采用汽油与甲醇燃料的C级车CO2排放对比分析

张仕鹏 何勋 王喜龙

摘要：随着我国社会与经济的进步与发展及汽车保有量的不断增加，能源与环境等诸多问题日趋严峻。结合我国近几年CO2排放量的变化趋势，本文简要分析了采用甲醇燃料和传统汽油燃料对碳排放的影响。结果显示：研究用某C级车消耗1L/100km甲醇燃料，产生尾气中CO2为10.9g/km，消耗1L/100km汽油，产生尾气中CO2为23g/km。相对于传统燃油汽车，合理优化车用能源结构对实现节能减排，降低大气中CO2具有十分重要的意义。

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.

關键词：能源结构;CO2排放;车辆工程;节能减排

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

中图分类号：F407.471;X503.1                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0063-03

0  引言

随着我国社主义市场经济和信息科技的进步与飞速发展及我国汽车资源保有量的不断提高和增加，严峻的清洁能源与环境问题正逐渐成为世界关注的焦点，针对当前全球大气温度和地区环境变化所可能带来的多种问题，低碳交通无疑将是世界各国解决清洁能源与环境问题的重要途径[1]。据中国公安部交通管理局统计，2020年，全国新增机动车保有量已高达达3.72亿辆，其中新增汽车2.81亿辆[2]。报告显示，2020年我国原油进口量为1087万桶/日（5.42亿吨），石油对外依存度已经高达73.5%[3]。此外，机动车尾气是组成雾霾的主要成分，汽车尾气对于空气污染的问题越来越严重。汽车尾气中的一些化合物，例如颗粒物、氮氧化合物、SO3等不仅会对环境和空气产生严重的污染破坏，而且还可能对人们的健康和生命产生较大的伤害[4-5]。优化传统燃料能够有效改善汽车尾气的排放，使用甲醇燃料一方面可以有效缓解我国石油能源短缺问题，另一方面减少了环境污染问题;推广使用甲醇燃料对于提高农民收入，带动农业及相关产业发展，增加就业机会等具有积极作用[6]。找到理想的燃料代替石油，推动燃料的多样化发展，是我国能源发展的基本策略，我国煤炭资源储量丰富，利用煤炭资源为原材料制造甲醇，尤其是针对无法成为动力煤炭直接进行燃烧的劣质煤，能够作为制备甲醇的重要原料加以清洁利用。使用甲醇代替汽油作车用发动机燃料能够有效减少我国对外国石油进口的依赖，甲醇代替汽油的发展策略，对于改善我国能源消费结构与成品油消费结构有着很重要的经济意义和社会意义。

本文采用文献调查法，通过对内燃机采用传统燃油及甲醇两种不同燃料的排放物进行对比，分析了采用该两种不同能源对C级轿车排放物的影响。我国作为全球最大能源消费国，碳排放量位居世界前列。图1为我国近些年碳排放总量走向，通过分析数据库中我国近些年碳排放总量。可以看出总的趋势是碳排放总量一直呈现出递增趋势，但通过各种节能减排措施使得近十年内我国碳排放的递增趋势变得比较平缓，证明了当下采用的节能减排措施对减少CO2具有重要作用。

1   研究方法

车用燃料是地壳资源经过多重复杂的工业化处理流程制作出来，且不同原料最终制成车用燃料的流程不同，汽油由原油通过管道运输经过蒸馏、分馏等流程最终到达加油站，而甲醇由煤款或天然气经过工业炼焦及三级转换制成。采用汽油和甲醇燃料两种能源传递形式有所不同，过程如图2所示。

近些年随着新能源汽车的出现，一定程度上缓解了能源紧张的局势，最具代表性的就是电动汽车的发展，但由于技术发展的不足，我国动力电池技术发展遇到的瓶颈问题尚未突破，核心问题尚未解决，作为目前应用最为广泛的锂离子电池组成后的能量密度也只有80wh/kg，动力供给系统性能比较落后。中国虽然是生产电池的大国，全国动力电池配套企业超过上百家，在全国各地都有生产商，但动力电池的核心技术不具备竞争优势，生产动力电池所需要的正负极材料技术专利长期被国外垄断，隔膜、电解液等对外高度依赖，国内电池生产工艺性能较差，动力电池组成技术落后[7]。

虽然已经出现以特斯拉等为主要代表的新能源汽车，有氢能源汽车、太阳能汽车和电汽车等，但由于目前核心技术发展不够成熟，导致其生产成本高、电能供给效率低和不能达到理想的运行情况，甚至会出现能耗更大的问题，进而增大了推广使用的难度。

目前一些发达国家都在加快推動电动汽车相关产业化进程，市场对电动汽车的需求呈现出递增趋势，但我国电动汽车目前仍处于培育发展阶段，经过近些年科技水平的发展，我们也在技术方面也有了一些突破，主要体现在电动汽车和电动乘用车技术性能、安全可靠性和使用寿命的提高。国内一些新能源汽车企业先后推出了一系列不同款式的新能源汽车，但车型主要集中在电动客车领域。主要以原有车型改装为主，未能达到批量定型生产，而且私人乘车乘用车领域原型研发的量产车型很少，可供消费者选择的不多。

而且大部分城市缺少可操作的基础设施规划，特别是充电桩等公共区域的基础设施布局受到落点选取等诸多因素的限制，不利于构建电动汽车智能充换电服务网络体系。充换电基础服务建设投资巨大且回收周期过长，再加上国家、地方政府对于基础设施建设的补贴力度相对不足，在充换电设施运营方面也没有相应的配套扶持政策，社会资本积极性不够高，很少有企业愿意冒这个风险去尝试这方面的发展。充电设施技术体系不够完善，国家层面有关技术标准也较为落后，电网能源储备不足、动力电池利用与回收技术未能解决等种种原因使得电汽车和充换电基础设施之间缺少相互操作认证。

就目前的发展趋势而言，合理优化车用发动机的能源结构对减少能耗和应对环境问题具有积极意义。

本研究通过对比采用两种不同能源后某国产车排放尾气中CO2含量的情况，分析具体采用哪种能源形势，车辆的CO2排放更少。简要的研究技术路线如图3所示。

通过分析采用不同能源时，对C级车排放的尾气中CO2含量的相对多少来进行对比，进而确定采用甲醇和汽油哪种能源下燃烧后的产物是相对比较清洁的，最后得出结论，确定更清洁的能源。

2  采用不同燃料的汽车CO2排放对比分析

根据前文所写的具体研究路径，本文将通过对比两种不同燃料的C级轿车CO2排放，研究理想状态下，每1mol燃料完全燃烧后产生的CO2排放量，具体研究如下。

2.1 燃油车流通过程中CO2排放

机动车规模的不断增长正在加速全球能源消耗与温室效应。目前，汽车节能减排问题已成世界多个领域探讨的热门话题[8]。为应对能源危机与温室效应带来的挑战，许多国家已经相继推出了传统汽车战略转变的措施。

根据全球经济库数据，燃料的总体热值大小指的是1kg燃料全部充分进行燃烧后所产生的总体热量，作为一种燃料，汽油的总体热值大约为44000kJ/kg。汽油的主要成分辛烷（C8H18）燃烧的化学反应方程为[9]：

2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O

根据原子守恒计算可得，假设完全燃烧1mol辛烷产生的CO2为8mol，理想状态：2C8H18+25O2 = 16CO2+18H2O，计算产生的CO2为2300g。

即汽车每燃烧1L/100km汽油产生的CO2约为M1=23.0g/km。

2.2 甲醇汽车流通过程CO2排放

以甲醇作为主要燃料的汽车与传统内燃机车的最大不同之处为动力来源，而甲醇可以通过煤炭、石油、天然气、生物质能等方式合成制造。

甲醇燃料的化学热值约为1111kJ/kg，其分子式定义为CH4O，结构最简单的饱和一元醇。甲醇在燃烧的化学反应方程定义为：

2CH4O+3O2=2CO2+4H2O

根据原子守恒计算可得，假设完全燃烧1mol甲醇产生的CO2为1mol，理想状态1L的甲醇密度按0.791kg/L进行计算得：汽车每燃烧1L/100km甲醇产生的CO2约为M2=10.9g/km。通过以上简要分析使用两种能源时CO2排放量如图4所示。

相比于传统的发动机，在采用甲醇发动机时输出功率可以提高8～12%，同时转矩也可以提高12～16%，从而表现出了优异的空气动力性[8]。甲醇易溶于水，易降解，且不会对土壤、水流等环境造成污染破坏，且常温下为液体状态，化学性质稳定，因此运输和储存都比较方便。甲醇作为一种含氧化合物，可以充分燃烧，而且燃烧速度比汽油快，燃烧的定容性较好，燃烧持续时间较短，蒸发潜热大，因此可提高发动机的热效率。甲醇自身含氧量高达50%，在燃烧过程中还会发生自供氧效应，从而降低了燃烧过程中缺氧的几率，有利于燃料的充分燃烧，也有助于实现机内净化和降低CO、HC和NOX等常规气体的生成，甲醇的辛烷值约为110，较汽油高，体现出更好的抗爆性，从而有利于提高发动机的压缩比，能量利用效率优于传统汽油，有很强的经济性。

尽管采用甲醇燃料有着一定的优点，但在实际使用过程中也会出现一些问题：甲醇燃料的腐蚀性和溶胀性、甲醇发动机冷启动较难等问题，而上述问题也是甲醇发动机研究的重点。

甲醇燃料所具有的热效率高、热效率强、驱动性好、启动功能良好和经济性等优势，对于减少污染、节省石油、安全方便等都具有重要意义。使用甲醇作为燃料时，可把点火提前角和喷油提前角调整到最佳的角度，以便获得更高的热效率和更大的输出功率。由于甲醇的含碳量较汽油低，所以在气缸中充分燃烧后产生的废气中的主要成分是水蒸气和CO2，不含有硫化物，从而大大减少了碳粒和CO的排放，对环境影响较小，而且甲醇的制造过程中可以通过粮食作物来提炼，同时又可以推动我国现代农业的发展。

3  结论

通过以上简要分析，主要结论如下：

①车辆消耗甲醇率为1L/100km，产生尾气中CO2为10.9g/100km，汽油消耗率为1L/100km，产生尾气中CO2为23g/100km。

②采用甲醇燃料时，尾气中CO2排放较传统燃油车少，环保清洁，可以使车用发动机的排放整体得到改善。

③相比于传统燃油汽车，合理的选择不同的能源结构，减少汽油的使用量对于降低CO2排放有更积极的意义。

④甲醇的含碳量为37.5%，密度为0.79kg/L，化学热值约为1111kJ/kg，汽油含碳量为86.6%，密度为0.742kg/L，化学热值约为44000kJ/kg。因此单位热值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

纵观整个甲醇汽车的发展历程，商业模式对于甲醇汽车产业发展显得尤为重要。需要对甲醇车辆的应用进行全面且系统的研究分析，才能让更多的资本进驻到该领域的研发当中。同时，发展甲醇燃料可以有效缓解我国能源紧张的局势，同时也是一个维护地球生态环境的有效途径。采用甲醇作为燃料，对于改善我国的能源结构和降低碳排放都有着重要意义。

参考文献：

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[9]李敏达.新能源汽车甲醇燃料分析与研究[J].中国设备工程（20）：2.