汽车替代燃料概述培训讲义

第3章汽车替代燃料3.1概述

3.1.1开发代用燃料的原因

1.能源储备量2.环境污染问题

3.1.2汽车新能源的选择标准1.储量丰富2.热值高，能量密度大3.安全、无毒、污染小4.价格便宜，来源广，容易制取5.便于携带、储存和使用6.最好可与现在的汽车供油系统兼容或只需进行简单的改装即可使用。3.1.3主要汽车替代燃料的种类目前，有广阔发展前景的替代燃料主要有醇类燃料、电能、压缩天然气、液化石油气、氢气、太阳能等。气体燃料是能源的一个重要组成部分，被称为继煤炭和石油之后的第三大能源。醇类燃料的发展一直受到各国的重视。汽车用醇类燃料主要是甲醇和乙醇，醇类的来源极其丰富，生产工艺成熟。电能是二次能源，原则的讲，它可以来源任何一种其他能源，以电能为动力的汽车就是电动汽车。电动汽车有蓄电池式、燃料电池式和混合动力电动汽车等多种形式。

3.2氢气近年来，氢气发动机汽车的热度明显上升，它是清洁能源应用的一个好契机，同时它和燃料电池电动汽车在都使用氢气这一点上有着同根同源的关系，在氢能源社会建设工程方面，是一个非常合适的过渡。

3.2.1氢气在发动机上的使用

氢气既可以单独作为内燃机燃料用于发动机，也可与汽油作为混合燃料用于发动机。目前，氢燃料在汽车上的使用多为氢与汽油混合作为燃料用于发动机。氢气单独作为内燃机燃料在发动机上使用，其供氢方式有缸内直接供氢法、预燃室喷氢法、进气道间歇喷射—电磁控制法、进气道间歇喷射—进气门座工作面吸入法、进气管连续喷射—空气导流法和进气管连续喷射—混合气法等几种。为提高发动机的功率，一般采用内部混合气形成的氢发动机，即缸内直接供氢法。氢气发动机是在原型汽油机上改进的，发动机的排量，缸径，行程，压缩比都没有什么变动，只是在发动机上安装第二套供气管路，氢气是利用储氢罐的压力被送到发动机上的。在此过程中，重要的是使液态氢的气化过程。所以在发动机外面要加一个热交换器，使氢汽化并加热，经过动力调节，生成可燃混合气体。2009年6月16日，美国南加州莫哈韦沙漠的艾尔·米诺日干湖那宽阔龟裂的土地上风大尘高。测试人员杰西驾驶着他那辆形似一颗水滴的改装车一“飞”而过。依靠改装的氢动力发动机，他开到了时速199.712英里（321.54公里），刷新了此前由宝马H2R氢动力车在德国创下的186英里/小时（约299.3千米）的氢动力陆地速度纪录。

3.2.2氢的制造目前，氢的制造通常有两种办法，一种是利用煤炭、石油、天然气提取碳氢化合物；一种是直接利用水制取。我国“973”计划项目中，有利用太阳能进行规模制氢的基础研究，目前已在西安交通大学正式启动。

3.2.3氢的储存氢的储存方法：①金属氢化物贮存，金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，效率很高。但金属氢化物贮氢方式的重量大，且氢压太低，使得氢很难直接喷入气缸；②高压容器贮存，高压容器贮存是将氢压缩后存贮在高压氢气瓶，这种贮氢方式能提供较高的压力。但高压容器贮氢方式的重量较大，与金属氢化物贮氢方式相当。高压容器贮氢体积太大，只能在大客车上应用；③液氢贮存，液氢是把氢气液化后存贮在绝热容器中。氢气的沸点为-253℃。液氢贮氢方式设备重量轻，并且借助小型液氢泵还可获得8～10MPa的高压，以满足高压喷射方式的需要。但这种贮氢方式需使用绝热容器，价格昂贵，并且还容易发生蒸发泄露等。储氢箱大多是使用钛合金板制成的；④最先进的储氢是利用纳米碳素纤维储存氢气，目前正在加速研制中。对高压氢气瓶的加注，液氢温度为-253℃，如果用手去操作，会冻伤的，所以安装一种智能机器手，代替人工加注，加注时间一般为4分钟，由于在广阔露天，泄漏的一点氢气很快飞散，不会引起大爆炸。

3.2.4氢燃料的特点

氢是一种理想的清洁燃料，用作汽车燃料可实现真正的“零排放”。其优点在于：①无毒性，无污染，来源广，是地球上仅次于氧的最丰富元素，主要以化合物的形式存在于水中；②氢燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物；③单位重量的氢释放的热能比任何碳氢燃料都高，约为化石燃料的3倍；氢能源使用效率高，比常规的化石燃料的热效率高10％～15％；

④比重小，火焰传播速度高，其火焰传播速度高达2.91m/s，是汽油的7.72倍，这就说明氢气的抗爆性比汽油好；⑤氢极易点燃，最小点火能量只有汽油的1/3，可燃界限宽，在空气中的着火界限是4.1％～75％比汽油和柴油的着火界限大很多，容易实现稀薄燃烧；⑥氢气是一种清洁燃料，其燃烧产物是水，没有碳和碳烟。氢燃料要想被广泛应用还存在的一些问题：①氢密度小、易汽化、着火、爆炸、储存运输不便，故携带性和安全性差，需专用发动机和配套基础设备；②制氢技术有待提高，制氢消耗的能量多、效率低、成本高；③储氢技术尚需提高，低温液化、高压压缩、金属吸附等储氢方法，燃料和附加设备的重量和体积都太大；④氢的沸点为-253℃，氢在大气中的扩散系数约为汽油的8倍，因而氢燃料“逃逸率”高。

3.2.5国内外氢能源的研发现状

二十世纪七十年代以来，美国、欧洲、日本对氢燃料的研究十分盛行，氢动力车、氢发动机、储氢金属材料和制氢技术都有了长足的发展，但是氢气作为内燃机燃料的技术难度较大，而且氢气在贮存、使用过程中，也存有一定的危险，如泄漏能力强、易被高温炽热点点燃等。很难在近期内推广使用。我国也十分重视氢能源的研究与开发工作。2003年11月中国和欧盟共同签署了“氢经济国际合作伙伴计划（IPHE）”。2009年5月份，由科技部、科协、国际能源协会，在北京联合举办“第二届国际氢能源论坛”我国的氢能源研发已和国际广泛合作和接轨。科技部负责人表示：氢作为21世纪最具发展潜力的清洁能源，中国绝不能落后，既要求国际的合作，又要走中国国情的路子，可以说中国已在一些氢能源研究开发及应用示范项目上，取得了一些关键技术上的显著进展。

3.3天然气

3.3.1天然气概述天然气（NaturalGas，简称为NG），天然气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生的气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而出或纯天然气气田。天然气是地表下岩石中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物的统称，主要成分是甲烷，其体积一般占天然气的80％～99％，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气主要存在于油田和天然气田，也有少量存在于煤层。比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂（四氢噻吩），以资用户嗅辨。天然气在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。天然气在空气中浓度为5％～15％的范围内，遇明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间产生高压、高温，其破坏力和危险性都是很大的。

天然气的应用：1）民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气的首选燃料；2）工业燃料：以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉；3）工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等4）化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血盐钾，赤血盐钾等；5）压缩天然气汽车：以天然气代替汽油，具有价格低、污染少、安全等优点，可以解决汽车尾气污染问题。物化特性参数数值物化特性参数数值H／C原子比4理论空燃比（质量比〕17.25密度（液相）/（kg·m-3）424理论空燃比（体积比）9.52密度①（气相）/（kg·m-3）0.715高热值/（MJ·kg-1）55.54分子量16.043低热值/（MJ·kg-1）50.05沸点/℃-161.5混合气热值/（MJ·m-3）3.39凝点/℃-182.5混合气热值/（MJ·kg-1）2.75临界温度/℃-82.6低热值（液态）/（MJ·L-1）21.22临界压力/MPa4.62辛烷值RON130汽化潜热/（kJ·kg-1）510着火极限（体积分数）（％）5~15比热容（液体，沸点）/（kJ·kg-1K-1）3.87着火温度（常压下）/℃537比热容（气体，25℃）/（kJ·kg-1K-1）2.23火焰传播速度/（cm·s-1）33.8气/液容积比（15℃）624火焰温度/℃19183.3.2天然气的主要物化特性

3.3.3天然气的特点1）着火极限宽，5％～15％，容易实现稀薄燃烧。2）与空气的理论混合气热值低。3）火焰传播速度低。4）点火能量高，着火温度是537℃。5）抗爆燃性能好，辛烷值是130。6）密度小。7）排放污染小。8）携带性较差。9）使用天然气可使发动机的磨损减小。

3.3.4天然气在汽车上的使用1.天然气的存在形式作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式不同，分为压缩天然气（CompressedNaturalGas，简称CNG）和液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）两种。1）压缩天然气（CNG）压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至25MPa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。2）液化天然气（LNG）液化天然气是经过一定工艺将天然气在-162℃（112K）左右时，压力为0.1MPa时变为液态，存贮在储存罐内。存罐内。与压缩天然气相比，液化天然气工作压力降低，储气瓶体积减小，续驶里程延长。但它对低温贮存技术要求较高。2.天然气汽车类型根据天然气的储存形式，天然气汽车分为压缩天然气汽车和液化天然气汽车。以CNG为燃料的车辆叫做CNGV（CompressedNaturalGasVehicle），以LNG为燃料的车辆叫做LNGV（LiquefiedNaturalGasVehicle简称为LNGV)。1）压缩天然气汽车目前国内外发展较快的是压缩天然气汽车。压缩天然气是一种理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。压缩天然气汽车按燃料供给系统不同又可分为专用压缩天然气汽车、压缩天然气与汽油两用燃料汽车、压缩天然气与柴油双燃料汽车等。①专用压缩天然气汽车以CNG作为惟一燃料，其发动机的燃料供给系统专为CNG燃料设计，能充分发挥CNG燃料的特点；②压缩天然气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成，有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的CNG供给装置。发动机可以分别使用CNG和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。压缩天然气与汽油两用燃料汽车由于发动机结构未作改动，对原来的汽油机使用性能没有影响。但当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致发动机功率略有下降。③压缩天然气与柴油双燃料汽车是通过对现成柴油车改装而成。其燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给CNG和柴油两种燃料。其中，柴油只作引燃燃料，CNG是主要燃料。2）液化天然气汽车是将液化天然气储存在温度为112K压力为0.1MPa左右的储存罐内，其密度为标准状态下的600多倍，能量密度约为汽油的72%，已接近汽油。由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。3.天然气汽车技术天然气汽车技术，是指汽车用天然气贮存、加注以及合理运用等方面的技术，主要包括以下几方面。1）加气站技术无论是压缩天然气还是液化天然气，它们向汽车上加注时，所需加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加注设备复杂一些，必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这需要较高的技术水平。天然气加气站一般分为三个基本类型，即快速充装型，普通（慢速）充装及两者的混合型。2）发动机技术天然气燃料的性质不同于汽、柴油，因此天然气发动机的结构也不同于汽油机和柴油机，应对其燃料混合、发动机燃烧室结构、点火系统等方面的独特之处进行研究与开发。3）气瓶技术由于汽车具有的流动性，燃料必须时刻携带。绝大多数天然气汽车都把气瓶布置在行李箱里，如右图。

3.4液化石油气

3.4.1石油气概述液化石油气（LiquefiedPetroleumGas，简称LPG）是炼油厂进行原油催化裂解与热裂解时所得到的副产品，是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压或降温液化得到的一种无色或黄棕色油状挥发性液体。其主要成分是丙烷和丁烷，含量达到爆炸极限（1.7％～10％）时，遇到火星或电火花就会发生爆炸。为了提醒人们及时发现液化气是否泄漏，加工厂常向液化气中混入少量有恶臭味的硫醇或硫醚类化合物。液化石油气的应用：1）用于有色金属冶炼2）窑炉焙烧3）作汽车燃料4）居民生活燃用物化特性参数丙烷丁烷物化特性参数丙烷丁烷H/C原子比2.672.5理论空燃比（质量比）15.6515.43密度（液相）/（kg·m-3）528602理论空燃比（体积比）23.8130.95密度①（气相）/（kg·m-3）2.022.598高热值/（MJ·kg-1）50.3849.56分子量44.09758.124低热值/（MJ·kg-1）45.7746.39沸点／℃-42.1-0.5混合气热值/（MJ·m-3）3.493.52凝点/℃-187.7-138.4混合气热值/（MJ·kg-1）2.792.79临界温度/℃96.7152.0低热值（液态）/（MJ·L-1）27.0027.55临界压力／MPa4.253.8辛烷值RON111.595汽化潜热/（kJ·kg-1〕426385着火极限（体积分数）（%）2.2~9.51.9~8.5比热容（液体，沸点）/（kJ·kg-1·K-1）2.482.36着火温度（常压下）／℃466430比热容（气体，25℃）/（kJ·kg-1·K-1）1.671.68火焰传播速度/（cm·s-1）3837气/液容积比（15℃）273236火焰温度/℃197019753.4.2液化石油气的主要物化特性

3.4.3液化石油气的特点1）抗爆性能高2）排放污染小3）火焰传播速度慢4）点火能量高5）与空气的理论混合气热值低6）便于携带

3.4.4液化石油气在汽车上的使用1.对车用液化石油气的技术要求为保证液化石油气的质量能满足汽车的使用需求，我国对车用液化石油气的技术要求如下表所示。

项目质量指标试验方法车用丙烷车用丙丁烷混合物37.8℃蒸气压（表压）/kPa≤1430≤1430按GB/T6602①组分（％）丙烷—≥60

按SH/T0230丁烷及以上组分≤2.5—戊烷及以上组分—≤2丙烯≤5≤5残留物100mL蒸发残留物/Ml≤0.05≤0.05按SY/T7509油渍观察通过通过密度（20℃或15℃）/（kg·m-3）实测实测按SH/T0231②铜片腐蚀不大于1级不大于1级按SH/T0232总硫含量（体积分数）（×10-6）≤123≤123按SY/T7508游离水无无目测车用液化石油气技术要求：2.液化石油气汽车类型液化石油气汽车按燃料供给系统不同，可分为专用液化石油气汽车、液化石油气与汽油两用燃料汽车、液化石油气与柴油双燃料汽车等。①专用液化石油气汽车，以LPG作为惟一燃料，其发动机的燃料供给系统专为LPG燃料设计，能充分发挥LPG燃料的特点，使用性能最佳。②液化石油气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成。有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的LPG供给装置。发动机可以分别使用LPG和汽油作为燃料，两种燃料的转换通过电磁阀实现。

3.4.5压缩天然气和液化石油气作为内燃机燃料有以下特点：①它们的污染都较小；②天然气的资源丰富，在今后的相当长时间内有充足保障，但是天然气属非再生能源，不能作为根本性的替代能源。石油气属非再生能源且储量没有天然气丰富；③天然气储运不便（低温-162℃或高压20～25Mpa时才会液化），液化石油气储运方便（常温690Kpa时会液化）；④汽车动力性都有所下降；⑤纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10％左右，液化石油气介于天然气和汽油之间；⑥LPG汽车的特点是技术上成熟，安全可靠性好、能量密度大（一次充气的行程与汽油接近），LPG的供应方便；⑦抗爆性好，甲烷的研究法辛烷值为130，国外研究，燃用天然气的专用型发动机采用的合理压缩比为12，容许压缩比为15，采用提高压缩比的方法，从而大幅度提高汽车的动力性和经济性的潜力。液化石油气的辛烷值在100～110之间。⑧混合气发火界限宽，通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高汽车的经济效益和环保效益；⑨天然气和液化石油气都是比汽油更“清洁”的燃料。它们的燃烧温度低，NOx生成少。它们与空气同为气相，易均匀混合，燃烧较完全，CO和碳粒的排放量极低。采用天然气-柴油双燃料工作时，烟度值很低，约是纯柴油的1/10左右，几乎是呈无烟状态运行。

3.4.6.汽车的其它气体替代能源1.煤气煤气是由其他能源形式，如煤、木柴等经过加工制取的，因以煤制取为主，故称为煤气。其主要成分为CO。煤气的着火温度低，为330℃～350℃，因此抗爆性较差，点火性能良好，着火界限较宽。2.沼气沼气是由有机物质在厌氧的条件下发酵而制取的。沼气的主要成分是甲烷，含量为50％～66％，其它主要成分为CO2和N2。目前国外使用洗气设备，即除去CO2，这样就得到了较纯的甲烷气，其燃烧特点及特性类似天然气。

3.5醇类燃料汽车用醇类燃料主要是甲醇和乙醇，醇类的来源极其丰富，生产工艺成熟。甲醇可以较方便的从煤、木材、天然气、石油伴生气、植物秸杆、甚至城市可燃垃圾及近几年来正在研究中的海草等物质中提炼合成。采用天然气生成甲醇是目前使用最广泛最经济的方法。乙醇可以由乙醛氢化或乙烯水化来制得，也可由单糖类（如苷蔗、甜菜等），淀粉类植物（玉米、薯类、大麦等）及纤维类（如木屑、树枝及秸杆等）为原料采用生物发酵方法制成，还可以从再生的农业，林业，废料等生物物质中制取。

3.5.1醇类燃料的理化性质

醇类燃料与汽油的主要理化性质比较：项目甲醇乙醇汽油常温下的物理状态液态液态液态密度/（g·cm-3）0.79140.78430.72~0.75沸点/℃64.878.330~220闪点/℃1214-43自燃点/℃470420260饱和蒸气压／kPa30.99717.33262.0~82.7低热值/（MJ·kg-1）20.2627.2044.52蒸发潜热/（kJ·kg-1）1101862297辛烷值（RON）11211190、93、95辛烷值（MON）929285、88、90十六烷值3827相对分子质量3246100~115着火极限（体积分数）（％）6.7~364.3~191.3~7.6理论空燃比（kg空气／kg燃料）6.49.014.8燃料种类MONRON灵敏度甲醇9211220乙醇9211119汽油90号8590593号8893595号909553.5.2醇类燃料的特点1.辛烷值高醇类燃料的辛烷值与汽油的辛烷值比较如下表所示:2.蒸发潜热大蒸发潜热是指在常压沸点下，单位质量的纯物质由液体状态变为气体状态需吸收的热量或由气体状态变为液体状态需放出的热量。3.着火极限宽着火极限是指混合气可以着火的最小浓度和最大浓度之间的范围，浓度是以空气中可燃气的体积分数表示。醇类燃料的着火极限比汽油宽得多，甲醇的着火极限是6.7％～36％，乙醇的着火极限4.3％～19％，可实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。4.热值低醇类燃料的热值比汽油低，甲醇热值约为汽油的一半，乙醇热值约为汽油的61％。5.腐蚀性大醇类燃料的化学性较强，对铜铝等金属具有较强的腐蚀能力。对橡胶和塑料等非金属也具有较大的溶胀作用。6.易产生气阻醇类燃料的沸点低，有助于形成燃料与空气的混合气。但温度高时，容易在燃油供给系中产生气阻现象，严重会使供油中断，发动机熄火。7.储存和运输方便醇类燃料在常温下为液态，和传统燃料汽油和柴油相似，所以储存和使用比较方便。8.排放污染低

3.5.3甲醇和乙醇的特点和应用

1.甲醇甲醇系结构最为简单的饱和一元醇，化学式CH3OH。又称“木醇”或“木精”。是无色有酒精气味易挥发的液体。有毒，误饮5～10毫升能双目失明，甲醇的致命剂量大约是70毫升。甲醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气，同时放出热量。甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里，用甲醇燃料助溶剂复配的M系列混合燃料。其中M15(在汽油里添加15％甲醇)清洁甲醇汽油为车用燃料，分别应用于各种汽油发动机。甲醇替代燃料的特点：

①甲醇沸点低辛烷值高，抗爆燃能力较好，甲醇热值低，行驶同样距离的消耗几乎比汽油多一倍，因而需要大的油箱或加装副油箱。甲醇与汽油相溶性较好可实现各种比例掺烧。

②汽化潜热是汽油的3倍多，有极佳的冷却作用，可以降低发动机温度，不致过热。

③它含氧量高，燃烧完全，在汽车发动机中的能量利用效率高于汽油，其经济性很具有竞争力。

④目前，每1.7吨煤就可以炼出一吨甲醇，甲醇是一种优良的汽油替代燃料。每吨汽油的价格为6000多元人民币，而甲醇只有1800元～3000元，基本上是汽油价格的1/3。甲醇燃料在汽油机上的使用从低比例掺烧（M15甲醇占15％）逐渐发展到20世纪80年代后期的高比例（M85～M100）掺烧。甲醇混合燃料的热效率、动力性、启动性、经济性良好，具有降低排放、节省石油、安全方便等特点。世界各国根据不同国情，研发了M3、M5、M15、M20、M50、M85、M100等不同掺和比的甲醇汽油。甲醇灵活燃料车指可使用纯甲醇与汽油以任意比例混合作为燃料的汽车。甲醇灵活燃料车与传统汽油车相比，动力性、经济性以及排放等都得到了很大的改善。甲醇汽车的主要设计出发点是可以满足汽油燃料、甲醇燃料以及汽油与甲醇混合燃料的使用要求，发动机部件针对甲醇特性重新开发，整车增加了冷启动装置、副油箱等，开发了甲醇灵活燃料车整车线束、仪表和转换开关等件。目前，较先进的甲醇燃料汽车装有“汽油——甲醇双燃料电子喷射系统”，甲醇、汽油由两个储存箱单独储存，发动机增装一套单独的甲醇电子喷射系统，燃料系统由两个喷射系统相互对接。车辆的时速110公里以下时，汽车只烧甲醇；时速在110公里至150公里之间时，驾驶员根据汽车的动力性和经济效益，通过一个ECU可以灵活自由选择普通汽油、M15、M25、M70、M85、M100等多种配比燃料。车用甲醇汽油有何优缺点？1）它增加汽油中的氧含量，使燃烧更充分，彻底有效地降低了尾气中有害物质的排放；2）车用甲醇汽油中的变性燃料甲醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除油箱及油路系统中杂质的沉淀和凝结，有良好的油路疏通作用；3）有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，可以延长主要部件的使用寿命。发展甲醇燃料目前受到的争议主要是：第一，甲醇的腐蚀性强；第二，由于甲醇热值低，行驶同样距离的消耗几乎比汽油多一倍，因而需要大的油箱。这在一定程度上制约了甲醇燃料的发展。

甲醇燃料车的开发和研制的关键技术：甲醇冷启动技术甲醇的蒸发潜热是汽油的三倍多，故甲醇蒸发时吸收热量大，燃料蒸发困难。甲醇发动机的润滑开发甲醇汽车专用机油甲醇腐蚀性开发出耐甲醇的发动机零部件以及整车零部件，更改的耐醇件完全符合甲醇燃料车需求油耗压缩比在10.5～11.5之间，M85甲醇汽油与常规汽油的替代比可达到1.5～1.6。电控方面驾驶员根据实际用油环境需要及经济效益考虑通过一个ECU可以灵活自由选择普通汽油、M15、M25、M70、M85、M100甲醇等多种配比燃料，同时可以控制冷启动系统的开启和关闭。综上所述，甲醇是一种理想的汽油替代燃料，对我国能源结构调整、减轻能源紧缺压力都有着深远的意义。但是推广甲醇燃料，光靠技术层面的努力是远远不够的，必须建立完善的甲醇燃料网络体系，制订甲醇燃油标准，获得政府财税政策的支持，同时营造良好的市场环境，做好市场宣传引导工作，这些都需要汽车行业、石化行业包括燃料甲醇生产企业等展开密切的合作。明年10月陕西全面推广使用甲醇汽油，甲醇汽油更清洁环保，动力效果与普通汽油几乎一样，完全达到汽车的使用标准，价格也有望更便宜一些，而且不用改装现有汽车。

目前我国所有93#甲醇汽油都是M15甲醇汽油。

2.乙醇

乙醇俗称酒精，乙醇的原料主要是含糖作物（如蔗糖、甜菜等）、含淀粉作物（土豆、玉米等以及含纤维素原料），这些原料属于可再生能源，生产1吨乙醇需消耗4吨甘蔗或粮食。乙醇汽油由燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成的新型替代能源。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90％的普通汽油与10％的燃料乙醇调和而成。优点：①来源有长期保障，储运方便；②辛烷值高，抗爆性好；

③乙醇含氧量高达34.7％。在汽油中含10％的乙醇，含氧量就能达到3.5％；

④环保效果好，乙醇汽油的使用可有效的降低汽车尾气排放，改善能源结构。缺点：①比普通汽油动力下降油耗增加，天热时还易于气阻熄火；②乙醇汽油储运周期只有4—5天，这影响使用乙醇汽油的方便性。乙醇汽油一旦遇水就会分层，乙醇汽油的保质期只有一个月，过了保质期的乙醇汽油容易出现分层现象，在油罐油箱中容易变浑浊，打不着火。③乙醇的汽化潜热大，理论空燃比下的蒸发温度大于常规汽油。影响混合气的形成及燃烧速度，导致汽车动力性，经济性及冷启动性的下降，不利于汽车的加速性。④材料适应性差，腐蚀金属。

3.6电能

电能是二次能源，原则的讲，它可以来源任何一种其他能源，以电能为动力的汽车就是电动汽车。电动汽车有蓄电池式、燃料电池式和混合动力电动汽车等多种形式。

3.6.1.纯电动汽车电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体；电力可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力、风力等；同样的原油经过粗炼送至电厂发电后将电充入电池，再由电池驱动汽车其能量利用效率比原油经过精炼变为汽油再经汽油机驱动汽车的能量利用效率高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量；电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高了其经济效益。电动汽车的缺点是：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，电池的能量密度与汽油相比差几十倍甚至上百倍远未达到人们所要求的数值，电动车的电池生产成本高，故价格较贵，至于使用成本有些试用结果比内燃机汽车要贵，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。3.6.2.混合动力汽车(HybridElectricVehicle，简称HEV)研发原因：1）当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。2）20世纪90年代以来，世界各国对节能减排的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车。3）这些现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池—发动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，符合道路交通安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前的混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车有串联式、并联式和混联式三种结构形式。

混合动力车优点：①在遇到交通拥挤时的燃油消耗量、尾气排放量等要远远低于仅靠内燃机驱动的汽车，其排放量下降约80％，可节省燃料50％。②需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。③因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。④在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。⑤有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。⑥不需要额外建立新的能源补充基础设施（如加气站、充电站等）。

⑦可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

缺点：①从制造成本上看，混合动力汽车必然要有内燃机和电动机两套动力系统，成本高于传统动力汽车；②汽车并不是只在大城市的拥堵道路上行驶，当在公路上行驶时，电动汽车就失去了频繁制动而回馈的能源，此时，电动机反而成为汽车的重量负担。现状与前景：混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进人实用阶段。由于构造复杂、成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力汽车作为一种过渡产品，在近十年内会有很好的发展前景。3.6.3.燃料电池汽车燃料电池（Fuelcell）是一种将燃料的化学能直接转换成电能的装置。燃料电池内发生的化学反应十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。大多数的燃料电池都是利用空气中的氢气和氧气来发电的，也有的是用甲醇或天然气，将会产生极少的二氧化碳和氮氧化物。但总的来说，这类化学反应除了电能就只产生水。因此燃料电池车被称为“地道的环保车”。由于燃料电池的能量密度可和汽油相比，所以续驶里程也可和汽油汽车相比，但燃料电池的功率密度较汽油的功率密度低很多，因此还需要用少量的电池或超级电容，以提高汽车的加速性能。虽然燃料电池电动汽车有良好的前景，但目前尚未产业化，燃料电池的可靠性、寿命有待改进，氢气的基础设施有待建立，氢气的来源和供应有待解决。燃料电池的工作原理：

燃料电池通过电化学过程把氢和氧转化成水、电流和能量。它的核心是一层膜片，即质子交换膜（PEM-ProtonExchangeMembrane）电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氢分子被铂催化剂分解成两个氢质子与两个电子。氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。带正电的氢离子穿过质子交换膜流向阴极和氧分子进行化合，产生纯水。而带负电的电子却不能穿过质子交换膜，这意味着石墨板外面的两个电极之间产生电位差，如果连接这两个电极，就会产生直流电。水是燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的氢燃料可以来自于任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇、水的电解、沼气…等等。由于燃料电池是利用氢及氧的化学反应，产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及的应用在车辆及其他高污染之发电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。上述过程产生的电压仅为0.7-1.4V，它并不足以驱动汽车，因此需要把许多这样单个燃料电池串联在一起构成燃料电池堆（FuelCellStack）才行。通常所称的燃料电池就是这种电堆总成。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：1）零排放或近似零排放。CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，噪音排放很低，运行平稳、无噪声，无机械振动。2）减少了机油泄露带来的水污染。3）能量转化效率高。他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45％～60％，而火力发电和核电的效率大约在30％～40％。4）积木化强。氢燃料电池：

氢燃料电池4.7太阳能

4.7.1太阳能汽车概述太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在蓄电池中存起备用，给汽车的电动机提供电。相比传统热机驱动的汽车，太阳能汽车是真正的零排放。正因为其环保的特点，太阳能汽车被诸多国家所提倡，太阳能汽车产业的发展也日益蓬勃。太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱动力，二是用作汽车辅助设备的能源。由于太阳能汽车不用燃烧化石燃料，所以不会放出有害物质。在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置，它就是太阳能电池板。太阳能电池板上整齐地排列着许多太阳能电池。这些太阳能电池在阳光的照射下，电极之间产生电动势，然后通过连接两个电极的导线，就会有电流输出。太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是运行原理上都有很大的不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成．利用贴在车体外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。还有一种概念上的太阳能汽车，这种汽车在车体上没有安装光伏电池板，而只是配置蓄电池，而电能全部来自专门的太阳能发电装置。优点是外观与现有车辆类似，没有另类的感觉，缺点是要经常到太阳能电站充电，当然续行能力也受到限制。平常我们看到的人造卫星上的铁翅膀，也是一种供卫星用电的太阳能电池板。目前，主要有两种类型的光电池板（依据所用半导体材料不同）：硅电池和砷化合物电池。环绕地球卫星使用的太阳电池使用的是典型的砷化合物电池，而硅电池则更为普遍的为地面基础设备所使用。一般等级的太阳能汽车通常使用硅电池板。许多独立的硅片（接近1000个）被组合，形成太阳电池方阵（太阳电池方阵是太阳能汽车的能源，方阵是由许多PV光电池板组成。方阵类型受到太阳能汽车尺寸和部件费用等的制约）。通常，硅太阳能电池能把10％～15％的太阳能转变成电能。它使用方便经久耐用又很干净，不污染环境，是比较理想的一种电源。只是光电转换的比率小了一些。近年来，美国已研制成光电转换率达35％的高性能太阳能电池。太阳能和其它能量混合驱动汽车：太阳能辐射强度较弱，光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气的限制，使得完全靠太阳能驱动的汽车的实用性受到极大的限制，不利于推广。因此就出现了一种采用太阳能和其它能量混合驱动的汽车。复合能源汽车外观与传统汽车相似，只是在车表面加装了部分太阳能吸收装置，比如车顶电池板，用于给蓄电池充电或直接作为动力源。这种汽车既有汽油发动机，又有电动机，汽油发动Lucile（萤火虫）的概念车，它的颜色像萤火虫。这款车曾在北京展览过，车顶上贴有近一平方米的转换效率较高的光伏板，作用是辅助给12伏的电池充电，当12伏电池充满后，12伏电池又会给主电池充电。电池充满电时，这辆概念车能行驶800公里。（2）用于驱动风扇和汽车空调等系统汽车在阳光下停泊，由于车内空气不流通，使得车体成了收集太阳能的温室，造成车内温度升高，使车内释放大量的有害物质，从而使车内空气品质变糟。若加装太阳能装置，比如加装太阳能风扇等，则可以为车辆在停泊期间无能耗提供新风并降温，保证车辆再次上路时有良好的空气品质。太阳能汽车的优点：太阳能电动车以光电代油，可节约有限的石油资源。白天，太阳电池把光能转换为电能自动存储在动力电池中，在晚间还可以利用低谷电（220V）充电；无污染，无噪音；太阳能电动车的热量转换不受卡诺循环规律的限制，90％的能量用于推动车辆前进；易于驾驶，无需电子点火，只需踩踏加速踏板便可启动，利用控制器使车速变化。不需换挡、踩离合器，简化了驾驶的复杂性；太阳能电动车结构简单，除了定期更换蓄电池以外，基本上不需日常保养，省去了传统汽车必须经常更换机油，添加冷却水等定期保养的烦恼；太阳能电动车没有内燃机、离合器、变速箱、传动轴、散热器、排气管等零部件，结构简单，制造难度降低；太阳能汽车最具魅力的部分就是车身，光滑而又具有异域风情的外观是吸引眼球的部分，由于没有统一的标准而使得每一辆太阳能汽车各具特色。

4.8生物燃料

4.8.1生物燃料概述

1.定义：生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。2.生物燃料的使用

巴西是世界上最大的生物燃料(乙醇)生产国。美国是世界上第二大可再生燃料生产国。3.生物柴油（biodieselfuel）生物柴油学名为植物酸甲脂。它是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料（它是以动植物油脂为原料，用甲醇或乙醇在催化剂作用下经脂交换制成的柴油）。生物柴油的特点：1)含水率较高，最大可达30％-45％。水分有利于降低油的黏度、提高稳定性，但降低了油的热值；2)pH值低，故贮存装置最好是抗酸腐蚀的材料；3)具有“老化”倾向，加热不宜超过80℃，宜避光、避免与空气接触保存；4)润滑性能好。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。5)优良的环保特性：硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低、生物柴油的生物降解性高达98％，降解速率是普通柴油的2倍，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染；6）较好的低温发动机启动性能，无添加剂冷滤点达-20℃；7）较好的安全性能：闪点高，运输、储存、使用方面安全；8）十六烷值高，燃烧性能好于柴油，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。9）具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。10）无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。11）生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。生物柴油的缺点：1）以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高；2）用化学方法合成生物柴油有以下缺点：工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高，设备投入大；色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；酯化产物难于回收，回收成本高；

2.9二甲醚（DME）

2.9.1二甲醚的理化性质（二甲醚是柴油发动机的理想燃料）

二甲醚分子式为CH3OCH3，是一种最简单的醚类化合物，又叫甲醚或氧代双甲烷。由甲醇（CH3OH）脱水而得，也可由原甲酸在三氯化铁的催化下分解而得。具有轻微醚香味、毒性极低、不致癌、腐蚀性小、对环境无污染、溶于水和乙醇。二甲醚是无色可燃性气体或压缩液体、对中枢神经系统有抑制作用，麻醉作用弱。吸入后可引起麻醉、窒息感，对皮肤有刺激性。常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化，液体二甲醚看似水，易于储存与运输，它的十六烷值较高（在55以上），适合在压燃式发动机上使用，其自燃点较低，比柴油低15℃。二甲醚发动机动力性与柴油发动机相当甚至更好；环保指标上，二甲醚发动机排放达到欧III标准，实现了完全无烟度排放；就燃料经济性来看，折合油耗与柴油机相当。随着环保重视程度的提高，二甲醚汽车的优势会越来越明显。2.9.2发展二甲醚汽车的三个意义：1）代替车用柴油；2）有利于缓解中国能源紧张；3）二甲醚是清洁能源。

2.9.3发展二甲醚汽车目前存在的问题：1）二甲醚价格不便宜；2）二甲醚汽车整车还需改造或增加压力容器、输送泵等设备，估计整车成本较欧II柴油车成本增加2万元左右；3）二甲醚产量较低。国内生产二甲醚主要有两大原料：天然气和煤炭。由于中国天然气少而煤多，所以二甲醚最稳定的上游原料还是煤。二甲醚可从煤、煤层气、天然气、生物质等多种资源制取，能实现高效清洁燃烧，在交通运输、发电、民用等领域有十分广阔的应用前景。

2.10水燃料2008年6月12日，一家名为“基尼派克斯”的日本公司在大阪发布了他们的最新研究成果—水燃料电池车。水燃料发动机的基本工作原理都是通过电解或者化学反应的方式，将水分解为氢气和氧气，然后再将两者进行燃烧以产生动力。“基尼派克斯”公司的水燃料电池车的后备箱中有个特制的箱子，就是汽车的能量发生器。只要将一定量的水注入到其中，这个能量发生器就会从水中分离出氢，之后再经历一系列的处理之后，就可以最终产生驱动车辆的电力。据该公司介绍，此系统的主要特征是使用了一种名为膜电极组（MembraneElectrodeAssembly，MEA）的技术，可以将水通过化学反应分解为氢气和氧气，进而以此推动汽车前进。他们表示这种技术效率是目前为止最先进的，成本也更低，且能让水产生更长时间的氢。

2.11液态空气

空气发动机工作原理在汽车中装一个类似汽车水箱散热器的热交换器，当液氮经过时，因遇热气化，容积瞬间膨胀700倍，此过程推动活塞做功，类似汽油燃烧时的爆炸作用。由于制造电池的物质有