采用汽油與甲醇燃料的C級車CO2排放對比分析

張仕鵬 何勛 王喜龍

摘要：隨著我國社會與經濟的進步與發展及汽車保有量的不斷增加，能源與環境等諸多問題日趨嚴峻。結合我國近幾年CO2排放量的變化趨勢，本文簡要分析了采用甲醇燃料和傳統汽油燃料對碳排放的影響。結果顯示：研究用某C級車消耗1L/100km甲醇燃料，產生尾氣中CO2為10.9g/km，消耗1L/100km汽油，產生尾氣中CO2為23g/km。相對于傳統燃油汽車，合理優化車用能源結構對實現節能減排，降低大氣中CO2具有十分重要的意義。

Abstract： With the development of the society and the increasing number of vehicles， the problems between energy and environment are getting worse. Based on the trend of CO2 production in China recently， this essay gave a brief analysis on the impact of traditional gasoline and methanol fuels on CO2 emission. The results showed that： when the study used C-class car to consume 1L/100 km of methanol fuels， it will produce 10.9g/km CO2 in the tail gas， when the study consuming 1L/100 km of gasoline， it will produce 23g/km CO2 in the tail gas. Compared with the traditional fuel car， reasonable optimize the energy structure for cars is meaningful to achieve energy conservation and emission reduction and reduce the CO2 in the air.

關鍵詞：能源結構;CO2排放;車輛工程;節能減排

Key words： energy structure;CO2 emission;vehicle engineering;energy conservation and emission reduction

中圖分類號：F407.471;X503.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0063-03

0 ?引言

隨著我國社主義市場經濟和信息科技的進步與飛速發展及我國汽車資源保有量的不斷提高和增加，嚴峻的清潔能源與環境問題正逐漸成為世界關注的焦點，針對當前全球大氣溫度和地區環境變化所可能帶來的多種問題，低碳交通無疑將是世界各國解決清潔能源與環境問題的重要途徑[1]。據中國公安部交通管理局統計，2020年，全國新增機動車保有量已高達達3.72億輛，其中新增汽車2.81億輛[2]。報告顯示，2020年我國原油進口量為1087萬桶/日（5.42億噸），石油對外依存度已經高達73.5%[3]。此外，機動車尾氣是組成霧霾的主要成分，汽車尾氣對于空氣污染的問題越來越嚴重。汽車尾氣中的一些化合物，例如顆粒物、氮氧化合物、SO3等不僅會對環境和空氣產生嚴重的污染破壞，而且還可能對人們的健康和生命產生較大的傷害[4-5]。優化傳統燃料能夠有效改善汽車尾氣的排放，使用甲醇燃料一方面可以有效緩解我國石油能源短缺問題，另一方面減少了環境污染問題;推廣使用甲醇燃料對于提高農民收入，帶動農業及相關產業發展，增加就業機會等具有積極作用[6]。找到理想的燃料代替石油，推動燃料的多樣化發展，是我國能源發展的基本策略，我國煤炭資源儲量豐富，利用煤炭資源為原材料制造甲醇，尤其是針對無法成為動力煤炭直接進行燃燒的劣質煤，能夠作為制備甲醇的重要原料加以清潔利用。使用甲醇代替汽油作車用發動機燃料能夠有效減少我國對外國石油進口的依賴，甲醇代替汽油的發展策略，對于改善我國能源消費結構與成品油消費結構有著很重要的經濟意義和社會意義。

本文采用文獻調查法，通過對內燃機采用傳統燃油及甲醇兩種不同燃料的排放物進行對比，分析了采用該兩種不同能源對C級轎車排放物的影響。我國作為全球最大能源消費國，碳排放量位居世界前列。圖1為我國近些年碳排放總量走向，通過分析數據庫中我國近些年碳排放總量。可以看出總的趨勢是碳排放總量一直呈現出遞增趨勢，但通過各種節能減排措施使得近十年內我國碳排放的遞增趨勢變得比較平緩，證明了當下采用的節能減排措施對減少CO2具有重要作用。

1 ? 研究方法

車用燃料是地殼資源經過多重復雜的工業化處理流程制作出來，且不同原料最終制成車用燃料的流程不同，汽油由原油通過管道運輸經過蒸餾、分餾等流程最終到達加油站，而甲醇由煤款或天然氣經過工業煉焦及三級轉換制成。采用汽油和甲醇燃料兩種能源傳遞形式有所不同，過程如圖2所示。

近些年隨著新能源汽車的出現，一定程度上緩解了能源緊張的局勢，最具代表性的就是電動汽車的發展，但由于技術發展的不足，我國動力電池技術發展遇到的瓶頸問題尚未突破，核心問題尚未解決，作為目前應用最為廣泛的鋰離子電池組成后的能量密度也只有80wh/kg，動力供給系統性能比較落后。中國雖然是生產電池的大國，全國動力電池配套企業超過上百家，在全國各地都有生產商，但動力電池的核心技術不具備競爭優勢，生產動力電池所需要的正負極材料技術專利長期被國外壟斷，隔膜、電解液等對外高度依賴，國內電池生產工藝性能較差，動力電池組成技術落后[7]。

雖然已經出現以特斯拉等為主要代表的新能源汽車，有氫能源汽車、太陽能汽車和電汽車等，但由于目前核心技術發展不夠成熟，導致其生產成本高、電能供給效率低和不能達到理想的運行情況，甚至會出現能耗更大的問題，進而增大了推廣使用的難度。

目前一些發達國家都在加快推動電動汽車相關產業化進程，市場對電動汽車的需求呈現出遞增趨勢，但我國電動汽車目前仍處于培育發展階段，經過近些年科技水平的發展，我們也在技術方面也有了一些突破，主要體現在電動汽車和電動乘用車技術性能、安全可靠性和使用壽命的提高。國內一些新能源汽車企業先后推出了一系列不同款式的新能源汽車，但車型主要集中在電動客車領域。主要以原有車型改裝為主，未能達到批量定型生產，而且私人乘車乘用車領域原型研發的量產車型很少，可供消費者選擇的不多。

而且大部分城市缺少可操作的基礎設施規劃，特別是充電樁等公共區域的基礎設施布局受到落點選取等諸多因素的限制，不利于構建電動汽車智能充換電服務網絡體系。充換電基礎服務建設投資巨大且回收周期過長，再加上國家、地方政府對于基礎設施建設的補貼力度相對不足，在充換電設施運營方面也沒有相應的配套扶持政策，社會資本積極性不夠高，很少有企業愿意冒這個風險去嘗試這方面的發展。充電設施技術體系不夠完善，國家層面有關技術標準也較為落后，電網能源儲備不足、動力電池利用與回收技術未能解決等種種原因使得電汽車和充換電基礎設施之間缺少相互操作認證。

就目前的發展趨勢而言，合理優化車用發動機的能源結構對減少能耗和應對環境問題具有積極意義。

本研究通過對比采用兩種不同能源后某國產車排放尾氣中CO2含量的情況，分析具體采用哪種能源形勢，車輛的CO2排放更少。簡要的研究技術路線如圖3所示。

通過分析采用不同能源時，對C級車排放的尾氣中CO2含量的相對多少來進行對比，進而確定采用甲醇和汽油哪種能源下燃燒后的產物是相對比較清潔的，最后得出結論，確定更清潔的能源。

2 ?采用不同燃料的汽車CO2排放對比分析

根據前文所寫的具體研究路徑，本文將通過對比兩種不同燃料的C級轎車CO2排放，研究理想狀態下，每1mol燃料完全燃燒后產生的CO2排放量，具體研究如下。

2.1 燃油車流通過程中CO2排放

機動車規模的不斷增長正在加速全球能源消耗與溫室效應。目前，汽車節能減排問題已成世界多個領域探討的熱門話題[8]。為應對能源危機與溫室效應帶來的挑戰，許多國家已經相繼推出了傳統汽車戰略轉變的措施。

根據全球經濟庫數據，燃料的總體熱值大小指的是1kg燃料全部充分進行燃燒后所產生的總體熱量，作為一種燃料，汽油的總體熱值大約為44000kJ/kg。汽油的主要成分辛烷（C8H18）燃燒的化學反應方程為[9]：

2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O

根據原子守恒計算可得，假設完全燃燒1mol辛烷產生的CO2為8mol，理想狀態：2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O，計算產生的CO2為2300g。

即汽車每燃燒1L/100km汽油產生的CO2約為M1=23.0g/km。

2.2 甲醇汽車流通過程CO2排放

以甲醇作為主要燃料的汽車與傳統內燃機車的最大不同之處為動力來源，而甲醇可以通過煤炭、石油、天然氣、生物質能等方式合成制造。

甲醇燃料的化學熱值約為1111kJ/kg，其分子式定義為CH4O，結構最簡單的飽和一元醇。甲醇在燃燒的化學反應方程定義為：

2CH4O+3O2=2CO2+4H2O

根據原子守恒計算可得，假設完全燃燒1mol甲醇產生的CO2為1mol，理想狀態1L的甲醇密度按0.791kg/L進行計算得：汽車每燃燒1L/100km甲醇產生的CO2約為M2=10.9g/km。通過以上簡要分析使用兩種能源時CO2排放量如圖4所示。

相比于傳統的發動機，在采用甲醇發動機時輸出功率可以提高8～12%，同時轉矩也可以提高12～16%，從而表現出了優異的空氣動力性[8]。甲醇易溶于水，易降解，且不會對土壤、水流等環境造成污染破壞，且常溫下為液體狀態，化學性質穩定，因此運輸和儲存都比較方便。甲醇作為一種含氧化合物，可以充分燃燒，而且燃燒速度比汽油快，燃燒的定容性較好，燃燒持續時間較短，蒸發潛熱大，因此可提高發動機的熱效率。甲醇自身含氧量高達50%，在燃燒過程中還會發生自供氧效應，從而降低了燃燒過程中缺氧的幾率，有利于燃料的充分燃燒，也有助于實現機內凈化和降低CO、HC和NOX等常規氣體的生成，甲醇的辛烷值約為110，較汽油高，體現出更好的抗爆性，從而有利于提高發動機的壓縮比，能量利用效率優于傳統汽油，有很強的經濟性。

盡管采用甲醇燃料有著一定的優點，但在實際使用過程中也會出現一些問題：甲醇燃料的腐蝕性和溶脹性、甲醇發動機冷啟動較難等問題，而上述問題也是甲醇發動機研究的重點。

甲醇燃料所具有的熱效率高、熱效率強、驅動性好、啟動功能良好和經濟性等優勢，對于減少污染、節省石油、安全方便等都具有重要意義。使用甲醇作為燃料時，可把點火提前角和噴油提前角調整到最佳的角度，以便獲得更高的熱效率和更大的輸出功率。由于甲醇的含碳量較汽油低，所以在氣缸中充分燃燒后產生的廢氣中的主要成分是水蒸氣和CO2，不含有硫化物，從而大大減少了碳粒和CO的排放，對環境影響較小，而且甲醇的制造過程中可以通過糧食作物來提煉，同時又可以推動我國現代農業的發展。

3 ?結論

通過以上簡要分析，主要結論如下：

①車輛消耗甲醇率為1L/100km，產生尾氣中CO2為10.9g/100km，汽油消耗率為1L/100km，產生尾氣中CO2為23g/100km。

②采用甲醇燃料時，尾氣中CO2排放較傳統燃油車少，環保清潔，可以使車用發動機的排放整體得到改善。

③相比于傳統燃油汽車，合理的選擇不同的能源結構，減少汽油的使用量對于降低CO2排放有更積極的意義。

④甲醇的含碳量為37.5%，密度為0.79kg/L，化學熱值約為1111kJ/kg，汽油含碳量為86.6%，密度為0.742kg/L，化學熱值約為44000kJ/kg。因此單位熱值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

縱觀整個甲醇汽車的發展歷程，商業模式對于甲醇汽車產業發展顯得尤為重要。需要對甲醇車輛的應用進行全面且系統的研究分析，才能讓更多的資本進駐到該領域的研發當中。同時，發展甲醇燃料可以有效緩解我國能源緊張的局勢，同時也是一個維護地球生態環境的有效途徑。采用甲醇作為燃料，對于改善我國的能源結構和降低碳排放都有著重要意義。

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