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世界不同汽车动力装置及燃料经济性的分析汽车动力装置的未来将取决于矿物性燃料及可再生性能源的探明储量及预计储量。 选择汽车燃料时自然要考虑到一系列因素，比如燃料的供应条件；能源开采地与需求地的远近；燃料的生产效率；燃料运输及储存的难易程度；建设加注站所需的投资；改用新燃料后发动机结构的必要改进；燃料对汽车性能(包括动力性、经济性、工作噪声等)以及排放(包括NOx等有害气体以及CO2、CH4、NO2等温室效气体)的影响等等。然而要兼顾上述条件的燃料事实上是不存在的，这就说明将来汽车将会采用多种燃料。1015年来，燃用由石油提炼的柴油、汽油的发动机发生了革命性的技术飞跃，这表现在柴油发动机普遍采用了增压中冷技术、缸内燃烧优化技术以及排气后处理技术等，而汽油发动机则运用了多点喷射技术、电子控制系统以及新一代三元催化器等。 另外，世界各国在降低柴油、汽油中的硫含量方面也取得了较大成绩，欧盟甚至计划到2011年把燃油中的硫含量降至10mg/kg。 2 天然气是未来重要的汽车燃料 由于天然气具有众多优点，已经成为重要的汽车燃料。 众所周知，天然气可以用来制取多种燃料，比如甲醇、合成柴油(如采取Fischre-Tropsch法)等，而且这种合成柴油的各项性能都好于普通柴油，唯一的缺点是制取时所需的能耗要高于制取液化天然气，应该看到天然气在液化时所消耗的一部分能量被用于降低空燃混合气的温度，增大了发动机的功率。 天然气的硫含量较低，通常只有12mg/kg，但是由于要添加含硫的臭味剂，天然气中硫含量上升到了10mg/kg，因此大力减少臭味剂中的硫含量已经成为当务之急。 另外天然气还可以制取氢燃料，用于燃料电池汽车。目前世界上每年用天然气制取的氢产量为5000亿hm3，其中有1900亿hm3的氢被用于化工行业。由天然气制取的氢燃料可以用来改善车用燃油，特别是柴油的质量。柴油添加氢后热值会得到提高，但是这种方法中也存在一定能耗及CO2排放的问题。 天然气的车载存储方式及使用方法多种多样，车载天然气可以以吸附的形式，也可以液态的形式(使用低温储气瓶)储存。分析表明，当天然气以吸附的形式车载储存时，NOx、SO2及CO2的排放量最少，而且同压缩储氢法相比，这种方法中的天然气的压力减少到了原来的1/6，而储存量只减少了1/3。这样就减轻了储气瓶的质量，实现了汽车的轻量化，同时也相应节约了压缩天然气时所需的能源，方便了储气瓶的安放。 目前世界各国开发的天然气发动机在运用多点喷射或缸内直喷技术以及三元催化器方面成绩斐然，而且使用的增压中冷技术能使发动机采取稀薄燃烧方式，从而极大地减少了有害气体的排放，第一代专门的氧化催化器不仅能降低碳氧化物的排放量，而且还能减少碳氢化物(包括甲烷)的排放量。当然，天然气发动机也采用了先进的电子控制系统。表1列出了本田Civic GX天然气汽车(1.7L)的排放指标。 表1 本田Civic GX天然气汽车(1.7L)的排放指标 单位，g/英里 CO NMCH NOx NOx(公路行驶) ZEV法规 1.0 0.01 0.02 0.03 本田Civic GX 0.088 0.001 0.008 0.011 美国加利福尼亚州空气资源局制定的ZEV(零污染汽车)法规使汽车尾气中的有害气体几乎接近零排放。业内专家认为，汽油发动机也可以达到上述排放限值，但是花费巨大，而天然气发动机在减少有害排放方面具有优势。同汽油发动机相比，天然气发动机在冷起动时排放的各种有害气体较少。 当天然气发动机的燃料经济性等同于柴油发动机时，天然气产生的温室效应气体明显要比柴油少。但是当把柴油发动机改为天然气发动机时，如果只采用化学当量浓度混合气工作不采取其它措施，发动机就会出现热负荷明显升高，可靠性下降的现象，因此初步改装的效果不太理想，对此要进一步使用增压技术并采取稀薄燃烧方案，而且为了降低发动机的氮氧化物的排放还必须采取专门的措施，比如安装专门的DeNOX催化器等，为此现在世界各国正在研制新一代天然气发动机。 从世界各国使用天然气汽车的经验来看，为了推广使用天然气汽车，就必须建立大批的天然气加注网络。目前世界上具有4544座加气站，其中俄罗斯有207座，当然这是远远不够的。德国专家认为，要满足德国境内的天然气汽车的加气需要，就必须在现有300座加气站的基础上，到2007年前再建立1000座加气站，当然还要使用流动加气站等。从天然气预计储量大于任何一种矿物性燃料的考虑，投巨资建设加气站将是迟早的事情。 3 燃料电池汽车存在的问题 除环保型好的天然气车汽车外，近年来世界上还出现了诸如混合动力汽车、燃料电池汽车等有别于传统汽车的新型清洁汽车。 混合动力汽车配备了集成起动/发电机，能在较短的时间内使汽车加速。虽然世界各大汽车公司开发的混合动力汽车主要采用的是汽油发动机或柴油发动机，但是专家认为，如果混合动力汽车燃用天然气将具有无可比拟的优势，而且不存在天然气储气瓶占用其他装置位置的问题。 当然用车载装置对其他燃料重整的方法也能获得氢燃料。如果燃料电池的氢燃料来自于加注站，那么就必须要建立起相应的运输及加注网络。加注站的氢燃料可以通过电解水的方法(采用廉价电力，比如核电)制取，但如果靠火力发电站发电来电解水制取氢燃料显然是不现实的，因为在这一环节中向环境排放了大量的温室效应气体(且不说很多地方电力紧张)。 采用蒸汽重整的方法可以稳定的获得氢气，但是初级原料采用的不是目前硫含量较高的汽油，而是可以直接用于汽油发动机上的甲醇(比如美国的M85燃油)。研究表明，从初级原料的开采到驱动汽车的整个环节中，燃料电池并不能保证不向环境排放有害气体及温室效应气体，因此许多专家对其使用合理性还存在着很大的怀疑。通过对同辆汽车使用不同动力装置时的一系列周密实验，发现当电动汽车的电能来自于火力发电站时，它向环境排放的CO2气体最多，因为火力发电站消耗了67%的煤炭、8%的石油、23%的核能以及2%的天然气。同样，这对于燃料电池汽车情形也是一样的，燃料电池汽车的氢燃料也可能是由火力发电站发电电解水制取的，而且燃料电池各个环节存在着能量损耗及一定的有害排放。因此，到目前为止，燃料电池究竟最好使用何种燃料的问题还悬而未决。 表2 各种方案的燃料电池(FC)汽车同天然气混合动力汽车的比较 汽油重整FC 乙醇、乙醚重整FC 氢、天然气(集中制取)FC 氢、天然气(小量制取)FC 电解氢FC 天然气混合动力汽车 降低有害排放 提高效率 / / / 不确定1 减少温室效应 2 整个环节不使用煤炭 是 是3 是 是 是2 是3 可使用输送的天然气 不是 是 是 是 不是 是 备注：1.如果采用天然气发电可以提高。2.使用水力、太阳能、地热能或核能发电时。3.如果采用生物制取甲醇或采用沼气时。 4 各种动力装置及燃料的经济性分析 在该文中把燃料从开采地直到转换能量驱动汽车车轮的整个环节简称为“P-R”环节，而把燃料从开采地到汽车燃料箱的整个环节称之为“P-B”环节，有关这两个环节的分析结果见表3。 表3 对汽车在“P-R”环节、“P-B”环节的分析结果 燃料种类 具体情况 指数 汽油 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.83 用作燃料的转化率 1.0 动力装置的平均效率 0.143 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.124 用于混合动力装置上时 1.23 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.152 柴油 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.88 用作燃料的转化率 1.0 动力装置的平均效率 0.177 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.155 用于混合动力装置上时 1.2 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.186 压缩天然气(用于汽油发动机时) 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.87 用作燃料的转化率 1.0 动力装置的平均效率 0.143 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.13 用于混合动力装置上时 1.23 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.16 汽油(用于燃料电池时) 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.83 用作燃料的转化率 0.78 动力装置的平均效率 0.226 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.146 用于混合动力装置上时 1.04 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.152 甲醇(用于燃料电池时) 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.67 用作燃料的转化率 0.857 动力装置的平均效率 0.225 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.133 用于混合动力装置上时 1.045 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.139 氢气(用于燃料电池时) 从开采地到汽车燃料箱的能量转化率 0.615 用作燃料的转化率 1.0 动力装置的平均效率 0.218 汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.138 用于混合动力装置上时 1.036 混合动力汽车的平均效率(计入从发动机到车轮的能量损失) 0.143 表3中所使用的大部分数据来自于瑞典Ecotraffic ERD3公司的研究成果，但有些地方与其他专家的研究结果相冲突，因此一些地方只得采取了优化折衷处理。 在燃料从开采地到汽车燃料箱的“P-B”环节中，普通的碳氢燃料的经济性指数处于0.830.88的范围，其中柴油的经济性指数较高。压缩天然气及液化天然气的经济性指数也几乎处于这一范围，其中压缩天然气与柴油的经济性指数非常接近，而其他燃料的经济性指数较低一些，甲醇、二甲醚的经济性指数只有0.67，合成柴油的经济性指数只有0.55，由天然气制取的气态氢燃料的经济性指数只有0.61，靠天然气发电站发电电解水制取的氢燃料的经济性指数只有0.37。 但是各种动力装置的经济性指数(为各种工况的平均值)千差万别，就以普通发动机装置来说，汽油发动机的平均经济性指数为0.143，柴油发动机的为0.173。而燃料电池的平均经济性指数为0.23。 但在采用混合动力方案时，汽油发动机的经济性指数增长最高，增幅达23%，柴油发动机的经济性指数增幅为20%，燃料电池的经济性指数增幅最小，只有4%(近来研制的燃料电池汽车大部分不再需要使用浮充电池)。 如果不采取混合动力方案，在燃料从开采地直到转换能量驱动汽车车轮的“P-R”环节中，以使用柴油的经济性最好，P-R0.155。燃料电池在采用压缩天然气及液化天然气重整的方法时，其经济性指数也接近这一范围。普通汽油发动机的总体经济性指数居于第8位，只有0.124。燃料电池在采用汽油、气态氢及甲醇重整的方法时，其经济性指数可能会稍高一些。而在汽油发动机上直接使用压缩天然气时其经济性指数也会更高。 在燃料从开采地直到转换能量驱动汽车车轮“P-R”环节中，在采用混合动力方案时，以柴油发动机的经济性指数最好，为0.186。使用天然气的汽油发动机或燃料电池的经济性指数也接近这一范围。在汽油发动机或者燃料电池上使用燃料(压缩天然气及液化天然气)的经济性指数处于0.1520.16的范围。汽油发动机在采取混合动力方案时，其经济性指数向前进了2位，上升至第6位。而使用汽油重整的燃料电池在采取混合动力方案时的经济性指数由第4位下降到了第7位。同样在采取混合动力方案使用甲醇时，其经济性指数也有所降低。 当天然气被使用在带内部混气机构的发动机时，其在“P-R”环节中的经济性指数接近柴油，为0.186。研究表明，动力装置的效率并不是始终决定着“P-R”环节的各燃料经济性指数的高低。这从表3中“燃料的转化率(必要时)”、“发动机到车轮能量的转化率”、“使用混合动力装置提高的效率”、“使用燃料电池效率的变化”等可以看出。 根据“P-R”环节的经济性指数，表明燃料(汽油、柴油、液化天然气)被使用到内燃机上时，汽车采取混合动力方案与否至关重要。同样燃料电池使用汽油、甲醇及气态氢所获得的经济性也各不相同。 在所研究的各种动力装置与不同燃料搭配的各个方案中，柴油混合动力汽车的经济性最好，比汽油混合动力汽车高出22%，比天然气汽车高出17%(但在研究中没有评价燃料效率好于柴油机的新一代天然气发动机的经济性)。 一个有趣的发现是，燃料电池汽车未必比内燃机混合动力汽车的经济性好，因此世界各大汽车公司研究燃料电池的真正原因是在考虑扩展燃料的来源(甲醇及氢)。 每一种动力装置与不同燃料搭配方案的总能耗可以计算出来。天然气火力发电站的能量转化率为3560%，如果考虑到天然气运送的损失等，其能量转化率只有3050%。电解水制取氢燃料的能量转化率为60%(使用地方性的小型装置)76%(使用集中生产的大型设备)，因此，从天然气发电到电解法制氢过程的总生产效率为1838%，这比用天然气直接制氢的效率低了许多，而且用电解法制氢时，“P-R”环节中的经济性低于10%，是各种方案中最低的。 当汽油机燃用天然气时，既使加装催化器，所排放的尾气中也含有强温室效应的甲烷气体，另外排放的还有NO2气体，它同样也导致大气变暖。 如果采用大型设备用天然气集中制取燃料电池所需的氢燃料时，既使不采取专门措施，生产过程中排放的也只有CO2，而当在汽车上车载重整制氢时，向环境排放的温室气体相对较少一些。 在用电解水方法制取氢燃料时应考虑到一些新的因素，比如如果电能来自于核电站，则该方法不会向环境排放CO2。如果用生物能制取的话，原则上同样也能达到这一效果。 使用汽油及天然气能达到超低排放，如果考虑整个生产环节，氢燃料电池汽车与加装了最为先进的催化器的内燃机汽车相比，其经济性孰优孰劣还众说纷纭，存在着争论。 最先进的或者改进后的汽油发动机使用天然气时不会排放硫化物，普通的汽油发动机改用天然气后，排放的有害气体的数量及种类都有所下降。 5 结论 世界许多汽车公司已经开始着手研制生产燃料电池汽车，如戴姆勒克莱斯勒于2004年、丰田于2003年生产出了燃料电池汽车，