火花點火引擎之替代燃料
預測在本世紀末原油之供應較需要將不足25％（見圖一），所以勢必需要替代燃料來開動火花點火引擎（所謂替代燃料係指不依賴開採原油所得之燃料）。
原油的供應受輸出國及輸入國之間政治影響，以及外匯之平衡、僱傭關係、天然資源之取得等問題限制。在巴西，甘蔗產量豐富，可使用酒精（乙醇）來代替汽油，並計劃於1985年生產1.2×1010公升。紐西蘭有豐富之天然氣，該國正在開發利用天然氣所製出之木精，再將之轉化為汽油；同時利用10％之木精（甲醇）與汽油混合之燃料，可以節省幾乎三千萬美元之外匯。但此種替代燃料之製造若無政府之遠見及有效之獎勵，將不可能在汽油短缺前採用。
除植物油外，大部分替代燃料由於其辛烷值較高而十六烷值較低，故較適用於火花點火引擎上而較不適用於壓縮點火引擎上。因此由於增加使用此等燃料，將連帶增加火花點火引擎之市場占有率。
傳統燃料：
理想的火花點火引擎燃料，在周圍溫度及壓力下應為液體；它應有較低的蒸汽壓力以避免汽鎖，但仍需有易揮發成分以便在冷天時起動；應有高的熱能密度（即每單位質量應有高的熱量）以及高的密度。其排氣污染程度應較立法所定或其他規定為低。它的辛烷值應適於高壓縮比，以節省燃料。汽油中最好含有辛烷值增高劑，可使其品質較任何替代燃料更接近上述之理想燃料。
其他石油提煉之燃料由於其辛烷值及十六烷值較適用於壓縮點火引擎上，但每桶原油所提煉出之此種燃料則偏低（以傳統煉油方法只有17％可提煉為柴油），是故不能如汽油及其替代燃料之廣被使用。若使燃料之蒸餾溫度範圍加大，則此種燃料既不適於火花點火引擎，也不適於壓縮點火引擎上，僅適於火花點火之層狀混合氣（stratified charge）引擎上。
雖然焦油砂及油母頁岩中藏有很大油源，但很難提煉。加熱提煉所凝結含有熱量之物，有50％係石油焦炭；另一種不揮發之燃料，又因含硫量甚高，尚且不宜用於煉鋼鐵之鼓風爐中。展望將來，除非在2000年石油短缺時，才會做為一種燃料來源，加以利用。
合成燃料：
這種燃料與傳統汽油相似，但非提自原油中。在1925年，已發現用一氧化碳及氫氣合成碳氫燃料。在二次世界大戰時德國總共已生產500,000噸。Fischer-Tropsch方法可利用甚多之原料，例如天然氣及煤炭等，只要能轉化為一氧化碳及氫氣，兩者比例為2：1之合成氣即可。若變化製造方法中之觸媒種類、溫度及壓力，則可生產不同之產品。
南非自1955年開始用SASOL法製造合成燃料，首先將煤轉化為氣體，再將氣體液化，所得碳氫化合物濃縮液體，再以傳統煉油方法將之煉為汽油以及其他產品。汽油／柴油之生產比例，若用不同煉油方法，其比例可自80/20至50/50。所產汽油與自原油所提煉汽油性質相當接近，不需修改車輛即可使用。但其能源生產效率只有40％，是故本製造方法只有在取得原油有困難時，才可採行。
另一方法則為將煤直接液化。英國正在研究用溶劑直接提煉方法，其總熱效率可達65～70％。所得燃料為高品質之芳香族汽油。因研究剛開始，所以只有極少量之產品。
紐西蘭正在建立中間試驗工廠，以木精為原料試製汽油。此為天然氣製造汽油之另一替代FischerTropsch的方法。
有些研究人員認為以煤炭及天然氣為原料所製之合成汽油，是最有發展性的火花點火引擎燃料。但是需要更進一步之研究，因為此種合成汽油成本比自原油中煉得之汽油，要高出好幾倍。
可做引擎替代燃料之酒精類主要是指木精（CH3OH）及酒精（C2H5OH），也有更高分子量之酒精類，但發現只有此兩種可以立即大量生產。紐西蘭、德國、美國考慮使用木精為唯一火花點火引擎之替代燃料，但巴西及其他國家則專注意以酒精為替代燃料。
酒精類可以分兩種用法。第一種為滲入汽油使用，好處在不需要或甚少修改今日之汽車。此種滲入使用，進氣混合比會變稀一點，對供給偏濃混合氣之化油器，則剛好節省燃料。但如化油器所供之混合氣不偏濃，則會影響駕駛性能（譯者案：如加速不良等）。如將化油器稍加調整以改善駕駛性能，則如改用純汽油時，會多耗用燃料。吾人亦可設計一種可以使兩種燃料均宜使用之化油器控制。
第二種方法是燃用純酒精類。這需要修改引擎及燃油系統。如要設計及生產一部汽車，能使用純酒精或汽油，雖非不可能，但將有困難。此設計困難僅是在不增高引擎之壓縮比時方產生。
特性：
附表中列出酒精類與研究法辛烷值（research octane number）九十一號汽油特性比較之數據。酒精類辛烷值很高，但其辛烷值很難定出一個數值，這或許因為燃燒時高壓之脈動與爆震不易分辨，或混合氣混合不勻或試驗之操作狀況不盡相同之故。若不採信其最低辛烷值數據，則可約略認為其研究法號數較汽油高20號，而其馬達法號數（motor octane number）則較高10號。
高出之號數則可允許提高壓縮比二至四左右，但其預燃傾向則比汽油差。預燃與爆震不同，預燃係受汽缸內熱面之影響，預燃率係用cumene〔又名isopropybenzene, C6H5CH(CH3)2〕與異辛烷（isooctane）兩種燃料來測量。cumene極易預燃而異辛烷則極不易預燃。在實用上可用較冷火花塞（coolerrunning spark plugs）以緩和預燃問題，但會減低實際可增加之壓縮比，因此有預燃問題。引擎壓縮比之提高，不能純以其辛烷值高低單一因素而定。
一般來說酒精特性較木精為佳，因其有較高的熱值及較低的潛熱值。但兩者置於空氣中，均有吸收水分之問題。
來源：
木精來自分解蒸餾木材（譯者案：也是俗名木精之來源）。但是任何物質，只要能分解成氫氣（H2）和一氧化碳氣（CO）或者二氧化碳氣（CO2）均可使用。天然氣為主要原料；但煤炭因係由生物變成之物質（即生質，biomass），也是很有價值之原料。酒精可由任何物質只要能發酵轉化為糖，即可製造。但是，現時還沒有經濟的方法將纖維轉化為葡萄糖，所以原料限於含糖或澱粉的農作物。釀成的酒再蒸餾使所產酒精仍含約4％的水。仍需將所含的水除去，以便和汽油混合使用。
在巴西使用酒精為燃料的結果有一副作用，即減少了汽油的使用，而使煉油廠所煉出的汽油及柴油不能按產量比例消耗。因為煉油結果汽油對柴油約有一定比例，而柴油僅有17％，如汽油剛好夠用，則柴油不足；故巴西尚需找一種柴油的替代燃料。
美國所銷之汽醇（gasohol，係滲10％自玉米所製之酒精）是由於對玉米製品減免稅捐的關係，如沒有這種鼓勵，是不可能產銷的，一般來說從氣化及再合成所製之木精比醱酵所製之酒精便宜很多。
全負荷動力輸出：
酒精類較低的熱值使理論空氣／燃料混合比降低（見表），即一定量體積之空氣需要較多的燃料。再加上他們具有較高的潛熱，會使得所進混合氣之冷卻效果比汽油更大。因為全負荷時進氣溫度降低的結果，使容積效率增加，且產生更大的扭力及馬力。長久以來木精即用於賽車引擎上，因可冷卻進氣並產生較大扭力。但賽車是用很濃之混合氣，只計較扭力而不計較燃料消耗量，所以用於其他車輛是不切實際的。
木精及酒精用於小型燃燒室（compact combustion chamber）之引擎上，係很好的燃料。有個研究結果指出，在引擎各種轉速下，用酒精為燃料比用汽油、木精或丙烷，均產生較高之扭力。若以木精為燃料，在某一燃料比值（equivalence ratio）下較汽油可得較高之平均有效壓力。但若燃料比值濃於0.8～0.9，以木精為燃料即開始產生爆震現象，此為木精的缺點，只能得到與汽油相同或稍低的平均有效壓力。這可能由於受高熱之排氣門所引致之預燃〔在尾氣（end gas）被壓縮生熱及前進焰鋒傳熱之後〕，預燃後第二個焰鋒遂在汽缸中心產生爆震。
部分負荷：
部分負荷時影響較少，但車輛行駛性能將變為不佳。要清除此種現象，通常將進氣利用排氣或引擎冷卻水充分加熱。這是因為燃料至少要有若干比例汽化後，才能有平穩的燃燒，引擎才能轉動平穩，即必須有可燃之混合氣在火花塞間隙處，才能點燃。以酒精類為燃料的好處之一，在可燃較稀的混合氣，故熱效率較佳。以酒精為燃料在部分負荷時，其制動熱效率與汽油、木精或丙烷一樣或更好；並且排氣中所含之有害氣體氧化氮（NOx）及碳氫化合物均較其他燃料為低。木精之制動熱效率在部分負荷時，較汽油高出22～24％，其點火時間可以稍遲，排氣溫度普遍地較汽油為低，此代表燃燒速度較快。
冷車起動：
當冷車時，因進氣沒有加熱來源（如利用排氣加熱或利用引擎冷卻水加熱），所進燃料遭遇之汽化問題嚴重；除非加些易揮發添加物如丙烷、丁烷、異戊烷等，這些添加料同時可改善部分負荷時之性能，此外利用高效率蒸發器也可幫助改善。
燃料經濟：
酒精類燃料之經濟性，如以重量為比較基準，則2.2倍重量之木精及1.6倍重量之酒精才能與汽油得到同樣動力；若按容積來比較，則2倍體積之酒精始能與汽油同效。由於以上數字比例，化油器或燃油噴射系統之出燃料量必須重新調整，以噴出額外的容量──調整後即不再適於使用汽油。另一點為油箱要大一倍才能與汽油行駛同樣里程。木精每單位容積之售價也必須為汽油之半，始能維持每里耗用同樣的燃料費。
由於酒精類有較高之辛烷值，故可提高引擎壓縮比以提高其熱效率。以熱力計，酒精類是很好的火花點火引擎燃料，其制動熱效率高出汽油5％。但其價格必須為汽油之半，始能廣被採用。
排氣污染：
酒精類進氣時有較大的冷卻能力（因為潛熱較高等），故在排氣中所含氧化氮（NOx）較汽油為低。又由於可用較稀混合氣，也有同樣效果（即減低氧化氮之排出）。若使用較高引擎壓縮比後，則增加一些氧化氮之排出，但其量仍只有汽油之半；雖能減半，但減少排氣污染之設置仍屬需要，以符合法定數值。
碳氫化合物之排出量亦減少，一部分是因為木精之混合氣較稀，一方面因為未燃之木精排出時仍為木精。部分因試驗目的之不同，對碳氫化合物影響研究之結果亦異。
在一定空氣燃料比值下，一氧化碳在排氣中之含量可說不變，但用稀混合氣時一氧化碳總量則減少。
排氣中有害物顯著不同者為，酒精類燃料中沒有四乙基鉛（因酒精類加四乙基鉛並不提高其辛烷值，故酒精類燃料沒有加四乙基鉛者），故沒有鉛之排出；同時也沒有硫或硫化物之排出。用濃混合氣，也不會如汽油一樣有黑煙排出。如用木精，也大量減少聚核芳香族物質之排出；如用木精與汽油混合為燃料時，也有改善。
木精有一主要的排氣缺點，即排出醛類，使排氣有特殊之惡味。其中甲醛是主要部分，排出後會變為煙霧並刺激眼睛。排氣用觸媒處理可減低四至五倍醛類之排出，同時也可減少未燃之木精達90％。
耐久性：
如用汽油／酒精混合燃料，對引擎之耐用性，幾乎沒有影響。如用純木精，則發生積著物、生銹及磨耗問題。巴西長期使用純酒精之結果發現銹蝕問題，特別對油箱及化油器為最（譯者按：最易損壞者為銅製品，如汽缸床為銅皮包者等）
含水問題：
雖然木精及酒精與水可在任何比例下混合，但少量水分在汽油／酒精混合液中，即會有析出現象。在很多應用時，此種現象則造成嚴重問題。在20℃時，汽油中滲10％木精，若有0.1水分，則有析出現象。同樣溫度比例下參合酒精，只允許約有0.5％水分存在，否則便有析出現象。
很多研究者之結論認為汽油／酒精混合燃料，必須不含水分，但一些實用研究結果發現，汽油／酒精混合燃料自空氣中吸收水分並不需特別注意。含水問題有時被誇大，因含水量不會超過百萬分之九百，甚少造成問題，只需注意防止析出即可。酒精中含有水分，雖然減低含熱量，但可減低燃燒溫度，更能防止爆震。
銹蝕問題：
酒精類有銹蝕性，會與鉛、鎂、鋁和一些塑膠類以及人造橡膠起作用；有些報告指出對銅及黃銅有銹蝕作用。在傳統車輛上，酒精類對油箱（因係鉛／錫防銹鐵皮製成），汽油幫浦隔膜、化油器及燃料錶之浮筒、化油器及汽油幫浦澆鑄體，以及一些密封圈及墊圈有銹蝕作用。若用汽油／酒精混合燃料，則銹蝕較不嚴重；一個研究指出使用未加修改的汽油車輛，燃用15％木精汽油混合燃料，經過數年之久，並未發生問題。因為傳統車輛上，酒精類能銹蝕許多材料之保護層，故正在研究，使用純酒精類燃料，究應改用那些材料，才無銹蝕問題。（譯者案：汽油為一種溶劑，酒精也為一種溶劑，汽油不能溶者，酒精或許可溶，如汽油幫浦隔膜，反之亦是。）
潤滑油之適合性：
有人研究比較使用15％木精／汽油之混合燃料與純汽油為燃料之引擎，發現對潤滑油而言，並未造成任何重大影響，也未發現潤滑油中之添加劑會受影響。若用純酒精類為燃料，則會敗壞潤滑油中之整體添加劑，而在引擎組件上黏有積存物。目前正在研究改進之整體添加劑，以適合使用純酒精類燃料。
蒸汽壓力：
酒精類有較低的蒸汽壓力，這個優點可以減少汽鎖趨向。但是混合燃料之蒸汽壓力並不照簡單的混合比例計算，而是高出兩種燃料之任何一種。僅2％木精混入汽油，他的雷氏蒸汽壓力（Reid vapor pressure）每平方吋高出三磅之多。蒸汽壓力高是今日汽油引擎嚴重問題之一。自混合燃料之汽油中將丁烷除去，以使蒸汽壓力保持與純汽油一樣，是一個解決辦法，但需要另闢丁烷之銷售市場。
毒性：
木精毒性很強，攝取2～4英兩，即可致命；即使攝取半量，如不立即看醫生，也可致命。木精的蒸汽有毒，曝露在5％蒸汽中一至二小時，可致昏迷甚至死亡，也會使眼睛變瞎，所以使用木精，必須嚴格管理。
爆炸：
飽和的木精／空氣混合蒸汽，在正常大氣溫度下，可以引爆，汽油則不會，因為混合的蒸汽常是過濃。使用木精時，需特別注意油箱及其通氣部分以及裝用防爆馬達及幫浦。
有很多種氣體可為火花點火引擎之燃料，這些氣體包括甲烷、液化天然氣、壓縮之天然氣、氫氣、發生爐煤氣及液化石油氣（液化石油氣可設為非替代燃料，因其係由開採油礦而得來）。
一﹑甲烷為主之氣體燃料：
天然氣以甲烷為主，係由開採天然氣田所得。沼氣的主成分亦為甲烷，係由動物排出之廢物及腐爛植物分解所得之氣體。以甲烷為燃料時，對火花點火引擎來說，他的辛烷值很高（研究法及馬達法辛烷值近於120），冷天容易起動，排氣中有害氣體少，這些都是優點。缺點為它是氣體，在引擎進氣中占了很大體積（不同於汽油，有些為霧點，尚未汽化），致容積效率減低，輸出馬力也減少。所減少成數與氣體純淨程度有關。一個引擎試驗結果，以燃柴油為基數，燃汽油時馬力增高10％，燃天然氣減少5％，燃沼氣減少35％，沼氣含甲烷之成數變化很大，可從25％至69％（得自開採井典型之天然氣則含82％）。沼氣中含有硫磺，故汽門及汽門座之規格，要另行選擇，以抵抗腐蝕；又因對銅的軸承有害，故也需時常更換機油。
氣體燃料如用於汽車上，必須加以液化或壓縮，以便在合理之體積內有足夠的熱能。因為要壓縮至200個大氣壓，於是盛器鋼瓶之體積及重量的不利條件，必須由使用成本之經濟方面來抵消。在義大利波河谷（Po Valley）一帶有二十五萬部車輛，燃用壓縮天然氣，在美國也有使用。
天然氣不能如石油一樣，做長距離輸送。如遠涉重洋，則必須液化，用特別設計之油輪運輸。因運輸需特別小心以及運費高昂，故占美國進口燃料之小部分。在陸地上或短距離運送，埋設管路，則較低廉。
二﹑氫氣：
可以從天然氣、煤炭或電解水得到氫氣。氫氣之火焰傳布速度甚高且具有易燃性，故可用極稀混合氣。引擎即使在30％全負荷量時，也無需變動節流閥，排氣中沒有碳氫化物或一氧化碳。因用稀混合氣，燃燒溫度降低，故氧化氮（NOx）也相對減少。不論已液化或未液化，氫氣替代燃料的高熱量之優點，卻被其需特殊儲存設備之缺點所抵消。
因為氫氣與空氣混合，易於引爆，儲存及運送困難，故氫氣不宜採用為引擎之替代燃料。以氫化物形式或液化為可能儲存之方式。以排氣熱量可將鐵鈦氫化物形式或液化為可能儲存之方式。以排氣熱量可將鐵鈦氫化物中之氫氣釋出。由於可攜帶之量，使行車里程約縮短一半，所需添加燃料時間較長（約需十分鐘），又此替代燃料本身成本高及所需設備重，致得不償失。
在大氣壓力下氫氣液化溫度為-253℃，故如液化使用，則需甚好的絕熱設備。即使用壓力罐，也不可避免多少會揮發一些氫氣出來。氫的火焰速度之快，可能逆火至進氣管中；但若直接將氫氣送入汽缸內，進氣管中則可保持多點空氣，以防止逆火。
三﹑發生爐煤氣：
發生爐煤氣主要成分為一氧化碳、氮氣（如用空氣吹入爐中）、二氧化碳及氫氣（如用水或水蒸汽加入爐中，以增加煤氣熱量及防止炭原料熔合結滓），是炭原料（木炭、煤、焦炭）氣化或在爐中不完全燃燒所得之氣體。一層厚的炭床將二氧化碳氣還原為一氧化碳（CO2+C→2CO），將水與碳結合變為氫氣及一氧化碳氣（H2O+C→H2+CO）。若不用空氣而用純氧氣，則可得更高熱量之煤氣，但小的發生爐煤氣廠，使用此法則不切實際。加些水或水蒸汽，可增加所得煤氣之熱量，但爐溫會降低，所以加水或水蒸汽量必須控制。所得煤氣必須過濾後，才可送入引擎燃用。若所用炭原料中有煤
，則必須清除後才能燃用，以免造成煤凝結。（譯者按：若原料中有硫磺，也不利。）
在1940年代曾有七十萬輛汽車（多半在歐洲）燃用發生爐煤氣，但後來因取得汽油較易，已不復使用。發生爐煤氣較適宜用於固定引擎上，發生爐也可在車後拖帶，但一些清潔養護工作是必需的。
發生爐煤氣之優劣點與天然氣相似。他的燃燒速度較慢，馬力降低，但辛烷值較高。一旦爐火引燃，煤氣發生後，冷車很易起動。但爐子需另配有一輔助吹風機，將爐火引燃，而非靠引擎進氣吸力來供氣；否則引擎需用另外一種燃料來起動。
四﹑液化石油氣：
液化石油氣若是從油氣田中得來（非從原油田中得來），始可列為代用燃料。它主要含有丙烷及丁烷，有時也含有propylene（C3H6），有此種成分，則會降低辛烷值。液化石油氣辛烷值通常很好，冷車起動性能亦佳，排氣中有害氣體減少，引擎保養工作也較少。但須裝於加壓鋼瓶內（約兩個大氣壓）使用，存儲及分裝較汽油困難。在荷蘭約有三十萬輛車燃用液化石油氣，差不多占該國車輛總行駛里程之15％。
若要設計一種新引擎，能燃用多種燃料。有個辦法是設計引擎的型式像柴油引擎，但用火花塞點火，以燃用十六烷值較低的燃料。於是燃柴油時，不令火花塞跳火，則變為柴油引擎；燃用十六烷值較低燃料時，則為層狀進氣火花點火引擎。
圖二中的引擎均為自然進氣（即非增壓進氣）及沒有排氣處理或利用。典型柴油引擎及典型汽油引擎分別為六缸及四缸，多種燃料引擎為單缸，但其所得數據均按四缸應分攤摩擦馬力予以調整。由圖二中可以看出多種燃料引擎燃用DF-2柴油，所得結果甚為滿意。其燃料消耗量沒有柴油引擎那麼低，是因為所用壓縮比較低及每汽缸掃氣量較小之故。
多種燃料引擎用木精在高負荷時，所得結果是滿意的，但其耗油率及排氣中碳氫化合物有害氣體在輕負荷時，尚需改進，這或許由於其燃燒率較低之故。
（本文譯自"Alternative fuels for spark ignition engines", Automotive Engineering, Dec.1983 and" Another look at alternative fuels", Automotive Engineering, Jan.1984.）
賈席璋現在美國經商
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