx)的氧化物仍然可以作为高燃烧温度的副产物制备。即便如此,EGR和催化转化器也可以在排气中清理任何NOx,只留下尾部出来的蒸汽。

因为氢气是室温下的气体,所以如果通过节流阀体喷嘴或单独的端口喷射器将空气送入进气歧管。这可能导致发动机功率损失高达20%。通过使用直接喷射器将氢直接输送到燃烧室中,通过增加发动机的压缩比以利用氢的高辛烷值(130 ROM),发动机功率实际上可以在汽油上增加高达15至20%。将涡轮增压器或增压器添加到Cram进入汽缸中,氢气可以促进真正的尖叫者!

与天然气和丙烷一样,氢必须高度压缩或液化并保持在高压或低温燃料箱中。氢气的典型储存压力可以高达10,000 psi!液化氢气,必须冷却至-423度F(-253摄氏度)!通过使用其他材料将氢气储存在室温和低压下,以吸收其像海绵。这些包括金属氢化物,甚至烧焦鸡羽或玉米棒子(没有笑话!)。

按体积,氢具有非常低的体积能密度,仅为天然气的大约三分之一。另一方面,重量为3倍的汽油能量密度。这就是火箭燃料通常是液体氢和液氧的原因。当你燃烧氢气时,你可以为降价爆炸。当用作内燃机中的电动机燃料时,氢气可以非常稀释(用于氢气的化学计量为34.3至1)。

汽车制造商多年来一直在试验氢内燃机。宝马已经制造了许多氢动力汽车,包括H2R概念车和双燃料豪华轿车氢7ke。后者配备的V12发动机可以使用汽油或氢气。宝马氢7ke大约17英里每加仑汽油,但只有大约5英里每加仑的氢。为什么会有这样的差异呢?这款发动机没有针对氢进行优化,也没有涡轮增压器或增压器来充分利用氢的较高辛烷值。配备了45加仑的低温油箱,使用氢燃料的汽车只能行驶大约100英里。

目前,人们对氢的兴趣主要集中在氢燃料电池汽车的开发上。当氢气被送入燃料电池时,燃料电池内的铂催化剂使氢气与氧气反应产生电力。它比用电池给电动汽车提供动力要好得多,而且它提供了很高的燃油经济性(比如每加仑60到70英里!)。但到目前为止,燃料电池非常昂贵,而且不稳定。燃料电池会产生大量的废热,必须用冷却风扇小心地管理这些废热。如果电池过热,就会损坏。

通用汽车(General Motors)、本田(Honda)和其他汽车制造商多年来一直在驾驶燃料电池测试车。最近,我驾驶了一辆氢燃料电池的雪佛兰Equinox,让我惊讶的是,它给人的感觉和混合动力或汽油动力汽车一模一样。丰田(Toyota)和现代(Hyundai)都宣布,它们将在明年开始销售可生产的氢燃料电池汽车,尽管目前为这些汽车提供燃料的基础设施还不多。

政府项目正在帮助基金的扩张替代燃料站在美国,当我们向前推进人口比例越来越大的车辆将使用某种类型的替代燃料(天然气、液化天然气、液化石油气、氢或生物燃料)或另一种能量源(电动或氢燃料电池)。目前,这个数字不会很大(只有几个百分点),所以对依赖内燃机为生的发动机制造商的影响很小。但即使这个数字在增长,它也将为未来替代燃料汽车的发动机和动力系统的维修创造新的市场。