汽车新能源PPT课件

,第3章 汽车替代燃料,1,3.1 概 述 3.1.1开发代用燃料的原因 1.能源储备量 2.环境污染问题 3.1.2汽车新能源的选择标准 1.储量丰富 2.热值高，能量密度大 3.安全、无毒、污染小 4.价格便宜，来源广，容易制取 5.便于携带、储存和使用 6.最好可与现在的汽车供油系统兼容或只需进行简单 的改装即可使用。,2,3.1.3 主要汽车替代燃料的种类 目前，有广阔发展前景的替代燃料主要有醇类燃料、电能、压缩天然气、液化石油气、氢气、太阳能等。 气体燃料是能源的一个重要组成部分，被称为继煤炭和石油之后的第三大能源。醇类燃料的发展一直受到各国的重视。汽车用醇类燃料主要是甲醇和乙醇，醇类的来源极其丰富，生产工艺成熟。电能是二次能源，原则的讲，它可以来源任何一种其他能源，以电能为动力的汽车就是电动汽车。电动汽车有蓄电池式、燃料电池式和混合动力电动汽车等多种形式。,3,3.2 氢气 近年来，氢气发动机汽车的热度明显上升，它是清洁能源 应用的一个好契机，同时它和燃料电池电动汽车在都使用氢气 这一点上有着同根同源的关系，在氢能源社会建设工程方面， 是一个非常合适的过渡。 3.2.1 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。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。 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,4,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气法等几种。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。 氢气发动机是在原型汽油机上改进的，发动机的排量，缸 径，行程，压缩比都没有什么变动，只是在发动机上安装第二 套供气管路，氢气是利用储氢罐的压力被送到发动机上的。在 此过程中，重要的是使液态氢的气化过程。所以在发动机外面 要加一个热交换器，使氢汽化并加热，经过动力调节，生成可 燃混合气体。 2009年6月16日，美国南加州莫哈韦沙漠的艾尔米诺日干 湖那宽阔龟裂的土地上风大尘高。测试人员杰西驾驶着他那辆,5,形似一颗水滴的改装车一“飞”而过。依靠改装的氢动力发动 机，他开到了时速199.712英里（321.54公里） ，刷新了此前 由宝马 H2R 氢动力车在德国创下的186英里/小时（约299.3千 米）的氢动力陆地速度纪录。 3.2.2 氢的制造 目前，氢的制造通常有两种办法，一种是利用煤炭、石油、 天然气提取碳氢化合物；一种是直接利用水制取。我国“973” 计划项目中，有利用太阳能进行规模制氢的基础研究，目前已 在西安交通大学正式启动。,6,3.2.3 氢的储存 氢的储存方法：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；高压容 器贮存，高压容器贮存是将氢压缩后存贮在高压氢气瓶，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较大， 与金属氢化物贮氢方式相当。高压容器贮氢体积太大，只能在 大客车上应用；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。液氢贮氢方式设备重量轻，并 且借助小型液氢泵还可获得810MPa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。储氢箱大多是使用钛合金板制成的；,7,最先进的储氢是利用纳米碳素纤维储存氢气，目前正在加速,研制中。对高压氢气瓶的加注，液氢温度为-253，如果用手 去操作，会冻伤的，所以安装一种智能机器手，代替人工加注， 加注时间一般为4分钟，由于在广阔露天，泄漏的一点氢气很快 飞散，不会引起大爆炸。 3.2.4 氢燃料的特点 氢是一种理想的清洁燃料，用作汽车燃料可实现真正的“ 零排放”。其优点在于：无毒性，无污染，来源广，是地球 上仅次于氧的最丰富元素，主要以化合物的形式存在于水中； 氢燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物； 单位重量的氢释放的热能比任何碳氢燃料都高，约为化石,8,燃料的3倍；氢能源使用效率高，比常规的化石燃料的热效率高 1015； 比重小，火焰传播速度高，其火焰传播速度高达2.91m/s， 是汽油的7.72倍，这就说明氢气的抗爆性比汽油好； 氢极易点燃，最小点火能量只有汽油的1/3，可燃界限宽， 在空气中的着火界限是4.175比汽油和柴油的着火界限 大很多，容易实现稀薄燃烧； 氢气是一种清洁燃料，其燃烧产物是水，没有碳和碳烟。 氢燃料要想被广泛应用还存在的一些问题： 氢密度小、易汽化、着火、爆炸、储存运输不便，故携带 性和安全性差，需专用发动机和配套基础设备； 制氢技术有待提高，制氢消耗的能量多、效率低、成本高；,9,储氢技术尚需提高，低温液化、高压压缩、金属吸附等储 氢方法，燃料和附加设备的重量和体积都太大； 氢的沸点为-253，氢在大气中的扩散系数约为汽油的 8 倍，因而氢燃料“逃逸率”高。 3.2.5 国内外氢能源的研发现状 二十世纪七十年代以来，美国、欧洲、日本对氢燃料的研 究十分盛行，氢动力车、氢发动机、储氢金属材料和制氢技术 都有了长足的发展，但是氢气作为内燃机燃料的技术难度较大， 而且氢气在贮存、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。很难在近期内推广使用。 我国也十分重视氢能源的研究与开发工作。2003年11月中,10,国和欧盟共同签署了“氢经济国际合作伙伴计划（IPHE）”。 2009年5月份，由科技部、科协、国际能源协会，在北京联合举 办“第二届国际氢能源论坛”我国的氢能源研发已和国际广泛 合作和接轨。科技部负责人表示：氢作为21世纪最具发展潜力 的清洁能源，中国绝不能落后，既要求国际的合作，又要走中 国国情的路子，可以说中国已在一些氢能源研究开发及应用示 范项目上，取得了一些关键技术上的显著进展。,11,3.3 天然气 3.3.1天然气概述 天然气（Natural Gas，简称为NG），天然气系古生物遗 骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生的气态碳氢化 合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而出或纯天然气气 田。天然气是地表下岩石中自然存在的以轻质碳氢化合物为主 体的气体混合物的统称，主要成分是甲烷，其体积一般占天然 气的8099，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还 含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如 氦和氩等。天然气主要存在于油田和天然气田，也有少量存在 于煤层。比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特,12,性。天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂（四氢噻吩），以资 用户嗅辨。天然气在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。 天然气在空气中浓度为515的范围内，遇明火即可 发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间 产生高压、高温，其破坏力和危险性都是很大的。 天然气的应用： 1）民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境 性能好，是民用燃气的首选燃料； 2）工业燃料：以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅 炉以及热电厂燃气轮机锅炉； 3）工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等,13,4）化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血 盐钾，赤血盐钾等； 5）压缩天然气汽车：以天然气代替汽油，具有价格低、污 染少、安全等优点，可以解决汽车尾气污染问题。,14,3.3.2 天然气的主要物化特性,15,3.3.3 天然气的特点 1）着火极限宽，515，容易实现稀薄燃烧。 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，着火温度是537。 5）抗爆燃性能好，辛烷值是130。 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。,16,3.3.4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（Compressed Natural Gas，简称CNG）和液化天 然气（Liquefied Natural Gas，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）液化天然气是经过一定工艺将天然气在 -162（112K）左右时，压力为0.1MPa时变为液态，存贮在储 存罐内。,17,存罐内。 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。以CNG为燃料的车辆叫做CNGV（Compressed Natural Gas Vehicle），以LNG为燃料的车辆叫做LNGV （Liquefied Natural Gas Vehicle 简称为LNGV)。 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。压缩天然气是 一种理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成,18,熟。它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点， 正日益显示出强大的发展潜力。 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。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,19,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 是将液化天然气储存在温度为112K压力为0.1MPa左右的储 存罐内，其密度为标准状态下的600多倍，能量密度约为汽油的 72%，已接近汽油。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。,20,3.天然气汽车技术 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。天然气加气站一般分为三个基本类型，即快速充 装型，普通（慢速）充装及两者的混合型。 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,21,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， 如右图。,22,3.4 液化石油气 3.4.1 石油气概述 液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，简称LPG）是炼 油厂进行原油催化裂解与热裂解时所得到的副产品，是由炼厂 气或天然气(包括油田伴生气)加压或降温液化得到的一种无色 或黄棕色油状挥发性液体。其主要成分是丙烷和丁烷，含量达 到爆炸极限（1.710）时，遇到火星或电火花就会发生爆 炸。为了提醒人们及时发现液化气是否泄漏，加工厂常向液化 气中混入少量有恶臭味的硫醇或硫醚类化合物。,23,液化石油气的应用： 1）用于有色金属冶炼 2）窑炉焙烧 3）作汽车燃料 4）居民生活燃用,24,3.4.2 液化石油气的主要物化特性,25,3.4.3 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 3.4.4 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下表所示。,26,车用液化石油气技术要求：,27,2.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。,28,3.4.5 压缩天然气和液化石油气作为内燃机燃料有以下特点： 它们的污染都较小； 天然气的资源丰富，在今后的相当长时间内有充足保障， 但是天然气属非再生能源，不能作为根本性的替代能源。石油 气属非再生能源且储量没有天然气丰富； 天然气储运不便（低温-162或高压2025Mpa时才会液 化），液化石油气储运方便（常温690Kpa时会液化）； 汽车动力性都有所下降； 纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10左右，液化石油气 介于天然气和汽油之间； LPG汽车的特点是技术上成熟，安全可靠性好、能量密度大,29,（一次充气的行程与汽油接近），LPG的供应方便； 抗爆性好，甲烷的研究法辛烷值为130，国外研究，燃用 天然气的专用型发动机采用的合理压缩比为12，容许压缩比为 15，采用提高压缩比的方法，从而大幅度提高汽车的动力性和 经济性的潜力。液化石油气的辛烷值在100110之间。 混合气发火界限宽，通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高 汽车的经济效益和环保效益； 天然气和液化石油气都是比汽油更“清洁”的燃料。它们 的燃烧温度低，NOx生成少。它们与空气同为气相，易均匀混 合，燃烧较完全，CO和碳粒的排放量极低。采用天然气-柴油 双燃料工作时，烟度值很低，约是纯柴油的1/10左右，几乎是 呈无烟状态运行。,30,3.4.6.汽车的其它气体替代能源 1.煤气 煤气是由其他能源形式，如煤、木柴等经过加工制取的， 因以煤制取为主，故称为煤气。其主要成分为CO。煤气的着火 温度低，为330350，因此抗爆性较差，点火性能良好， 着火界限较宽。 2.沼气 沼气是由有机物质在厌氧的条件下发酵而制取的。沼气的 主要成分是甲烷，含量为5066，其它主要成分为CO2和N2。 目前国外使用洗气设备，即除去CO2 ，这样就得到了较纯的甲 烷气，其燃烧特点及特性类似天然气。,31,3.5 醇类燃料 汽车用醇类燃料主要是甲醇和乙醇，醇类的来源极其丰富， 生产工艺成熟。甲醇可以较方便的从煤、木材 、天然气、石油 伴生气、植物秸杆、甚至城市可燃垃圾及近几年来正在研究中 的海草等物质中提炼合成。采用天然气生成甲醇是目前使用最 广泛最经济的方法。乙醇可以由乙醛氢化或乙烯水化来制得， 也可由单糖类（如苷蔗、甜菜等），淀粉类植物（玉米、薯类、 大麦等）及纤维类（如木屑、树枝及秸杆等）为原料采用生物 发酵方法制成，还可以从再生的农业，林业，废料等生物物质 中制取。 3.5.1 醇类燃料的理化性质,32,醇类燃料与汽油的主要理化性质比较：,33,3.5.2 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下表所示:,34,2.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。 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，甲醇的着火极限是6.736，乙醇 的着火极限4.3 19，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。,35,4.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。但 温度高时，容易在燃油供给系中产生气阻现象，严重会使供油 中断，发动机熄火。,36,7.储存和运输方便 醇类燃料在常温下为液态，和传统燃料汽油和柴油相似， 所以储存和使用比较方便。 8.排放污染低,37,3.5.3 甲醇和乙醇的特点和应用 1.甲醇 甲醇系结构最为简单的饱和一元醇，化学式CH3OH。又称 “木醇”或“木精”。是无色有酒精气味易挥发的液体。有毒， 误饮510毫升能双目失明，甲醇的致命剂量大约是70毫升。甲 醇易燃，其蒸气与空气能形成爆炸混合物，甲醇完全燃烧生成 二氧化碳和水蒸气，同时放出热量。甲醇汽油是指把甲醇部分 添加在汽油里，用甲醇燃料助溶剂复配的M系列混合燃料。其中 M15(在汽油里添加15甲醇)清洁甲醇汽油为车用燃料，分别应 用于各种汽油发动机。,38,甲醇替代燃料的特点： 甲醇沸点低辛烷值高，抗爆燃能力较好，甲醇热值低， 行驶同样距离的消耗几乎比汽油多一倍，因而需要大的油箱或 加装副油箱。甲醇与汽油相溶性较好可实现各种比例掺烧。 汽化潜热是汽油的3倍多，有极佳的冷却作用，可以降低 发动机温度，不致过热。 它含氧量高，燃烧完全，在汽车发动机中的能量利用效 率高于汽油，其经济性很具有竞争力。 目前，每1.7吨煤就可以炼出一吨甲醇，甲醇是一种优良 的汽油替代燃料。每吨汽油的价格为6000多元人民币，而甲醇 只有1800元3000元，基本上是汽油价格的1/3。,39,甲醇燃料在汽油机上的使用 从低比例掺烧（M15甲醇占15）逐渐发展到20世纪80年代 后期的高比例（M85M100）掺烧。甲醇混合燃料的热效率、动 力性、启动性、经济性良好，具有降低排放、节省石油、安全方 便等特点。世界各国根据不同国情，研发了M3、M5、M15、M20、 M50、M85、M100等不同掺和比的甲醇汽油。 甲醇灵活燃料车指可使用纯甲醇与汽油以任意比例混合作 为燃料的汽车。甲醇灵活燃料车与传统汽油车相比，动力性、 经济性以及排放等都得到了很大的改善。甲醇汽车的主要设计,40,出发点是可以满足汽油燃料、甲醇燃料以及汽油与甲醇混合燃 料的使用要求，发动机部件针对甲醇特性重新开发，整车增加 了冷启动装置、副油箱等，开发了甲醇灵活燃料车整车线束、 仪表和转换开关等件。 目前，较先进的甲醇燃料汽车装有“汽油甲醇双燃料 电子喷射系统”，甲醇、汽油由两个储存箱单独储存，发动机 增装一套单独的甲醇电子喷射系统，燃料系统由两个喷射系统 相互对接。车辆的时速110公里以下时，汽车只烧甲醇；时速在 110公里至150公里之间时，驾驶员根据汽车的动力性和经济效 益，通过一个ECU可以灵活自由选择普通汽油、M15、M25、M70、 M85、M100等多种配比燃料。,41,车用甲醇汽油有何优缺点？ 1）它增加汽油中的氧含量，使燃烧更充分，彻底有效地降 低了尾气中有害物质的排放；2）车用甲醇汽油中的变性燃料甲 醇是一种性能优良的有机溶剂，能有效地消除油箱及油路系统 中杂质的沉淀和凝结，有良好的油路疏通作用；3）有效消除火 花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，可 以延长主要部件的使用寿命。 发展甲醇燃料目前受到的争议主要是： 第一，甲醇的腐蚀性强； 第二，由于甲醇热值低，行驶同样距离的消耗几乎比汽油 多一倍，因而需要大的油箱。这在一定程度上制约了甲醇燃料 的发展。,42,甲醇燃料车的开发和研制的关键技术： 甲醇冷启动技术 甲醇的蒸发潜热是汽油的三倍多，故甲 醇蒸发时吸收热量大，燃料蒸发困难。 甲醇发动机的润滑 开发甲醇汽车专用机油 甲醇腐蚀性 开发出耐甲醇的发动机零部件以及整车零部 件，更改的耐醇件完全符合甲醇燃料车需求 油耗 压缩比在10.511.5之间，M85甲醇汽油与常规汽油 的替代比可达到1.5 1.6。 电控方面 驾驶员根据实际用油环境需要及经济效益考虑 通过一个ECU可以灵活自由选择普通汽油、M15、M25、M70、M85、 M100甲醇等多种配比燃料，同时可以控制冷启动系统的开启和 关闭。,43,综上所述，甲醇是一种理想的汽油替代燃料，对我国能源 结构调整、减轻能源紧缺压力都有着深远的意义。但是推广甲 醇燃料，光靠技术层面的努力是远远不够的，必须建立完善的 甲醇燃料网络体系，制订甲醇燃油标准，获得政府财税政策的 支持，同时营造良好的市场环境，做好市场宣传引导工作，这 些都需要汽车行业、石化行业包括燃料甲醇生产企业等展开密 切的合作。 明年10月陕西全面推广使用甲醇汽油，甲醇汽油更清洁环 保，动力效果与普通汽油几乎一样，完全达到汽车的使用标准， 价格也有望更便宜一些，而且不用改装现有汽车。 目前我国所有93#甲醇汽油都是M15甲醇汽油。,44,2.乙醇 乙醇俗称酒精，乙醇的原料主要是含糖作物（如蔗糖、甜 菜等）、含淀粉作物（土豆、玉米等以及含纤维素原料），这 些原料属于可再生能源，生产1吨乙醇需消耗4吨甘蔗或粮食。 乙醇汽油由燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成的新 型替代能源。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90的普通 汽油与10的燃料乙醇调和而成。 优点：来源有长期保障，储运方便； 辛烷值高，抗爆性好； 乙醇含氧量高达34.7。在汽油中含10的乙醇，含氧 量就能达到3.5； 环保效果好，乙醇汽油的使用可有效的降低汽车尾气排 放，改善能源结构。,45,缺点： 比普通汽油动力下降油耗增加，天热时还易于气阻熄火； 乙醇汽油储运周期只有45天，这影响使用乙醇汽油的 方便性。乙醇汽油一旦遇水就会分层，乙醇汽油的保质期只有 一个月，过了保质期的乙醇汽油容易出现分层现象，在油罐油 箱中容易变浑浊，打不着火。 乙醇的汽化潜热大，理论空燃比下的蒸发温度大于常规 汽油。影响混合气的形成及燃烧速度，导致汽车动力性，经济 性及冷启动性的下降，不利于汽车的加速性。 材料适应性差，腐蚀金属 。,46,3.6 电能 电能是二次能源，原则的讲，它可以来源任何一种其他能 源，以电能为动力的汽车就是电动汽车。电动汽车有蓄电池式、 燃料电池式和混合动力电动汽车等多种形式。 3.6.1.纯电动汽车 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。 电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体；电力 可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力、风力等；同 样的原油经过粗炼送至电厂发电后将电充入电池，再由电池驱 动汽车其能量利用效率比原油经过精炼变为汽油再经汽油机驱 动汽车的能量利用效率高，因此有利于节约能源和减少二氧化 碳的排量；电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的,47,电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高了其经济 效益。 电动汽车的缺点是：目前蓄电池单位重量储存的能量太少， 电池的能量密度与汽油相比差几十倍甚至上百倍远未达到人们 所要求的数值，电动车的电池生产成本高，故价格较贵，至于 使用成本有些试用结果比内燃机汽车要贵，这主要取决于电池 的寿命及当地的油、电价格 。 3.6.2.混合动力汽车 ( Hybrid Electric Vehicle，简称 HEV ) 研发原因： 1）当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表 明在占80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜,48,能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是排放废气污染 环境。 2）20世纪90年代以来，世界各国对节能减排的呼声日益高 涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是 电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的 应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人 们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃 油发动机汽车。 3）这些现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开 发了一种混合动力装置。所谓混合动力装置就是将电动机与辅 助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上,49,是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将 传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池发动机系统承担。 这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好 的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并 肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10以上，废气排 放可改善30以上。 混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，符合道路交 通安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、 太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前的混合动力汽车就是 在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染， 提高纯电动汽车的行驶里程。,50,混合动力汽车有串联式、并联式和混联式三种结构形式。 混合动力车优点： 在遇到交通拥挤时的燃油消耗量、尾气排放量等要远远 低于仅靠内燃机驱动的汽车，其排放量下降约80，可节省燃 料50。 需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少 时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作， 电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。 因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、 怠速时的能量。 在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现 零排放。,51,有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、 除霜等纯电动汽车遇到的难题。 不需要额外建立新的能源补充基础设施（如加气站、 充电站等）。 可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放， 延长其使用寿命，降低成本。 缺点：从制造成本上看，混合动力汽车必然要有内燃机和电 动机两套动力系统，成本高于传统动力汽车； 汽车并不是只在大城市的拥堵道路上行驶，当在公路上 行驶时，电动汽车就失去了频繁制动而回馈的能源，此时，电 动机反而成为汽车的重量负担。,52,现状与前景：混合动力汽车在发达国家已经日益成熟， 有些国家已经进人实用阶段。由于构造复杂、成本较高，在电 动汽车时代到来之前，混合动力汽车作为一种过渡产品，在近 十年内会有很好的发展前景。 3.6.3.燃料电池汽车 燃料电池（Fuel cell）是一种将燃料的化学能直接转换成 电能的装置。燃料电池内发生的化学反应十分复杂，涉及化学 热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等 学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。大多 数的燃料电池都是利用空气中的氢气和氧气来发电的，也有的 是用甲醇或天然气，将会产生极少的二氧化碳和氮氧化物。但,53,总的来说，这类化学反应除了电能就只产生水。因此燃料电池 车被称为“地道的环保车”。 由于燃料电池的能量密度可和汽油相比，所以续驶里程也 可和汽油汽车相比，但燃料电池的功率密度较汽油的功率密度 低很多，因此还需要用少量的电池或超级电容，以提高汽车的 加速性能。虽然燃料电池电动汽车有良好的前景，但目前尚未 产业化，燃料电池的可靠性、寿命有待改进，氢气的基础设施 有待建立，氢气的来源和供应有待解决。 燃料电池的工作原理： 燃料电池通过电化学过程把氢和氧转化成水、电流和能量。 它的核心是一层膜片，即质子交换膜（PEM-Proton Exchange Membrane）电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个,54,电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极 进入，氢分子被铂催化剂分解成两个氢质子与两个电子。氧气 （或空气）则由阴极进入燃料电池。带正电的氢离子穿过质子 交换膜流向阴极和氧分子进行化合，产生纯水。而带负电的电 子却不能穿过质子交换膜，这意味着石墨板外面的两个电极之 间产生电位差，如果连接这两个电极，就会产生直流电。水是 燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的氢燃料可以来自于 任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇、水的电解、沼 气等等。由于燃料电池是利用氢及氧的化学反应，产生电流 及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题， 是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及的应用在车辆及,55,其他高污染之发电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。 上述过程产生的电压仅为0.7-1.4V，它并不足以驱动汽车，因 此需要把许多这样单个燃料电池串联在一起构成燃料电池堆 （Fuel Cell Stack）才行。通常所称的燃料电池就是这种电堆 总成。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1）零排放或近似零排放。CO2排放因能量转换效率高而大幅度 降低，噪音排放很低，运行平稳、无噪声，无机械振动。 2）减少了机油泄露带来的水污染。 3）能量转化效率高。他直接将燃料的化学能转化为电能，中 间不经过燃烧过程，目前燃料电池系统的燃料电能转换效率 在4560，而火力发电和核电的效率大约在3040。 4）积木化强。,56,氢燃料电池：,57,氢燃料电池,58,4.7 太阳能 4.7.1太阳能汽车概述 太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在 蓄电池中存起备用，给汽车的电动机提供电。相比传统热机驱 动的汽车，太阳能汽车是真正的零排放。正因为其环保的特点， 太阳能汽车被诸多国家所提倡，太阳能汽车产业的发展也日益 蓬勃。 太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱 动力，二是用作汽车辅助设备的能源。由于太阳能汽车不用燃 烧化石燃料，所以不会放出有害物质。在太阳能汽车上装有密 密麻麻像蜂窝一样的装置，它就是太阳能电池板。太阳能电池,59,板上整齐地排列着许多太阳能电池。这些太阳能电池在阳光的 照射下，电极之间产生电动势，然后通过连接两个电极的导线， 就会有电流输出。 太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是运行原理上都有 很大的不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速 箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成利用贴在车体 外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的 消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流 就可以解决。还有一种概念上的太阳能汽车，这种汽车在车体 上没有安装光伏电池板，而只是配置蓄电池，而电能全部来自 专门的太阳能发电装置。优点是外观与现有车辆类似，没有另 类的感觉，缺点是要经常到太阳能电站充电，当然续行能力也,60,受到限制。平常我们看到的人造卫星上的铁翅膀，也是一种供 卫星用电的太阳能电池板。 目前，主要有两种类型的光电池板（依据所用半导体材料 不同）：硅电池和砷化合物电池。环绕地球卫星使用的太阳电 池使用的是典型的砷化合物电池，而硅电池则更为普遍的为地 面基础设备所使用。一般等级的太阳能汽车通常使用硅电池板。 许多独立的硅片（接近1000个）被组合，形成太阳电池方阵 （太阳电池方阵是太阳能汽车的能源，方阵是由许多PV光电池 板组成。方阵类型受到太阳能汽车尺寸和部件费用等的制约）。 通常，硅太阳能电池能把1015的太阳能转变成电能。 它使用方便经久耐用又很干净，不污染环境，是比较理想的 一种电源。只是光电转换的比率小了一些。近年来，美国已研 制成光电转换率达35的高性能太阳能电池。,61,太阳能和其它能量混合驱动汽车：太阳能辐射强度较弱， 光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气的限制，使得完 全靠太阳能驱动的汽车的实用性受到极大的限制，不利于推广。 因此就出现了一种采用太阳能和其它能量混合驱动的汽车。复 合能源汽车外观与传统汽车相似，只是在车表面加装了部分太 阳能吸收装置，比如车顶电池板，用于给蓄电池充电或直接作 为动力源。这种汽车既有汽油发动机，又有电动机，汽油发动 Lucile（萤火虫）的概念车，它的颜色像萤火虫。这款车曾在 北京展览过，车顶上贴有近一平方米的转换效率较高的光伏板， 作用是辅助给12伏的电池充电，当12伏电池充满后，12伏电池 又会给主电池充电。电池充满电时，这辆概念车能行驶800公里。,62,（2）用于驱动风扇和汽车空调等系统 汽车在阳光下停泊，由于车内空气不流通，使得车体成了 收集太阳能的温室，造成车内温度升高，使车内释放大量的有 害物质，从而使车内空气品质变糟。若加装太阳能装置，比如 加装太阳能风扇等，则可以为车辆在停泊期间无能耗提供新风 并降温，保证车辆再次上路时有良好的空气品质。 太阳能汽车的优点： 太阳能电动车以光电代油，可节约有限的石油资源。白天， 太阳电池把光能转换为电能自动存储在动力电池中，在晚间还 可以利用低谷电（220V）充电；无污染，无噪音；太阳能电动车 的热量转换不受卡诺循环规律的限制，90的能量用于推动车,63,辆前进；易于驾驶，无需电子点火，只需踩踏加速踏板便可启 动，利用控制器使车速变化。不需换挡、踩离合器，简化了驾 驶的复杂性；太阳能电动车结构简单，除了定期更换蓄电池以 外，基本上不需日常保养，省去了传统汽车必须经常更换机油， 添加冷却水等定期保养的烦恼；太阳能电动车没有内燃机、离 合器、变速箱、传动轴、散热器、排气管等零部件，结构简单， 制造难度降低；太阳能汽车最具魅力的部分就是车身，光滑而 又具有异域风情的外观是吸引眼球的部分，由于没有统一的标 准而使得每一辆太阳能汽车各具特色。,64,65,4.8 生物燃料 4.8.1生物燃料概述 1.定义：生物燃料是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生 物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开 发利用的重要方向。 2.生物燃料的使用 巴西是世界上最大的生物燃料(乙醇)生产国。美国是世界 上第二大可再生燃料生产国。 3.生物柴油（biodiesel fuel） 生物柴油学名为植物酸甲脂。它是以油料作物、野生油料 植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等,66,为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油 燃料（它是以动植物油脂为原料，用甲醇或乙醇在催化剂作用 下经脂交换制成的柴油）。 生物柴油的特点： 1)含水率较高，最大可达30-45。水分有利于降低油的黏 度、提高稳定性，但降低了油的热值； 2)pH值低，故贮存装置最好是抗酸腐蚀的材料； 3)具有“老化”倾向，加热不宜超过80，宜避光、避免与 空气接触保存； 4)润滑性能好。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低， 使用寿命长。 5)优良的环保特性：硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放,67,低、生物柴油的生物降解性高达98，降解速率是普通柴油的 2倍，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染； 6）较好的低