中国清洁汽车技术发展路径研究.pdf

中国清洁汽车技术发展路径研究 - 1 - 前言 1 1 ．背景介绍 3 1． 1 世界汽车、能源及环境概况 3 1． 1． 1 世界汽车保有量发展概况 3 1． 1． 2 能源概况 4 1． 1． 3 环境概况 5 1． 1． 4 清洁汽车发展现状 6 1．２中国汽车、能源及环境概况 .8 1． 2． 1汽车保有量及分类构成 .8 1． 2． 2 能源概况 9 1． 2． 3环境概况 .10 1． 2． 4 清洁 汽车发展现状 10 2 ．各类清洁汽车的技术发展状况分析 . 12 2． 1 燃气汽车 LPG汽车和 CNG汽车 .12 2． 2醇类燃料（甲醇、乙醇）汽车 .16 2． 2． 1醇类汽车排放特性分析 .16 2． 2． 2醇类燃料发动 机技术发展状况 .18 2． 2． 3二甲基醚（ DME）燃料简介 18 2． 3混合动力汽车 .19 2． 3． 1混合动力汽车的技术特性 .19 2． 3． 2中国混合动力汽车研究状况 .20 2． 4电动汽车 .20 2． 4． 1电动汽车技术的瓶颈 .21 2． 4． 2中国电动汽车技术发展现状 .22 2． 5燃料电池汽车 .23 2． 5． 1燃料电池技术特性 .23 2． 5． 2各国燃料电池汽车开发现状 .24 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 2 - 3 ．各类清洁汽车的环境和能源效益分析 . 26 3． 1 LPG汽车 26 3． 1． 1 LPG轿车的排放控制水平 26 3． 1． 2 LPG重型发动机（包括公交车用发动机）的排放控制水平 28 3． 2 CNG汽车 .29 3． 2． 1 CNG轿车的排放控制水平 .29 3． 2． 2 CNG公交车的排放控制水平 .30 3． 3醇类汽车的排放控制水平 .31 3． 3． 1甲醇汽车的排放控制水平 .31 3． 3． 2 乙醇汽车的排放控制水平 31 3． 4混合动力、电动及燃料电池汽车的排放控制水平 .32 3． 4． 1混合动力汽车的排放控制水平 .32 3． 4． 2电动汽车的排放控制水平 .32 3． 4． 3燃料电池汽车的排放控制水平 .33 3． 5各种清洁汽车温室气体（ CO2）排放的控制水平 34 3． 5． 1交通领域控制温室气体现状 .34 3． 5． 2各种清洁汽车温室气体排放水平 .34 3． 6各类清洁汽车的能源效益分析 .35 3． 6． 1清洁汽车的燃油经济性 .35 3． 6． 2发展清洁汽车与优化能源结构 .36 4 影响中国清洁汽车产业化的因素分析 37 4． 1．激励性因素 .37 4． 1． 1日益严重的大气污染促使政府积极采取对策 .37 4． 1． 2全民环保意识不断增强 .37 4． 1． 3环境保护法规日益严格和完善 .38 4． 1． 4巨大的市场需求为清洁汽车产业化提供广阔空间 .39 4． 1． 5中国能源结构亟待改善 .40 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 3 - 4． 2制约性因素 .40 4． 2． 1关键技术不成熟 .40 4． 2． 2清洁汽车的制造成本较高 .40 4． 2． 3基础设施不够完善，需要大量投资 .41 4． 2． 4技术标准缺乏 .41 4． 2． 5 管理制度和相关产业政策不完善 42 5 中国清洁汽车技术发展路径 43 5． 1 技术发展路径设计 43 5． 1． 1遵循的原则及考虑的主要因素 .43 5． 1． 2技术路径的确定 .44 5． 2 技术路径一 47 5． 2． 1 短期（ 20012005年）主要任务和目标 .47 5． 2． 2中期（ 20062010年）主要任务和目标 49 5． 2． 3长期（ 2011年 ）主要任务和目标 .49 5． 3 技术路径二 50 5． 3． 1 短期 20002005年 主要任务和目标 50 5． 3． 2 中期（ 20062010年）主要任务和目标 50 5． 3． 3 长期（ 2011年 ）主要任务和目标 .51 6 ．中国发展清洁汽车的环境及能源效益 . 52 6． 1汽车保有量预测 .52 6． 1． 1汽车的分类标准 .52 6． 1． 2预测参数及预测方法 .53 6． 1． 3北京市汽车保有量预测 .54 6． 1． 4 12个试点城市汽车保有量预测 55 6． 1． 5 全国汽车保有量预测 55 6． 2 清洁汽车产业的环境效益评估 59 6． 2． 1 环境效益评估的基本前提和假设 59 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 4 - 6． 2． 2排放效益模型构建与参数测算 .59 6． 2． 3北京市清洁汽车产业的环境效益案例分析 .62 6． 2． 4清洁汽车产业的环境效益评估 ---“12个示范城市” .63 6． 2． 5清洁汽车产业的环境效益评估 ---全国范围 .65 6． 3能源效益分析 .66 6． 3． 1燃油经济性 .66 6． 3． 2清洁汽车产业对能源结构的影响分析 .66 7 促进中国清洁汽车产业发展的政策建议 67 7． 1 清洁汽车政策现状及存在问题分析 67 7． 1． 1政策现状 .67 7． 1． 2存在问题 .71 7． 1． 3政策建议的着眼点 .72 7． 2政策建议 .72 7． 2． 1研究制定“国家未来汽车发展计划” .72 7． 2． 2制定更加严格的分阶段排放限制法规 .73 7． 2． 3研究制定分阶段车辆燃油消耗限值标准或法规 .74 7． 2． 4 制定合理、有效的财税优惠政策。 74 7． 2． 5逐步建立与国际接轨的标准体系。 .75 7． 2． 6 研究开征汽车排放污染治理税的可能性 76 7． 2． 7 研究制定并逐步强制实施不同用途的车辆清洁汽车使用化率的规划和法规.76 7． 2． 8研究建立合理的投融资体制 .77 7． 2． 9 制定对汽车企业的引导约束政策 77 7． 2． 10 改善汽车交通行驶状况，加快 ITS建设 77 7． 2． 11广泛开展国际合作 .78 7． 2． 12进行广泛科普宣传，舆论进行正确引导 .78 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 5 - 7． 2． 13 理顺推动清洁汽车发展的运作机制 79 8 结束语 80 参考文献 . 81 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 1 - 前言 近年来，中国国民经济取得了持续快速发展，随之而来的是环境污染形势越来越严峻。就大气环境来说，大气污染呈多元化的发展趋势，特别是随着机动车保有量的迅速增长，城市大气污染在煤烟污染的同时，机动车排放污染越来越严重 。一些大城市的空气污染已由煤油型污染转向煤烟和机动车尾气混合型污染，氮氧化物居高不下，成为主要污染物；交通道路的 CO浓度常年超标。由机动车排放污染物引起的城市光化学污染也逐渐突出。 面对如此严峻的环境压力，中国政府采取了一系列控制机动车污染的措施逐步加严机动车污染物排放标准，以促进汽车生产企业采用先进技术，减少燃油消耗，降低污染物排放；加强对在用车排放污染的监控和治理；加速淘汰排放超标汽车；鼓励开发和使用清洁代用燃料汽车；分阶段淘汰和禁止使用有铅汽油，逐步实现汽油无铅化；实施“空气净化工程 清洁汽车行动” ，确立 12个清洁汽车行动试点示范城市和一个电动汽车运行示范区，分别重点推广和使用燃气汽车和电动汽车。所有这些措施的实施，为改善中国机动车的排放水平，控制城市机动车排放污染起到了积极的作用。 清洁汽车行动是一项长期而复杂的系统工程，治标必治本。为从根本上提高机动车排放水平，控制城市机动车排放污染，改善城市空气质量，学习和借鉴国外先进技术和经验，研究制定适合中国国情的“清洁汽车技术路径”及配套的政策、标准和法规体系，并由政府主导实施，这是至关重要的。因此， 2000年 7月，在美国能源基金会的资助下，国家科技部组织 中国汽车技术研究中心、清华大学、重庆汽车研究所、吉林工业大学、国家清洁汽车行动项目专家中国清洁汽车技术发展路径研究 - 2 - 组及相关企业，与美国能源基金会联合开展了“中国清洁汽车技术路径选择研究”的课题研究工作。 本课题研究的目标是在系统研究的基础上，提出适合中国国情的清洁汽车技术路径及相关政策建议，为政府制定国家清洁汽车发展战略及相关政策，提供决策参考。 本课题研究的基本思路是重点比较分析 CNGV、 LPGV、醇类汽车、电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等 6种清洁汽车的技术成熟度、使用经济性，以及在全寿命周期内与传统燃油汽车相比较的环境效 益和能源效益，分析中国在资源、环境、技术及经济现状和基础，结合国际经验，提出中国发展清洁汽车的两条技术路径，并提出为保证技术路径顺利实施所必须的相关政策建议。同时采用专家预测方法，预测未来 10年，北京市、 12个清洁汽车行动试点示范城市和全国的清洁汽车发展趋势，计算验证 2005年， 2010年分别的环境和能源效益。 在课题研究中，研究人员采用理论研究与实际调查相结合的方式充分利用国内外现有研究成果；对 12个清洁汽车行动试点示范城市的清洁汽车发展现状、发展规划、资源条件、政策环境及存在的问题和相关建议等进行了一 次系统的信函调查；对北京、上海、重庆、广州、长春等 5个城市、一汽集团、上汽集团、天汽集团 3家汽车企业及部分政府部门和研究机构进行了现场调研；研究建立了清洁汽车环境和能源效益评价数学模型等。 本科题所引用数据除标明来源外，主要引自 中国统计年鉴 、汽车工业“十五”发展规划研究 、 中国汽车工业年鉴 、 中国汽车工业（ 2000年版） 、 世界汽车工业统计 、 中国汽车工业信息网和中国汽车技术研究中心的行业调查以及本科题组的独立调查和相关课题研究报告。 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 3 - 1．背景介绍 1 ． 1 世界汽车、能源及环境概况 1 ． 1 ． 1 世界汽车 保有量 发展概况 现代汽车工业的迅猛发展，彻底改变了整个社会的传统生活习惯和人们的行为方式，汽车给人们带来了巨大的福利和繁荣，推动了社会的发展，并逐步已经成为交通运输的主要手段，对人们的生活方式产生巨大的影响，并对世界能源和环境有着重要的影响。汽车工业作为世界发达国家的支柱产业，发展非常迅速，保有量逐年以近 3的速度增长，目前已超过 7亿辆。表 1-1 所示 1990-1998世界汽车保有量概况。 表 1-1 1990-1998世界汽车保有量 单位百万辆 在用车 年份 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 总计 555 571 587 606 622 643 666 685 700 世界汽车保有量变化趋势详见图 1 - 1 。 图 1-1 世界汽车保有量变化趋势 汽车保有量01002003004005006007008001990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998年份百万辆汽车保有量中国清洁汽车技术发展路径研究 - 4 - 1 ． 1 ． 2 能源概况 目前，世界一次性能源主要为煤、石油和天然气。而交通领域所消耗的能源较为单一，主要为石油资源。汽车数量的急剧增长加快了有限石油资源的消耗。交通领域如何更加有效地利用剩余石油资源显得十分迫切和必要。解决这方面问题的一个有效途径是 开发和利用新型能源汽车，减少汽车对石油资源的过度依赖，这对于改善能源结构，保持汽车工业及社会持续稳定发展具有十分重要意义。 l 石油资源 石油储量及可开采年数变化情况见表 1-2。 表 1-2 石油可开采年数的变化 石油储量探明的 年份 探明的可开采储量 R（单位 10亿桶） 每年产量 P （单位 10亿桶 /年） 可开采年 R/P（年） 1965年 340 12 30 1975年 670 20 33 1985年 710 21 34 1997年 1020 24 43 世界探明可开采石 油储量从 1965年的 3400亿桶增加到 1997年的 10200亿桶，可开采年数从 1965年的 30年到 1997年为 43年。每年探明的储量及相应的可开采年数都在增加，今后趋势尚不明确。但可以肯定的是，石油作为不可再生的资源，储量是有限的，随着社会需求量的不断增加，不远的将来人类势必要面对石油资源枯竭的局面。 l天然气和煤资源 天然气和煤的储藏量比较丰富。根据平均发热量推算，设石油为 1，则天然气与煤的可开采储藏量分别为 0.91和 4.3。煤的储藏量特别丰富，且随着其深加工技术不断提高，极有希望成为汽车用燃料中国清洁汽车技术发展路径研究 - 5 - 的主要来源 之一。天然气作为目前世界上公认的清洁能源，是二十一世纪最有希望的汽车代用燃料。 天然气和煤资源储量对比情况详见表 1-3。 表 1-3 天然气和煤的储藏量情况 天然气 煤 探明可开采储藏量 144万亿 m3（ 1996） 1.03 万亿吨（ 1993） 每年产量 2.3万亿 m3 45亿吨 可开采年数 62 231 平均发热量（概略） 9800kcal/ m 3 6200kcal/kg 可开采储藏（发热）量 0.91 4.3 l醇类资源 甲醇和乙醇是可再生资源，可由一些廉价原 料如家庭垃圾、秸杆、木材、甘蔗、粮食，也可以通过煤、煤层气、液化石油气等制造，醇类资源的供应不会枯竭。由于开发利用醇类资源具有改善环境、调节能源结构，以及保持社会经济可持续发展的多重作用，因此发达国家十分重视该类资源的研究工作。 l电力资源 电力资源来源广泛，除可以由煤、石油和天然气等能源获得外，也可通过太阳能、风、水和核能等能源来获得，是可持续利用能源，可以说电力资源是一种永不枯竭的能源。 1 ． 1 ． 3 环境概况 80 年代初，世界环境卫生合作及发展组织就曾指出，交通运输行驶的汽车已成为大气污染的重要根源之 一。据统计，在一些发达国家中，汽车排放已占大气污染的 30 - 60 。 由于汽车保有量的急剧增加，导致了越来越多的环境问题，例中国清洁汽车技术发展路径研究 - 6 - 如对城市结构和生活环境的破坏；市内交通占地的拓宽，用地无限制地蔓延；交通拥挤、事故频发等，合乎生态化的城市生活环境离人们愈加遥远。早在 40年代美国洛杉矶地区和 70年代日本东京，都曾发生过严重的光化学烟雾事件，其原因就是汽车排放的 HC和 NOX在紫外线的作用下形成有毒的光化学烟雾。结果造成数百人死亡，数万人受害，树木枯死，农作物减产；在美国纽约、芝加哥、费城，英国伦敦等城市也发生过光化学烟雾 事件。不仅如此，世界出现了三大酸雨区，全球气温升高，臭氧层臭氧浓度降低，以及对流层臭氧浓度升高等全球性危机。 总之，在上述这些环境问题中，机动车排放的 CO、 HC和 NOX和颗粒等污染物是造成这些危害的重要原因之一。因此，机动车排气污染控制早已为世界各国所关注，纷纷研究和探索减少污染物排放的方法和技术。 1 ． 1 ． 4 清洁汽车发展现状 基于对能源和环境方面的考虑，世界上许多国家愈来愈重视清洁汽车的开发和应用，目前世界上各种清洁汽车保有量已达 600多万辆。在各种清洁汽车类别中，压缩天然气（ CNG）、液化石油气（ LPG）、醇类（甲醇和乙醇）汽车技术比较成熟，福特、丰田、本田、菲亚特等汽车公司还开发了达到超低排放的 CNG汽车。上述种类清洁汽车保有量占清洁汽车总保有量的 80以上。表 14为世界上 CNG汽车和 LPG汽车的保有量统计数据。 与此同时，电动汽车、混合动力和燃料电池汽车的研究开发工作也取得了可喜的进展，截止 1999年，日本丰田公司在国内已经销售了 3万辆 Prius 混合动力汽车。美国通用公司的氢气 -1号燃料电池汽车的研制成功，标志着燃料电池技术已逐渐趋于成熟，美国、日本等国计划在 2003年前后实现甲醇燃料电池汽车的 商业中国清洁汽车技术发展路径研究 - 7 - 化。 表 1-4 世界部分国家燃气汽车保有量 加气站数量 燃气汽车数量（万辆） 国 家 LPG CNG LPG CNG 意大利 1,900 270 105.0 29.0 荷 兰 2000 -- 47.0 -- 阿根廷 -- 496 39.5 澳大利亚 2450 -- 33.0 -- 韩 国 502 -- 27.8 -- 日 本 1921 -- 30.5 -- 美 国 3300 1082 27.2 6.6 墨西哥 1,500 -- 30.0 -- 俄罗斯 1000 192 45.0 20.5. 加拿大 5,000 112 14.0 3.6 巴 西 -- 39 -- 1.4 新西兰 -- 245 -- 2.5 泰 国 92 -- 1.9 -- 其 他 3100 196 26.7 2.2 美国清洁汽车发展状况详见表 1 - 5 。 表 1-5 美国代用燃料车发展状况（辆） 1996年 1997年 1998年 LPG 263000 271000 279000 CNG 60144 73773 85122 LNG 663 965 1136 M85 20265 20656 21370 M100 172 172 172 E85 4536 9389 10872 E95 361 357 357 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 8 - 电气 3280 4040 4761 合计 352421 380352 402790 1 ．２中国汽车、能源及环境概况 1 ． 2 ． 1 汽车保有量及分类构成 随着近年来中国国民经济快速稳定增长，中国汽车工业也取得了飞速增长，汽车社会保有量由 1990年的 551万辆增长到 1999年 表 1-6 中国汽 车保有量及分类构成 普通载货汽车 总计中私人汽车 年份 总计 柴油载货汽车 客车 专用载货车、 专用车及特种车 客车 1990 551.36 357.57 76.16 162.19 31.36 81.62 24.07 1991 606.11 386.67 83.52 185.24 34.20 96.04 30.36 1992 691.74 427.86 91.56 226.16 37.72 118.20 41.87 1993 817.58 483.27 104.02 285.98 48.33 155.77 59.85 1994 941.95 543.60 110.90 349.74 48.61 205.42 78.62 1995 1040.00 568.58 125.60 417.90 53.52 249.96 114.15 1996 1100.08 558.16 128.40 488.02 53.90 289.67 143.04 1997 1219.09 582.45 144.89 580.56 56.08 358.35 191.27 1998 1319.30 609.31 159.11 654.83 55.16 423.65 230.65 1999 1452.94 665.74 199.05 740.23 56.97 533.88 304.09 的 1453 万辆，年均增长率超过 10 ，数据详见表 1 -6 。预计在今后相当长的一段时间内将保持较高的增长速度，中国汽车总保有量、普通载货车及客车保有量变化趋势详见图 1 - 2 。 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 9 - 图 1-2 中国汽车总保有量、载货车及客车保有量变化趋势 1 ． 2 ． 2 能源概况 中国面临的能源基本情况是在一次性能源储量中，石油资源位居第二。根据有关专家估计，按世界通用储量标准计算，中国最终石油可采资源大体为 140亿吨。截至 1996底，已探明石油可采石油储量为 52.8亿吨。石油在一次性能源消耗结构中所占比重为 23.4。1998年 汽车消耗汽油和柴油量分别占国内生产量的 85和 18.9。 1991-1998年度汽油和柴油的年均消耗量分别增长 4.3和 8.5，而 1990年到 1999年石油产量的年均增长率仅为 1.6。随着石油消耗速度快速增长，国内生产量已远不能满足国内的需求，早在 1993年中国已成为石油净进口国。 中国天然气资源比较丰富，根据全国油气资源评价，中国气层资源蕴藏量为 38万亿立方米，其中可开采资源量为 10.5万亿立方米，现已探明 9500亿立方米。天然气在一次性能源消费结构中的比重为 2.8。 中国煤炭资源最为丰富，占一次性 能源消费结构的 67.1，已探明的煤炭储量为 7300亿吨，占世界总量的 45左右，其中可开采储量 1010亿吨，占世界可开采储量的 15以上，因此，煤炭资源的深加工及高效利用在中国具有良好的发展前景。 020040060080010001200140016001990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999年份万辆总保有量载货车保有量客车保有量中国清洁汽车技术发展路径研究 - 10 - 表 1-7 中国石油产品生产状况 汽油 柴油产量 年份 原油产量 生产量 A 汽车消耗量 B B/A（ ） 生产量 A’ 汽车消耗量 B’ B’/A’（） 1990 13830.6 2157.1 1984.5 92.0 2609.4 452.5 17.3 1993 14493.0 3141.4 2722.5 86.5 3474.0 705.6 20.3 1996 15733.4 3281.0 2818.5 85.9 4419.0 809.1 18.3 1999 16000.0 3741.3 3198.8 85.5 6302.7 1285.7 20.4 1 ． 2 ． 3 环境概况 1998年，全国 322个城市环境统计资料表明， 89个城市空气质量达到国家二级标准，占 27． 6％， 93个城市空气质量处于国家三级标准，占 28． 9， 140个城市空气质量超过国家三级标准， 占 43． 5％，属于严重污染型城市。造成城市大气污染的主要根源之一是机动车排放物，部分城市机动车排放物分担率的一组数据可说明之。详见表 1-8。 表 1-8 部分城市机动车排放物分担率 单位 城市名称 CO NOX HC SO2 北京市 83 46 74 -- 上海市 61.8 20.9 -- -- 重庆市 79.5 77 -- -- 深圳市 -- 78.1 -- -- 德阳市 53.7 49.2 73.3 -- 西安市 -- 23.1 -- 25.2 1 ． 2 ． 4 清 洁汽车发展现状 中国十分重视清洁汽车的研究开发和应用，早在“八五”期间就组织实施了国家电动汽车关键技术攻关项目；“九五”期间又进行了示范运营尝试。 1999年 4月，正式启动国家清洁汽车行动项目，重点开展燃油汽车清洁化，燃气汽车关键技术攻关及产业化，并确中国清洁汽车技术发展路径研究 - 11 - 定了 12个清洁汽车示范城市。示范城市的清洁汽车发展情况见表 1-9。 表 1-9 12个示范城市的清洁汽车发展概况 LPG CNG 总计 小 计 156 小 计 72 合 计 228 加气站 其中 油气合建 106 其中 油气合建 23 其中 油气合建 129 新 车 20202 447 20649 改装车 30282 3879 34161 出租车 小 计 50650 4391 55041 新 车 35 2158 2193 改装车 6039 4102 10141 大 型 公 交 小 计 6074 6260 12334 新 车 400 179 579 改装车 638 1791 2429 中 巴 小 计 1038 1970 3008 燃 气 汽 车 总 计 57762 12621 70383 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 12 - 2．各类清洁汽车的技术发展状况分析 处于商业化应用及研究开发阶段的清洁汽车种类包括 CNG 汽车、 LPG 汽车、醇类 汽车、混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车等。 2 ． 1 燃气汽车 LPG 汽车和 CNG 汽车 燃气汽车相关技术已经成熟，并进入商业化阶段。这类相关技术涵盖了燃气汽车的各个方面，它涉及到燃料供给系统包括各种车载储气装置、安全保障系统、形形色色的调压器与混合器及喷射器等关键部件；涉及到整车的结构、整车布置；涉及到发动机燃烧室、点火系统、进气系统、以及燃用燃气时发动机的耐久性和可靠性；涉及到燃气的成分、质量以及其加工和制备的工艺；涉及到加气机、压缩机、站用储气装置等相关基础设施；形成了比较完备的标准法规体系。更重要 的是，电子控制技术的研究和应用水平、排放控制技术的研究和应用水平已经达到与燃油汽车的相关技术同步发展的程度。 从燃气汽车燃料供给控制技术的发展来看，大致可分为第一代技术、第二代技术和第三代技术三个阶段 ● 第一代技术 第一代技术对应于汽车化油器技术，它在不改变汽车原有燃烧系统的前提下，加装一套燃气供给系统，采用文丘里管或比例调节式机械控制混合器，利用发动机进气真空的变化调节燃气供给量，以适应发动机不同工况对供气量的要求，保证发动机的正常燃烧。它无电控系统和尾气后处理装置，这种技术成本较低，对发动机或整车排放 的改善效果有限，与化油器汽车燃用汽油时相比，匹配较好的液化石油气系统，车辆燃用 LPG 或 CNG 时，其 CO 排放有加大幅度中国清洁汽车技术发展路径研究 - 13 - 的降低， HC 排放的降低幅度仅次于 CO ， NOx 下降较少（或不下降），相对于柴油机而言，其可见污染物排放的改善十分明显。 然而根据不同的匹配特点，各种污染物排放量的降低程度有所不同。表 2 - 1 所示为 5 辆国产轿车采用第一代技术改装的汽油 / LPG 表 2 - 1 燃用 LPG 和燃用汽油的排放结果对比 15工况排放（ g/test） 怠速排放 序号 燃料 CO THC NOx CO THCppm LPG 21.2 10.7 3.7 0.15 215 汽油 49.3 9.9 6.8 2.1 345 1 增、减 -57 8 -45.6 -92.9 -37.7 LPG 18.5 8.6 6.5 0.1 180 汽油 52.0 11.8 6.8 1.75 280 2 增、减 -64.4 -27.1 -4.4 -94.3 -35.7 LPG 12.2 11.3 3.5 0.45 185 汽油 52.7 9.3 7.1 2.9 260 3 增、 减 -76.9 21.5 -50.7 -84.5 -28.8 LPG 9.7 12.8 4.4 0.15 150 汽油 54.1 13.0 6.9 1.7 270 4 增、减 -82.1 -1.5 -36.2 -91.2 -44.4 LPG 6.0 10.7 5.3 0.15 255 汽油 88.0 14.3 6.5 3.7 290 5 增、减 -93.2 -25.2 -18.5 -95.9 -12.1 两用燃料轿车的燃用 LPG 和燃用汽油时工况法排放 和怠速排放测试结果的对比情况。可以看出，燃用 LPG 时 CO 平均降低 74 .7 工况法 、 91 .7 （怠速法）， THC 降低 4.86 （工况法）、 31 .7 （怠速法）， NOx 下降 31 .1 （工况法）。 大量的统计结果表明，装用这一简单系统的汽车，其排放水平可以达到 GB14761.1 -1993 （即 ECER 15/04 ）标准的要求，但难以达到 GB14761 -1999 （即欧洲 1 号）排放标准的要求。 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 14 - ● 第二代技术 第二代技术是在第一阶段的基础上，采用闭环电控技术，根据安装在排气管上三元催化器前的氧传感器的信号，加上其他传 感器（如发动机转速、节气门位置、水温等）信号，通过电脑控制供给发动机的燃气量，使发动机空燃比保持在在理论空燃比附近以充分发挥三元催化器的效率。第二代技术示意图见图 2 -1 。这种技术方案可以使汽车排放水平达到欧洲 1 号乃至欧洲 II 号法规的要求。目前第二代技术在国外仍大量使用。国内在这方面也做了大量的研究工作，取得了令人满意的效果。 我国在主要轿车车型如夏利、捷达、桑塔纳、小红旗、富康等开展了 LPG 和（或 CNG ）第二代技术的研究开发工作，取得了良好的效果，基本掌握了核心技术，具备产业化的技术基础。 ● 第三代技术 第 三代技术对应于汽油闭环电控喷射技术。主要特征是完全意义上的闭环电控喷射加上与所用燃料相适应的三元催化器。控制精度可与汽油电控喷射媲美，根据所采用技术的先进程度不同，其排放可达到欧洲 II 号乃至更高的排放法规的要求。福特汽车公司开发的电控喷射单一燃料 CNG 轿车、以及单一燃料 CNG 卡车，其排放指标可以达到美国加州 ULEV 和 SULEV 排放法规的要求。 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 15 - 图 2 - 1 燃气汽车第二代技术示意图 表 2 - 2 Ford1996 crown victoria 单燃料 CNG 轿车排放指标 g/ 英里 行驶里程 NMOG CO NOx 50 ， 000 英里 0.04 2.1 0.3 ULEV 限值 100 ， 000 英里 0.055 2.6 0.3 50 ， 000 英里 0.029 0.3 0.04 Crown victoria 4.6L 1 0 0 ， 000 英里 0.042 0.4 0.06 资料来源 SAE Trans.952743 表 2 - 3 Ford 的两种 CNG 卡车车型排放指标 g/ 英里 行驶里程 NMOG CO NOx HCHO 50， 000英里 0.059 2.5 0.3 0.006 SULEV 限值 120， 000英里 0.084 3.7 0.45 0.008 4， 000英里 0.004 0.71 0.02 0.000 50， 000英里 0.008 0.73 0.10 0.000 F-250型卡车（ 2950kg） 120， 000英里 0.015 0.76 0.22 0.000 4， 000英里 0.006 0.33 0.09 0.000 50， 000英里 0.010 0.52 0.14 0.000 E-250/350型卡车（ 3630kg） 120， 000英里 0.015 0.82 0.23 0.002 资料来源 SAE Paper 971662 在第三代技术中，还有单点电控喷射和多点电控喷射、进气道中国清洁汽车技术发展路径研究 - 16 - 喷射和缸内直接喷射、气态喷射和液态喷射之分，目前国外在第三代技术方面已经基本成熟，处于产业化初期阶段，尚没有大批量使用。中国国家科技部在清洁汽车关键技术攻关和产业化项目中，组织了全国轿车和发动机主机厂、汽车行业主要科研院所及有关高校的技术力量，开展轿车、中巴和大型工公交客车燃气发动机第三代技术的研究工作，同时制定了产业化的发展目标。目前项目进展顺利，取得了一些阶段性成果， 预计在不久将来实现产业化并推广应用。 ● 天然气存储技术 天然气储存技术是影响天然气汽车发展的重要因素， CNG 气瓶大体上分为 3 种类型全钢制、金属内胆玻璃纤维或碳纤维缠绕、全复合材料。由于其容重比小，因此 CNG 汽车的续驶里程比汽油和柴油车短。鉴于这一原因，许多国家开展了 LNG 技术的研究和应用。天然气以 -162 ℃的液态存储于真空隔热容器中，其单位质量（包括气瓶）相当于 CNG 储存方式的 3 倍多，从而大大延长天然气汽车的续驶里程，目前仍有一些技术问题及成本问题需要解决。据报道，截止 1997 年底，全球约有 LNG 汽车 68 0 辆，增长速度较慢，然而， LNG 的储存技术的研究工作始终进行着，一旦其成本能够大幅降低，对天然气汽车的推广应用将是一个很大的推进。所以，天然气汽车今后的研究工作除了进一步改进燃烧过程外，储存技术将是研究开发的重要内容。 2 ． 2 醇类燃料（甲醇、乙醇）汽车 2 ． 2 ． 1 醇类汽车排放特性分析 醇类燃料（主要指甲醇和乙醇）是一类清洁的汽车替代燃料，其分子式分别为 CH 3 OH 和 C 2 H 5 OH 。与汽油和柴油相比，醇类燃料氢碳中国清洁汽车技术发展路径研究 - 17 - 原子比大且是含氧燃料，甲醇分子含氧量达 50 ，乙醇分子含氧量达35 （甲醇和乙醇与汽油的特性见表 2 -4 ），因此比汽油和柴油更容易完全燃烧。除了常规的有害排放物较少外，温室气体 二氧化碳的排放量也比燃用汽油和柴油低。表 2 -5 所列为 Ford 公司开发的金牛座 E - 85 和 M -85 轿车的排放试验结果与燃用汽油的对比，在控制排放污染方面具有一定的效果。 汽车燃用醇类时，通常是以灵活燃料的形式进行，既可以燃用纯汽油、也可燃用汽油和醇类的混合物（如 M85 、 E85 等）、还可以燃用纯醇类燃料，主要通过车载燃料电脑识别系统所获得的信息，控制相应的运转参数，使车辆处于良好的运行状态。 表 2 - 4 醇类燃料与汽油的特 性对比 名称 分子式 密度 kg/l 理论 空燃比 辛烷值 （ RON ） 自燃温度 ℃ 火焰速度 m/s 汽油 C 4 - C 12 0.73 1 4.7 88 - 100 257 4 - 6 甲醇 CH 3 OH 0.792 6.45 108 464 2 - 4 乙醇 C 2 H 5 OH 0.790 9.0 108.6 423 -- 资料来源 Alternative Fuel Vehicle Guide Book 表 2 - 5 Ford 金牛座 E - 85 和 M - 85 汽车的排放结果 车辆 燃料 发动机排出 FG g/ 英里 HC CO NOX 尾气 TP g/ 英里 HC CO NO x E - FFV E - FFV M - FFV M - FFV E85 一般汽油 加州第二阶段汽油 M85 0.98 11.9 1.73 1.78 11.3 2.31 1.87 11.25 2 0.72 10.5 1.44 0 .104 1.27 0.05 0.107 1.4 0.057 0.44 0.61 0.058 0.054 0 .055 0.066 资料来源 SAE Trans.952751 中国清洁汽车技术发展路径研究 - 18 - 2 ． 2 ． 2 醇类燃料发动机技术发展状况 就发动机燃用醇类燃料而言，国际上技术已经成熟。我国 30 年前也已开展了醇类燃料发动机的基础研究工作，基本上了解燃用醇类燃料的相关技术。目前国际上普遍认为，除了大比例掺用醇类燃料时，必须优化发动机燃烧系统参数外，无论醇类燃料掺用比例多少，还必须考虑其对车载和站用燃料供给系统的腐蚀性、储存分层问题以及甲醇的毒性。甲醇燃烧产生废气为燃烧或燃烧不完全的气体，也具有较强的腐蚀性，不仅对金属有腐蚀作用，而且对橡胶 和塑料也有腐蚀作用。另外，甲醇在发动机汽缸中燃烧时产生一些酸性物，要用专用的润滑机油。但这些问题，在国际上已有较为成熟的解决方案。 2 ． 2 ． 3 二甲基醚（ DME ）燃料简介 近年来，国外对二甲基醚（ DME ）的研究和应用非常重视， DME可通过甲醇脱水获得，或由 CO H 2 直接合成，来源丰富。 DME 具有良好的自燃特性，其十六烷值为 55 -60 ，应用于柴油机可使其性能得到显著提高，烟度、噪声、 NOx 排放均有明显降低。日本在这方面的研究工作进展较快，如日本交通公害研究所对 DME 开展了大量的研究，大型的 DME 生产基地正在建设 之中。 由于 DME 可以煤为原料制取，符合我国国情，研究开发 DME 技术具有较好的应用前景。我国在 DME 的开发和作为汽车燃料的应用方面