1 自然界的能源
自然界的能源都是来自宇宙，主要来自太阳，地球和星体等。亿万年来太阳的光能、热能和辐射能，通过地球上的植物光合作用转化的生物能源，受到地壳运动，被埋藏在地下形成煤炭、石油、天然气，它们已经是我们现代生产的主要能源。而且太阳能还在继续通过地球上的植物光合作用转化生物能源，粮食、油料、棉花等这些是我们赖以生存的主要能源。另外还有地球的能源和宇宙的能源等。
能源可分为可再生能源和非再生能源，以及可利用能源、暂时不可利用能源和不可利用能源。
1.1能源的种类
自然界能源的种类有：
矿物能源；煤炭、石油、天然气、石油气、油页岩等 非再生能源 目前主要可利用能源
太阳能源—生物能源：农作物、野生植物、水生植物、树木等 主要可再生能源 目前主要可利用能源
自然能源；太阳能、水力、风力、潮汐（与月亮共同作用）可再生能源、可利用能源
雷电、风暴、海流、非可测可再生能源 暂时不可利用能源
地热、地蒸汽、温泉 非再生能源 可利用能源
地球能源—放射性矿物：铀、钍、硼、氘、氚等 非再生能源 可利用能源
火山、地震、海啸 非可测再生能源 暂时不可利用能源
宇宙能源—宇宙射线、从宇宙进入地球的星际物质（流星、宇宙光等） 非再生能源 不可利用能源
图-1 自然界能源的分类
1.2 能源和燃料
自然界能源可作为生活燃料，例如：用于生活的煤炭、天然气、农作物的秸杆、草、木、沼气等。自然界能源还可作为生产燃料，其中大多数需要转化为二次能源才可作为汽车燃料，例如：石油需要经过分馏为汽油、柴油等；生物能源需要转化为高分子有机化合物，乙醇、生物柴油、高分子有机化合物燃料等；太阳能、水力、风力、核燃料等需要转换为电能或氢能等。
石油燃料：轻油、汽油、柴油等 非再生能源 可利用能源
燃料能源—第1代生物燃料：以生物质为原料的原有的高分子有机化合物燃料；甲醇、乙醇、生物柴油、沼
气等 可再生能源 可利用能源
第2代合成燃料：以生物质为原料的高分子有机化合物合成燃料；二甲醚、二甲基芙喃、四氢基
芙喃、火箭燃料（混胼-50、偏二甲肼）、炸药等 可再生能源 可利用能源
转换能源： 电能、氢能等 可再生能源 可利用能源
图-2 二次能源的分类
1.3 汽车可持续发展的代用燃料
矿物能源 生物能源 气体能源 自然能源
汽油 乙醇 煤气 太阳能 水力 风力
柴油 生物柴油 液化石油气 地热 潮汐
有机物合成燃料 ←——天然气 —→ 核能
↓
电解水← 电网电能
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
往复式发动机 转子发动机 燃气轮机 ← 氢气
↓ ↓ ↓ ↓
发动机发电机组 燃料电池组 蓄电池 超级电容器
电能 电能
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
清洁燃料发动机汽车 各种电动汽车
↓ ↓
注： 有 者为非再生代用能源
图-3 汽车可持续发展的燃料
1.4 汽车可持续发展的燃料（生物燃料）的主要性能
除电能外（已有专题研究），对汽车可持续发展的燃料有：代用燃料（除天然气和液化石油气）和氢气。对代用燃料的主要性能的要求如下：
1.4.1 代用燃料的物理性能：代用燃料的沸点、闪点、自燃点、临界温度、汽化潜热、流动性，吸水性等特性，应与汽油或柴油的特性相接近，不会分解、质量稳定。
1.4.2 代用燃料的燃烧性能：代用燃料的辛烷值应大于汽油的辛烷值，或十六烷值应大于柴油的十六烷值，不需要添加任何提高辛烷值或十六烷值的添加剂。可以提高发动机的压缩比，燃烧时不会产生爆燃，可以以不同比例的分量与空气均匀混合，不会生存积碳和结胶等。
1.4.3 代用燃料的环保性能：燃料的燃烧后的排放至少应达到“国 Ⅲ”以上的排放标准，不会产生有“毒”的高分子排放气体和微粒等。
1.4.4代用燃料的其他性能：代用燃料应有方便、可靠的运载、灌装和使用的安全性，不会对内燃机的各种零、部件产生腐蚀作用，具有较良好的润滑性能等。
1.4.5代用燃料对内燃机的适应性：代用燃料内燃机的结构和供给系统，应可以完全采用原发动机，或经过部分改进的原发动机，即可使用纯代用燃料，或使用按一定比例代用燃料与石油燃料掺合成的混合燃料。并有效地提高汽车节能和减排的效率。
代用燃料的应用，可以大量的节约用于燃料系统工程改造的投资，这对汽车设计、汽车制造生产平台和汽车燃料供应系统平台的可持续发展有重要的意义。
在“十一、五”规划中关于节能与新能源汽车重大项目中，专门提出代用燃料汽车和新型燃料的研发项目，要求进行代用燃料汽车的整车和新型燃料的关键技术研究、示范应用和市场推广。
1.5 生物燃料的主要性能
可作为汽车代用的生物燃料，目前主要有：醇类燃料、生物柴油、二甲醚和氢气等，生物燃料与汽油、柴油的主要性能对比见（表-1）。
生物燃料与汽油、柴油的主要性能对比 表1
项目
单位
汽油*
甲醇
无水乙醇
菜油
花生油
豆油
甲脂
二甲醚
DME
轻柴油*
（JIS NO.1）
分子式
C4~C12烃
CH3-OH
CH3-CH2-OH
**
CH3-O-CH3
＞C12烃
分子量
g/mol
98
32
46.1
—
—
46.96
170
含碳量（质量分数）
%
85
37.5
52.2
77.6
—
52.2
86.6
含氢量（质量分数）
%
15
12.5
13.0
11..6
—
13
13.2
含氧量（质量分数）
%
0
50.0
34.8
10.8
11.0
34.8
0
含硫量（质量分数）
%
—
0
0
0
—
0
0.2
液体密度（20℃）
Kg/L
0.72~0.76
0.792
0.7893
0.904
0.883
0.661
0.82~0.84
黏度（40℃ x 10%26#8310;）
m%26sup2; / s
—
—
1.51
32.31
8.067
0.18
2.7~3.76
沸点
°k
303~463
337.5
351.3
—
248.1
453~643
闪点
℃
-40
11
21
314.0
-41.4
-71
自燃点
°k
533
723
703
—
508
523
临界温度
°k
—
512.6
512..2
—
400
—
临界压力
MPa
—
8.10
6.38
—
5.32
—
蒸汽压力
MPa
0.044~0.078
0.037
0.021
—
0.53
—
理论空燃比
Kg//kg
14.8
6.45
8.45~9.00
12.7
8.96
14.5
高热值（25℃、1.01kPa）
MJ/kg
46.6
22.34
29.8
36.7
39.8
—
42.9
低热值（25℃、1.01kPa）
MJ/kg
43.9
19.66
26.8
—
28.43
43.2
辛烷值
RON
91~98
112
111
—
—
—
MON
82~88
91
92
—
—
—
汽化潜热
kJ/kg
279
1 101
862
—
467
300
十六烷值
——
8
5~8
37
60.1
55~60
45~58
相对于汽油的容积系数
κ
1
1.54
2.04
—
—
—
能源消耗指数
（汽油为100%）
%
100
110
117~151
100~116
—
75
排放指数
（汽油为100%）
NOx
%
100
158
122~154
189~346
0.12g/km*
13.~211
CO
%
100
101
22~52
8~26
2.1g/km*
7~21
HC
%
100
155
32~104
12~47
0.047g/km*
15~40
PM
%
100
——
24~45
112~120
0.005g/km*
100
CO2
%
100
80
24~45
13~32
—
52~74
注：* 不同标号的汽油或柴油各种参数略有不同；
**按不同比例的植物油混合产生的生物柴油各种技术参数各不相同。表中为菜油50%+花生油50%的混合油
2 第1代生物燃料（以生物质为原料的原有的高分子有机化合物燃料）
第1代生物燃料是一些已有的、以生物质为原料的高分子有机化合物燃料，包括：甲醇、乙醇、植物油脂、动物油脂等。它们主要是用粮食、油料、甘蔗、秸杆等为原料来生产。
2.1 乙醇燃料
2.1.1 乙醇燃料的使用情况和主要性能
乙醇以大米、玉米、薯类、糖蜜和秸杆等农作物经过蒸煮、糖化、发酵、蒸馏等工序后产生乙醇燃料。我国《变性燃料乙醇》和，《车用乙醇燃料》国家标准中规定的乙醇的主要性能要求见（表2）
变性乙醇燃料的主要性能 表-2
项目
单位
美国变性乙醇燃料标准
（Astmd4806-98）
中国变性乙醇燃料标准
（GB18350-2001）
乙醇（V/V） 不小于
%
92.1
92.1
甲醇（V/V） 不大于
%
0.5
0.5
水分（V/V） 不大于
%
1.0
0.5
实际胶质 不大于
mg/100mL
5.0
5.0
总氯化物 不大于
mg/L
40
（无机氯）40
铜含量 不大于
mg/kg
0.1
0.1
乙酸含量 不大于
mg/L
0.007
0.008
改性剂m/m 不小于
不大于
%
1.96
4.76
1.96
4.76
外观
清澈透明、无悬浮物和沉淀
清澈透明、无悬浮物和沉淀
2.1.2 乙醇燃料的种类
乙醇燃料有“无水乙醇”和“含水乙醇”，国外多采用高纯度“无水乙醇”，我国正在研究和开发 “含水乙醇”燃料的应用。
（1） 无水乙醇
高纯度“无水乙醇”中乙醇的含量达到99%以上，乙醇燃料是按无水乙醇与汽油不同比例的混合燃料，用乙醇的体积百分数Ex来标称，例如：E100（100%的乙醇）、E85（85%的乙醇+15%的汽油）和常用的E10（10%的乙醇+90%的汽油）等。在汽油中含一定比例的乙醇，可以增加汽油的辛烷值，提高汽油的标号，不但可以节约汽油，还可以改善燃烧和减少有害气体的排放。试验表明：当乙醇的含量为6%时，HC的排放降低5%，CO的排放降低21%~28%，NOx的排放降低7%~16%。当乙醇的含量为15%和25%时，HC的排放分别降低16%和30%，CO的排放分别降低30%和47%。
乙醇主要用于点燃式发动机。乙醇的辛烷值为111，高于汽油的辛烷值，着火燃烧浓度极限比汽油范围宽，在辛烷值（RON）为90.6的裂化汽油中添加体积为10%的乙醇，称为E10号混合燃料（是我国当前主要的10%乙醇+90%汽油的混合燃料）。E10号混合燃料的辛烷值（RON）比汽油增加4 个单位、辛烷值（MON）比汽油增加1.4个单位。乙醇代替四乙铅作为汽油的防爆添加剂。
乙醇的蒸发潜热为汽油的2.9倍，在乙醇混合燃料中，乙醇的含量小于30%时，发动机有良好的起动性能。当乙醇的含量大于30%时，由于乙醇的汽化潜热大，不利于乙醇燃料的低温蒸发，发动机的起动性能变差，一般采取加热的方法来改善其低温性能。乙醇的蒸发温度低、在空气中的浓度低，并且可以生物降解，安全性高于汽油。
乙醇的能量密度比汽油小，热值相当于汽油的64%、理论空气量为汽油的60%，使用纯乙醇作为发动机的燃料，需要增加约两倍左右的乙醇供应量才能达到汽油机所产生的动力，需要增大燃料量孔的直径，以加大乙醇的供给量，因此，需要改造发动机的燃烧室结构，和改进供给系统。装乙醇的容器体积比装汽油的容器体积大50%，整体重量大65%。乙醇燃料对发动机的润滑剂有稀释作用，会使发动机的零部件因干摩擦而加速磨损。高纯度“无水酒精”有高度的吸水性，当“无水乙醇”中含有水分后，性能变得不稳定。
美国Pure能源公司生产的微型汽车和中级旅行车上的可变燃料发动机FFVs上，采用由乙醇、MTHF、正戊烷和丁烷的混合燃料，具有良好的动力性能和低的排放。此类汽车称为P系列P-Series Vehicle汽车。
（2） 含水乙醇”
“含水乙醇”中乙醇与水按 一定比例混合，一般含水乙醇中乙醇与水的比例为乙醇65%+水35%，含水乙醇利用发动机排气的余热，将含水乙醇经过重整为“含水乙醇重整富氢燃料”，用100%的含水乙醇、和用含水乙醇30%~50%的比例与汽油混合为混合燃料进行试验，发动机的动力性能良好，排放大幅度降低，发动机不需要进行改动，含水乙醇价格低廉，综合经济效益可提高50%，。含水乙醇燃料的开发和应用具有重大的现实意义。
2.2 生物柴油
根据生物质来源不同，生物柴油有：植物柴油和动物柴油。
2.2.1 植物柴油
植物油有：菜子油、棉子油、大豆油、花生油、茶子油、米糠油、橄榄油，棕榈油，蓖麻籽油和水生油料植物等，经过加工可成为发动机的（植物）柴油。植物柴油的再生循环过程见图-4。
光合作用 水解 产油微生物 转脂化去甘油脂 燃烧
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
CO2———植物 ————碳水化合物———生物质———微生物油脂——————生物柴油————CO2
↑ ↓
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
图-4 植物柴油的再生循环过程
石油分馏产生的柴油是由15个左右的碳原子链组成，而植物油则是由18个左右的碳原子链组成，与石油柴油中碳原子数接近。通过分解后除去植物油中甘油脂，获得一种主要成分为高脂酸甲烷燃料的植物柴油。植物柴油十六烷值比柴油高，热值相接近，黏度比柴油高50%，植物油转化为植物柴油的反应过程见（图-5）
O O
‖ ‖
H2C— O—C—R1 CH3—O—C—R1 H2C— OH
O KOH O
‖ ‖
HC— O—C—R2 + 3CH3OH——————→ CH2—O—C—R2 + HC — OH
O O
‖ ‖
H2C— O—C—R3 CH3—O—C—R3 H2C— OH
（植物油脂） + （甲醇）——————→ （甲脂） + （甘油）
图-5 植物油转化为植物柴油的反应过程
2.2..2 动物柴油
动物以植物为饲料，经过动物消化，生成动物油脂，动物油有：工业猪油、工业牛油、鱼油、废油脂等。动物油脂通过分解动物油除去动物油脂中的甘油脂，可以生产用动物油脂转化的生物（动物）柴油，可以作为发动机的燃料。动物柴油的再生循环过程见图-4。
光合作用 生长 转脂化去甘油脂 燃烧
↓ ↓ ↓ ↓
CO2————植物 ————饲料————动物—————动物油脂———————生物柴油————CO2
↑ ↓
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
图-6 动物柴油的再生循环过程
现代使用的“清洁柴油”是生物柴油与普通（石油）柴油不同比例的混合燃料，用生物柴油的体积百分数Bx来标称，主要采用B20混合柴油（生物柴油20% +普通柴油80%）， B20混合柴油生物降解率为普通柴油的两倍，有助于消除对地面、河流和农田的有机物的污染。
因为生物柴油中不含芳烃，十六烷值高达52.9，可以改善普通柴油的防爆性能。生物柴油中含氧丰富，可以改善燃烧品质，减少污染气体CO2、SO2、HC、和碳微粒的排放，生物柴油燃烧反应温度低于柴油，因此，NOx排量比燃烧石油柴油低很多。生物柴油有良好的润滑性能，可以减少对油泵和油嘴的磨损。生物柴油的闪点高，危险性小，运输、储存的安全性好。
在“863”规划中，生物柴油研究目标：要求对生物柴油的组成成分和特性进行研究，包括对不同方式生产的生物柴油的流动性、氧化安定性、喷射雾化特性；生物柴油对金属、橡胶和塑料的腐蚀性和溶涨性的影响因素的研究；国外生物柴油的配比技术状况的研究。
通过使用国内外不同配比的生物柴油（混合柴油），对发动机整车的动力性能、燃料经济性、排放性、可靠性和耐久性的试验；进行生物柴油的配比方案的优选和特性的综合分析；改善生物柴油燃油的性能和开发专用的添加剂；制定有关生物柴油汽车的技术标准。
3 第2代生物燃料（以生物质为原料的高分子有机化合物合成的燃料）
第2代生物燃料是用生物质为原料的高分子有机化合物合成的新型燃料，包括；二甲醚、二甲基芙喃、四氢基芙喃等，是用非农业做物、秸杆等为原料的高分子有机化合物合成燃料。
3.1 二甲醚
二甲醚DME（dimethy ether）为无色液化气体，采用煤、天然气、生物质或垃圾为原料生产出的二甲醚CH3OH，二甲醚是乙醇的异构体，它们的分子式虽然相同，但化学结构和性能完全不同。二甲醚溶于水和汽油。
H H H H
？O ？O ？O ？O
H—C—C—O—H （C2H6O） H —C—O—C—H （CH3-O-CH3）
？O ？O ？O ？O
H H H H
a，乙醇的化学结构 b，二甲醚的化学结构
图-7 乙醇和二甲醚的化学结构的区别
3.1.1 二甲醚的生产过程
采用由甲醇合成气直接合成二甲醚的方法如下：
气相法甲醇脱水反应： 2CH3OH ———→ CH3OCH3 + H2O
（甲醇） （二甲醚） + （水）
图-8 甲醇脱水转化为二甲醚的反应过程
二甲醚CH3OH是两个甲基CH3用一个O原子连接的合成物，二甲醚中不含硫，十六烷值为55~60高于柴油的十六烷值40~55，着火点温度为235℃，低于柴油着火点温度250℃。二甲醚中氧的含量为34.8%，容易完全燃烧，在燃烧后的排放物中CO、CO2和NOx比柴油燃烧后的排放物少得多，二甲醚的技术性能见（表-1）。
二甲醚DME的十六烷值高，低热值只有柴油的70%，着火延迟期短，完全燃烧度高，因此，热效率较高。DME允许采用较小的空燃比，最高燃烧温度低于柴油机的最高燃烧温度，有利于降低NOx的排放。
3.1.2 二甲醚DME作为压燃式发动机的燃料
二甲醚DME有高的十六烷值，自燃烧性好，易燃、易爆，可以直接用于直喷式涡轮增压式发动机。二甲醚DME的沸点低、黏度低，喷射入压燃式发动机只需22MPa的峰值压力，二甲醚DME即可与空气形成良好的混合气。在不改变原来柴油机的燃料供应系统和不采取排气后处理的情况下，就可实现PM的零排放、低的NOx的排放和无烟尘排放。
二甲醚DME的能量密度小，在行驶相同的里程时，二甲醚DME储气瓶的体积要比柴油箱的体积大2.376倍。二甲醚DME的沸点是-24.8℃，常温下为气态，要加压到0.35MPa后才能液化，因此需要用压力储气瓶储存，而且要在使用时保持储气瓶的压力不小于0.35MPa，携带不很方便。
3.1.3 二甲醚DME作为压燃式发动机点火的促进物
二甲醚DME的十六烷值为55~60，高于柴油的十六烷值，而且具有良好的自燃性。二甲醚DME的沸点为-20℃，常温下为气态，能够快速地与空气形成混合气， 将少量的二甲醚DME作为压燃点火的促进物质与空气混合进入汽缸，混合气在压缩冲程接近末了时，二甲醚DME先行燃烧，使汽缸内的温度升高，加速了从喷嘴喷入的柴油快速燃烧，有利于发动机的冷起动。燃烧后的废气中，总的碳-氢物（THC）的排放量大幅度地降低，但排放的废气中CO、NOx有一定的增加。
为使得废气中的CO、HC、甲醛和未经燃烧的二甲醚DME等的排放减少，二甲醚DME的用量对发动机的热效率有一优化值，发动机在不同负荷时，控制二甲醚DME与发动机稳定运转时保持相应的优化量，是提高燃料经济性和降低排放的污染的关键。由于二甲醚DME的促进作用，在中间转速时，发动机在不同负荷时的热效率比单纯用柴油燃料时的热效率要高。二甲醚DME的优化值是与发动机转速保持一定的关系，如果二甲醚DME的用量不能随发动机转速变化来保持一定的关系时，二甲醚DME用量高于或低于相应优化值时，都会导致发动机的热效率下降。
3.1.4 二甲醚DME燃料的特点
用二甲醚DME作为压燃式发动机燃料或作为压燃式发动机点火的促进物质，可以有效的解决柴油机排放的烟尘和微粒，但其推广的关键：（1）二甲醚DME的黏度低，在通过喷嘴柱塞间隙时泄漏量大。二甲醚DME压缩性受温度的影响，当喷嘴柱塞的温度升高后，二甲醚DME的供应量会减少。控制二甲醚DME与发动机稳定运转时保持相应的优化量较困难。（2）二甲醚DME对油路中的弹性元件有较强的溶胀作用，因此难以直接应用柴油机的燃油供应系统；（3）二甲醚DME的黏度很低，润滑性能很差，使用时，会加速发动机的气门和某些结构件的磨损，需要用耐磨材料来制造气门和某些结构件（4）二甲醚DME对人体有轻度麻醉作用。
在“863”规划中关于二甲醚DME的研究目标：要求使用二甲醚DME的公交车和货车，进一步考核二甲醚DME燃料发动机动力性、燃油经济性、可靠性、耐久性、启动特性、低负荷特性和排放特性，进行试验、分析和评估；研发二甲醚DME的高效燃烧系统和供应系统的匹配和标定，改进二甲醚DME燃料发动机的设计；二甲醚DME燃料发动机的整车的匹配性，要求二甲醚DME燃料汽车的动力性、可靠性、安全性达到同类柴油车的水平；排放达到国Ⅳ标准的规定；在全国进行示范运行，推广应用二甲醚DME燃料汽车，提高公众对新型燃料汽车的认识。
研究和解决二甲醚DME燃料对发动机的润滑、摩擦、磨损的稳定性的影响；研究二甲醚DME对发动机上金属、橡胶、塑料材料的构件的腐蚀性、溶涨性的因素等。
3.2 2.5二甲基呋喃DMF
2.5二甲基呋喃DMF（2.5-Dimethy-furan）是一种无色透明液体，可作为汽车燃料的高分子有机化合物合成燃料，二甲基呋喃的结构式和分子式见（图-10）：
‖%26macr;‖ （C6H8O）
CH3？u？v ？u？v CH3
O
图-9 二甲基呋喃的结构式和分子式
3.1二甲基呋喃的制取方法
二甲基呋喃DMF分两步用果糖转化为糠醛，再用糠醛为原料经过加氢催化反应来制取。
（果糖→HMF、HMF→DMF）是生产二甲基呋喃的基本工艺，国内外不断有新的研究成果发表，并预计在5年内可以实现二甲基呋喃DMF的工业化生产。
用糠醛为原料经过加氢催化反应来制取2..5-二甲基呋喃DMF。糠醛的加氢催化剂为铜-铝合金或铜-铬合金，用硷作为辅助催化剂，反应压力0.29~0.49MPa，温度200~210℃、氢与糠醛比为10: 1 ，经过气相加氢转化为二甲基呋喃溶液，经冷凝、蒸出水分、精馏为二甲基呋喃，平均单程收获率达50%以上。整个化学反应过程不需要高压和高温。2.5---二甲基呋喃DMF的工艺过程如下：
Cu Al
‖%26macr;‖ + 2H2 ————→ ‖%26macr;‖ + H2O
？v ？u ？v CHO CH3？u？v ？u？v CH3
O O
（糠醛） （氢） （二甲基呋喃） （水）
图-10 二甲基呋喃的制取方法
3.2 2.5二甲基呋喃DMF的燃烧特性
2.5二甲基呋喃DMF的沸点温度为92℃，具有高度的可燃性，辛烷值达到120，在承受比汽油压缩比更大的压力时不会产生爆燃。热值比乙醇高40%，相当于普通汽油，2.5二甲基呋喃DMF不溶于水，不会象乙醇那样会吸湿而变质。运输，储存更加安全和方便。2.5二甲基呋喃DMF是有研究和开发价值的第二代汽车的代用燃料。二甲基呋喃对人有轻微的毒性、有麻醉作用，吸入0.005mg/L即可使条件反射改变，空气中容许的最高浓度为1mg/m%26sup3;。2.5二甲基呋喃DMF技术性能和燃烧性能与汽油的比较见（表-3）
2.5---二甲基呋喃DMF与汽油主要性能比较 表-3
项目
单位
DMF
汽油
分子式
C6H8O
C4~C12烃
分子量
g/mol
92.1
98
含碳量（质量分数）
%
75
85
含氢量（质量分数）
%
8.4
15
含氧量（质量分数）
%
16.6
0
含硫量（质量分数）
%
0
—
液体密度（20℃）
kg/L
0.9132
0.72~0.75
沸点
℃
63.2~65.6
30~90
凝固点
℃
-88.68
—
闪点
℃
-22
约40
辛烷值
ROM
120
91~98
可燃性
高度可燃性
R11高度可燃性
溶水性（每100克水中的溶解值
g
0.3
—
4 氢燃料发动机
氢气是可持续发展的主要能源之一，生物制氢的植物有：绿藻、青蓝菌、光合细菌和发酵细菌等微生物。藻类和菌类通过光合方法或发酵方法产生氢气。氢气的主要性能参数见（表-4）：
氢气的主要性能 表-4
性能参数
单位
氢气
性能参数
单位
氢气
分子式
H2
纯度
%
99.999
分子量
g/mol
2.02
杂质
%
0.001
气态密度
Kg/m%26sup3;
0.08987
沸点
℃
-252.8
气态黏度
MPa%26#8226;s
0.0202
临界压力
MPa
1.30
质量热量（高）
（低）
MJ/kg
141.8
120.1
着火温度
℃
570
理论空燃比
kg/kg
34.38
摩尔热量（高）
（低）
MJ/kmol
285.8
242.1
理论燃空比
kg/kg
0.02915
极限过量空气系数
0.15~7.0
标态体积热量（高）
（低）
MJ/m%26sup3;
12.74
10.80
气化热
Kj / kmol
90.4
理论混合气点火能量
J
3.18x10ˉ%26#8309;
与空气混合气热值
MJ/m%26sup3;
3.186
最小点火能量
J
1.34x10ˉ%26#8309;
空气中燃烧界限
%
4.1~75
氢是最理想的清洁燃料，自然状态下，氢为气态，氢气可以被压缩成压缩氢气，还可以被液化为液化氢气。氢气的密度是空气的14.4分之一，热值达到120000kJ / kg，是汽油的2..7倍。
氢气是可以直接作为发动机的燃料。氢燃料发动机和汽油机一样，采用点燃式燃烧，因此可以用汽油机改装为氢燃料发动机，
氢气纯度高，在内燃机中燃烧作功后排放的是纯水，由于受发动机的润滑油的影响，在排放气体中还夹杂微量的NOx、未燃烧的HC和CO等有害气体。按车辆使用氢气的形态不同，采用高压气态氢为燃料时，一般一次充氢的行驶里程约200-250km。采用液态氢为燃料时，一次充氢的行驶里程可达400-500km。采用储氢合金储存氢气，一次充氢的行驶里程可达400-km左右。
按照氢燃料在发动机中供给和燃烧方法的不同，氢燃料发动机有：（1） 低压喷射氢点燃式发动机；（2）高压喷射氢点燃式发动机。
氢气燃烧的特点是氢气与空气的混合气的着火界限特别宽，可以由5%~85%，氢气/空气的当量比为0.07∶9，可以最大限度地实现稀薄燃烧，减少NOx的排放。氢气过浓的混合气在燃烧时火焰传播速度快，加速了燃烧温度的升高，加剧对汽缸的压力，以至出现异常燃烧，会增加NOx的排放。氢气过稀的混合气在燃烧时，混合气的燃烧速度减慢，会使得燃烧过程延续到进气行程以后，易于在进气歧管处产生回火，使发动机工作不稳定。将氢气的连续喷射改变为机械液压喷射或电磁的定时喷射，可控制产生回火现象。2007年，我国长安汽车公司自主研法的氢燃料发动机点火成功。
在“863”规划中氢（氢燃料）研发目标为：具有我国自主知识产权的氢燃料发动机或氢/天然气混合气发动机，包括燃料供给系统、燃烧系统、燃料安全保障系统；电控系统的软件和硬件和专用催化转换器的研究；发动机整机的动力性、燃料经济性和排放的研究；燃料经济性达到国际先进水平，排放达到国Ⅳ标准。
5 代用燃料汽车和新型燃料的发展与展望
5.1 太阳能是人类永恒性的能源，通过植物的光合作用，将太阳能间接转换为生物能和高分子有机化合物后，再转化、合成为汽车燃料，是汽车可以持续发展能源的最基本的发展方向。
5.2 进入21世纪以来，世界各国都在努力寻求石油的代用燃料和研究开发代用燃料汽车方面取得快速的进展。在巴西、美国等国家醇类燃料汽车已经产业化，美国和欧洲的生物柴油（清洁柴油）汽车得到了广泛地应用和推广，德国、美国和日本的氢燃料发动机汽车的研发和样车在世界上处领先地位，受到汽车行业的重视。高分子有机化合物能源的利用正“方兴未艾”。证明了石油的代用燃料可以有多种多样的种类和制取方法，我国也十分重视代用燃料和代用燃料汽车的研究和开发。
5.3 我国从2006年1月1日起实施“可再生能源法”，国务院于2007年6月7日通过“可再生能源的中、长规划”中，明确指出了我国可再生能源的发展方向，生物能源是可再生能源的基本来源。按照《新能源汽车生产准入管理规定（征求意见稿）》中关于非常规燃料是指除汽油、柴油、天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、电力等之外的第二代的新燃料。
这是因为醇类燃料、生物柴油、主要依靠粮食作物、油料作物等农作物来制取，给粮食、油料生产带来巨大的压力和矛盾，国家规定，粮食作物、油料作物种植面积的底线是不允许突破的。因此，限制了醇类燃料、生物柴油的生产的产业化。
5.4 地球上有几百万种陆生植物和水生植物，可以将太阳能转化为生物质，生物能源是一种是取之不尽、用之不竭的可再生的可持续发展能源，在矿石能源竭尽后，利用生物能源可以生产或合成多种多样的有机化合物和有机化合物燃料，生物能源将成为高等级用于汽车、军用车辆、飞机等的有机化合物合成燃料的基本来源。
第二代生物能源的基本要求应为：（1）能够利用大量生产的非粮食植物为原料；（2）可以充分开发荒地、山地、沙丘或滩涂地等非粮食耕地；（3）农民可以更充分地利用土地资源增产、增收；（4）研究和开发用非粮食植物生物能源转化为高分子有机化合物技术，并将其中某些高分子有机化合物经过中间体的合成，转化为汽车或工业用的高级燃料。
参考资料： 《国家高技术研究发展计划（863计划）“节能与新能源汽车”重大项目 中华人民共和国科学技术部2001年10月
王家 《中国能源发展的战略重点》 国家计委产业经济与技术经济研究所
《汽车工业中、长期科技发展战略研究报告》 中国汽车研究中心 2005年4月
.. 胡洪波 彭华松 张雪洪 《生物工程产品工艺学》北京 高等教育出版社2006年7月
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