1.1.1　能源

能源不僅是人類生存不可缺少的物質基礎，也是推動社會進步的驅動力。人類通過對能源的開發和利用，大大推動了經濟發展和社會進步。縱觀人類社會發展史，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源技術的改進與更替。一百多年來，發達國家先后完成了工業化，消耗了大量的自然資源，特別是能源資源。隨著世界經濟的高速發展，隨之而來的是能源消耗量的增加。

地球上存在著各種形式的能源，通常按照以下幾種方式對能源進行分類。

（1）按照初始來源分類

①地球本身蘊藏的能源，如核能、地熱能。

②來自地球外天體的能源，如太陽能以及由太陽能轉化而來的風能、水能、海洋能以及化石燃料等。

③地球與其他天體的相互作用產生的能源，如潮汐能。

（2）按照開發步驟分類

①一次能源，即在自然界以自然形態存在的可以直接開發利用的能源，如煤、石油、天然氣等。

②二次能源，即由一次能源直接或間接轉化而來的能源，如電力、煤氣、汽油、柴油等。

（3）按照開發利用的情況及其在社會經濟生活中的地位分類

①常規能源，指開發時間較長、技術比較成熟、被廣泛利用的能源，如煤、天然氣等。

②新能源，指開發時間短、技術不成熟、尚未被大規模開采利用的能源，如風能、潮汐能等。

（4）按照能否再生分類

①可再生能源，指不會因被開發利用而減少，具有天然恢復能力的能源，如太陽能等。

②非再生能源，指儲量有限，隨被開發利用而日益減少最終將枯竭的能源，如煤炭、石油、天然氣等。

（5）按照開發利用過程中對環境的污染程度情況分類

①清潔能源，即對環境無污染或者污染小的能源，如太陽能等。

②非清潔能源，對環境污染較大的能源，如煤、石油^［1］。

19世紀前，人類主要使用的是煤炭和木柴等固體燃料；20世紀以來，石油和天然氣逐步得到廣泛的開發和利用，以石油為主的液體燃料逐漸取代了煤炭而成為發達國家的主要燃料。研究表明，1977年世界能源消費組成中石油占44.4%，天然氣、石油氣占17.5%，煤炭占30.4%，水力發電占5.8%，核能發電占1.9%。預計2020年世界能源結構中，石油將占27%，天然氣、石油氣占29%～30%，煤炭占24%，水力發電和核電各占8%，其他能源占4%。目前仍然保持以化石燃料為主，可再生能源和新能源為輔且快速增長的能源結構^［2］。據相關研究預計，2020年在世界范圍內混合動力車的比例不會超過5%，電動車的比例不會超過2.8%。內燃機作為主要的石油消費源，每年所消耗的石油占我國石油消耗總量的66%，且在可預見的未來內燃機仍將是汽車動力主要原動力^［3］。汽車動力的節能，特別是傳統汽車動力的節能，依然是緩解石油資源壓力的一個重要途徑，是國家節能工作的重要方向。目前內燃機的利用效率并不高，仍有25%～50%的省油空間。通過動力燃料的高效清潔燃燒，對提高內燃機的利用效率，緩解石油的過度消耗，具有重要意義。

近年來我國汽車工業發展迅猛。據中國汽車工業協會統計，2009年我國汽車產銷量達到1360萬輛，居世界第一；2010年我國汽車產銷量突破1800萬輛，創全球歷史新高；2015年我國汽車產銷量超過2450萬輛，連續七年位居全球第一^［4］。然而，我國石油產量增長緩慢，無法跟上工業發展速度，自從1993年首度成為石油凈進口國以來，我國原油對外依存度由當年的6%一路攀升， 2006年突破45%，2009年超過50%國際警戒線達到52%^［5］，2011年達到56.5%，2016年達到65.4%^［6］。

1994～2016年中國汽車銷量及原油對外依存度如圖1.1所示。由此可見，當前我國正面臨日益突出的能源供需矛盾，研究開發內燃機代用燃料已經迫在眉睫。我國是一個能源生產和消費大國，能源生產量僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位；基本能源消費占世界總消費量的10%，僅次于美國，居世界第二位。我國又是一個以煤炭為主要能源的國家，發展經濟與環境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為全社會關注的焦點，日益成為我國戰略安全的隱患和制約經濟社會可持續發展的瓶頸。20世紀90年代以來，我國經濟的持續高速發展帶動了能源消費量的急劇上升。自1993年起，我國由能源凈出口國變成凈進口國，能源總消費已大于總供給，能源需求的對外依存度迅速增大。我國的煤炭、電力、石油和天然氣等能源物質都存在缺口，其中，石油需求量的大幅度增加以及由其引起的結構性矛盾日益成為我國能源安全所面臨的最大難題^［7］。因此，研究內燃機替代燃料以緩解化石燃料的危機顯得尤為重要。