我国正处于经济飞速发展的时期,汽车行业作为拉动我国经济增长的强势行业发展尤为迅速.国家统计局网站统计数据显示,我国仅私人汽车拥有量已达到了8 838.6万辆^[1].据中国社科院披露,未来10年我国每百户汽车拥有量将达到或接近60辆^[2].然而,传统的汽车主要以汽油、柴油等为燃料,这使得我国石油消耗量大大增加,在消耗大量石油资源的同时又会排放出大量有害物质,如一氧化碳、氮氧化物和氢化物等,严重污染了环境.

石油资源的严重匮乏和环境的污染问题是当今世界也是我国所面临的巨大挑战,严重制约了汽车行业的发展.所以,寻求清洁、可再生的汽车替代燃料以满足汽车行业的发展势在必行. 1 汽车替代燃料分类

随着汽车行业的飞速发展以及能源和环境状况的日益严峻,世界各国科技工作者都在不断寻求新型清洁、高效的汽车替代燃料.目前,研究和应用的汽车替代燃料按其是否可再生分为不可再生替代燃料和可再生替代燃料.不可再生替代燃料主要包括天然气、液化石油气等;可再生替代燃料主要包括醇醚类燃料、氢能源、植物油燃料、生物质裂解气燃料等^[3]. 2 汽车替代燃料研究现状 2.1 不可再生汽车替代燃料

目前,天然气和液化石油气是两种主要的不可再生的汽车替代燃料.表 1给出了天然气、液化石油气和汽油的主要参数.从表中可以看出,天然气和液化石油气相对于汽油具有使用安全、热值高、清洁等优点.在石油资源越来越匮乏和由汽车尾气排放带来的环境问题越来越严重的背景下,俄罗斯和意大利从20世纪30年代开始推广使用天然气汽车,至今天然气汽车已经在全球范围内广泛使用.目前使用中的天然气汽车主要有3种,分别为使用压缩天然气(CNG)汽车、液化石油气(LPG)汽车和液化天然气(LNG)汽车.

表 1(Table 1)

表 1 天然气、液化石油气和汽油的主要参数 Tab. 1 Main properties of natural gas,liquefied petroleum gas and gasoline 理化特性 天然气 液化石油气 汽油 主要成分 甲烷 丙烷、丁烷 C4~C12烃类 热值/( MJ·kg-1) 47~52 45.22~50.23 43~47 燃点/℃ 650 490 427 爆炸极限/% 5~15 1.7~9.7 1.2~6

表 1 天然气、液化石油气和汽油的主要参数 Tab. 1 Main properties of natural gas,liquefied petroleum gas and gasoline

天然气汽车相比燃油汽车更加节能、环保,天然气和液化石油气在常温下以气体形式存在,并以气态进入发动机,燃料与空气同相混合均匀,能够较为充分地燃烧,使得 CO和HC等排放大幅度减少,微粒排放污染降低.与汽油动力汽车相比,天然气汽车可以减少高达93%的CO排放量,减少33%的氮氧化物排放量以及50%的活性烃气的排放量^[4].我国天然气汽车的发展势态良好.到2012年12月,我国压缩天然气汽车的保有量为150万辆,加气站总数已经达到2 800座^[5].但是,相比于传统汽车,压缩天然气汽车所用的配件要求更高,储气罐的设计和制造成本也很高,造成了天然气汽车的成本较高.同时,虽然我国天然气储量比较丰富,但是天然气是不可再生资源,我国很大一部分天然气还需通过进口才能满足国内需求.国家统计局网站统计数据显示,2011年我国天然气进口量达311.5亿m³,而用于汽车行业的天然气占我国天然气总消费量的8%左右^[6].

天然气优良的理化特性以及国家有关法律法规的扶持政策,决定了发展天然气汽车,并将天然气作为汽车替代燃料在我国近中期的发展空间是很大的,但是从能源的可持续利用和环境保护的长远角度来看,这并不是长远之计. 2.2 可再生汽车替代燃料 2.2.1 醇醚类燃料

目前应用的醇醚类燃料主要包括甲醇、乙醇和二甲醚.表 2给出了甲醇、乙醇和二甲醚和汽油的部分参数.从表中可以看出,醇醚类燃料是含氧类燃料,其燃烧完全,排放清洁,热值相对于汽油偏低,防爆性能好,是比较理想的汽车替代燃料.

表 2(Table 2)

表 2 甲醇、乙醇和二甲醚和汽油的部分参数 Tab. 2 Some properties of methanol,ethanol, DME and gasoline 理化特性 甲醇 乙醇 二甲醚 汽油 化学式 CH3OH C2H5OH C2H6O C4~C12烃类 碳的质量分数/% 37.5 52.2 52.2 85~88 氢的质量分数/% 12.5 13.0 13.0 12~15 氧的质量分数/% 50.0 34.8 34.8 0 理论空燃比/% 6.5 9.0 9.0 14.7 低位热值/ (MJ·kg-1) 19.92 26.77 28.43 44.52 辛烷值 92~112 91~111 84~96 十六烷值 >55

表 2 甲醇、乙醇和二甲醚和汽油的部分参数 Tab. 2 Some properties of methanol,ethanol, DME and gasoline

甲醇燃烧特性良好,排放清洁,被认为是性能优良的汽车替代燃料.国内外学者对甲醇做了大量的研究,将其应用于发动机的技术也日渐成熟,但甲醇汽油的毒性和金属腐蚀性等问题还有待进一步的研究.国内外关于二甲醚作为汽车替代燃料的研究已进行了十多年,在二甲醚应用于汽车发动机及整车的研究上也取得了令人振奋的成果,但是目前生产甲醇、二甲醚的主要原料还是天然气、轻质油、重质油、煤焦炭等,从原料上看甲醇与二甲醚是不可再生的.

乙醇是一种可再生资源,其理化特性接近汽油,容易与汽油按一定比例混溶作为汽车燃料,以提高汽油的抗爆性,降低排放.当乙醇的体积分数小于15%时,可不对发动机作调整;当乙醇体积分数继续提高时,则需要对发动机的空燃比、点火提前角及金属部件等进行适当的调整或改造^[7].乙醇汽油的优点是显而易见的,但同时乙醇汽油又有着不容忽视的弊端,如燃烧后会产生对金属具有腐蚀性的物质,造成汽车供油系统中橡胶部件溶胀等.

乙醇作为一种新型的汽车替代燃料,其生产原料主要来源于粮食,然而我国是一个人口大国,粮食供应有限,不可能将粮食用于乙醇的大规模生产.虽然很多学者也在寻找一些替代原料生产乙醇,但是效果都不太理想,这严重制约了乙醇燃料的发展.在相当长的时间内,这种情况将不会得到改变,所以发展乙醇这一汽车替代燃料需要寻找新思路和新途径.如何找到经济、环保的原料供应源在乙醇燃料的发展中起着关键性的作用. 2.2.2 氢能源

氢能源一度被称为是“最被看好的”汽车替代燃料,因为氢气燃烧热值高达121 MJ·kg^-1,而且燃烧后只生成水,这无疑是高效、环保的,所以发展氢能源以及发展氢能源汽车曾经呼声很高.美国在2003年投资17亿美元启动“自由轿车(Freedom car)”项目和“自由燃料(Freedom fuel)”氢燃料开发计划,然而随着对氢气研究及其在汽车行业应用的深入,很多专家对氢能源提出了不同的观点.2009年26位国内外传统发动机专家联名提交了一份质疑氢能源技术前景的《开发车用动力技术,减轻能源压力的建议》给国务院.该建议中提到:“自然界并不存在着大量的氢气,因此氢气不是能源,更不是新能源.产生氢气需要通过能量转换,这样氢气可用作能量的载体.‘氢能源’的口号使很多人误以为使用氢气就能解决交通能源问题,很自然地认定应集中力量全面开发氢气汽车.这种误解会影响政府和企业解决交通能源问题的决策.如果氢燃料汽车研究到最后,发现需要走别的技术途径,这就使大规模投资的氢燃料汽车前功尽弃.”^{[8, 9]}

虽然氢能源备受争议,但是也不能阻止学者研究的步伐。如今氢能源电池汽车发展比较迅速,然而这种汽车造价非常昂贵,而且加氢站到普及阶段还有很长的一段路要走,同时,氢气不易储存、易燃易爆、制造成本高等也严重制约了氢能源的发展,氢能源作为汽车替代燃料还有很多问题亟待解决. 2.2.3 植物油燃料

植物油作为汽车替代燃料,通常与柴油混合制成生物柴油使用.表 3给出了生物柴油和常规柴油的主要参数对比.从表中可以看出：生物柴油的闪点高,所以其安全性能较好;生物柴油的十六烷值也很高,经过酯化处理后十六烷值会更高,其着火性能可以达到常规柴油的水平;生物柴油约含有10%的氧,相比于常规柴油,生物柴油减少了可燃物质(C、H),增加了助燃物质(O),因此其低位热值相比于常规柴油略低,这使得燃油消耗率略有增加,但是生物柴油与常规柴油的热效率基本相同,同时氧的存在减少了HC和碳烟的排放^[10].同其它替代燃料相同,目前植物油燃料应用于汽车还存在许多问题,如冷启动困难等.目前使用的植物油主要有麻疯树籽油、花生油、大豆油等,这些植物油的价格正在逐年攀升,有的价格甚至已经超过柴油,这使得生物柴油的成本过高,制约了植物油燃料作为汽车替代燃料的发展.

表 3(Table 3)

表 3 生物柴油和常规柴油的主要参数对比 Tab. 3 Comparison between the parameters of biodiesel and conventional diesel fuel 理化特性 生物柴油 常规柴油 闪点/℃ >100 60 氧的质量分数/% 10 0 硫的质量分数/% <0.001 <0.2 低位热值/(MJ·kg-1) 38 44 十六烷值 >56 >49 稳定性 差 好

表 3 生物柴油和常规柴油的主要参数对比 Tab. 3 Comparison between the parameters of biodiesel and conventional diesel fuel

我国是一个粮食生产大国,近年来在国家农业政策的推动下全国粮食产量稳步增长,与此同时农作物的秸秆产量也在不断增加.2013年我国农作物秸秆总量约为8亿t,约占全球秸秆总量的20%.农作物秸秆在我国是十分丰富、绿色、可再生的宝贵资源,因此生物质裂解气有了可靠的来源.将秸秆等生物质固体燃料经过高温(>600 ℃)和缺氧处理后裂解成的可燃生物质气是一种经济、环保的能源,同时,其作为汽车替代能源的潜力也是十分巨大的.表 4给出了生物质裂解气和汽油的主要参数对比.

表 4(Table 4)

表 4 生物质裂解气和汽油主要参数对比 Tab. 4 Comparison between the properties of biomass cracking gas and gasoline 理化特性 生物质裂解气 汽油 主要成分(质量分数) CO(12%~16%) H2(10%~20%) CH4(2%~5%) C5~C12烃类 低位热值/(MJ·kg-1) 10.0 120.0 50.1 44.5 辛烷值 35 100~130 84~96 着火温度/ ℃ 650 585 540 427 火焰在标准状况下传播速度/(cm·s-1) 30 265~325 37~45 39~47 理论空燃比 2.46 34.20 17.24 14.70

表 4 生物质裂解气和汽油主要参数对比 Tab. 4 Comparison between the properties of biomass cracking gas and gasoline

从表 4可以看出,生物质裂解气是一种比较清洁的燃料.生物质裂解气因其组成不同,理化特性会有所差别.生物质裂解气除了含有表 4中的主要成分外,还含有约1%的氧气、20%的二氧化碳和50%的氮气.受其组成成分的限制,大部分生物质裂解气具有热值偏低(约为汽油的1/8~1/10)、火焰传播速度慢、用于发动机时效率偏低等缺点^[11].

目前生物质裂解气应用于汽车行业的研究还处在起步阶段,且大部分集中在“生物质裂解燃气—柴油”双燃料发动机上.国内专门从事生物质裂解气发动机及汽车研究的专家比较少,这使得生物质裂解气发动机及汽车的研究进展缓慢,缺乏完善的理论指导.随着可再生的生物质能源被人们越来越重视,生物质裂解气也将会更多地进入人们的视线,未来生物质裂解气作为汽车替代燃料或许会绽放异彩. 3 结 论

天然气在相当长的时间内还将是汽车替代燃料中的主流产品,但其作为不可再生能源的本质也将会使其未来的发展不容乐观;可再生替代燃料中的醇醚类燃料和植物油燃料因其原料和成本问题将会使关于两者的研究和应用走下坡路;氢能源作为一种备受争议的新兴能源,会逐渐被大家清醒地认识;而生物质裂解气的发展则任重而道远.燃料是否可再生,是否节能、环保、清洁,决定着燃料的命运.在成熟的技术和政策法规的保障下,可再生替代燃料必然是将来汽车燃料发展的主流.