汽車(chē)燃料及發(fā)展趨勢(shì)分析

吳煥芹 鐘詩(shī)清

摘 要：隨著汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)，人類(lèi)將面臨更加嚴(yán)峻的石油資源的危機(jī)和挑戰(zhàn)。尋找適合本國(guó)國(guó)情的代用燃料已成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。該文首先介紹了汽油和柴油等傳統(tǒng)燃料的特點(diǎn)，接著對(duì)比分析了天然氣、氫能、醇類(lèi)燃料、生物柴油等幾種主要的車(chē)用替代燃料的制作方法、使用范圍、特點(diǎn)，展望了車(chē)用燃料未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)出我國(guó)可以走技術(shù)多樣化、能源多元化的道路，最終探索出一條具有中國(guó)特色的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 傳統(tǒng)燃料 代用燃料 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（a）-0047-02

能源是汽車(chē)的血液，是車(chē)輛的動(dòng)力源。自1886年世界上第一輛汽車(chē)誕生至今，汽油和柴油作為主要能源在汽車(chē)上得到普遍應(yīng)用。這種以石油制品為燃料的汽車(chē)在安全、方便、舒適、價(jià)廉等方面取得了重大的進(jìn)展，得到人們的認(rèn)可。進(jìn)入21世紀(jì)，汽車(chē)保有量驟增，汽油和柴油消耗大幅上升，伴隨石油儲(chǔ)量的下降和人們節(jié)能、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各種替代能源如雨后春筍般涌現(xiàn)。孰優(yōu)孰劣，誰(shuí)會(huì)在21世紀(jì)成為汽車(chē)主流能源，有待進(jìn)一步的分析。

1 傳統(tǒng)燃料

現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)水平條件下，人們已經(jīng)廣泛使用，且技術(shù)上比較成熟的能源，就叫傳統(tǒng)能源。車(chē)用傳統(tǒng)能源主要是汽油和柴油。

1.1 汽油

汽油是石油制品，由石油分餾或重質(zhì)餾分裂化制得。汽油組分可通過(guò)原油蒸餾、熱裂化、加氫裂化、催化重整、催化裂化等過(guò)程產(chǎn)生。但從原油蒸餾裝置生產(chǎn)的直餾汽油，不能直接用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，應(yīng)調(diào)配、精制，以制得清潔車(chē)用汽油。

汽油為透明液體，無(wú)色至淡黃色，易流動(dòng)；沸點(diǎn)范圍為30℃～205℃，熱值約為44000 kJ/kg，在空氣中易燃、易爆；具有較高的辛烷值和優(yōu)良的抗爆性，可適當(dāng)增大壓縮比，是發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高，降低燃料的消耗量；蒸發(fā)性和燃燒性良好，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，完全燃燒，積炭少；安定性較好，早期氧化變質(zhì)不容易在貯運(yùn)和使用過(guò)程中發(fā)生，不會(huì)腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)部件及儲(chǔ)油容器。

1.2 柴油

和汽油一樣，柴油也是石油制品。蒸餾石油的過(guò)程中，餾分有200～350 ℃之間的溫度時(shí)就叫柴油[1]。柴油有輕柴油和重柴油兩種，高速柴油機(jī)通常用輕柴油，而中、低速柴油機(jī)適合用重柴油。汽車(chē)柴油機(jī)均為高速柴油機(jī)，所以要用輕柴油。

為使高速柴油機(jī)高效、正常地運(yùn)作，輕柴油的使用性能應(yīng)有較好的低溫流動(dòng)性、發(fā)火性、化學(xué)安定性、防腐性、適當(dāng)?shù)恼扯群驼舭l(fā)性等。

2 代用燃料

代用能源是指能夠代替汽油和柴油，給汽車(chē)提供動(dòng)力的能源。市面上的代用能源主要有天然氣、醇類(lèi)、電能、生物質(zhì)能等。這些能源的利用有利于緩解地球石油危機(jī)。

2.1 天然氣

天然氣主要存在于油田和天然氣田，也有少量出于煤層，有較為豐富的來(lái)源。世界探明的天燃?xì)鈨?chǔ)量與石油差不多，根據(jù)近年來(lái)的勘察情況，全世界的天然氣可開(kāi)采約60年，石油則可開(kāi)采40年左右。但在我國(guó)，天然氣可達(dá)上百年的開(kāi)采時(shí)間，而石油僅有短短20年[2]。

天然氣是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體；汽車(chē)使用天然氣為a燃料時(shí)，燃燒完全，產(chǎn)生二氧化碳少，燃燒產(chǎn)物幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，造成溫室效應(yīng)的可能性低，對(duì)大氣污染小，是一種綠色環(huán)保的能源；天然氣無(wú)毒、易散發(fā)，比重輕于空氣，不宜積聚成爆炸性氣體，在汽車(chē)正常溫度和壓力下使用時(shí)，較之汽油更不容易爆炸，是一種安全可靠的能源；天然氣較之汽油辛烷值高，抗爆性更好；使用天然氣時(shí)，機(jī)油不用經(jīng)常注入且火花塞也不用經(jīng)常更換，相較于柴油和汽油，節(jié)約的維修費(fèi)用在50%以上；因資源比較豐富，天然氣價(jià)格相對(duì)便宜，且使用天然氣可以節(jié)約汽車(chē)成本。

目前，全世界已有30多個(gè)國(guó)家擁有150萬(wàn)輛天然氣汽車(chē)（NGV），多是針對(duì)天然氣燃料性質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)，新西蘭、阿根廷、印度尼西亞、巴西、美國(guó)、日本和意大利等是主要分布的國(guó)家。國(guó)內(nèi)也已具有汽油機(jī)改裝成汽油、天然氣兩種燃料并用，柴油機(jī)改裝成純天然氣汽車(chē)或柴油引燃，天然氣、柴油復(fù)合燃料汽車(chē)的機(jī)械式改裝技術(shù)。

天然氣汽車(chē)在國(guó)內(nèi)外有較快發(fā)展，日趨成熟的改裝技術(shù)，使天然氣汽車(chē)有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益也很明顯，不過(guò)天然氣汽車(chē)也存在著一些問(wèn)題。如天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性較低；零件腐蝕和磨損較快；天然氣密度低，貯存不太方便等。

2.2 氫能

氫是宇宙的重要組成成分，氫能資源豐富，而且還是一種潔凈的可再生能源。氫氣可以通過(guò)煤、天然氣等化石能源與水反應(yīng)來(lái)制?。豢梢岳蒙矬w中的氫元素通過(guò)裂解或者氣化的方法來(lái)提??；可以利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿入娊馑迫?；也可以通過(guò)回收各種化工過(guò)程副產(chǎn)品氫氣，如氯堿工業(yè)、冶金工業(yè)等，儲(chǔ)存起來(lái)，用作汽車(chē)燃料。

氫能在汽車(chē)上使用時(shí)，燃燒產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源，而且燃燒反應(yīng)生成的水可再用來(lái)制備氫，可以循環(huán)使用；氫氣發(fā)熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；氫能燃燒性好，與汽油和柴油相比，氫容易點(diǎn)燃且點(diǎn)燃快，含氫量在3%-97%范圍內(nèi)均可燃。

現(xiàn)階段氫能在汽車(chē)上的使用方式主要有三種：

（1）氫氣在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的直接燃燒，即氫氣內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)[3]。這種汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)不大；氫能成本低，一公斤氫氣的生產(chǎn)成本不到12元，比使用汽油便宜很多；氫氣內(nèi)燃機(jī)蓄勢(shì)里程長(zhǎng)，充氫時(shí)間短，最高時(shí)速可達(dá)155 km，一次充氫氣僅用3 min，續(xù)駛里程達(dá)830 km，超過(guò)一般汽油汽車(chē)。

（2）氫燃料電池電動(dòng)車(chē)。這種車(chē)有很高的驅(qū)動(dòng)效率，本田公司生產(chǎn)的氫動(dòng)力汽車(chē)FCXClarity，燃料效率是是油電混合車(chē)的2倍，是傳統(tǒng)汽油動(dòng)力車(chē)的3倍。

（3）采用車(chē)載氫氧機(jī)的方式。該方案是用汽車(chē)上蓄電池的電力來(lái)電解水，通過(guò)進(jìn)風(fēng)口將所產(chǎn)生的氫氧混合氣吸入汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)中，混合傳統(tǒng)的汽油、天然氣或柴油一起燒。該方法節(jié)能減排已通過(guò)實(shí)踐證明是可行的，是普及氫能的一個(gè)過(guò)渡，雖沒(méi)將傳統(tǒng)燃料完全替代，不過(guò)節(jié)能減排投資少，見(jiàn)效快，更容易被消費(fèi)者所接受。

鑒于氫氣清潔、高效率、零污染、輕質(zhì)量等特點(diǎn)，氫動(dòng)力汽車(chē)在適應(yīng)性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等多方面均前景良好。但兩種氫能汽車(chē)方案氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，均面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題就是儲(chǔ)存成本和制氫成本高。

2.3 醇類(lèi)燃料

汽車(chē)上用的醇類(lèi)燃料主要是甲醇和乙醇。甲醇可以通過(guò)煤炭、天然氣等制?。贿€可以利用合成氨制取合成氣進(jìn)行聯(lián)產(chǎn)甲醇[4]。乙醇主要來(lái)自谷物，通過(guò)玉米、甘蔗、薯類(lèi)等農(nóng)作物及木質(zhì)纖維素的發(fā)酵提取而來(lái)。

甲醇（cH3oH）是無(wú)色、略有臭味的透明液體，具吸水性，可按任何比例與水混合。辛烷值較高，抗爆性能良好；有很大的汽化潛熱，可使進(jìn)氣溫度降低，提高充氣效率，減低最高燃燒溫度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放；常溫下為液體，儲(chǔ)存容易，攜帶方便；甲醇燃料的揮發(fā)性較好，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤欣诨旌蠚獾闹鹑紵?/p>

甲醇燃料在汽車(chē)上的應(yīng)用， 一般采用將一定比例的甲醇與汽油混合燃燒，該應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不需要做太大改變，已在美國(guó)、意大利、奧地利、瑞典、新西蘭等國(guó)家商品化；甲醇還可以直接用在內(nèi)燃機(jī)上，世界各大汽車(chē)廠都在積極研究開(kāi)發(fā)，并對(duì)很多不同方案的甲醇燃料汽車(chē)進(jìn)行了示范；另外，還可以把甲醇裂解成氫氣、制造二甲醇（DME）和燃料電池，或通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱將甲醇分解成一氧化碳和氫氣，再輸入發(fā)動(dòng)機(jī)助燃。

作為很好的燃料，乙醇燃料以純燒或摻燒方式成功地用在了汽油機(jī)上，美國(guó)、巴西已應(yīng)用了很多年的汽油醇（gasohol）混合燃料，有非常成熟的技術(shù)。柴油機(jī)上摻燒乙醇比較困難，純燒需用柴油引燃或點(diǎn)火塞點(diǎn)燃，要對(duì)燃燒系統(tǒng)做較大改動(dòng)。

2.4 生物柴油

以工程微藻等水生植物油脂或野生油料植物及餐飲垃圾油、動(dòng)物油脂等為原料，通過(guò)酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料，叫生物柴油（Biodiesel）。

生物柴油含水率較高，最大可達(dá)30%～45%，利于油黏度的降低、穩(wěn)定性的提高；pH值低，須用抗酸耐腐蝕的材料的貯存裝置；硫含量低，硫化物和二氧化硫的排放少；有高達(dá)98%的生物降解性，降解速率迅速，比普通柴油高2倍，使意外泄漏對(duì)環(huán)境造成的污染大大減輕，具有優(yōu)良的環(huán)保特性；閃點(diǎn)高，運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用安全可靠；具有較好的低溫起動(dòng)性能，十六烷值高，燃燒性能優(yōu)于柴油。

生物柴油作為汽車(chē)一種替代燃料，不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改動(dòng)，直接添加即可，同時(shí)儲(chǔ)存設(shè)備、加油設(shè)備及人員的特殊技術(shù)訓(xùn)練無(wú)需另外添設(shè)。雪鐵龍集團(tuán)已經(jīng)成功通過(guò)了生物柴油10萬(wàn)公里的燃燒試驗(yàn)；生物柴油還可以與柴油混合使用，世界各國(guó)大多使用20%生物柴油與80%柴油混配[5]，達(dá)到預(yù)期效果。

作為典型的綠色能源，生物柴油的大力發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，推進(jìn)能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染有重要的戰(zhàn)略意義。歐盟曾確立計(jì)劃，要在2010年至少生產(chǎn)440萬(wàn)t生物柴油。日本在長(zhǎng)野和東京有四家利用廢食用油生產(chǎn)生物柴油的工廠。我國(guó)地大物博，水熱資源分布各異，植被繁多，有種類(lèi)豐富的能源資源，因此有足夠的原料資源來(lái)發(fā)展生物柴油。

2.5 電能

作為二次能源，電能來(lái)源廣，風(fēng)能、水能、核能等任何一種其他形式的能源都是其來(lái)源；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便維修、噪聲小、能源利用率高、無(wú)污染等是使用電能汽車(chē)具有的優(yōu)點(diǎn)。

目前，電能在汽車(chē)上的應(yīng)用主要有兩種形式，電車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。電車(chē)即車(chē)從車(chē)頂上的高架電線獲得電力，該形式僅適用于固定路線運(yùn)行的車(chē)輛，如公交車(chē)，班車(chē)等。電動(dòng)汽車(chē)是指以車(chē)載電源為動(dòng)力，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛，符合安全法規(guī)、道路交通各項(xiàng)要求的車(chē)輛。高成本、較長(zhǎng)的蓄電池充電時(shí)間、較短使用壽命、密度較低的電池能量以及由此而引發(fā)的動(dòng)力性不足、續(xù)駛里程短、體積質(zhì)量大，等等這些問(wèn)題都是電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法避免的。

近30年來(lái)，隨著能源意識(shí)、環(huán)保意識(shí)空前強(qiáng)化，電動(dòng)汽車(chē)的研究和應(yīng)用成為汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)“熱點(diǎn)”。據(jù)當(dāng)前世界能源的發(fā)展形勢(shì)、電動(dòng)汽車(chē)基礎(chǔ)能源的多樣性及對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的重視程度和研究勢(shì)頭，預(yù)計(jì)一二十年內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)會(huì)從實(shí)驗(yàn)車(chē)型變成真正的商品，并在汽車(chē)市場(chǎng)占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)。直到21世紀(jì)中葉，汽車(chē)的主要品種之一將是電動(dòng)汽車(chē)。2l世紀(jì)后期，汽車(chē)市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊或是電動(dòng)汽車(chē)，或許也是公交領(lǐng)域的主力車(chē)型。

3 車(chē)用能源的發(fā)展趨勢(shì)

汽車(chē)代用燃料的選擇要考慮經(jīng)濟(jì)性（Economy）、應(yīng)用方便性（Ease）、資源的可獲得性（Energy）和環(huán)境友好性（Environment），即4E評(píng)價(jià)，并且要因地制宜。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著石油危機(jī)和節(jié)能、環(huán)保的呼聲高漲，各國(guó)都根據(jù)4E評(píng)價(jià)和本國(guó)技術(shù)特點(diǎn)，制定出了新的汽車(chē)能源方案。

在代用燃料方面，歐洲以發(fā)展天燃?xì)鉃橹?；生物柴油使用廣泛的國(guó)家是意大利、奧地利、瑞典、比利時(shí)和德國(guó)等；美國(guó)早前目標(biāo)要在2010年公共汽車(chē)有7%的使用天然氣，出租車(chē)和班車(chē)50%的改為使用專(zhuān)用天然氣；日本政府將電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)、甲醇車(chē)、天然氣車(chē)稱(chēng)為“低公害車(chē)4兄弟”，并針對(duì)性地制定了優(yōu)惠稅制及給予購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼[6]。

我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊，資源相對(duì)豐富的國(guó)家，可以采取能源多樣化、燃料多元化的發(fā)展路徑。為使石油供需矛盾緩解，我國(guó)開(kāi)展了新能源技術(shù)研發(fā)和試點(diǎn)工作，截止2005年底，以糧食為原料的燃料乙醇達(dá)到102萬(wàn)t的年利用量，以木薯、甜高粱莖稈等非糧原料生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已具備商業(yè)化發(fā)展的條件；開(kāi)發(fā)了以油桐、黃連木、棉籽、小桐子等油料植物（作物）為原料的生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，并建成若干個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。預(yù)計(jì)我國(guó)近期發(fā)展的主體將是燃?xì)馄?chē)和醇類(lèi)汽車(chē)，所以一方面，我國(guó)在加強(qiáng)研發(fā)液化石油氣、醇類(lèi)燃料、天然氣汽車(chē)重要總成零部件；另一方面，繼續(xù)在資源優(yōu)勢(shì)地區(qū)大力推廣液化石油氣、乙醇汽油、天然氣。另外，到了2020年，合成燃料、生物燃料等新能源汽車(chē)將大量進(jìn)入市場(chǎng)，實(shí)施區(qū)域化推廣使用，成為主要的汽車(chē)燃料。

國(guó)家政策在代用燃料的發(fā)展中起關(guān)鍵性和決定性作用。為使車(chē)用替代燃料更好地發(fā)展，我國(guó)需盡早組織力量，加快做好供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及配套設(shè)施建設(shè)，使傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)體系加快完善，促使各類(lèi)汽車(chē)改善燃料經(jīng)濟(jì)性；按照產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要，建立健全各種新型動(dòng)力系統(tǒng)和新能源汽車(chē)，以及其它節(jié)能產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，促進(jìn)車(chē)用新能源在我國(guó)立足發(fā)展。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)代用燃料終究會(huì)消耗殆盡，代用能源步入汽車(chē)產(chǎn)業(yè)是社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)都制定出了不同的汽車(chē)能源戰(zhàn)略。根據(jù)現(xiàn)階段替代燃料的分布、資源、可利用情況，以及汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，我國(guó)不能急于鎖定某一能源作為未來(lái)的發(fā)展方向，而是要堅(jiān)持走技術(shù)多樣化、能源多元化的發(fā)展道路，并探索出一條具有中國(guó)特色的電動(dòng)汽車(chē)或車(chē)用燃料發(fā)展道路。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2007：164.

[2] 周齊.未來(lái)公交車(chē)用能源初探[J].城市公共交通，2007（9）：27-29.

[3] 毛宗強(qiáng).氫能，最理想的車(chē)用能源[J].綠葉，2009（6）：80-85.

[4] 孫立兵.具有能源戰(zhàn)略意義的甲醇[J].節(jié)能/環(huán)保/安全，2008（4）：59-61.

[5] 燕來(lái)榮.車(chē)用生物柴油能源新看點(diǎn)[J].現(xiàn)代零部件，2008（11）：58-60.

[6] 杜子學(xué)，王可.車(chē)用能源及新型動(dòng)力車(chē)的發(fā)展與研究[J].上海汽車(chē)，2007（6）：3-8.