最近， 《电力进展》杂志报道了加拿大阿尔伯塔省汽车运输协会 (AMTA) 开展的关于在极寒温度下使用氢燃料的研究。
事实证明，当气温下降时，其他替代燃料也面临着类似的挑战。
密歇根理工大学理查德和伊丽莎白·海内斯能源系统教授杰弗里·D·纳伯以压燃式发动机中的化石柴油为参考点。
纳伯说：“柴油的挥发性相对较低。这意味着它在低温下很难汽化和混合。它含有一些石蜡，所以通常会在低温下开始结蜡。”
据可持续燃料制造商 Neste 北美可再生道路运输技术经理 Matt Leuck 称，柴油燃料在寒冷天气下的运行取决于燃料中所含分子的种类。
他说：“如果柴油分子链较长、较重，它们就会更快凝固；如果柴油分子链较短、较轻，它们就会保持液态更长时间。”
纳伯表示，添加剂可以让柴油在较低的温度下流动，以便在寒冷天气下运行，同时又不会过于易挥发，以便在夏季使用，此外还有其他促进点火的方法。
他说：“我们依靠压缩产生的热量以及其他一些机制来使气缸内的温度达到足以使燃料自燃的程度。”
HVO和生物柴油
在压燃式发动机中，化石柴油的一种替代品是可再生柴油，也称为加氢处理植物油（HVO）。勒克表示，虽然可再生柴油一旦生产出来就很难再解决低温问题，但可以在炼制过程中采取很多措施来改善其在寒冷天气下的运行性能。
在位于新泽西州北布伦瑞克的KW Rastall Oil卡车服务站，Neste MY可再生柴油正在使用。Neste近期宣布与北布伦瑞克镇建立合作关系，旨在帮助该镇所有柴油车辆和设备改用可再生柴油。（图片：KW Rastall Oil）“我们基本上可以指定我们想要生产这种等级的燃料，”勒克说。“我们可以指定我们想要生产的浊点为X、Y或Z，而且由于我们生产过程中采用的技术，我们随时都能达到这个目标。”
勒克补充说，浊点是指蜡晶体开始形成的点。
另一种化石柴油替代品是生物柴油，它也使用与可再生柴油类似的原料生产，但提炼工艺不同。然而，纳伯表示，在严寒条件下，生物柴油的性能与化石柴油并没有太大区别。
“生物柴油往往含有较长的碳氢化合物链，而且像柴油一样容易结蜡，因此在低温下容易出现问题，”纳伯说。
Leuck 表示，与可再生柴油不同，生物柴油的提炼过程以及原料类型限制了生产商使其适应严寒温度的能力。
“他们只能分解原料，但无法将更多的氢重新添加到燃料分子中，”勒克说道，他指的是可再生柴油加氢处理过程中产生的石蜡烃。他还补充说，生物柴油生产过程不允许分子异构化，而异构化正是可再生柴油精炼过程中决定其低温性能的关键步骤。
纳伯表示，石蜡化合物——长链、直链或异构石蜡化合物——具有较高的十六烷值。
“十六烷值是其自燃特性，”他说。“所以这很好。十六烷值越高，石蜡含量越高，自燃温度就越低。”
他补充道：“可再生柴油的生产方式不同，通常情况下——当然，这取决于生产工艺——它往往含有更多十六烷值较高的长链烃。它们的积碳能力也较弱。但这些燃料的蜡点通常较高。”
火花点燃选项
对于火花点火式发动机，也有其他替代燃料可供选择。其中一种常用的燃料是乙醇，纳伯表示，乙醇“挥发性低，因此也不适合低温启动”。
他补充说：“我们可以改用气态燃料。气态燃料的优点在于我不需要将其汽化。”
纳伯表示，液化天然气（LNG）和液化石油气（丙烷，或LPG）在正常条件下，即使在低温下也会汽化。
液化天然气（LNG）储罐。（图片：Adobe Stock）“天然气的一大挑战在于，它和空气一样，膨胀时会冷却，”纳伯说。“我必须从高压储罐中将其膨胀，因此冷却效应可能相当显著。”
他还补充说，热交换器可以确保进入气缸的燃料不会太冷。
纳伯表示，氢气在内燃机中的工作原理类似。
“我需要将液氢低温储存起来，或者也可以储存在压缩罐中，”他说。“液氢膨胀时冷却效果不如液氢好，它的热力学性质也不同。”
但是，与天然气和液化石油气一样，它不需要汽化。
“我只需要把它混合——与空气混合到合适的比例——然后用火花点燃，”纳伯说。
纳伯表示，低温下火花点火发动机面临的挑战是在火花点火时获得正确的燃料和空气的化学计量混合物。
尽管面临这些挑战，但发动机在极寒条件下运行的性能优于许多其他技术。
“想想发动机，与其他任何设备相比，它实际上可以在极其极端的温度下运行，”纳伯说。“电池在低温下会遇到挑战。燃料电池在低温和高温下都会出现问题。因此，总体而言，发动机对温度的适应性相当强。”
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