第四章-车用替代燃料

第三章车用替代燃料。在石油资源减少和环境污染增加的双重影响下，开发和寻找低污染和廉价的替代燃料已成为当务之急。车辆替代燃料的双重标准主要包括：1)资源必须充足。2)价格应相对较低，以利于大规模推广。3)较大的能量密度和较高的热值可以使汽车在载重量较小时有足够的行驶里程。4)毒性低，环境污染小。5)安全性好，便于运输、储存和使用。6)对内燃机的可靠性没有不利影响。根据以上选择标准，具有广阔发展前景的替代燃料主要包括酒精燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等。石油、酒精燃料和甲醇的主要替代燃料可以从煤和天然气中提取，或者用成熟的技术从生物材料中生产。生产乙醇的原料是植物，例如，巴西用甘蔗生产乙醇。目前，使用的主要乙醇燃料是E85(85%乙醇和15%汽油)和E95。中国使用的主要乙醇燃料是E90(10%乙醇和90%汽油)。乙醇也被用作汽油添加剂，以提高抗爆性能。大约10%的乙醇或乙基叔丁基醚(ETBE)被添加到汽油中。比汽油少30%的烟雾。醇类燃料的特性1)高辛烷值汽油发动机燃料的抗爆性能是非常重要的性能之一。酒精燃料的辛烷值高于汽油。但是，值得注意的是，它们的灵敏度值非常大，在使用时应特别注意。灵敏度是通过研究方法测得的辛烷值和通过发动机方法测得的辛烷值之间的差值，即灵敏度=RON-MON。灵敏度反映了汽油机燃油的抗爆性能随着汽油机工况强度的增加(如转速的增加等)而降低的情况。)。对于汽油发动机，灵敏度越小越好。酒精燃料的敏感性高，表明其在低速时的防爆性能优于中高速。2)蒸发潜热是指单位质量的纯物质从液态到气态所吸收的热量，或在常压沸点下从气态到液态所释放的热量。酒精燃料的蒸发潜热会使形成的混合物浓度降低，从而使发动机难以起动。因此，燃烧酒精燃料的发动机需要配备进气预热系统。甲醇燃料的汽化潜热大，可降低排放气体的温度，从而提高充气效率。此外，汽化潜热大，这可以改善燃烧后发动机的内部冷却条件，从而改善发动机的动力性能。3)点火极限范围可燃混合物的点火极限是指混合物能够点燃的最低浓度和最高浓度之间的范围。浓度表示为空气中可燃气体的体积百分比。酒精燃料的点火极限比汽油宽得多，可以实现稀燃，有效降低发动机部分负荷时的能耗和排放污染。(4)一般低热值酒精替代燃料的热值低于石油燃料。然而，由于酒精的含氧量，混合燃料燃烧所需的理论空气量较少，燃料的有效输出功率不仅取决于燃料的热值，还与可燃混合物的热值有关。甲醇汽油在理论空燃比下形成的混合物的热值与相同条件下汽油燃料的热值基本相同。因此，只要提供适当质量的混合物，发动机功率的输出变化就不会受到影响。5)腐蚀性强的醇类燃料具有很强的化学活性，对铜、铝等金属有很强的腐蚀能力，对橡胶、塑料等非金属材料也有很大的溶胀作用。6)容易产生气体的阻隔酒精燃料具有低沸点，有助于形成燃料和空气的混合气体。然而，当温度高时，很容易在燃料供应系统中产生空气阻力，当温度严重时，燃料供应将被切断，发动机将失速发酵法，1)发酵法生产乙醇的原料，含糖作物和副产品，如甘蔗、甜菜和甜高粱；淀粉作物，如玉米、高粱、小麦、甘薯和马铃薯；纤维素原料，如木材、锯末和稻草。(我国废弃生物质资源量相当于每年2-4亿吨标准煤)目前，发酵生产乙醇的原料基本属于前两类。目前，应大力发展和完善以秸秆为原料的乙醇生产工艺。乙醇燃料的生产，生产工艺，淀粉或纤维素，糖，酒精，糖化酶，醇化酶，c6h12o6，2c2h5oh 2co2，醇化酶，60-72h，葡萄糖和酒精燃烧的应用。酒精燃料具有高辛烷值，是汽油发动机的良好替代燃料。然而，由于其可燃性差且十六烷值比柴油低得多，因此很难在柴油发动机中使用。汽油发动机使用酒精燃料有两种主要方式：酒精混合燃烧和纯酒精燃烧。1酒精掺烧是指将乙醇按不同比例掺入汽油中。用乙醇表示。(1)酒精混合汽油的优点(1)良好的抗爆性能。2)废气中的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳含量低。酒精燃料的高蒸发潜热使得由酒精混合汽油形成的混合气体的燃烧温度低，因此废气中的氮氧化物含量低。酒精燃料中含有氧气，其碳氢比小于汽油，因此酒精混合汽油形成的混合气体燃烧更完全，因此尾气中碳氢化合物和一氧化碳的含量相应较低。(3)价格低，(2)掺醇汽油的缺点，(1)醇类燃料与汽油的混溶性差。助溶剂必须在大比例范围内使用。2)掺醇汽油容易分层。3)掺醇汽油对发动机的金属、橡胶、塑料等材料有一定的腐蚀性。4)掺醇汽油低温启动性差，高温下容易产生气体阻力。纯酒精燃烧纯酒精燃烧是指甲醇或乙醇燃料的简单燃烧。从弥补石油资源短缺的角度来看，使用纯酒精燃料进行发动机燃烧比酒精混合燃烧更为实用，特别是低比例酒精混合燃烧。因此，人们对使用纯酒精燃料进行了许多研究。需要对发动机进行重大改造，包括：调整供油系统，增加油泵供油量，安装进气预热装置，提高零件的耐腐蚀性。乳化燃料汽车发动机不仅消耗石油燃料，而且还排放有害物质，污染环境。如果使用乳化燃料，不仅可以减少废气中的氮和氧化合物(NOx)等有害成分，减少烟尘和污染，还能有效降低燃料消耗。使用乳化燃料是节约能源和减少污染的好措施之一。乳化燃料是在乳化剂的作用下将燃料和水乳化，使乳化液稳定。乳化燃料节能减排原理(1)微爆炸理论：该理论认为乳化燃料含有油包水分子基团。在加热和蒸发乳化燃料形成可燃气体混合物的过程中，由于水的沸点低于油的沸点，油包水分子团中的水将先于油蒸发。汽化压力突破油膜阻力，导致油滴爆炸。爆炸的结果是使油滴变得更细，与空气混合得更均匀。乳化燃料的节能减排效果：乳化燃料与非乳化燃料的燃烧效果对比如图所示。不难看出，乳化燃料减少了火焰中的碳颗粒，提高了燃油的燃烧程度，改善了燃烧条件，提高了燃油在燃烧过程中的燃烧效率。图4-3乳化燃料和非乳化燃料燃烧效果的比较，(2)燃烧化学反应动力学理论：该理论认为水蒸气在高温条件下分解时会产生羟基。羟基具有很强的化学活性，能与燃烧过程中形成的中间产物或不完全燃烧产物反应具体反应过程如下：H2O 氢氧基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基-2-羟基油乳化法和超声波设备的超声波法简单，能耗少，乳化颗粒细小均匀，节油效果好。工艺流程见下图。2、机械搅拌机械搅拌法设备简单，如齿轮泵、高压动力泵、静态混合器等设备。然而，乳化燃料效果差、不稳定、能耗高。3.化学添加剂法化学添加剂法操作简单，成本高。图4-5机械混合法柴油乳化工艺流程、超声波乳化燃烧工艺流程、天然气及不同产地天然气成分，(1)天然气主要成分为甲烷。甲烷占大多数天然气的90%以上，有些高达95-98%。天然气中含有其他正构烷烃(甲烷除外)，约占总量的1%-13%。天然气还含有N2、二氧化碳等气体，约占1%-13%。气田或油田的地理位置和矿床的地质结构不同，导致天然气和石油的成分存在一定的差异。(2)天然气通常具有33-38MJ/m3的低热值。也有高达40-64MJ/m3。低热值和高含量的天然气通常含有大量的乙烷转化为戊烷，这是因为乙烷转化为戊烷的密度大于甲烷，因此低体积热值大大增加。低热值是指当烟气冷却至初始温度，水蒸汽以蒸汽形式排出时，单位气体释放的总热量。(3)天然气的密度为0.71-0.89千克/立方米，取决于来源。天然气甲烷含量高时，密度小；甲烷的含量不高(低于90%)，而己烷与戊烷的含量较高(在5%至13%之间)，因此密度较高。(4)天然气的理论空燃比一般为9.4-12.3。下限为甲烷含量较高的天然气，上限为甲烷含量较低的天然气。(5)天然气混合物的理论热值为3.22-3.42兆焦/立方米。此外，需要注意的是，夏季和冬季从同一井口提取的天然气成分会有所不同。天然气的特点是着火极限宽。(2)空气混合物的理论热值低。(3)火焰传播速度低。(4)高点火能量。(5)良好的抗爆燃性能。(6)低密度。(7)低排放污染。(8)便携性差。(9)使用天然气可以减少发动机的磨损。天然气燃料在燃烧室中引起较少的碳沉积，并且燃烧产物不包含液体燃料成分，因此对润滑油的损害很小。汽车中天然气的使用。现有的天然气形式包括压缩天然气和液化天然气、天然气车辆类型、液化天然气车辆、压缩天然气车辆、特殊压缩天然气车辆、特殊压缩天然气和汽油或柴油双燃料车辆，3。天然气汽车技术1)加气站技术：压缩天然气或液化天然气。汽车加油时，所需的加油设备比传统燃料如汽油和柴油更复杂。必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这就需要更高的技术水平。2)发动机技术：天然气燃料的性质不同于汽油和柴油。因此，天然气发动机的结构也不同于汽油发动机和柴油发动机。因此，应研究开发其燃料混合物、发动机燃烧室结构和点火系统的独特性。3)气瓶技术：由于汽车的流动性，燃料必须一直携带。如何保证天然气气瓶的储存压力和保温能力，尽可能降低其制造成本，都需要更高的技术水平。国外天然气汽车的发展天然气汽车在世界上已有70多年的历史。20世纪20年代末30年代初，意大利率先在常压下开发天然气汽车和天然气汽车，以解决汽油短缺问题。到了20世纪80年代，天然气汽车由于日益恶化而获得了快速发展从下面的表2，我们可以看到天然气汽车在世界上一些国家的发展。汽车天然气发动机技术的发展过程大致经历了三个阶段：第一阶段是20世纪60年代以前。现阶段，天然气汽车已在前苏联和意大利等少数国家和地区得到发展。主要目的是用天然气代替石油，节约能源。这一时期的技术研究主要是解决车辆的行驶性能，如起动性能、运行可靠性等。并努力缩小与液体燃料发动机的性能差距，尤其是功率差距。这时，一种用于化油器车辆的混合天然气发动机装置被开发出来了。第二阶段是从20世纪60年代到90年代初。这个阶段的主要目的是解决汽车尾气污染问题。由于天然气汽车比汽车和柴油汽车排放的污染少，许多国家正在大力推广天然气汽车。从技术上讲，这主要是为了进一步减少有害排放。先后开发了用于开环控制供气的化油器式车辆和用于开环控制的电子燃油喷射供气装置，开发了比第一代更先进的更环保的天然气车辆。第三阶段是20世纪90年代以后。由于汽油机技术的提高，排放污染也大大降低，天然气汽车的优势不明显，从而推动天然气汽车行业改造发动机，发展更先进的闭环电子控制、电子数字控制、单点多点喷射、高压直喷供气系统。特别是自1995年以来，理论空燃比反馈控制稀燃技术在车用天然气发动机中得到了应用，极大地提高了车用天然气发动机的效率、经济性、排放和功率，使车用天然气发动机技术实现了质的飞跃。1991年至2008年，世界各地区天然气汽车数量超过950万辆，近年来天然气汽车年均增长率超过30%。有12，000多个天然气站。阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利拥有世界前六大天然气汽车。值得注意的是，近年来亚太地区的天然气汽车发展迅速，从2000年到2007年平均每年增长50%，巴基斯坦、印度和伊朗的天然气汽车数量分别达到165万辆、82万辆和73万辆。1999年，中国启动了“空气净化项目清洁汽车行动”。在原国家科委的领导下，与13个部委(包括原国家计委、国家环保总局和建设部)联合成立了国家清洁汽车行动协调领导小组。随后，北京、上海、重庆和四川等12个示范城市和地区相继启动，2005年示范城市和地区的数量增加到19个。2006年，国家再次启动“节能和新能源汽车”高科技计划，继续大力推进天然气汽车的发展。中国的天然气汽车已经进入快速发展时期。截至2007年底，30个省、市、自治区的80多个城市推广了天然气汽车。其中，16个重点推广城市(地区)共开发天然气汽车26.5万辆，比2006年增加近8万辆。完成了555个天然气加油站，比2006年增加了75个。中国的天然气汽车和加油站主要位于气源地区附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、Xi和兰州。天然气的便捷供应和低廉的天然气价格(仅为油价的40% 50%)是天然气汽车快速发展的主要驱动力。下表显示了中国部分城市的压缩天然气汽车和加油站的统计数据。一、液化石油气，一、液化石油气的组成和特性(LPGLiquefiedPetroleumGas)，液化石油气的组成和理化特性，二、液化石油气的特性(1)抗爆性能高，辛烷值高，在100左右。(2)排放污染小，因为在常温常压下为气态。(3)火焰传播速度慢。(4)点火温度高，点火温度高，火焰传播速度比汽油低。(5)理论热值(2)车用液化石油气技术要求、车用液化石油气技术要求、沼气(1)沼气生产及特点沼气是通过厌氧(缺氧)发酵后分解有机物而产生的。甲烷(CH4)占其成分的60%-70%，CO2占其成分的20%-35%。沼气是一种生物质能和可再生能