1 引言
汽車動力裝置的未來將取決于礦物性燃料及可再生性能源的探明儲量及預計儲量。
選擇汽車燃料時自然要考慮到一系列因素，比如燃料的供應條件；能源開采地與需求地的遠近；燃料的生產效率；燃料運輸及儲存的難易程度；建設加注站所需的投資；改用新燃料后發(fā)動機結構的必要改進；燃料對汽車性能(包括動力性、經濟性、工作噪聲等)以及排放(包括NOx等有害氣體以及CO2、CH4、NO2等溫室效應氣體)的影響等等。
然而要兼顧上述條件的燃料事實上是不存在的，這就說明將來汽車將會采用多種燃料。
圖1給出的是1998年全世界石油、天然氣、煤炭的需求量以及目前各自已經探明的儲量和預計儲量的示意圖，采用的是熱量換算后的對照。從圖1中可以看出，在探明的儲量中煤炭占據了大部分，而在預計的儲量中天然氣將占絕大部分。
圖1各種礦物性燃料的1998年的需求量及探明儲量和預計儲量
近10～15年來，燃用由石油提煉的柴油、汽油的發(fā)動機發(fā)生了革命性的技術飛躍，這表現在柴油發(fā)動機普遍采用了增壓中冷技術、缸內燃燒優(yōu)化技術以及排氣后處理技術等，而汽油發(fā)動機則運用了多點噴射技術、電子控制系統(tǒng)以及新一代三元催化器等。
另外，世界各國在降低柴油、汽油中的硫含量方面也取得了較大成績，歐盟甚至計劃到2011年把燃油中的硫含量降至10mg/kg。
2 天然氣是未來重要的汽車燃料
由于天然氣具有眾多優(yōu)點，已經成為重要的汽車燃料。
眾所周知，天然氣可以用來制取多種燃料，比如甲醇、合成柴油(如采取Fischre-Tropsch法)等，而且這種合成柴油的各項性能都好于普通柴油，唯一的缺點是制取時所需的能耗要高于制取液化天然氣，應該看到天然氣在液化時所消耗的一部分能量被用于降低空燃混合氣的溫度，增大了發(fā)動機的功率。
天然氣的硫含量較低，通常只有1～2mg/kg，但是由于要添加含硫的臭味劑，天然氣中硫含量上升到了10mg/kg，因此大力減少臭味劑中的硫含量已經成為當務之急。
另外天然氣還可以制取氫燃料，用于燃料電池汽車。目前世界上每年用天然氣制取的氫產量為5000億hm3，其中有1900億hm3的氫被用于化工行業(yè)。由天然氣制取的氫燃料可以用來改善車用燃油，特別是柴油的質量。柴油添加氫后熱值會得到提高，但是這種方法中也存在一定能耗及CO2排放的問題。
天然氣的車載存儲方式及使用方法多種多樣，車載天然氣可以以吸附的形式，也可以液態(tài)的形式(使用低溫儲氣瓶)儲存。分析表明，當天然氣以吸附的形式車載儲存時，NOx、SO2及CO2的排放量最少，而且同壓縮儲氫法相比，這種方法中的天然氣的壓力減少到了原來的1/6，而儲存量只減少了1/3。這樣就減輕了儲氣瓶的質量，實現了汽車的輕量化，同時也相應節(jié)約了壓縮天然氣時所需的能源，方便了儲氣瓶的安放。
目前世界各國開發(fā)的天然氣發(fā)動機在運用多點噴射或缸內直噴技術以及三元催化器方面成績斐然，而且使用的增壓中冷技術能使發(fā)動機采取稀薄燃燒方式，從而極大地減少了有害氣體的排放，第一代專門的氧化催化器不僅能降低碳氧化物的排放量，而且還能減少碳氫化物(包括甲烷)的排放量。當然，天然氣發(fā)動機也采用了先進的電子控制系統(tǒng)。表1列出了本田Civic GX天然氣汽車(1.7L)的排放指標。
表1 本田Civic GX天然氣汽車(1.7L)的排放指標 單位，g/英里
CO
NMCH
NOx
NOx(公路行駛)
ZEV法規(guī)
1.0
0.01
0.02
0.03
本田Civic GX
0.088
0.001
0.008
0.011
美國加利福尼亞州空氣資源局制定的ZEV(零污染汽車)法規(guī)使汽車尾氣中的有害氣體幾乎接近零排放。業(yè)內專家認為，汽油發(fā)動機也可以達到上述排放限值，但是花費巨大，而天然氣發(fā)動機在減少有害排放方面具有優(yōu)勢。同汽油發(fā)動機相比，天然氣發(fā)動機在冷起動時排放的各種有害氣體較少。
當天然氣發(fā)動機的燃料經濟性等同于柴油發(fā)動機時，天然氣產生的溫室效應氣體明顯要比柴油少。但是當把柴油發(fā)動機改為天然氣發(fā)動機時，如果只采用化學當量濃度混合氣工作不采取其它措施，發(fā)動機就會出現熱負荷明顯升高，可靠性下降的現象，因此初步改裝的效果不太理想，對此要進一步使用增壓技術并采取稀薄燃燒方案，而且為了降低發(fā)動機的氮氧化物的排放還必須采取專門的措施，比如安裝專門的DeNOX催化器等，為此現在世界各國正在研制新一代天然氣發(fā)動機。
從世界各國使用天然氣汽車的經驗來看，為了推廣使用天然氣汽車，就必須建立大批的天然氣加注網絡。目前世界上具有4544座加氣站，其中俄羅斯有207座，當然這是遠遠不夠的。德國專家認為，要滿足德國境內的天然氣汽車的加氣需要，就必須在現有300座加氣站的基礎上，到2007年前再建立1000座加氣站，當然還要使用流動加氣站等。從天然氣預計儲量大于任何一種礦物性燃料的考慮，投巨資建設加氣站將是遲早的事情。
3 燃料電池汽車存在的問題
除環(huán)保型好的天然氣車汽車外，近年來世界上還出現了諸如混合動力汽車、燃料電池汽車等有別于傳統(tǒng)汽車的新型清潔汽車。
混合動力汽車配備了集成起動/發(fā)電機，能在較短的時間內使汽車加速。雖然世界各大汽車公司開發(fā)的混合動力汽車主要采用的是汽油發(fā)動機或柴油發(fā)動機，但是專家認為，如果混合動力汽車燃用天然氣將具有無可比擬的優(yōu)勢，而且不存在天然氣儲氣瓶占用其他裝置位置的問題。
當然用車載裝置對其他燃料重整的方法也能獲得氫燃料。如果燃料電池的氫燃料來自于加注站，那么就必須要建立起相應的運輸及加注網絡。加注站的氫燃料可以通過電解水的方法(采用廉價電力，比如核電)制取，但如果靠火力發(fā)電站發(fā)電來電解水制取氫燃料顯然是不現實的，因為在這一環(huán)節(jié)中向環(huán)境排放了大量的溫室效應氣體(且不說很多地方電力緊張)。
采用蒸汽重整的方法可以穩(wěn)定的獲得氫氣，但是初級原料采用的不是目前硫含量較高的汽油，而是可以直接用于汽油發(fā)動機上的甲醇(比如美國的M85燃油)。研究表明，從初級原料的開采到驅動汽車的整個環(huán)節(jié)中，燃料電池并不能保證不向環(huán)境排放有害氣體及溫室效應氣體，因此許多專家對其使用合理性還存在著很大的懷疑。通過對同輛汽車使用不同動力裝置時的一系列周密實驗，發(fā)現當電動汽車的電能來自于火力發(fā)電站時，它向環(huán)境排放的CO2氣體最多，因為火力發(fā)電站消耗了67%的煤炭、8%的石油、23%的核能以及2%的天然氣。同樣，這對于燃料電池汽車情形也是一樣的，燃料電池汽車的氫燃料也可能是由火力發(fā)電站發(fā)電電解水制取的，而且燃料電池各個環(huán)節(jié)存在著能量損耗及一定的有害排放。
因此，到目前為止，燃料電池究竟最好使用何種燃料的問題還懸而未決。
表2 各種方案的燃料電池(FC)汽車同天然氣混合動力汽車的比較
汽油重整FC
乙醇、乙醚重整FC
氫、天然氣(集中制取)FC
氫、天然氣(小量制取)FC
電解氫FC
天然氣混合動力汽車
降低有害排放
＋＋
＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋＋＋
＋
提高效率
＋
＋/－
＋/－
＋/－
不確定1
＋
減少溫室效應
＋
＋
＋
＋
＋＋＋2
＋
整個環(huán)節(jié)不使用煤炭
是
是3
是
是
是2
是3
可使用輸送的天然氣
不是
是
是
是
不是
是
備注：1.如果采用天然氣發(fā)電可以提高。2.使用水力、太陽能、地熱能或核能發(fā)電時。3.如果采用生物制取甲醇或采用沼氣時。
4 各種動力裝置及燃料的經濟性分析
在該文中把燃料從開采地直到轉換能量驅動汽車車輪的整個環(huán)節(jié)簡稱為“P-R”環(huán)節(jié)，而把燃料從開采地到汽車燃料箱的整個環(huán)節(jié)稱之為“P-B”環(huán)節(jié)，有關這兩個環(huán)節(jié)的分析結果見表3。
表3 對汽車在“P-R”環(huán)節(jié)、“P-B”環(huán)節(jié)的分析結果
燃料種類
具體情況
指數
汽油
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.83
用作燃料的轉化率
1.0
動力裝置的平均效率
0.143
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.124
用于混合動力裝置上時
1.23
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.152
柴油
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.88
用作燃料的轉化率
1.0
動力裝置的平均效率
0.177
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.155
用于混合動力裝置上時
1.2
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.186
壓縮天然氣(用于汽油發(fā)動機時)
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.87
用作燃料的轉化率
1.0
動力裝置的平均效率
0.143
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.13
用于混合動力裝置上時
1.23
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.16
汽油(用于燃料電池時)
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.83
用作燃料的轉化率
0.78
動力裝置的平均效率
0.226
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.146
用于混合動力裝置上時
1.04
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.152
甲醇(用于燃料電池時)
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.67
用作燃料的轉化率
0.857
動力裝置的平均效率
0.225
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.133
用于混合動力裝置上時
1.045
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.139
氫氣(用于燃料電池時)
從開采地到汽車燃料箱的能量轉化率
0.615
用作燃料的轉化率
1.0
動力裝置的平均效率
0.218
汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.138
用于混合動力裝置上時
1.036
混合動力汽車的平均效率(計入從發(fā)動機到車輪的能量損失)
0.143
表3中所使用的大部分數據來自于瑞典Ecotraffic ERD3公司的研究成果，但有些地方與其他專家的研究結果相沖突，因此一些地方只得采取了優(yōu)化折衷處理。
在燃料從開采地到汽車燃料箱的“P-B”環(huán)節(jié)中，普通的碳氫燃料的經濟性指數處于0.83～0.88的范圍，其中柴油的經濟性指數較高。壓縮天然氣及液化天然氣的經濟性指數也幾乎處于這一范圍，其中壓縮天然氣與柴油的經濟性指數非常接近，而其他燃料的經濟性指數較低一些，甲醇、二甲醚的經濟性指數只有0.67，合成柴油的經濟性指數只有0.55，由天然氣制取的氣態(tài)氫燃料的經濟性指數只有0.61，靠天然氣發(fā)電站發(fā)電電解水制取的氫燃料的經濟性指數只有0.37。
但是各種動力裝置的經濟性指數(為各種工況的平均值)千差萬別，就以普通發(fā)動機裝置來說，汽油發(fā)動機的平均經濟性指數為0.143，柴油發(fā)動機的為0.173。而燃料電池的平均經濟性指數為0.23。
但在采用混合動力方案時，汽油發(fā)動機的經濟性指數增長最高，增幅達23%，柴油發(fā)動機的經濟性指數增幅為20%，燃料電池的經濟性指數增幅最小，只有4%(近來研制的燃料電池汽車大部分不再需要使用浮充電池)。
如果不采取混合動力方案，在燃料從開采地直到轉換能量驅動汽車車輪的“P-R”環(huán)節(jié)中，以使用柴油的經濟性最好，P-R＝0.155。燃料電池在采用壓縮天然氣及液化天然氣重整的方法時，其經濟性指數也接近這一范圍。普通汽油發(fā)動機的總體經濟性指數居于第8位，只有0.124。燃料電池在采用汽油、氣態(tài)氫及甲醇重整的方法時，其經濟性指數可能會稍高一些。而在汽油發(fā)動機上直接使用壓縮天然氣時其經濟性指數也會更高。
在燃料從開采地直到轉換能量驅動汽車車輪“P-R”環(huán)節(jié)中，在采用混合動力方案時，以柴油發(fā)動機的經濟性指數最好，為0.186。使用天然氣的汽油發(fā)動機或燃料電池的經濟性指數也接近這一范圍。在汽油發(fā)動機或者燃料電池上使用燃料(壓縮天然氣及液化天然氣)的經濟性指數處于0.152～0.16的范圍。汽油發(fā)動機在采取混合動力方案時，其經濟性指數向前進了2位，上升至第6位。而使用汽油重整的燃料電池在采取混合動力方案時的經濟性指數由第4位下降到了第7位。同樣在采取混合動力方案使用甲醇時，其經濟性指數也有所降低。
當天然氣被使用在帶內部混氣機構的發(fā)動機時，其在“P-R”環(huán)節(jié)中的經濟性指數接近柴油，為0.186。研究表明，動力裝置的效率并不是始終決定著“P-R”環(huán)節(jié)的各燃料經濟性指數的高低。這從表3中“燃料的轉化率(必要時)”、“發(fā)動機到車輪能量的轉化率”、“使用混合動力裝置提高的效率”、“使用燃料電池效率的變化”等可以看出。
根據“P-R”環(huán)節(jié)的經濟性指數，表明燃料(汽油、柴油、液化天然氣)被使用到內燃機上時，汽車采取混合動力方案與否至關重要。同樣燃料電池使用汽油、甲醇及氣態(tài)氫所獲得的經濟性也各不相同。
在所研究的各種動力裝置與不同燃料搭配的各個方案中，柴油混合動力汽車的經濟性最好，比汽油混合動力汽車高出22%，比天然氣汽車高出17%(但在研究中沒有評價燃料效率好于柴油機的新一代天然氣發(fā)動機的經濟性)。
一個有趣的發(fā)現是，燃料電池汽車未必比內燃機混合動力汽車的經濟性好，因此世界各大汽車公司研究燃料電池的真正原因是在考慮擴展燃料的來源(甲醇及氫)。
每一種動力裝置與不同燃料搭配方案的總能耗可以計算出來。天然氣火力發(fā)電站的能量轉化率為35～60%，如果考慮到天然氣運送的損失等，其能量轉化率只有30～50%。電解水制取氫燃料的能量轉化率為60%(使用地方性的小型裝置)～76%(使用集中生產的大型設備)，因此，從天然氣發(fā)電到電解法制氫過程的總生產效率為18～38%，這比用天然氣直接制氫的效率低了許多，而且用電解法制氫時，“P-R”環(huán)節(jié)中的經濟性低于10%，是各種方案中最低的。
當汽油機燃用天然氣時，既使加裝催化器，所排放的尾氣中也含有強溫室效應的甲烷氣體，另外排放的還有NO2氣體，它同樣也導致大氣變暖。
如果采用大型設備用天然氣集中制取燃料電池所需的氫燃料時，既使不采取專門措施，生產過程中排放的也只有CO2，而當在汽車上車載重整制氫時，向環(huán)境排放的溫室氣體相對較少一些。
在用電解水方法制取氫燃料時應考慮到一些新的因素，比如如果電能來自于核電站，則該方法不會向環(huán)境排放CO2。如果用生物能制取的話，原則上同樣也能達到這一效果。
使用汽油及天然氣能達到超低排放，如果考慮整個生產環(huán)節(jié)，氫燃料電池汽車與加裝了最為先進的催化器的內燃機汽車相比，其經濟性孰優(yōu)孰劣還眾說紛紜，存在著爭論。
最先進的或者改進后的汽油發(fā)動機使用天然氣時不會排放硫化物，普通的汽油發(fā)動機改用天然氣后，排放的有害氣體的數量及種類都有所下降。
5 結論
世界許多汽車公司已經開始著手研制生產燃料電池汽車，如戴姆勒－克萊斯勒于2004年、豐田于2003年生產出了燃料電池汽車，本田計劃生產30～50輛燃料電池汽車。福特與戴姆勒－克萊斯勒、巴拉特(該公司早在1980年就展開了對燃料電池的研究)三家公司也聯(lián)手共同研制燃料電池汽車。但目前世界各國生產的燃料電池汽車仍然只是小批量的試驗用車，據估計它們的正式投產不會早于2010年。雖然目前燃料電池的某些地方已經勝過傳統(tǒng)的內燃機汽車，但是一些專家認為，只有到2025年時燃料電池汽車才有望與內燃機汽車一拼高下。
燃料電池的究竟最好采取何種燃料，目前該問題依然懸而未決。如果使用氫燃料，則需要大量投資用于氫燃料的生產、運輸以及加注設施。天然氣也是重要的制取氫燃料的原料，這兩種氣體燃料的未來基礎設施有可能相近。應該看到，因為加氣網站等配套設施跟不上，世界上天然氣汽車的推廣速度較為緩慢，如果將來燃料電池汽車在車載儲氫技術方面無法有重大突破，那么就有可能需要建設新的加氫網站，到時燃料電池汽車有可能將與普通汽車在同一燃料加注站(多種燃料)加注燃料。
近年來汽油發(fā)動機及柴油發(fā)動機技術發(fā)展迅猛，尤其是電子裝置在其、柴油發(fā)動機上得到了大量運用，而且大有潛力可挖，遠未止境。
另一方面，為了保證天然氣發(fā)動機具有比汽油發(fā)動機及柴油發(fā)動機絕對優(yōu)勢，就必須降低天然氣加臭劑中的硫含量。
展望未來，毫無疑問，天然氣汽車的保有量將會逐漸增大，而且?guī)в屑墒狡饎?發(fā)電機的混合動力天然氣汽車也會日益增多。
從經濟性角度考慮，燃料電池汽車絕對不會優(yōu)于柴油混合動力汽車。其實，實際上未來最有前景的新型汽車是那些經濟性較好、排放較低的天然氣混合動力汽車。
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