汽車燃料及發展趨勢分析

吳煥芹 鐘詩清

摘 要：隨著汽車保有量的增長，人類將面臨更加嚴峻的石油資源的危機和挑戰。尋找適合本國國情的代用燃料已成為各國研究的重點。該文首先介紹了汽油和柴油等傳統燃料的特點，接著對比分析了天然氣、氫能、醇類燃料、生物柴油等幾種主要的車用替代燃料的制作方法、使用范圍、特點，展望了車用燃料未來發展趨勢，總結出我國可以走技術多樣化、能源多元化的道路，最終探索出一條具有中國特色的汽車產業發展道路。

關鍵詞：汽車 傳統燃料 代用燃料 發展趨勢

中圖分類號：U473 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0047-02

能源是汽車的血液，是車輛的動力源。自1886年世界上第一輛汽車誕生至今，汽油和柴油作為主要能源在汽車上得到普遍應用。這種以石油制品為燃料的汽車在安全、方便、舒適、價廉等方面取得了重大的進展，得到人們的認可。進入21世紀，汽車保有量驟增，汽油和柴油消耗大幅上升，伴隨石油儲量的下降和人們節能、環保意識的增強，各種替代能源如雨后春筍般涌現。孰優孰劣，誰會在21世紀成為汽車主流能源，有待進一步的分析。

1 傳統燃料

現階段科學技術水平條件下，人們已經廣泛使用，且技術上比較成熟的能源，就叫傳統能源。車用傳統能源主要是汽油和柴油。

1.1 汽油

汽油是石油制品，由石油分餾或重質餾分裂化制得。汽油組分可通過原油蒸餾、熱裂化、加氫裂化、催化重整、催化裂化等過程產生。但從原油蒸餾裝置生產的直餾汽油，不能直接用作發動機燃料，應調配、精制，以制得清潔車用汽油。

汽油為透明液體，無色至淡黃色，易流動；沸點范圍為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良的抗爆性，可適當增大壓縮比，是發動機功率提高，降低燃料的消耗量；蒸發性和燃燒性良好，以確保發動機平穩運轉，完全燃燒，積炭少；安定性較好，早期氧化變質不容易在貯運和使用過程中發生，不會腐蝕發動機部件及儲油容器。

1.2 柴油

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

為使高速柴油機高效、正常地運作，輕柴油的使用性能應有較好的低溫流動性、發火性、化學安定性、防腐性、適當的粘度和蒸發性等。

2 代用燃料

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

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，有較為豐富的來源。世界探明的天燃氣儲量與石油差不多，根據近年來的勘察情況，全世界的天然氣可開采約60年，石油則可開采40年左右。但在我國，天然氣可達上百年的開采時間，而石油僅有短短20年[2]。

天然氣是一種無色、無味的氣體；汽車使用天然氣為a燃料時，燃燒完全，產生二氧化碳少，燃燒產物幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質，造成溫室效應的可能性低，對大氣污染小，是一種綠色環保的能源；天然氣無毒、易散發，比重輕于空氣，不宜積聚成爆炸性氣體，在汽車正常溫度和壓力下使用時，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，機油不用經常注入且火花塞也不用經常更換，相較于柴油和汽油，節約的維修費用在50%以上；因資源比較豐富，天然氣價格相對便宜，且使用天然氣可以節約汽車成本。

目前，全世界已有30多個國家擁有150萬輛天然氣汽車（NGV），多是針對天然氣燃料性質進行改進設計的天然氣發動機汽車，新西蘭、阿根廷、印度尼西亞、巴西、美國、日本和意大利等是主要分布的國家。國內也已具有汽油機改裝成汽油、天然氣兩種燃料并用，柴油機改裝成純天然氣汽車或柴油引燃，天然氣、柴油復合燃料汽車的機械式改裝技術。

天然氣汽車在國內外有較快發展，日趨成熟的改裝技術，使天然氣汽車有了越來越廣泛的應用，產生的經濟效益以及社會效益也很明顯，不過天然氣汽車也存在著一些問題。如天然氣發動機動力性較低；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。氫氣可以通過煤、天然氣等化石能源與水反應來制取；可以利用生物體中的氫元素通過裂解或者氣化的方法來提取；可以利用太陽能、風能、地熱能等電解水制取；也可以通過回收各種化工過程副產品氫氣，如氯堿工業、冶金工業等，儲存起來，用作汽車燃料。

氫能在汽車上使用時，燃燒產物是水，是世界上最干凈的能源，而且燃燒反應生成的水可再用來制備氫，可以循環使用；氫氣發熱值高，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，氫容易點燃且點燃快，含氫量在3%-97%范圍內均可燃。

現階段氫能在汽車上的使用方式主要有三種：

（1）氫氣在內燃機內的直接燃燒，即氫氣內燃發動機汽車[3]。這種汽車，發動機改動不大；氫能成本低，一公斤氫氣的生產成本不到12元，比使用汽油便宜很多；氫氣內燃機蓄勢里程長，充氫時間短，最高時速可達155 km，一次充氫氣僅用3 min，續駛里程達830 km，超過一般汽油汽車。

（2）氫燃料電池電動車。這種車有很高的驅動效率，本田公司生產的氫動力汽車FCXClarity，燃料效率是是油電混合車的2倍，是傳統汽油動力車的3倍。

（3）采用車載氫氧機的方式。該方案是用汽車上蓄電池的電力來電解水，通過進風口將所產生的氫氧混合氣吸入汽車內燃機中，混合傳統的汽油、天然氣或柴油一起燒。該方法節能減排已通過實踐證明是可行的，是普及氫能的一個過渡，雖沒將傳統燃料完全替代，不過節能減排投資少，見效快，更容易被消費者所接受。

鑒于氫氣清潔、高效率、零污染、輕質量等特點，氫動力汽車在適應性、環保性和經濟性等多方面均前景良好。但兩種氫能汽車方案氫燃料電池電動汽車和氫內燃機汽車，均面臨的現實問題就是儲存成本和制氫成本高。

2.3 醇類燃料

汽車上用的醇類燃料主要是甲醇和乙醇。甲醇可以通過煤炭、天然氣等制取；還可以利用合成氨制取合成氣進行聯產甲醇[4]。乙醇主要來自谷物，通過玉米、甘蔗、薯類等農作物及木質纖維素的發酵提取而來。

甲醇（cH3oH）是無色、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，可使進氣溫度降低，提高充氣效率，減低最高燃燒溫度，降低發動機的NOx排放；常溫下為液體，儲存容易，攜帶方便；甲醇燃料的揮發性較好，火焰傳播速度快，有利于混合氣的著火燃燒。

甲醇燃料在汽車上的應用， 一般采用將一定比例的甲醇與汽油混合燃燒，該應用發動機結構不需要做太大改變，已在美國、意大利、奧地利、瑞典、新西蘭等國家商品化；甲醇還可以直接用在內燃機上，世界各大汽車廠都在積極研究開發，并對很多不同方案的甲醇燃料汽車進行了示范；另外，還可以把甲醇裂解成氫氣、制造二甲醇（DME）和燃料電池，或通過發動機的余熱將甲醇分解成一氧化碳和氫氣，再輸入發動機助燃。

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上，美國、巴西已應用了很多年的汽油醇（gasohol）混合燃料，有非常成熟的技術。柴油機上摻燒乙醇比較困難，純燒需用柴油引燃或點火塞點燃，要對燃燒系統做較大改動。

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、動物油脂等為原料，通過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30%～45%，利于油黏度的降低、穩定性的提高；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，使意外泄漏對環境造成的污染大大減輕，具有優良的環保特性；閃點高，運輸、儲存、使用安全可靠；具有較好的低溫起動性能，十六烷值高，燃燒性能優于柴油。

生物柴油作為汽車一種替代燃料，不需要對發動機進行改動，直接添加即可，同時儲存設備、加油設備及人員的特殊技術訓練無需另外添設。雪鐵龍集團已經成功通過了生物柴油10萬公里的燃燒試驗；生物柴油還可以與柴油混合使用，世界各國大多使用20%生物柴油與80%柴油混配[5]，達到預期效果。

作為典型的綠色能源，生物柴油的大力發展對經濟可持續發展，推進能源替代，減輕環境壓力，控制城市大氣污染有重要的戰略意義。歐盟曾確立計劃，要在2010年至少生產440萬t生物柴油。日本在長野和東京有四家利用廢食用油生產生物柴油的工廠。我國地大物博，水熱資源分布各異，植被繁多，有種類豐富的能源資源，因此有足夠的原料資源來發展生物柴油。

2.5 電能

作為二次能源，電能來源廣，風能、水能、核能等任何一種其他形式的能源都是其來源；結構簡單、方便維修、噪聲小、能源利用率高、無污染等是使用電能汽車具有的優點。

目前，電能在汽車上的應用主要有兩種形式，電車和電動汽車。電車即車從車頂上的高架電線獲得電力，該形式僅適用于固定路線運行的車輛，如公交車，班車等。電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅動車輪行駛，符合安全法規、道路交通各項要求的車輛。高成本、較長的蓄電池充電時間、較短使用壽命、密度較低的電池能量以及由此而引發的動力性不足、續駛里程短、體積質量大，等等這些問題都是電動汽車無法避免的。

近30年來，隨著能源意識、環保意識空前強化，電動汽車的研究和應用成為汽車工業的一個“熱點”。據當前世界能源的發展形勢、電動汽車基礎能源的多樣性及對電動汽車的重視程度和研究勢頭，預計一二十年內，電動汽車會從實驗車型變成真正的商品，并在汽車市場占據一定的優勢。直到21世紀中葉，汽車的主要品種之一將是電動汽車。2l世紀后期，汽車市場的領頭羊或是電動汽車，或許也是公交領域的主力車型。

3 車用能源的發展趨勢

汽車代用燃料的選擇要考慮經濟性（Economy）、應用方便性（Ease）、資源的可獲得性（Energy）和環境友好性（Environment），即4E評價，并且要因地制宜。進入21世紀，隨著石油危機和節能、環保的呼聲高漲，各國都根據4E評價和本國技術特點，制定出了新的汽車能源方案。

在代用燃料方面，歐洲以發展天燃氣為主；生物柴油使用廣泛的國家是意大利、奧地利、瑞典、比利時和德國等；美國早前目標要在2010年公共汽車有7%的使用天然氣，出租車和班車50%的改為使用專用天然氣；日本政府將電動車、混合動力車、甲醇車、天然氣車稱為“低公害車4兄弟”，并針對性地制定了優惠稅制及給予購車補貼[6]。

我國是一個幅員遼闊，資源相對豐富的國家，可以采取能源多樣化、燃料多元化的發展路徑。為使石油供需矛盾緩解，我國開展了新能源技術研發和試點工作，截止2005年底，以糧食為原料的燃料乙醇達到102萬t的年利用量，以木薯、甜高粱莖稈等非糧原料生產燃料乙醇的技術已具備商業化發展的條件；開發了以油桐、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技術，并建成若干個試點項目。預計我國近期發展的主體將是燃氣汽車和醇類汽車，所以一方面，我國在加強研發液化石油氣、醇類燃料、天然氣汽車重要總成零部件；另一方面，繼續在資源優勢地區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將大量進入市場，實施區域化推廣使用，成為主要的汽車燃料。

國家政策在代用燃料的發展中起關鍵性和決定性作用。為使車用替代燃料更好地發展，我國需盡早組織力量，加快做好供應網絡及配套設施建設，使傳統燃油汽車的燃油消耗標準體系加快完善，促使各類汽車改善燃料經濟性；按照產業發展的實際需要，建立健全各種新型動力系統和新能源汽車，以及其它節能產品的標準法規體系，促進車用新能源在我國立足發展。

4 結論

傳統代用燃料終究會消耗殆盡，代用能源步入汽車產業是社會發展趨勢，世界各國都制定出了不同的汽車能源戰略。根據現階段替代燃料的分布、資源、可利用情況，以及汽車工業可持續發展的要求，我國不能急于鎖定某一能源作為未來的發展方向，而是要堅持走技術多樣化、能源多元化的發展道路，并探索出一條具有中國特色的電動汽車或車用燃料發展道路。

參考文獻

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[6] 杜子學，王可.車用能源及新型動力車的發展與研究[J].上海汽車，2007（6）：3-8.