1、精品 新能源汽车的发展现状及发展趋势 摘 要 :进入 21 世纪，随着能源问题和环境问题的日趋严重，开发和利用新型清洁能源已成为一个重要课题。由于石油燃料的短缺及控制排放法规的强化，如何为汽车选择清洁的代用燃料的问题，已提到议事日程上。 本文详细分析比较如 CNG、 DME、甲醇及乙醇等不同燃料，作者认为首先应考虑选用甲醇及乙醇。 自 从 1886 年世界上第一辆汽车问世至 今 100多 年 ,汽车 能源基本上采用的是石 油制 品 汽 油 和 柴 油 。 经过 多年大规模的开 采 ,地球上的石油 存 量 已经不多 ,7 亿多辆内燃机汽车组 成的庞大耗 能群体 ， 其他交通工具 (火 车 、轮
2、船 、飞机 等 )化工以及 众多民用锅炉 ， 还在继续以惊人的速度消耗着地 球 上 残存的石 油 。 与此同 时 ， 汽车及其他交通工具 运行时排放的大量污染物日积月累地使环境和生态不 断 恶 化 。 有鉴 于 此 ， 寻找具有环保特征的交通新 能源尤其是汽车新能源的任务显得日益紧 迫 。 近几年来我国汽车工业发展很快，平均年增长率为 15%是同期世界汽车增长率的 10倍。摩托车的年产量及销售量均超过 1000万辆。 2010年达到 600万辆，可能占世界汽车总产量的 1/10。不言而喻，汽车及摩托车的产销量如此大幅度增加，对石 油的需求量也会大幅度逐年增加，成品油的缺口量也愈来愈大，再加上全
3、国及地方排放法规日趋严格，降低 CO2 排放的任务也很重，汽车行业及用户选择和使用清洁的代用燃料势在必行。各大汽车公司不得不考虑如何开发代用燃料的车辆。 关键词 ：甲醇 乙醇 CNG DME 新能源汽车 精品 目 录 1 引言 . 1 2 能源形势及汽车新能源的研究现状 . 1 2.1 国际能源形势 . 1 2.2 汽车新能源的研究现状 . 2 2.2.1 天然气煤层气 . 2 2.2.2 液化石油气 . 3 2.3 新能源汽车性能的分析 . 3 2.3.1 动力性能及燃油经济性 . 3 2.3.2 起动性、加速性及爬坡性能。 . 4 3 环境保护 . 5 3.1 净化空气的任务繁重 . 5
4、3.2 承担降低 CO2 等温室气体的义务 . 5 4 汽车动力装置及燃料的现状与发展趋势 . 6 4.1 汽车动力及燃料的现状与发展趋势如图 1 所示。 . 6 4.2 不同燃料使用经济性及方便性 . 7 4 2.1 使用费用及投资费用的比较 . 7 4.2 2 国际上日益重视可再生醇燃料等生物燃料 . 7 5 代用燃料性质的分析比较 . 8 5.1 几种燃料的分析 . 8 5.1.1 天然气 . 8 5.1 2 甲 醇及甲烷等 . 8 5.2 几种燃料性能的比较 . 9 6 不同燃料的排放性能 . 错误 !未定义书签。 6.1 排放性能的比较 . 9 6.1.1 低比例醇 /汽油混合物燃烧
5、的排放 . 9 精品 6.1.2 醇燃料汽车容易达到严格的排放标准 . 10 6.2 未燃醇及醛类排放 . 10 7 结果分析与讨论 . 10 8 总结 . 11 参考文献 . 11 致 谢 . 16精品 1 引言 随着世界石油资源日益枯竭和环境污染日益严重 , 内燃机新能源 高效清洁燃烧一直是内燃机研究与发展中的关键问题。能源（主要是石油资源）匮乏和环境恶化是当今人类面临的两大挑战 , 汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者 , 也是大气特别是城市大气污染的主要来源。随着我国汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断增加 , 我国能源消耗正以每年一个百分点的速度上升 , 预计到 2020年 60%的
6、石油消费将依赖进口。因此 , 研究开发高效低污染发动机和新能源清 洁石油替代燃料发动机对于摆脱我国经济对外国石油的依赖 , 提高能源利用率 , 减缓能源危机 , 降低城市空气污染 , 保护环境有十分重要的显示意义和深远的社会经济效益。 2 能源形势 及汽车新能源的研究现状 2.1 国际能源形势 根据美国地质调查局及一些国际能源专家的统计预测，石油、天然气及煤炭的储采比分别为 34 年、 44 年及 245 年。世界能源大会 1995 年版能源资源调查报告认为石油天然气及煤的储采比分别为 44 年、 57 年及 230 年，尽管看法不一，这些预测可能不完全符合实际情况，但是石油及天然气的储采比大
7、大地小于煤炭的 储采比。非再生能源资源日益减少，则是比较肯定的。 表 1 是 几次石油危机使石油价格上 涨 我 国缺油少气，能源资源人均拥有量只有世界人均拥有量的 1/10。能源储存及供应形势严峻，根据中国 工程科学院在 1994 年 1995 年统计， 1997 年发表的能源供需矛盾报告，如按 2003 年计，我国石油的储存量只够开采 14 年。 精品 从 1993 年起我国就已经是石油净进口国。 2000 年进口原油 7000 万吨，成品油 3000 万吨，花去 250 亿美元。随着经济 的 高速发展，人民生活水平的 不断提高，车辆 的数目 逐年大幅度增加，石油缺口也将大幅度 增加。买得起
8、汽车的人日益增多，面临的问题是燃料供需矛盾大，或者价格逐步上涨，用不起油怎么办？有人认为世界石油储存量还多，可以大量进口，这可能不是稳妥之计，而且本国产量有限，进口太多，会产生严重的能源安全问题 。 我国在 “ 十五规划 ” 中 ， 明确规定要开发和 利 用甲醇等 新能源 燃料。中央领导多次在经贸委及多位专家给中央的报告上批示，要建新厂及化肥厂改造增产甲醇；又决定在河南、吉林及黑龙江用陈化粮生产乙醇，在汽车上使用醇燃料及生物柴油。汽车工业部门有责任 ，同时也 为了 自身更好的 发展，都应该迅速开展醇燃料汽车的试验研究和使用运行的工作。 2.2 汽车新能 源 的研 究 现状 2.2.1 天然气煤
9、层气 常规天然气和煤层气随产地不同而组分各异 ,通过分析我国 42处煤层气组分 , 发现煤层气以甲烷为主（ 30%-99%） , 伴有少量重烃气（如乙烷 , 一般大于 5%） , 其次组分首先是氮（ 0.5%-65%） , 还有少量二氧化碳大于（ 5%）。天然气、煤层气作为新能源燃料正在发挥着越来越重要的作用。天然气发动机主要分为两类 :一是火花塞点火式发动机 ,此类发动机普遍存在低中负荷时热效率低 ,稀燃能力差等问题 ;另一类是利用柴油引燃的柴油天然气双燃料发动机 , 此类发动机需 要两套燃料供给系统 ,存在低负荷时碳氢排放高的问题。国内学者研究发现柴油天然气双燃料发动机燃烧模式主要以预混燃
10、烧为主。因此 , 颗粒物和碳烟排放较低。 目前存在问题有以下三个方面： a：二煤层气组分中氮和二氧化碳的稀释作用对其燃烧特性和排放的影响机理还不清楚 , 国外尚未见有关煤层气燃烧机理和煤层气发动机的报道。 b:由于天然气火焰传播速度较慢且随着过量空气系数的增加而更慢 , 导致了混合气的燃烧不完全 ,热效率降低 , 未燃碳氢排放上升和发动机的稳定性变差等一系列问题仍需解决。 c:虽然在天然气、煤层气发动机上使用氮 氢天然气、氮氢煤层气能提高稀薄混合精品 气的燃烧速度 , 避免通过组织缸内强紊流运动来提高燃烧速率所引起的弊端。但是 ,国内外研究还未涉及到煤层气对煤层气燃烧特性和煤层气发动机的性能、
11、排放的影响 , 而且 , 因天然气产地不同而各异 , 很难归纳出掺氢天然气燃烧与排放方面的共性特征和规律。 2.2.2 液化石油气 氢气与天然气、汽油、 LPG相比单位质量低热值高 , 约是汽油低热值的 2.7倍。可燃极限宽 , 易于实现稀薄燃烧 , 提高经济性 , 同时可以降低最高燃烧温度 , 大幅度地降低 NOx排放。同时氢的自燃温度 585比天然气 540 、汽油(228-501 )高 , 有利于提高压缩比 ,提高氢能源内燃机的热效率。虽然氢能源的自燃温度比天然气、汽油等燃料高 , 但其点火能量很低 , 最小可以低到 (0.02mg),这样氮能源内燃机工作时几乎不失火 , 具有良好的启动
12、性。氢能源有害物排放少 ,燃烧主要产物是水 , 不产生 CO及 CH, 由于氢气火焰的淬冷距离比汽油短 ,因此靠近缸壁激冷层可燃混合气燃烧更完全 ,NOx 排放大大降低。由于氢能源燃料电池系统在能量密度、体积、反应速度以及成本等方面还没有很好解决 , 所以以燃料电池为动力的汽车距实用还有一段距离。燃 机燃料既可以实现氢能源清洁 , 可再生的特点又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础 , 且氢气发动机热效率较高 , 综合效率与燃料电池效率相当 , 生产及使用成本低 , 在使用性能、成本等方面较容易得到发展和应用。目前制约氢能源内燃机的因素主要有氢气沸点低 -253 , 车贮存和运输性能差
13、，制取困难 , 到目前为止制取氢的成本仍是制约氢能源发展的主要因素。 2.3 新能源汽车性能的分析 分析汽车使用不同燃料后性能如何，也是选择燃料时要考虑的问题。 2.3.1 动力性能及燃油经济性 内燃机在机外形成天然气与空气的 混合气，再进入气缸燃烧，必然会使原机的功率较大幅度下降；用这种方式掺烧部分天然气也会影响功率。要使天然气发动机功率不下降，就需要向气缸内喷射气体燃料乃至液化天然气，但是这样内燃机就需 要 较大的变动或者重新设计专用内燃机。在常压下二甲醚是气态，如果加压将其变成液态喷入气缸中，那会同柴油机的功率一样 。 醇燃料的低热值比汽油、柴油低得多，但是理论空燃比下的混合气热值和常规
14、燃料一样，醇燃料的理论空精品 燃比比汽油、柴油低。因此掺烧部分醇燃料或者使用 100%醇燃料，只要增加醇供油量，功率不会下降，如果进行优化，功率还会有较大幅 度 的 增加。汽车使用醇燃料能提高功率及降低内燃机的比能耗 (MJ/kW h)，亦能提高热效率的原因如下 ： 1) 气化潜热高，有内冷作用，可以提高充气系数； 2) 含碳原子数少，层流火焰传播速度快，容易燃烧完 全 ，等容燃烧比例大； 3) 含氧，对于原来混合气较浓时有稀释效应； 4) 混合气可燃范围宽，可以使用稀混合气，燃烧更完 全 可以提高热效率； 5) 辛烷值高，燃烧室壁面温度低，可以提高汽油机受爆燃限制的功率；燃烧无烟，可以提高受
15、冒烟限制的柴油机功率； 6)理论空燃比混合燃烧后，分子变化系数大，可以提高膨 胀功。 交通部公路科学研究所在使用 213SC 化油器的解放 CA-15 汽油机上，使用不同含乙醇混合燃料的试验结果表明，在提高压缩比 后最大功率 P 都增加 ，而按等热值折算成汽油的比油耗都降低，即热效率提高 24 。 汽油机使用 100%甲醇或 100%乙醇后，动力性能及燃油耗的变化表明，汽油机使 100%甲醇后，功率扭矩都比汽油分别增 加 15%及 13%，热效率也由28.1%提高到 35.6%，折算成当量汽油后，比油耗则由 291kW h 下降到229.5g/kW h。使用乙醇后功率及扭矩分别提高 12%及
16、9%，而热效率则由 28.1%提高到 36.7%。 柴油机的功率受排气冒烟的限制，改用碳原子很少的醇燃料，排气不冒烟，因此无论掺烧或者使用 100%的醇燃料，只要增加供油量，动力性能及热效率都会有不同程度的提高 。 2.3.2 起动性、加速性及爬坡性能 实验表明，燃料 的 10%馏分温度愈低愈容易起动，汽油的这一馏分温度为45 55 ，而单一组分的甲醇及乙醇的沸点分别为 65 及 79 ，醇燃料的气化热也比常规燃料高得多，使用大比例及 100%醇燃料汽车在环境温度低时的起动性能差，需要采取改善措施后能满足用户的要求 ，能在 25 低温下起动。详情参见文献 5。 汽车的加速性能爬坡性能除了受燃料
17、组分及蒸馏特性的影响外，在很大程度精品 上受动力性能的影响。优化的醇燃料内燃机的动力性能比原机还有较大幅度提高，最高车速、加速及爬坡性能也会较好。汽车使用含不同甲醇混合燃料后的加速性基本上和原汽油机一样，最高车速还略有提高 。 2526 3 环境保护 3.1 净化空气的任务繁重 汽车排放物是污染空气的重要根源之 一 。我国对 660 个城市空气质量分析结果表明，达到一级质量标准的城市仅占 1%。 2001 年卫生部门统计结果表明，全国癌症患 者达 300 万人，每年以 3%的速度递增，在癌症患者中以肺癌占首位，然后是胃癌及肝癌。肺癌除了与吸烟有关外，也与空气质量及汽车排气中有害物密切相关。 3
18、.2 承担降低 CO2 等温室气体的义务 温室气体导致 全 球变暖，造成世界巨大的人员伤亡及经济损失。据美国公共利益研究集团的资料 报道 ， 20 世纪 10 年 是 1000 年来最热 的 10 年，全世界夺走 33 万人生命，损失 6252 亿美元。与 20 世纪 50 年代比，自然灾害多 4 倍，经济损失多 9 倍。 1997 年 12 月各国通过京都议定书，各国都要承担降低CO2 排放的义务。我国 CO2 排放 量占世界总量 14%。如何降低 CO2 排放是当前各国关注和研究的焦点。能源及汽车工业部门既要考虑解决能源短缺，又要研究如何降低 CO2 排放，开发和使用清洁 替代 燃料是同时
19、能解决两个问题的重要途径。 精品 4 汽车动力装置及燃料的现状与发展趋势 4.1 汽车动力及燃料的现状与发展趋势如图 1 所示 图 1 交通运输等动力及燃料的现状与发展趋势 图 1 的左侧是内燃机过去用油的情况，中间部分是当前动力装置开发研究及所用燃料多元化的情况，右侧部分是正在研究试验中的动力及燃料。目前研究及应用的电动汽车 、 混合动力及多种 替代 燃料，各有优缺点 。毫无疑问，电动汽车及混合动力对降低排放，保护环境有利，应该研究。然而能在局部地区城市首先投入使用的是混合动力，仍要选用燃料。初期电动及混合动力车辆的价格也较高，常规内燃机动力的车辆仍占很大比例。 未来的汽车动力是用可再生资源
20、生产的氢、醇燃料 (甲醇、乙醇 )等作燃料，由燃料电池发电。燃料电池是通过电化学反应，将燃料化学能直接转换成电能做机械功，不受卡诺循环的限制，效率可达 50%以上，无污染，噪声很小。利用先进的纳米材料及技术，通过光电作用及利用风能水能制取廉价的氢，另一方面用丰富的可再生资源制取醇燃料，然后通 过车载裂解器，生产出氢，这样整个装置重量大较复杂。所以一些国家已经在试验研究，将醇燃料直接输入燃料电池，在其中分解出氢发电 34 。 精品 综上所述，我国面临车用燃料日益短缺以及进一步降低 CO2 等排放的繁重任务，选择使用清洁代用燃料势在必行。国内外研究，使用的清洁燃料有 CNG、LPG、二甲醚 (DM
21、E)、醇燃料、氢及植物油酯 (生物柴油 )。考虑到我国 LPG 资源有限，民间生活用 LPG(液化石油气 )的一部分还要靠进口。氢气是公认的清洁燃料，只是要解决如何廉价制造及储存的问题。同时考虑文章篇幅不宜太大，所以本文 主要对 CNG、 DME、及醇燃料进行分析比较。 4.2 不同燃料使用经济性及方便性 4 2.1 使用费用及投资费用的比较 1990 年美国能源部门以每天代替一百万桶汽油为目标，对改用醇燃料汽车、天然气汽车及电动汽车所需的费用 (单位： 10 亿美元 )进行了测算表明，用醇燃料代替汽油所需的费用是最低的 。 27 由于常规燃料汽车的有害排放物对大气的污染，使人们患呼吸系 统、
22、 血液循环、神经系统及癌症的 概率 日益增 大， 影响了生态环境，带来了经济损失，在上述分析比较中，将 上述 危害给社会增加的负担损失，分成低费用及高费用两类。考虑了有害排放物影响因素后，使用清洁燃料或电力驱动后，每公里平均总费用比使用汽油时增加的幅度 ( )减少了，而且使用醇燃料时增加的幅度是最低的 ，比使用天然气时低。 4.2 2 国际上日益重视可再生醇燃料等生物燃料 1973 年石油危机后很多国家投入大量的人力 、财力 及物力。对醇燃料进行研究及应用，为了交流研究成果及使用经验， 1976 年瑞典发起在斯德哥尔摩召开了首届国际醇燃会议 (1SAF)，每隔 2 3 年召开一次， 1998 年在北京召开了第 12 届， 2002 年在泰国召开了第 14 届，前面几届论文主要集中在用煤或天然气制甲醇及 甲醇的应用，以后乙醇的论文逐渐增多，而且更多地关注用生物质制甲醇、乙醇以及生物质燃料的开发及应用，除了 ISAF 外，国际上还经常召开生物质燃料的专门学术会议。 第 13 届国际醇燃料会议的主题是 “ 地球的生存环境 ” 实施可持续发展的运输系统，会议较明显地转向讨论如何降低 CO2 排放、乙醇燃料的生产及应用以及在柴油机上应用乙醇等，第 14 届会议 的 主题是 “ 可持续发展的能源在 21 世纪中的作用 ” ，会议上共发表了 82 篇文章，其中大约 59 篇文章是与乙醇有
