目前，汽油機和柴油機依然是車用發(fā)動機的主要機種。而汽油和柴油都是不可再生資源。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對石油的需求量越來越大。我國從 1993 年起， 已由石油輸出國成為石油進口國，到 2000 年，進口石油已達 6 300 萬 t，可以預計，隨著國家經濟的發(fā)展，石油進口量還會增加。據美國能源部和世界能源理事會預測，全球的石油產量在 2010~ 2025 年間將達到最大值。全球礦物燃料資源的預測生命期，石油為 40 年，天然氣為 60 年，煤為 220 年。日趨嚴重的能源危機對發(fā)動機的常規(guī)燃料提出了新的挑戰(zhàn)。同時，由于世界汽車保有量的增加和各國對環(huán)保的重視，車用發(fā)動機面臨著既要繼續(xù)提高現有性能，又要降低排放的雙重壓力。而發(fā)動機的排放成分除與發(fā)動機的燃燒過程組織有關外，還與發(fā)動機的燃料有直接的關系。汽油和柴油在改善廢氣的有害排放方面可做的工作已經相當有限，許多國家目前已把研究的目光轉向尋求污染較小的代用燃料，這一方面可有效地減少廢氣的排放，另一方面也可保存原油產品和保護能源。
所謂代用燃料, 是指能夠取代或部分取代目前內燃機傳統(tǒng)燃油 (汽油、 柴油、 煤油)的燃料。良好的代用燃料應能滿足下列要求: 資源豐富、 價格適宜;燃料的熱值尤其是混合氣熱值能滿足發(fā)動機動力性能的要求;能滿足車輛起動性能、 行駛性能以及加速性能等方面的要求;能量密度較高、 儲存運輸方便;發(fā)動機的結構變動較小、 技術上可行; 現有的燃料儲運分配系統(tǒng)能用得上;對人類健康、 環(huán)境保護以及安全防火等無有害的影響; 對發(fā)動機的壽命以及可靠性沒有不良影響。  已開發(fā)的代用燃料有氣態(tài)烴 (壓縮天然氣( CNG )、液化天然氣( LNG )、液化石油氣 ( LPG ) )、醇燃料、二甲醚、生物柴油 、氫、燃料電池等。下面足以介紹一下每種代用燃料的發(fā)展狀況。  天然氣：  天然氣( Na t u r a l   Ga s ，簡稱 NG) 是一種無色、無味的氣體，9 0 ％以上成分為甲烷( C H 4 )。由于天然氣擁有資源豐富、污染很小、經濟和安全上的優(yōu)勢，從而得到了大力地推廣，它是一種很好的清潔燃料。天然氣具有如下比較突出的優(yōu)點：( 1 )著火極限寬。 ( 2 )抗爆燃性能好。  ( 3 )排放污染小 。 ( 4 )發(fā)動機壽命延長 ( 5 )燃料經濟性好，使用費較低。  ( 6 )安全性高。   正是由于天然氣汽車具有上述優(yōu)點，在世界 日益重視環(huán)境保護、車輛安全性能和經濟性能的 背景下，天然氣汽車的發(fā)展前景越來越廣闊。  作為車用燃料的替代品，天然氣根據其存在 形式不同，分為壓縮天然氣( C o mp r e s s e d   Na t u r a l  G a s ，簡稱 C NG )液化天然氣( L i q u e f i e d   Na t u r a l  G a s ，簡稱 L NG) 。壓縮天然氣是將天然氣經過脫水、脫硫凈化處理后，經多級壓縮至20Mpa左右存貯在氣瓶中，使用時經減壓器減壓后供給發(fā)動機燃燒即可 ?，F在天然氣汽車中運用最為廣泛的就是CNG，它的技術要求較LNG要低，但也存在一些問題，如續(xù)駛里程小等缺點。液化天然氣是將天然氣經過一定工藝，使其在162℃左右變?yōu)橐簯B(tài)，存貯在高壓氣瓶中。由于液化天然氣對貯存技術要求較高，使得貯存容器的成本高，這從一定程度上限制了液化天然氣汽車的發(fā)展。但由于液化天然氣在貯存能量密度、汽車續(xù)駛里程、貯存容器壓力等方面均優(yōu)于壓縮天然氣，能解決壓縮天然氣汽車存在的一些問題，所以液化天然氣作為天然氣的使用方式之一，是今后的重點發(fā)展方向。而為了解決動力性不足的缺點，現在天然氣發(fā)動機一般采用提高充量系數、稀薄燃燒和增壓中冷、提高壓縮比以及采取優(yōu)化燃燒室結構和噴油提前角等技術，相信天然氣發(fā)動機能成為即汽油機和柴油機之后的又一主流。

　　醇類燃料： 1、甲醇燃料  甲醇的理化特性同汽油較為接近,并且由于甲醇與汽油的相容性好, 所以容易實現各種比例的摻燒。一般以低比例5%~ 30%摻燒為多 (M5 ~ M30),高比例摻燒可達85%(M85)。使用甲醇汽油可使尾氣中的CO 和HC的排放量明顯降低 (根據美國 APlRP研究報告, M85汽車可使 CO下降13%, H C降低 31% ), 因此, 目前世界各大汽車廠都在積極研究開發(fā)不同方案的甲醇燃料汽車, 低比例甲醇汽油已在美國、法國、意大利等國家商品化。由于甲醇與柴油的理化性質差別較大,與柴油的相容性也較差,因此柴油機摻燒甲醇的研究主要集中在摻燒方式上。目前概括來說有熏蒸法、雙燃料系統(tǒng)法和乳化液法3種摻燒方法。采用熏蒸法和雙燃料系統(tǒng)法時,汽車和發(fā)動機的結構變化較大,所以不易在現使用的柴油車上推廣。采用乳化液法時,發(fā)動機結構可以不做變動而摻燒甲醇燃料, 比較易于推廣應用,但目前尚未研究出性能好、價格廉的助溶劑。甲醇毒性問題一直很受人們的關注,在七五期間, 我國對甲醇對人體健康的影響等課題作了研究。結論是,對接觸甲醇燃料人群, 只要遵守操作規(guī)程, 沒有發(fā)現人體健康有異常。目前,關于甲醇毒性問題仍存在較多爭論,因此對甲醇的毒性問題仍有必要進行深入研究。  2、乙醇燃料  車用乙醇汽油是將燃料乙醇與普通汽油按一定比例調配而成的新型汽車燃料。乙醇的辛烷值比汽油高,并且著火燃燒濃度極限范圍比汽油寬得多。乙醇分子中含氧,汽油中添加一定比例的乙醇后, 不僅能部分替代汽油,還可以改善燃燒,降低有害排放。例如,在汽油中加入 10%的變性燃料乙醇,可使辛烷值提高 3 %,氧含量增加 3-5 %,能大大改善汽油的使用性能,使燃燒更徹底,并且不污染環(huán)境。近年來,我國乙醇燃料的研究及應用工作有所加強,在2001年制定了車用乙醇國家標準并且確立了三個生產燃料乙醇的建設項目, 開始推廣含10%乙醇的車用乙醇汽油混合燃料。與甲醇燃料在柴油機上的應用相似,柴油機摻燒乙醇燃料的研究也主要集中在摻燒方式上?，F階段研究的熱點是乳化液法,各國正在研究性能較好的助溶劑使乙醇與柴油形成穩(wěn)定的混合燃料。目前存在的問題是乙醇制取能耗較大、成本較高,約為汽油的兩倍,需要在生產技術上尋求突破,降低能耗和成本,這樣乙醇燃料會有非常廣泛的應用前景。  二甲醚：  二甲醚是最簡單的醚類化合物,分子式為CH3- O- CH3, 簡稱DME,含有34. 8%的氧(重量比) ,其自燃溫度為235℃,低于柴油,而十六烷值高達55- 60, 高于柴油, 所以DME 具有良好的著火性能。二甲醚分子式中只有C—O 和C—H 鍵,沒有C—C鍵,此外它是高含氧燃料,有利于減少燃燒生成的煙度和微粒。同時,它可以使用更大的排氣再循環(huán)率( EGR) ,降低NOx 的排放。二甲醚的低熱值只是柴油的64. 7%, 為了達到柴油機的動力性,必須增大二甲醚的循環(huán)供油量。 二甲醚的十六烷值比較高, 遠高于其他代用燃料,因此在柴油機上燃用二甲醚時不需要采取助燃措施。二甲醚在常溫常壓下的飽和蒸汽壓力0. 5Mpa,隨著溫度的升高, 其飽和蒸汽壓增大,為防止汽阻現象的發(fā)生,燃料供給系統(tǒng)的壓力遠高于柴油機燃料供給系統(tǒng)。二甲醚的毒性低于甲醇, 但與液化石油氣( LPG)相當。它基本無味, 對環(huán)境無污染, 對人體無致癌作用,對金屬無腐蝕, 性能穩(wěn)定,即使長期暴露與空氣中也不會像二乙基醚那樣生成過氧化物。DME 的使用安全性要好于丙烷和丁烷。二甲醚是一種溶劑,對燃油系統(tǒng)中橡膠密封件等有破壞作用。因此,使用DME 時應保證整個燃油系統(tǒng)密封性良好,以防止DME 向大氣中泄露。通常而言, 針對液化石油氣采用的安全防范措施同樣也適于DME。  DME 具有較高的十六烷值, 可用作發(fā)動機燃料,其燃燒效果比甲醇燃料好,除具有甲醇燃料所具有的優(yōu)點之外, 還克服了其低溫啟動性和加速性能差的缺點。DME 燃料具

　　有高效率和低污染的優(yōu)點,可實現無煙燃燒,并可降低噪音。另外,研究表明, DME 的成本雖然高于柴油,但成本和污染都低于液態(tài)丙烷和壓縮天然氣等低污染替代燃料。因此, DME 作為發(fā)動機燃料有很好的發(fā)展前景。  生物柴油：  生物柴油是植物柴油和動物柴油的總稱,它是一種由從植物油或動物脂的脂肪酸烷基單酯組成的一種可替代柴油燃料,一般由大豆或其它油類植物、動物油脂等通過酯化過程合成。有機油類和醇類(甲醇或乙醇)在催化劑存在的情況下,發(fā)生酯化反應,形成硬脂 (甲酯或乙酯) ,就是通常所指的生物柴油。其有如下的特點:  ( 1)發(fā)動機有害氣體排放減少。使用生物柴油與純柴油的發(fā)動機排放對比, 可見使用生物柴油除NO稍有增加外, CO排放降低了 15. 64%, HC排放降低了 17 . 65%,微粒排放降低 38 . 1 %。此外,由于生物柴油中硫含量低, 使得二氧化硫和硫化物的排放減少約 30 % (有催化劑時為 70 % ) ,生物柴油中不含對環(huán)境造成污染的芳香族烷烴,因而廢氣對人體損害低于柴油。  ( 2)具有較好的低溫使用性能, 無添加劑時的冷濾點達- 20  。  ( 3)具有較好的潤滑性能, 可減輕發(fā)動機供油系統(tǒng)的噴油泵、 噴油器等部件的磨損。  ( 4)使用安全性好。由于其閃點高于礦物柴油且不屬于危險品,因此, 在運輸、 儲存、 使用方面的優(yōu)點是顯而易見的。  ( 5)利于自然環(huán)境保護。首先, 生物柴油燃燒所排放的二氧化碳遠低于植物生長過程中所吸收的二氧化碳。所以,會降低因二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害人類的重大環(huán)境問題; 其次,生物柴油的生物分解率高 ( 3周后分解率: 生物柴油98 %, 礦物柴油 70% ),當拋灑到自然界中后會快速自然分解,有利于環(huán)境保護。  ( 6)可再生特性好。與礦物油不同, 它可通過農業(yè)和生物科學家的努力, 充分利用自然資源進行再生產,可供應量不會枯竭。  多元化的能源結構是清潔汽車發(fā)展的必由之路，也只有通過發(fā)展新的能源，才能減少對石油資源的依賴，減小環(huán)境污染，造福于人類。  氫氣：  氫燃料的性能優(yōu)于碳氫燃料。同礦物燃料相比, 氫具有發(fā)熱量大、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒅鸾缦迣?、點火能量小等優(yōu)點; 氫造成的污染小。氫在空氣中燃燒產生水和極微量的一氧化氮。鑒于以上優(yōu)點, 氫被認為是最具前景的汽車發(fā)動機代用燃料。  氫內燃機的理論空燃比為34.3:1, 遠遠高于汽油機。因氫氣為氣體燃料, 比液體燃料占據了更多的燃燒室空間,導致空氣所占空間比例減小。由于氫氣有較低的點火能量限制, 易于點燃, 可采用汽油機的點火系統(tǒng)。燃燒稀混合氣火焰速度會減小, 宜采用雙火花塞。兩個火花塞同時著火, 燃燒室內形成強烈的渦流, 火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤? 同時火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短1 /2, 燃燒時間縮短, 提高了燃料熱量利用率, 另外還可以防止點火失敗, 保證發(fā)動機可靠運行。氫氣的分子結構簡單, 比熱比大, 理論上氫內燃機的熱效率要高于傳統(tǒng)的內燃機。發(fā)動機采用的壓縮比決定于燃料的抗爆震能力, 氫的辛烷值大于130, 遠大于汽油,故氫內燃機可采用比傳統(tǒng)汽油機大的壓縮比。壓縮比大, 熱效率提高, 但相應的摩擦損失和傳熱損失也大。  面對目前世界范圍內油價上漲和越來越嚴格的排放法規(guī), 各大汽車公司和研究機構都致力于提高發(fā)動機的熱效率、燃油經濟性、降低排放和開發(fā)代用燃料汽車的研究。氫以其優(yōu)異的物理化學性能成為發(fā)動機的理想燃料。氫燃料汽車的最終出路是燃料電池, 但燃料電池的產業(yè)化是一個漫長的過程, 在此之前, 將傳統(tǒng)發(fā)動機改裝成燃氫發(fā)動機或雙燃料發(fā)動機相對容易實現。因此, 研究氫內燃機有著光明的前景。

　　燃料電池：  燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。  燃料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點： （1）能量轉化效率高 他直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。（2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量轉換效率高而大幅度降低，無機械振動。 （3）燃料適用范圍廣。 （4）積木化強 規(guī)模及安裝地點靈活，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。 （5）負荷響應快，運行質量高 燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動，降低了現有變電設備和電流載波容量， 減少了輸變線路投資和線路損失。  燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。  多元化的能源結構是清潔汽車發(fā)展的必由之路，也只有通過發(fā)展新的能源，才能減少對石油資源的依賴，減小環(huán)境污染，造福于人類。