1.1.1　能源

能源不仅是人类生存不可缺少的物质基础，也是推动社会进步的驱动力。人类通过对能源的开发和利用，大大推动了经济发展和社会进步。纵观人类社会发展史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源技术的改进与更替。一百多年来，发达国家先后完成了工业化，消耗了大量的自然资源，特别是能源资源。随着世界经济的高速发展，随之而来的是能源消耗量的增加。

地球上存在着各种形式的能源，通常按照以下几种方式对能源进行分类。

（1）按照初始来源分类

①地球本身蕴藏的能源，如核能、地热能。

②来自地球外天体的能源，如太阳能以及由太阳能转化而来的风能、水能、海洋能以及化石燃料等。

③地球与其他天体的相互作用产生的能源，如潮汐能。

（2）按照开发步骤分类

①一次能源，即在自然界以自然形态存在的可以直接开发利用的能源，如煤、石油、天然气等。

②二次能源，即由一次能源直接或间接转化而来的能源，如电力、煤气、汽油、柴油等。

（3）按照开发利用的情况及其在社会经济生活中的地位分类

①常规能源，指开发时间较长、技术比较成熟、被广泛利用的能源，如煤、天然气等。

②新能源，指开发时间短、技术不成熟、尚未被大规模开采利用的能源，如风能、潮汐能等。

（4）按照能否再生分类

①可再生能源，指不会因被开发利用而减少，具有天然恢复能力的能源，如太阳能等。

②非再生能源，指储量有限，随被开发利用而日益减少最终将枯竭的能源，如煤炭、石油、天然气等。

（5）按照开发利用过程中对环境的污染程度情况分类

①清洁能源，即对环境无污染或者污染小的能源，如太阳能等。

②非清洁能源，对环境污染较大的能源，如煤、石油^［1］。

19世纪前，人类主要使用的是煤炭和木柴等固体燃料；20世纪以来，石油和天然气逐步得到广泛的开发和利用，以石油为主的液体燃料逐渐取代了煤炭而成为发达国家的主要燃料。研究表明，1977年世界能源消费组成中石油占44.4%，天然气、石油气占17.5%，煤炭占30.4%，水力发电占5.8%，核能发电占1.9%。预计2020年世界能源结构中，石油将占27%，天然气、石油气占29%～30%，煤炭占24%，水力发电和核电各占8%，其他能源占4%。目前仍然保持以化石燃料为主，可再生能源和新能源为辅且快速增长的能源结构^［2］。据相关研究预计，2020年在世界范围内混合动力车的比例不会超过5%，电动车的比例不会超过2.8%。内燃机作为主要的石油消费源，每年所消耗的石油占我国石油消耗总量的66%，且在可预见的未来内燃机仍将是汽车动力主要原动力^［3］。汽车动力的节能，特别是传统汽车动力的节能，依然是缓解石油资源压力的一个重要途径，是国家节能工作的重要方向。目前内燃机的利用效率并不高，仍有25%～50%的省油空间。通过动力燃料的高效清洁燃烧，对提高内燃机的利用效率，缓解石油的过度消耗，具有重要意义。

近年来我国汽车工业发展迅猛。据中国汽车工业协会统计，2009年我国汽车产销量达到1360万辆，居世界第一；2010年我国汽车产销量突破1800万辆，创全球历史新高；2015年我国汽车产销量超过2450万辆，连续七年位居全球第一^［4］。然而，我国石油产量增长缓慢，无法跟上工业发展速度，自从1993年首度成为石油净进口国以来，我国原油对外依存度由当年的6%一路攀升， 2006年突破45%，2009年超过50%国际警戒线达到52%^［5］，2011年达到56.5%，2016年达到65.4%^［6］。

1994～2016年中国汽车销量及原油对外依存度如图1.1所示。由此可见，当前我国正面临日益突出的能源供需矛盾，研究开发内燃机代用燃料已经迫在眉睫。我国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的10%，仅次于美国，居世界第二位。我国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。近年来能源安全问题也日益成为全社会关注的焦点，日益成为我国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。20世纪90年代以来，我国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自1993年起，我国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。我国的煤炭、电力、石油和天然气等能源物质都存在缺口，其中，石油需求量的大幅度增加以及由其引起的结构性矛盾日益成为我国能源安全所面临的最大难题^［7］。因此，研究内燃机替代燃料以缓解化石燃料的危机显得尤为重要。