第4章车用替代燃料.ppt

汽车运行材料,第4章车用替代燃料,教学提示在石油资源日益减少、环境污染日益严重的双重作用下，开发和寻找污染较少、经济便宜的车用替代燃料已成为当务之急。,目前，有广阔发展前景的替代燃料主要有醇类燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等。,教学要求本章主要介绍醇类燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等车用替代燃料的特点和应用情况。,重点内容是车用替代燃料的特点和应用情况。要求学生了解车用替代燃料的发展前景，熟悉车用替代燃料的特点，掌握车用替代燃料的类别。,4.1醇类燃料,醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。目前，它们作为汽车替代能源被使用，在技术和成本方面已经达到实用阶段。,醇类燃料的资源比较丰富，可从多种原料中进行提取。,如甲醇可从天然气、煤、油页岩、重质燃料、木材和垃圾等物质中制取。乙醇可从甜菜、甘蔗、草杆、薯类、玉米等农作物中制取。,4.1.1醇类燃料的理化性质,甲醇燃料和乙醇燃料的主要理化性质与汽油燃料的比较如表4-1所示。,表4-l醇类燃料与汽油的主要理化性质比较,4.1.2醇类燃料的特点,1.辛烷值高,醇类燃料的辛烷值与汽油的辛烷值比较如表4-2所示。,表4-2醇类燃料与汽油的辛烷值比较,2.蒸发潜热大,蒸发潜热是指在常压沸点下，单位质量的纯物质由液体状态变为气体状态需吸收的热量或由气体状态变为液体状态需放出的热量。,醇类燃料的蒸发潜热大，意味着醇类燃料在发动机内由液体状态变为气体状态形成可燃混合气时需要吸收的热量较多。,因此，燃烧醇类燃料的发动机需加装进气预热系统，以保证其低温启动性能。,醇类燃料蒸发潜热大的优点是形成的混合气温度低，其充气效率会提高，进而可使发动机动力性增强；蒸发潜热大，可减少冷却系统和润滑系统的冷却负担，从而可提高发动机的使用寿命。,3.着火极限宽,着火极限是指混合气可以着火的最小浓度和最大浓度之间的范围，浓度是以空气中可燃气的体积分数表示。,醇类燃料的着火极限比汽油宽得多，可实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。,4.热值低,醇类燃料的热值比汽油低，甲醇热值约为汽油的一半，乙醇热值约为汽油的61。,5.腐蚀性大,醇类燃料的化学活性较强，对铜、铝等金属具有较强的腐蚀能力，对橡胶和塑料等非金属材料也具有较大的溶胀作用。,6.易产生气阻,醇类燃料的沸点低，有助于形成燃料与空气的混合气。,7.贮存和使用方便,醇类燃料在常温下为液体状态，和传统燃料的汽油、柴油相似，所以其贮存和使用比较方便。,但温度高时，容易在燃油供给系统产生气阻现象，严重时会使供油中断，发动机熄火。,8.排放污染低,醇类燃料的蒸发潜热大，甲醇的蒸发潜热约为汽油的3.7倍，乙醇的蒸发潜热约为汽油的2.9倍，所以使用醇类燃料的燃烧温度较低，对NOx的生成有抑制作用；,醇类燃料分子中没有C-C键结构，燃烧中不会有多环芳香烃通过缩合形成碳烟粒子的现象。,因此，排气中基本没有碳烟；醇类燃料氧含量高，且C/H值较汽油小，混合气燃烧较完全，因而排气中未燃烃类与CO含量也相应降低。,但醇类燃料的排气中未燃醇类和相应醛类较多。,4.1.3醇类燃料的应用,1.掺醇燃烧,掺醇燃烧是指把甲醇或乙醇以不同比例掺入汽油中。,甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M（Methanol）和E（Ethanol）加一数字表示，其后的数字表示混合燃料中甲醇或乙醇的体积分数，如M15表示甲醇体积分数为15％的混合燃料，E10表示乙醇体积分数为10的混合燃料。,1）掺醇汽油的优点,（1）抗爆性好，价格低。,（2）排放尾气中NOx、烃类及CO的含量低。,2）掺醇汽油的使用,2001年我国制定了乙醇燃料发展计划，确定在吉林、河南和黑龙江三省设立燃料乙醇试点项目，并制定了变性燃料乙醇和车用乙醇汽油两项国家标准，开始推广含10％乙醇的车用乙醇汽油的混合燃料。,变性燃料乙醇和车用乙醇汽油两项国家标准于2001年4月15日正式实施。具体指标分别如表4-3和表4-4所示。,3）掺醇汽油的缺点,（1）醇类燃料与汽油的互溶性较差。,醇类燃料具有较强的极性，与汽油的互溶性较差。,其互溶性受醇与汽油的混合比例、助溶剂的品种和加入量、混合温度等因素影响。,图4.1所示为甲醇与汽油的互溶曲线。,图4.1甲醇与汽油的互溶曲线,1-不加助溶剂2-加1％助溶剂3-加2％助溶剂4-加4％助溶剂,（2）掺醇汽油易出现分层现象。,（3）掺醇汽油对发动机的金属、橡胶和塑料等材料具有一定腐蚀性。,（4）掺醇汽油的低温启动性差，高温时易发生气阻。,2.纯醇燃烧,纯醇燃烧是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。,从弥补石油资源短缺的角度来说，纯醇燃料用于发动机燃烧比掺醇燃料，尤其是低比例掺醇燃料更具有实际意义。,纯醇燃烧时，可根据甲醇或乙醇燃料的特点对发动机进行改造，使其动力性、经济性和排放性比燃烧汽油时有较大提高。,图4.2所示为点燃式内燃机分别燃用甲醇和汽油时的有关性能对比。,图4-2甲醇内燃机的特性,4.2乳化燃料,乳化燃料是指汽油和柴油等燃油和水相混合并经特殊处理后形成的一种相对稳定的乳化液。,使用乳化燃料不仅能减少发动机排放中氮氧化合物（NOx）等有害成分的含量，而且能有效地降低燃料的消耗。所以使用乳化燃料是节约能源和降低污染的良好措施之一。,4.2.1乳化燃料节能降污的原理与效果,乳化燃料的燃烧是个非常复杂的过程，其节能降污的原理，目前尚在研究之中，常见的有两种解释理论微爆理论和燃烧化学反应动力学理论。,1.微爆理论,2.燃烧化学反应动力学理论,3.乳化燃料节能降污效果,乳化燃料与非乳化燃料燃烧效果对比图如图4.3所示。,不难看出，乳化油燃料在燃烧过程中，减少了火焰中的炭粒，提高了燃料油的燃烧程度，改善了燃烧状况，提高了燃料油的燃烧效率。,图4.3乳化燃料与非乳化燃料燃烧效果对比图,4.2.2燃料乳化的方法,1.超声波法,超声波法是利用超声波在液体媒介中传播时会出现机械的、热的及空化等作用机制，对传声媒质可产生一系列效应的原理进行配制乳化燃料的。,超声波法的优点是设备简单，处理能力大，耗能少，乳化添加剂用量少，乳化效果好，是目前最常用的方法。,工艺流程如图4.4所示。,图4.4超声波法乳化燃料工艺流程,2.机械混合法,乳化燃料的配制也可采用机械法把按比例配好的油、水、乳化添加剂进行搅拌、剪切、混合、雾化，并使粒子直径达到要求。,机械混合法柴油乳化工艺流程如图4.5所示。,图4.5机械混合法柴油乳化工艺流程,1-电器控制系统2-反应釜3-加料口4-高剪切乳化机5-过滤器6-静态混合器7-管线式高剪切乳化机8-成品罐,4.3天然气,天然气（NaturalGas，简称NG）是各种替代燃料中最早被广泛使用的一种。,4.3.1天然气资源,天然气的主要成分是甲烷（CH4），其体积一般占天然气的80％～99％。,表4-5不同产地的天然气的组分构成,4.3.2天然气的主要物化特性,表4-6天然气的主要物化特性,4.3.3天然气的特点,1.着火极限宽2.与空气的理论混合气热值低3.火焰传播速度低4.点火能量高5.抗爆燃性能好6.密度小7.排放污染小8.携带性较差9.使用天然气可使发动机的磨损减小,4.3.4天然气在汽车上的使用,1.天然气的存在形式,作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形,式不同，分为压缩天然气（CompressedNaturalGas，简称CNG）和液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）两种。,（1）压缩天然气（CNG）压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至25MPa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。,（2）液化天然气（LNG）液化天然气是将天然气经过一定工艺，使其在-162℃左右变为液态，存贮在高压气瓶中。,与压缩天然气相比，液化天然气工作压力降低，储气瓶体积减小，续驶里程延长。但它对低温贮存技术要求较高。,2.天然气汽车类型,根据天然气的储存形式，天然气汽车分为压缩天然气汽车和液化天然气汽车。,1）压缩天然气汽车,目前国内外发展较快的是压缩天然气汽车。,我国车用压缩天然气的技术指标如表4-7所示。,表4-7车用压缩天然气技术指标,压缩天然气汽车按燃料供给系统不同又可分为专用压缩天然气汽车、压缩天然气与汽油两用燃料汽车、压缩天然气与柴油双燃料汽车等。,专用压缩天然气汽车以CNG作为惟一燃料，其发动机的燃料供给系统专为CNG燃料设计，能充分发挥CNG燃料的特点。,压缩天然气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成，有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的CNG供给装置。,发动机可以分别使用CNG和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。,图4.6所示为东风雪铁龙爱丽舍压缩天然气与汽油双燃料轿车的实物照片。,图4.6东风雪铁龙爱丽舍压缩天然气与汽油双燃料轿车,压缩天然气与汽油两用燃料汽车由于发动机结构未作改动，对原来的汽油机使用性能没有影响。,但当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致发动机功率略有下降。,压缩天然气与柴油双燃料汽车是通过对现成柴油车改装而成。其燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给CNG和柴油两种燃料。其中，柴油只作引燃燃料，CNG是主要燃料。,2）液化天然气汽车,由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。,3.天然气汽车技术,所谓天然气汽车技术，是指汽车用天然气贮存、加注以及合理运用等方面的技术，主要包括以下几方面。,1）加气站技术,无论是压缩天然气还是液化天然气，它们向汽车上加注时，所需加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加注设备复杂一些，必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这需要较高的技术水平。,2）发动机技术,天然气燃料的性质不同于汽、柴油，因此天然气发动机的结构也不同于汽油机和柴油机，应对其,燃料混合、发动机燃烧室结构、点火系统等方面的独特之处进行研究与开发。,3）气瓶技术,由于汽车具有的流动性，燃料必须时刻携带。,绝大多数天然气汽车都把气瓶布置在行李箱里，如图4.7所示。,图4.7东风雪铁龙爱丽舍CNG气瓶,4.4液化石油气,液化石油气（LiquefiedPetroleumGas，简称LPG）是石油产品之一，是由炼厂气或天然气包括油田伴生气加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。,4.4.1液化石油气资源,我国液化石油气资源包括油田和石油炼厂两个方面。油田的液化石油气是在伴生气的处理过程中的轻烃产品，如大庆、胜利、中原等油田都有该产品。,油田的液化石油气主要成分是丙烷和丁烷，其内不含烯烃，所以适于直接做车用燃料。,表4-8所示为我国几个石油炼厂液化石油气主要成分的体积分数。,表4-8石油炼厂液化石油气主要成分的体积分数（％）,4.4.2液化石油气的主要物化特性,汽车用液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷，它们的主要物化特性如表4-9所示。,表4-9液化石油气的主要物化特性,4.4.3液化石油气的特点,1．抗爆性能高2．排放污染小3．火焰传播速度慢4．点火能量高5．与空气的理论混合气热值低6．便于携带,4.4.4液化石油气在汽车上的使用,1.对车用液化石油气的技术要求,为保证液化石油气的质量能满足汽车的使用需求，我国对车用液化石油气的技术要求如表4-10所示。,表4-10车用液化石油气技术要求,2.液化石油气汽车类型,液化石油气汽车按燃料供给系统不同，可分为专用液化石油气汽车、液化石油气与汽油两用燃料汽车、液化石油气与柴油双燃料汽车等。,专用液化石油气汽车以LPG作为惟一燃料，其发动机的燃料供给系统专为LPG燃料设计，能充分发挥LPG燃料的特点，使用性能最佳。,液化石油气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成。有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的LPG供给装置。,发动机可以分别使用LPG和汽油作为燃料，两种燃料的转换通过电磁阀实现，其典型布置如图4.8所示。,图4.8液化石油气与汽油两用燃料汽车,由于发动机结构改动较小，因此当使用液化石油气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致汽车性能不如专用液化石油气汽车。,液化石油气与柴油双燃料汽车是通过对现成柴油车改装而成。,同液化石油气与汽油两用燃料汽车一样，也有两套燃料供给系统，一套为原柴油供给系统，另一套为增加的LPG供给装置。,两套燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给LPG和柴油两种燃料。,其中，柴油只作引燃燃料，LPG是主要燃料。,4.5氢气,氢气的特点,首先，氢气可用水来制取，并且氢气燃烧后又生成水，这种快速的资源循环，使得氢能源取之不尽、用之不竭，这决定了氢气将在未来可耗尽资源消耗殆尽时起主导作用；,其次，氢气是非常理想的清洁燃料，燃烧生成水，无CO2、CO、HC、碳烟等污染物质。,4.5.1氢气资源,制取氢气的资源很多，如煤、石油、天然气、水等，都可用来制取氢气。,4.5.2氢气的主要物化特性,氢气的主要物化特性如表4-11所示。,4.5.3氢气的特点,1.着火界限宽2.点火能量低3.火焰传播速度高4.与空气的理论混合气热值低5.自燃温度高6.燃烧排污低7.发动机的热效率8.发动机的磨损量减小,4.5.4氢气在发动机上的使用,氢气既可以单独作为内燃机燃料用于发动机，也可与汽油作为混合燃料用于发动机。,1.氢与汽油混合作为燃料,目前，氢燃料在汽车上的使用多为氢与汽油混合作为燃料用于发动机。,2.氢气单独作为内燃机燃料,氢气单独作为内燃机燃料在发动机上使用，其供氢方式有缸内直接供氢法、预燃室喷氢法、进气道间歇喷射-电磁控制法、进气道间歇喷射-进气门座工作面吸入法、进气管连续喷射-空气导流法和进气管连续喷射-混合器法等几种。,为提高发动机的功率，一般采用内部混合气形成的氢发动机，即缸内直接供氢法。,由于喷射压力不同，有低压喷射型和高压喷射型两种喷射形式。,1）低压喷射型,低压喷射型的喷射压力比较低，约为1MPa。它是在发动机压缩行程的前半行程将氢喷入缸内。其优点是可提高发动机的功率，不发生回火现象。,2）高压喷射型,高压喷射型的喷射压力比较高，须大于8MPa。它是在发动机压缩行程末上止点附近将氢喷入缸内。其优点是可增大发动机的压缩比，提高其热效率，也不会发生回火、爆燃及早燃等现象。,德国宝马汽车公司（BMW）在液氢汽车研发方面一直处于领先地位，图4.9所示即为该公司推出的使用液态氢的Hydrogen7轿车。,图4.9BMW推出的使用液态氢的Hydrogen7轿车,4.5.5氢气的贮存,氢气的贮存常用金属氢化物、高压容器、液氢三种方式。,1.金属氢化物贮存,金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，效率很高。但金属氢化物贮氢方式的重量大，且氢压太低，使得氢很难直接喷入气缸。,2.高压容器贮存,高压容器是将氢压缩后存贮其中，这种贮氢方式能提供较高的压力。但高压容器贮氢方式的重量也比较大，与金属氢化物贮氢方式相当。,3.液氢贮存,液氢是把氢气液化后存贮在绝热容器中。氢气的沸点为-253℃。,为此，BMW开发出了如图4.10所示的绝热能力极佳的储气系统。,图4.10BMWHydrogen7轿车氢气钢瓶（可储存8kg的液态氢）,液氢贮氢方式设备重量轻，并且借助小型液氢泵还可获得8～10MPa的高压，以满足高压喷射方式的需要。,但这种贮氢方式需使用绝热容器，价格昂贵，并且还容易发生蒸发泄露等。,4.5.6氢气的安全性,由于氢气的自燃温度高，若无明火，一般不会着火，使用比较安全。,另外，氢气的密度比较小，质量轻，如在贮存过程发生泄漏，也会很快扩散到空气中，不会发生爆炸或着火。,因此，氢气的使用安全性比较好。,但是，氢气在贮存、使用过程中，也存有一定的危险，如泄漏能力强、易被高温炽热点点燃等。,4.5.7氢气使用存在的问题,①在汽车上安全方便的贮运方法,②大量生产廉价氢气的方法,③氢气燃料的供给系统,但是，从长远和发展的观点来看，氢气是最有前途的替代燃料。,复习思考题,1.目前，有广阔发展前景的替代燃料主要有哪些,2.醇类燃料有哪些特点,3.乳化燃料燃烧有哪些显著效果,4.简述天然气汽车的种类和特点。,5.简述LPG汽车的种类和特点。,6.简述氢气在汽车发动机上的使用情况。,