发展汽车燃料及内燃机战略

　　我国目前正面临着石油缺口量逐年增大、空气污染仍很严重、我国内燃机大都是引进国外技术或者是中外合资的产品等问题。如何结合我国国情发展中国的燃料、汽车及内燃机工业，制定科学的、符合发展总趋势的战略，应该是内燃机及汽车行业部门、石化部门及政府领导部门的大事。

　　内燃机是汽车的心脏及节能的重点，改善内燃机的工作及燃烧过程仍是降低汽车排放物的重要途径之一。汽车燃料的多元化已是世界大多数国家的既定政策及现实情况。目前应用的内燃机能否适应多种燃料，使用不同燃料后排放如何，有无新的非常规排放物产生，能否有利于降低大气中二氧化碳(CO2)或者燃料生命周期循环能否实现C02零排放等都是长期以来国外各大汽车公司、石油化工部门、高等院校和研究部门的研究课题.

　　一、研究及开发生物质能及生物燃料

　　2004年，上海及武汉等＿些大城市一度出现柴油脱销、20个省市出现电力及煤炭供应不足、电力供应部门预期今后几年内仍会出现供应不足的局面。柴油脱销固然有体制的影响，但根本原因是国产石油资源太少，石油及代用燃料自产量有限。目前，我国及世界矿产能源资源已逐渐枯竭。

　　2000年，我国进口原油7000万t及﹁些成品油，所用资金250亿美元；2002年，进口原油的数量已占总消费量的29.8%。从经济方面分析，由于石油价格上涨，费用大幅度增加，例如2000年的进口石油数量比1999年增加了53.8%，而费用增加高达152.3%。由于中东地区局势动荡不定，石油价格已由20世纪70年代的每桶3美元上升到目前每桶30美元以上。石油资源逐渐枯竭，大国争夺石油资源，价格逐步上涨是大势所趋。因此，我们不能不惜逐年日益增多的外汇消耗及能源安全于不顾，也不能等到石油供应更紧张及枯竭时，才考虑替代能源及燃料。能源及燃料的供应紧缺必然影响经济的发展和生活水平的提高，甚至是社会的稳定。

　　目前，我国投入较多人力及物力开发电动汽车，已取得一些成果。然而纯电动汽车一些关键技术非短期内能完善解决的，即使解决也仅适合市区和短途运输，成本也高，一般收入的家庭不可能购买。混合动力汽车虽然能够早日进入市场，但还需要时间及小型紧凑高效低排放的内燃机及清洁燃料。至于普及燃料电池及氢燃料汽车为期还很遥远，解决廉价氢的生产及贮存使用并非易事，虽然已有性能好的氢燃料及燃料电池汽车出现，但那只是高价的样车。它不仅不适合我国国情，即使在发达的美国也有不同的看法。

　　发展汽车燃料的战略应注重如下方面。

　　第一，替代燃料的多元化。当前替代燃料已经逐步多元化，包括天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、煤制柴油、二甲醚及生物柴油等。目前，CNG及LPG主要以双燃料在使用；甲醇及乙醇产量少，在不改动内燃机的前提下，以低比例方式搀烧；而煤制柴油、二甲醚及生物柴油尚处于试验研究及试生产阶段。从长远看，多种燃料将会按市场规律及技术进展情况，在竞争中得到发展或者受到抑制甚至被淘汰。然而，近期内，由于燃料短缺及降低排放的需要，这些燃料将同时得到应用。

　　天然气及液化石油气虽然目前可直接用作内燃机的燃料，但是重要缺点是比体积热值太低，要保持较长的行驶里程就要损害车辆效率及可用的空间。

　　天然气通过引入的蒸气重整转化成氢气和一氧化碳的混合物(合成气)。采用Fischer Tropsch合成工艺将合成气转变成传统燃油。煤制柴油的工艺原理也基本如此，先将煤转变成合成气，然后用F-T合成工艺变成柴油。这也叫气一液转化技术生产出的柴油具有较高的十六烷值，而且不含硫或芳烃，可以改善柴油机的燃烧及降低排放，可用成本较低的天然气或煤炭生产，具有较好的经济性，因此具有较大的吸引力。

　　我国神华集团经国务院批准，于2002年开始在鄂尔多斯市建设煤液化工厂，一期工程完成后将年产汽油19.54万t、柴油177.56万t及液化气等化学产品，预测生产成本为15―16美元／桶。

　　2003年5月，德国总理施罗德及大众集团董事长毕睿德博士出席了使用壳牌GTL／12艺生产的柴油的试验车队项目的启动仪式，该车队由25辆1.9L、74kW柴油高尔夫轿车组成，目的是检验合成柴油在日常使用中的可行性和经济性。德国台架试验表明，使用合成柴油可以明显地降低NOx及PM，一辆达到欧Ⅲ标准的车不需特别处理即可达到欧Ⅳ标准，85kW泵喷嘴高尔夫柴油机使用合成油，采用欧洲新循环，PM为0.008g／km。

　　第二，可再生的生物燃料。在近期投入生产合成油的原料仍然是有限的矿产资源一一天然气及煤，在生产过程中仍然有较多的二氧化碳排放。为了经济可持续发展以及能源与燃料得到可持续保障供应，较多国家从20世纪80年代就开始生物质能及燃料的研究与开发。生物资源极其丰富，靠太阳的光合作用生长，是用之不尽的可再生能源资源。另外，与集中在少数地区的石油不同，它分布在全世界，每个国家都可以开发和利用生物质能。

　　生物质能不仅可以用于制造液体及气体燃料，而且很多国家都用于发电、供热及炼钢等工业。我国发电、小区供热都可以考虑利用生物质能。车用替代燃料甲醇、乙醇、二甲醚及生物柴油等都可以利用生物质先热裂解气化生成合成气，然后再合成生物燃料。

　　生物质由纤维素、半纤维素及木质素构成，难以分解液化。尽管从20世纪80年代国外就开始研究生物质能，不断取得一些成果，仍未达到可以商业化的水平，但据专家预测，2010年左右可达到廉价工业化要求。我国有关大学及科研单位也在进行研究。开发和应用生物质能及燃料是经济可持续发展的必由之路，这是我国中长期发展的战略。

　　氢气是理想的清洁燃料，用氢作燃料电池的燃料，开发氢燃料电池汽车及发电厂，是科技人员追求的目标。目前无论用水或生物质制氢，都效率低、成本高，包括储存的一些技术仍远未解决。纳米材料及纳米技术有助于解决这一问题，但这毕竟是较长期的发展目标。

　　二、研究开发小尺寸的涡轮增压内燃机及汽车

　　我国人口众多、资源有限，节省资源应是经济可持续发展中的永恒主题。目前，我国与世界发达国家相比，汽车保有量还不算多，但一些大城市交通拥堵现象经常发生，停车场地十分有限。随着人们生活水平的不断提高，私人购车已是无法控制的趋势。

　　作者认为，我国应重点发展如德国甲壳虫一类的小型汽车，相应地开发小型废气涡轮增压汽油机及柴油机，这也是混合动力小汽车及广大高原地区所需要的。进一步分析，由于纳米材料及技术的深入研究和扩大应用，各种机械都将逐步小型化，这是必然的趋势。现在就着眼于重点研究开发拥有自主知识产权的小型汽车及增压内燃机，这是一项重大的战略措施。它也将有助于内燃机及汽车产业快速进入发展中国家及全世界的市场。

　　三、研究开发综合燃烧系统的内燃机

　　内燃机的发展历程具有如下特点：①当初鲁道夫、狄塞尔发明柴油机时就曾在内燃机上试用过气体燃料、酒精及植物油；②在相当长的时间内，奥托循环及狄塞尔循环技术在不断发展变化，奥托循环侧重于均质预混及外源点火，而狄塞尔循环则喷雾扩散及压燃，分别用汽油及柴油作为燃料；③为了降低油耗，奥托循环汽油机由化油器发展为像柴油机一样用喷油嘴单点喷射一多点喷射直喷以及均匀混合向分层稀薄燃烧发展；④在开发、采用替代燃料(气体燃料、甲醇、乙醇等)汽油机及柴油机又各自采用对方的优点，汽油机为了适应醇燃料的特性及提高热效率，将压缩比提高到12%―14%。柴油机为了能使用难以压燃的醇燃料，采用电热塞或汽油机一样的点火系统或者助燃剂，也有用化油器或其原理在柴油机上搀烧醇燃料；⑤汽油机降低排放的重点是CO及HC，而柴油机则是NOx及PM，要全面大幅度降低排放，需要将二者工作及燃烧过程的优点综合起来；⑥无论是开发双燃料或多种燃料内燃机，也都体现着汽油机和柴油机二者优点互相渗透、综合起来的必要性和可能性，从回顾内燃机发展历程及当前需要出发，可以强调如下观点：①树立燃料、内燃机及排放三位一体概念，才能互相促进及发展；②内燃机的发展历程已经表明，汽油机及柴油机在互相渗透，扬长避短；③为了适应燃料多元化及降低排放的严格要求，必须将汽油机及柴油机工作过程的优点综合在一起，研究开发新的综合燃烧系统(New Comprehensive Combustion System―NCCS)。

　　目前要全面科学地描述NCCS是困难的，这需要通过试验研究创新开发。然而，可以提出如下基本思考点：①从节能、降低排放及适应多种燃料的目标出发，综合奥托循环及狄塞尔循环的优点；②增加柴油机的均质预混合部分，取消汽油机的点火系统；③压缩比考虑的范围为12%―16%或将上限再扩展一些；④采用废气涡轮增压及低释热结构；⑤运用成熟的纳米材料及纳米技术。

　　综上所述，发展汽车燃料及内燃机是我国可持续发展战略中的重要环节。其具体战略如下。

　　第一，我国矿产能源资源有限，目前石油、电力及煤炭供应紧张，为内燃机寻求一切可替代的燃料及实现多元化是可持续发展的需要。

　　第二，改进和开发内燃机及汽车产品，树立燃料、内燃机及排放“三位一体”及符合中国国情的观念。

　　第三，在燃料方面，近期应用和发展多元化的燃料；中长期开发和应用生物质能及生物燃料；远期开发和应用氢燃料。

　　第四，根据中国国情，重点开发小型废气涡轮增压内燃机及小型汽车。

　　第五，根据内燃机发展历程及今后的发展需要，研究开发综合汽油机及柴油机优点的新型综合燃烧系统。