一、引言
能源危机和环境恶化是当今世界面临两大问题，它们的始作俑者为汽车。庞大的汽车家族，吞噬着仅能维持40-50年的宝贵的不可再生的资源——石油，而其所排放的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物则直接危害我们的生存环境。目前只有另辟并行不悖的新能源之路，才能把汽车开向节能环保的坦途，否则凝聚着100多年人类智慧结晶的伟大发明的汽车只有驶入历史博物馆。
近几年，很多城市出现“电荒”、“煤荒”、“油荒”危机，凸现了我国的能源危机。高增长、高消耗、高污染的新“三高”使中国正面临严峻的能源形势。我国在能源结构上以煤炭为中心，近几年天然气和可再生能源在开发利用上发展迅速。国家也十分重视，今年9月4日，在国务院常务会议已经获得通过的前提下，国家发改委正式向社会公布了《可再生能源中长期发展规划》（下称《规划》）。《规划》提出，到2010年，我国可再生能源消费量占能源消费总量的比重达到10％，2020年达到15％，形成具有自有知识产权的可再生能源技术装备能力。国家发展与改革委员会副主任陈德铭在当天的新闻发布会上表示，为了实现《规划》提出的任务，国家在2020年前将投资2万亿元。
过去几年，经济的发展和社会的进步导致了汽车的大量使用，私人交通工具发展迅速。近年来汽车拥有量的大幅增加仅仅是一个长期发展趋势的开始，预计我国汽车保有量到2010年将达到4500万至5000万辆，2020年达到7000万至8000万辆，并在2030年突破1亿辆。机动车增长会导致石油消耗的大幅增加，中国将更多地依靠石油进口，从而严重威胁国家的经济和能源安全。汽车排放污染是大气的重要污染源也是重要的二氧化碳排放源，更大力度的治理污染和排放已经显得极为迫切。我国机动车石油消耗量约占全国石油消费三分之一以上。国务院发展研究中心产业部预测，2010和2020年全国机动车燃油需求分别为1.38亿吨和2.56亿吨，为当年全国石油总需求的43％和57％。到2020年，中国国产石油年总产量将不够全国汽车使用。此外，由于能源效率不高，我国机动车百公里油耗比欧洲高25%，比日本高20%。汽车降耗减排任重道远，政府也在高度重视节能降排，加大工作力度。
图1 改装的样车和有关局部结构
在这样的背景下，科技部已制定专项行动方案，在“十一五”期间，中央财政将安排100亿元的科研经费，调动全社会500亿元的资金投入，实施科技节能减排工程，规模化推广一批重大节能减排技术，重点示范推广一批先进适用的节能减排技术，攻克一批重点行业、重要区域急需的节能减排关键技术和共性技术。
近年来，人们通过各种途径来提高汽车能源效率。如使用具有效率高、故障点少、可靠性高、价格底、油耗低(90Km／h等速行驶百公里油耗4.6升)等优点的柴油汽车；发展包括混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、采用其他储能装置（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等；开发液压混合动力汽车；利用发动机余热采暖、加热、制冷和发电等等；利用替代燃料如二甲醚、甲醇、乙醇和氢内燃机。但普遍来讲，这些技术目前还都存在这样或那样的问题，制约其大量普及。如电动汽车的成本问题、甲醇的腐蚀性对发动机寿命的影响问题、乙醇带来的粮食短缺问题、氢气的储存运输和安全问题等等。而利用发动机余热的醇氢汽车技术，则可克服上述问题，本文将重点介绍。
二、发动机余热的醇氢汽车技术
近二十年来，国内外研究开发较多的是甲醇直接与汽油混合掺烧，替代率可达 85%；但是甲醇直接掺烧存在以下问题：（1）甲醇发热量低，掺烧以后，一般汽车的动力会有所下降，所以必须研制专用的发动机。这一问题就比较复杂。（2）甲醇的腐蚀性强、直接在一般发动机上代替汽油，影响了发动机的使用寿命。（3）仍然存在尾气排放污染的问题。掺烧甲醇的汽车，其CO、 HC 、 NOx指标降低有限。相反，醇类燃烧，尾气中还会有醛类化合物，使尾气净化问题复杂化。
关于尾气净化问题，国外的先进技术是采用燃油电喷，用计算机来控制燃油的供入量。它投资较大，每一辆车需增加 1万多元的费用。采用三元尾气净化催化剂比较简单，但是会降低汽车动力，催化剂易中毒、失效，使用周期较短。采用天然气、石油液化气代替或掺烧，可以降低尾气中部分有害物质的浓度。而NOx的含量仍然居高不下。此外在高速运动中的汽车上安装高压可燃气体设备，由于加气建站投资巨大及安全性的问题而受到制约。
发动机余热的醇氢汽车技术的核心是汽车余热裂解制氢反应器，它是集新能源、环保、电子及电子计算机自动化配套、高科技创新发明于一体的专利产品（专利号： ZL0 1211486.8 ）；是用甲醇代替汽柴油，用科学方法裂解后变成氢气进入发动机。该装置的特点是：以甲醇（包括乙醇、丙醇、杂醇等）做燃料，在汽车（包括其他动力装置）不改变、原设置不变的情况下，在排气口处安装一套裂解装置即“甲醇—氢节能环保汽车装置”，在汽车燃料系统中，将主油箱改为甲醇箱，副油箱为汽（柴）油箱，在原汽油发动机启动 35 秒钟后，燃烧室温度达到 280 ℃ 以上时，将甲醇裂解为氢气进入发动机，燃烧后，排出的为水蒸汽，其他有害气体排放接近于零。由于氢的燃烧速度比汽油快 8 倍，点火能量比汽油低15倍，故可以充分燃烧，提高发动机的热效率。如用汽油 50%掺氢来燃烧，那么汽车的尾气排放接近零，所以不论是全用氢或掺油燃烧，汽车的尾气污染排放都接近零，此产品是当今世界上对汽车排放污染和节约能源方法彻底解决的好方法之一。
图2 发动机余热的醇氢汽车技术
该裂解制氢装置的原理是，利用发动机排气余热，首先对燃料（含水甲、乙醇、碳锭等）进行催化裂解，将燃料转化为氢使氢与汽油（柴油）混合引入发动机做燃料，以此做为醇氢代燃，汽车在行驶中，发动机需要多少氢气，通过速度传感器，通知 ECU 处理发出指令。反应器用多少氢气就制多少氢气给发动机用。该装置通过速度传感器通知 ECU 发出，随车即时制氢，随行随制确保供应，停车时停止裂解带崛，无多余氢气存留，氢气为负压输送，防止了氢气泄露，确保安全。这套裂解制氢装置，即环保又节能，给世界真正找到了新能源的节能减排出路，是绝对可以推广的高科技成果。
该裂解制氢装置己经成功地配装在东风汽油 EQ-140 型货车和沈阳产金杯等六部汽（柴）油车上，并做了大量的台架和路试试验，并通过了云南省科委的技术鉴定。《 云南日报 》《人民日报》等分别作了“国家重点攻关项目醇类代燃技术获重大突破”的相关报道。 1990 年 11 月为了加快余热制氢发动机的实用化和产业化，应联合国科技发展中心UNDP邀请，组织了《余热制氢发动机》 赴美专家团进行学术交流，引起了强烈反响，“中国的醇类代燃工作有特色、有优点，现代化汽车不需要任何改造，只需要装一个氢发生器，即可醇类代燃，这是最大的实用化。甲醇裂解制氢作为燃料，可减少 CO2和其它有害成份的排放，以此缓解温室效应对大气环境污染，这是对环保工作的重大贡献。” 1992 年，为了进一步验证醇（氢）代燃料技术节能减排性能的可靠性和稳定性，先后装了 10 辆车进行测试。所到之处，反映强烈。 1996 生 12 月 16 日云南省经贸委组织召开了该技术实现产业化汇报会。MH 氢汽车到现场演示，专家评审。有关省级领导参加了会议并对甲醇裂解制氢代燃技术给予充分肯定。他对从事这一研究课题的 100 多位专家和工程技术人员表示况贺。 1997 年 3 月 10 日，云南省经贸委对该技术实现产业化项目建议书给予批复和立项。遗憾的是因无资金开发而搁浅。为了提高此项目的科技含量，于 1997 年 7 月至 12 月在天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室通过了492QA2 汽油机燃用汽油一甲醇裂解气（氢气）的全负荷工况台架试验。试验结果表明：实施醇（氢）代燃后发动机动率和扭距比原机分别提高 32.8%和 5.9% ，比油耗下降(节油） 5.5-7.5%。尾气排放污染含量 CO 、 HC 比国家标准排放限值分别降低 95%-30%。同年 12 月，该技术获得国家科委颁发的“九五”《 国家级科技成果重点推广计划 》 项目技术依托单位证书。与此同时取得了交通部汽车运输行业能源利用监测中心对 MH-05 型氢发生器，汽油发动机台架检测报告。报告重点指出：实现醇（氢）代燃可提高功率 11% ，节油率 3.2%、尾气污染排放 CO和 HC比原净化率提高分别为 83%和 75%。根据检测结果， MH-05 型氢发生器符合 JT /T306-1997 《汽车节能产品与技术条件 》的要求。由此，交通部、国家计委、国家经贸委联合审定为《 全国重点推广在用车船节能产品》交节能证（98) 031 号。 1998 年 5 月-1999 年 1 月，曾在电喷中巴和北京公交公司的京华牌 370 路客车等分别安装了氢发生器装置进行路试，除保证原机动力性、经济性、安全性能外，经北京市公共交通第二机动车检测场的多次尾气排放检测结果是： CO 为 0.03%和 86.5%，完全符合北京严格执行的排放标准。但是在 90 年代，我们的节能减排意识还很淡薄，再加之资金短缺等一系列问题，而使此产品未得到推广。从 2000 年开始至今经过 7 年多的不懈努力（样车己路试 40 多万公里）此产品又经过数百次的研发和改进，加入了电脑程序和许多电子元件等高科技内容，用纳米石英发热管进行快速加温和恒温处理，使本产品科技含量更高、节能减排效果更佳。如今，己完全达到了我们的预期目的。只要使用我们产品，燃料费用（汽、柴油）可节省 50％以上，排放有害气体控制在 0.018%左右。鉴于以上所列事实，从节约宝贵石油资源角度看，发展低廉的农作物秸杆所生产的甲、乙、杂醇制氢技术可以减少大量的燃油消耗；从经济角度可降低车主 50%以上油料费用；从环保的角度看可达到有害气体的零排放。
三、汽车余热裂解制氢反应器的组成和原理
汽车余热裂解制氢反应器的组成和原理如下图所示。甲醇罐 ① 中甲醇用甲醇泵 ② 打入裂解反应器 ④ 中，甲醇进入反应器中，被汽车发动机的尾气加热汽化，进入催化裂解段，在 350 ℃ 左右被裂解产生富氢气体，进入储气筒 ⑥ 中，经阀门 11 控制进入发动机的化油器 ⑧ 中，与汽油混合进入汽缸中燃烧。当反应器温度尚未达到 350 ℃ 时，阀门 ⑩ 关闭，反应器温度升高。 ③ 当温度达到 450 ℃ 以后，控温仪指令阀门 ⑩ 打开，尾气由旁路管排放，不使反应器温度继续升高。同时指令甲醇泵 ② 工作，甲醇照样进入反应器中裂解。当不需用富氢气体或甲醇罐中没有甲醇时，阀门 11关闭；汽车恢复到原车的工作状态。
图3 汽车余热裂解制氢反应器的组成
其主要技术指标如下：
1)、燃料：每小时燃料裂解 3-6公斤（相当于东风 EQ-140型汽车耗油量 30%-60%)；
2)、最佳裂解温度280—420摄氏度；
3)、裂解率 95%以上；
4)、裂解气 C2H2 + CO 含气量 58%-64%；
5)、催化剂装填量 1-2 升，使用时间约二万公里，该装置适用于汽车、火车、轮船、内燃机等动力装置。
6)、根据六部样板车的试验数据表明（从2000 年至今，行程 40万公里）在经济方面，可节省 50%至60%的燃料费，在环保方面，可减少尾气污染排放接近零。
该裂解制氢装置优势和特点是：
1) 采用该技术装置，不需要改动任何原结构部件，只需要在排气管上串接一个氢气发生器、增加一套附有计算机电子控制的设备，即可实现醇氢代燃。设备约重 6—20kg （大小车不同）。
2) 油氢混燃或全氢气燃烧均可使排气污染低至零。
3) 供料、裂解、温控、安全保护实现电子自控。
4) 氢气对汽油或柴油的代燃率40%—60%,动力性显著提高。
3) 供料：裂解温控，安全保护全部实现电子自动化。
4) 制氢的原料丰富，价格低廉，主要用甲醇、乙醇、杂醇。醇类浓度 65—83 度.制氢原料丰富，可再生，价格低廉，可为车主降低成本 50%。
5) 在保证原机的动力性、经济性、冷启动性，安全使用性及其它常规技术指标不变的情况下，当氢气代燃量为百分之三十（重）计算时， 1 公斤燃料可替代 1.02 公斤汽油（柴油）使用，排气污染成分一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOX）含量浓度减少 78%—100% 大大低于国家限排标准。如氢气代燃量增大时，汽车尾气污染排放量接近零。
6) MH-O5氢发生器解决了醇类代燃中长期存在的启动性，甲醇毒性，气阻相分离，润滑油变质，机件磨损和腐蚀性加剧等一系列难题，同时解决了汽车的氢原料用运输和储存实用化难题。
7) 该装置可与任何润滑油配合使用，绝无冲突、保用 35万公里以上。
采用甲醇催化裂解，制取富氢气体，从化油器中掺入汽油混合，进入汽缸燃烧有以下优点：
1) 可以有效地降低汽车尾气中有害气体的排放，尤其是 NOx 明显降低。
2) 甲醇的汽化和裂解是利用了尾气排放的余热，可以提高汽车的能量利用率。同时降低了排放的温度，从而达到节能的目的。
3) 余热制氢系统设备简单，对现有的汽车不作大的改动。改装费用较低，改装供料简单，易于推广。
鉴于以上特点，余热制氢系统和自行开发研制的铜基催化剂，安装在汽油货车、客车、中巴车、微型车上使用，实践证明它具有大幅度降低汽车尾气中的有害气体和节能的效果。
四、试验结果
在北京市公共交通第二机动车检测场检测京华牌大客车的结果：（见表，）。牌照号码：京 A -83701 ，汽缸：6 缸。
表1：北京市公共交通第二机动车检测场检测京华牌大客车的结果
检测项目
怠速工况
2000 转／分工况
中国
欧洲I号
原车
改装后
原车
改装后
标准
标准
HC ( ppm)
990
121
660
14
%26lt;900
200
CO (%)
8.64
0.03
2.77
0.03
%26lt;4.5
1.0
NOx ( PPm)
/
30
66
29
/
/
从表 1 的结果看出：改装后的大客车无论在怠速工况下还是在 2000 转/分工作状况下其排放的尾气中有害气体的量都比原车大幅度降低；比国家标准和欧洲I号标准都低得多。
微型小客车的检测结果：（见表 2 ）。牌照号码：云 A .B6706 ，汽缸数：4 缸。
表2 ：微型小客车的检测结果
检测
怠速工况
2000 转／分工况
原车
改装后
原车
改装后
HC (ppm)
420
90
240
85
CO (%)
1.5
0.12
1.40
0.10
从表 2 的结果看出：重庆长安牌微型小客车，由于是 98 款式 5 速新车型，新车行驶里程不到 1万公里，所以原车的尾气排放已经达到国家标准，并且状况较好。加装了甲醇余热裂解制氢装置以后，又大大降低了 HC 和 CO 的排放量，效果十分明显。
下图是发动机保持在1100 转／分下稳定运行时，排放随温度变化情况。
图4 排放随温度变化情况
而甲醇裂解成氢气经过气体分析仪得出结果如下：氢气72.70%；一氧化碳19.73%；二氧化碳4.50%；甲烷 3.06%。
五、结论
利用发动机余热的醇氢汽车技术采用甲醇催化裂解，制取富氢气体，从化油器中掺入汽油混合，进入汽缸燃烧。系统装置架构简单，成本低廉；安装容易，便于推展实施。醇（氢）代燃，摆脱了对石化资源的依赖，这是对国际新能源用法的重大突破。醇燃料比汽油市场价格低于 1/3，有明显的经济效益。利用纳米陶瓷增热器加温的新技术，可以在35秒达到裂解反应器最佳裂解温度，这就解决了很大难题，使用全氢汽车可以立即实现。
巴西及美国已经完全研究成功以甲醇为燃料的甲醇汽车。德国己经研究成功了纯液氢汽车等。但是这些成果要进入普遍性使用还有极大的难度和成本。如燃烧甲醇的汽车毒性、腐蚀、替代比高、不经济和氢储存、运输、氢燃烧的回火爆震等都属于世界性实用化的难题。
利用发动机余热的醇氢汽车技术可靠，市场广阔，经济效益可观；MH8氢汽车产业化将是对国际醇类代燃、氢能源利用和环保技术实用化的重大突破，是跨世纪的高新技术产品。
利用发动机余热的醇氢汽车技术是一项与国民经济相关，涉及能源、交通运输、电子、机械、化工、煤炭、生物、农业等多学科、跨行业的高技术，它可以改变传统产业，带动相关产业的发展。同时，利用发动机余热的醇氢汽车技术成果恰恰正是未来十年美国、日本、德国等先进国家政府的汽车产业方面全力争取的目标；也符合我国“十一五”规划高技术产业的发展方针；符合我国西部大开发战略；丰富的天然气，煤炭资源可以用来生产甲、乙醇，运输方便，作为醇（氢）代燃的汽车燃料，从而为天然气、煤炭资源开发提供了广阔的市场前景。
参考文献
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[8] http://www.shs.edu.tw/works/essay/2006/10/2006102818433705.pdf
[9] http://218.1.116.115:8080/dspace/bitstream/123456789/447/1/国外小型直接甲醇燃料电池发 展动向.doc
[10] http://zzs.chd.edu.cn/kjqk/xagljtdx/xagl2003/0305pdf/030519.pdf
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