汽车新能源与节能技术讲稿_图文

1、汽车新能源与节能技术主讲:王会明目录第一章:绪论第二章:新能源汽车第三章:发动机节能技术第四章:汽车底盘节能技术第五章:汽车车身节能技术第六章:汽车燃油、润滑油的选用与节能第七章:汽车运用节能第一章 绪论第一节:能源的概念与分类第二节:能源与环保压力第三节:影响汽车能耗的主要因素和节能的主要途径 本章学习重点1、掌握汽车节能有关的基本概念2、掌握汽车节能评价指标3、掌握影响汽车能耗的主要因素和节能的基本途径。第一节 能源的概念与分类一、能源的概念与特点能源:是指人类取得能量的来源,是直接或通过转换提供人类所需的有用的能资源。人类 的一切活动都需要能源。1、能量的来源: 太阳的辐射能(5.3&#

2、215;1015MJ/年通过大气的吸收转为风能、水能、波浪能、海流 能; 植物通过光合作用转为生物质能; 动植物在特殊地质条件下经亿万年转为石油、煤炭、天然气等化石能源; 地球心部的热核反应地热能; 太阳系星星运行产生的朝夕能。 上述一切能源为初始能源。2、能源具有的特点: 能源形式在一定条件下可以互相转换。 能源在开采、提炼或加工、使用以及废料处理过程中存在不同程度的污染。 化石燃料能源如汽油、柴油、天然气等在储存过程中存在泄漏和危险等问题。 有些能源(电能不能储存。二、能源的分类1、按能源的来源:分为太阳能、地球自身能和天体引力能。2、按在自然界中的存在方式:分为一次能源(天然的未加工的能

3、源,如:煤、石油、天然 气、原子核 、二次能源(将一次能源加工后的能源,如:焦炭、汽油、电 。3、按被利用的程度:分为被大规模使用的常规能源、正在积极研究开发、推广的新能源。 4、按能否自动再生:分为再生能源、非再生能源。 5、按对环境的影响:分为清洁型能源,非清洁型能源。 三、能源的单位与度量 能源的单位:焦 (J、千瓦小时 (kW. h 。 因能源的种类很多,为便于统计、分析 和比较, 规定以煤当量 (1kg标准煤 =29.3MJ作为能源的统一度量单位 (有些国家使用油 当量作为能源的度量单位 。即按煤(油 的热当量值计算各种能源量的统一计量单 位, 1kg 标准煤的热当量值 =0.7kg

4、标准油的 热当量值。第二节:能源与环保压力 一、能源压力 2008年中国石油总储量 21.9亿吨, 年开采量 1.9 亿吨。按照 2008年的开采量, 2020年中国就“滴油不剩”了。 2008年中国石油消费量为 3.9亿吨,自产石油 1.9亿吨,进口石油 2亿吨。中国进口原油中 50.1%来自中东, 30.2%来 自非洲, 9.7%来自俄罗斯和哈 萨克斯坦, 7.1%来自南美, 2.9%来自东南亚和澳大利亚。 中国进口石油 80%路过印度 洋,中国要看印度脸色。 二、环保压力据 研 究 , 目 前 大 气 中 21.7%的 HC 、 38.5%的 CO 、 87.6%的 NOx 、 11.7

5、%的 CO2、 6.2%的 SO2和 32%的微粒来 自汽车,而在城市大气中,这一比例更高,大概 87%的 HC 、 61%的 CO 和 55%的 NOx 来自于汽车。机动车尾气排放分担率 (2005年 CO HC NOX当前面对的问题?1、化石燃料在不久的将来会使用殆尽!2、全球的大气污染、变暖正在给人类的生存造成日益严重的威胁!3、人类的出路在哪里?我们该为地球母亲做些什么?4、从我做起,研究、使用清洁环保的可再生能源,节能减排,降低大气污染,阻止气候变 暖,为了一个生机勃勃的地球而努力!第二章:新能源汽车第一节:天然气汽车第二节:液化石油气汽车第三节:醇类燃料汽车第三节:氢气汽车第四节:

6、电动汽车本章学习重点:1、掌握有关替代能源汽车的基本概念2、掌握替代能源汽车结构的特征和基本工作原理3、明确替代能源汽车合理运用的特殊事项4、掌握替代能源汽车评价的基本知识新 能源的类型与特点 第一节 天然气汽车一、天然气汽车概述天然气汽车主要成份是甲烷 。其 体积和质量低热值比汽、柴油高,因密度 低,混合气的热值比汽、柴油低。天然气 的抗爆性强,可提高压缩比提高汽车的动 力性和经济性。天然气混合气的着火界限 宽阔,可采用稀燃技术提高发动机的积极 性和排放性。为确保压缩天然气的使用安全,压缩 天然气有特殊气味,加入适量臭味剂,保 证天然气在空气中的浓度达到爆炸下限 的 20%前被察觉。天然气汽

7、车作为一种清洁汽车,由 于低排放、安全可靠、技术成熟、有良好 的经济效益和环境效益而被广泛应用于 世界 40多个国家和地区。 二、天然气汽车的类型(一 按储存天然气的压力和形态分:1、压缩天然气汽车 (CNGV:天然气以 20MPa 高压气态储存于气瓶内,工作时经降压、计 量和混合后进入汽缸,或直接喷入汽缸及进气管。2、常压天然气汽车 (NNGV:以常压气态储存天然气,因携带不便及不安全,该储存方式 已被淘汰。3、液化天然气汽车 (LNGV:以液态储存天然气,工作时经升温、计量和混合后进人汽缸, 或直接喷入汽缸及进气管。天然气液化后的体积仅为标准状况下体积的 1/625,储带方便, 应用潜力较

8、大。4、吸附天然气汽车 (ANGV:天然气以吸附方式 (3.56MPa 储存于储气瓶内,工作时经降 压、计量和混合后进入汽缸,或直接喷入汽缸及进气管 。(二 按燃料的组成与应用分:1.单燃料 (CNG汽车:发动机的燃料供给系统和燃烧系统专为燃用天然气而设计, 充分利用天然气的性质 特点,保证燃料的有效利用,使天然气汽车的性能达到最优。2. CNG 一汽油两用燃料汽车 :可在两种燃料中进行转换使用, 设有两套燃料供给系统, 无论是使用 CNG 或汽油, 发动机都能正常工作,利用选择开关实现燃料的转换,两种燃料不允许同时混合使用。 3. CNG 一柴油双燃料汽车发动机工作于双燃料状态,用压燃的少量

9、柴油引燃 CNG 与空气的混合气。系统有 同时供给汽车两种燃料的系统。由于在高负荷时柴油消耗量较大,这种方式的 CNG 汽 车的推广受到了限制。(三 按燃料供给的控制方式分:1、机械控制式天然气汽车;2、机电联合控制式天然气汽车;3、电控式天然气汽车(开环和闭环 。目前各国天然气加气站没有形成网络,所以,压缩天然气汽车大部分是在汽油机或柴 油机的基础上改造的两用燃料汽车。广泛使用的是 CNG 一汽油两用燃料汽车。三、压缩天然气 (CNG汽车(一压缩天然气 (CNG汽车的供气系统组成:储气瓶、电磁阀、减压阀、空滤器、混合气等组成。工作:储气瓶 电磁阀 减压阀(减压后 混合器 进气管 汽缸。双燃料

10、发动机由调速器根据负荷的变化控制减压阀,并保持 10%的柴油喷射量作为 因燃油。1、减压阀(减压调节器组成:减压调节器由三级减压阀、高压电磁阀、怠速电磁阀等组成。 高压电磁阀为常闭式, 用以控制供、断天然气。工作:高压天然气经滤清器进入高压电磁阀,电磁线圈未通电时,铁芯在回位弹簧的作用下,使阀体下移密封气道。当电磁阀通电时,电磁铁的吸力将阀提起,打开主通道,进入一级减压阀。一级 减压阀未 通入高压气体时,在弹簧作用下使膜片下移,带动杠杆转动,使阀芯与阀口保持 0.5-1mm 间隙,阀口处于常开状态。当 通入高压气体时, 减压室的压力逐步增高, 达到额定输出压力时, 气体作用下膜片克服弹簧 的弹

11、力上移, 带动杠杆转动使阀口关闭。 当减压室气体向二级阀输出后压力下降, 弹簧的作 用又使阀口打开,如此反复,使一级减压阀出口压力稳定在 0.350.4Mpa 内。二级减压阀口处于常开状态,高压气经一级减压后进入二级减压室,使二级减压室的压 力升高, 达到额定输出压力时, 气体作用在膜片上方的压力克服弹簧的弹力, 使膜片向下动 作带动杠杆转动, 使二级减压阀阀口关闭。 当减压室气体向三级阀输出后压力下降, 在弹簧 的作用下又使阀口打开,如此反复,使出口压力稳定在 0.150.19MPa 内。三级减压阀口处于常闭状态,阀的开闭由发动机进气真空度控制。当阀室内真空度为零 时,在压力弹簧的作用下,阀

12、口处于关闭状态。当阀室处于负压时,由于膜片下方与大气相 通,在压力差下膜片向上运动, 带动杠杆克服弹簧压力, 使阀口打开供气。 当减压室负压减 小时, 在压力弹簧作用下,阀口又处于关闭状态, 如此反复, 就使减压阀出口压力稳定在一 个额定范围内。 经三级减压后的天然气流量随发动机工况变化而变化,由发动机进气真空度调节,发动 机转速高、吸力大时,减压器各阀开度变大,输出流量增大、反之则减少。以满足发动机各 种工况的供气量。发动机不运转时,三级减压阀关闭。发动机起动和怠速时,真空度较小,无法打开三级 减压阀。怠速电磁阀为常闭式,与怠速供气管道连接。在电磁线圈未通电时,在弹簧作用下电磁 铁芯下移将阀

13、孔关闭; 电磁阀通电时, 阀芯的电磁吸力克服弹簧压力使阀上移, 座孔打开并 通气。此时,天然气由二级减压腔经怠速供气管流入减压阀低压出气管,以满足汽车起动、 怠速用气所需。2、 混合器混合器为文丘里管结构。文丘里管安装在空气滤清器与化油器之间。该混合器由壳体和 芯子两部分组成,芯子喉径最小处均匀分布一圈小孔,壳体上有天然气进气道。混合器一方面要使喉管处产生真空度来调节减压阀的天然气流量,另一方面将天然气与 空气均匀混合。混合器喉径过大,真空度小,不灵敏;过小,吸入空气量少,影响空燃比,发动机功率 下降。通气小孔总截面积应与天然气进气道截面积相匹配。3、比例调节混合器减压阀输出压力为负值时, 使

14、用文丘里管混合器; 若输出压力大于零则使用比例调节混 合器,发动机熄火后天然气通道由比例调节混合器封闭。工作原理:当发动机起动时,进气歧管产生真空,混合器气室 B 的空气经管道 E 进入化油器进 气管;气室 B 产生真空,而气室 A 与大气相通,膜片在大气压力下克服弹簧弹力上行,打 开天然气进气管和混合器空气阀座, 天然气和空气通过混合器进入发动机。 混合器膜片根据 化油器进气管的真空度变化上下运动, 使天然气进气管开度随之变化, 从而向发动机提供不 同数量的天然气,与空气形成合理的空燃比混合气。(二压缩天然气 -汽油两用燃料汽车CNG-汽油双燃料汽车, 是将原来的燃料供给系统保留不变, 增加

15、一套 压缩天然气装置 。 天然气储气系统:充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、 高压管线、高压接头、压力传感器及气量显示器等。天然气供给系统:天然气滤清器、天然气高压电磁阀、 减压调节阀、 混合器等 。油气燃料转换系统:油气燃料转换开关、天然气电磁阀、汽油电磁阀等 。(三 电控喷射天然气汽车1、电控喷气形式缸外供气方式 :包括进气道混合器混合供气和缸外进气门处喷射供气 。缸外进气门处喷射比进气道混合器供气方式先进。气体喷射器布置在各缸进气道进气 门处,采用多点喷射,可实现每一缸的定时定量供气 。缸内供气方:缸内喷射是指将气体燃料直接喷到汽缸内,喷气阀装在汽缸盖上。包括缸内高压喷射供气和低压喷射供

16、气。 低压喷射用在压缩比较低的点燃式气体燃料 发动机上;高压喷射用在压缩比较高和压缩终点喷射的气体燃料发动机上。2、电控喷气系统的组成及工作原理电控喷气系统:空气供给系统:空气滤清器、进气管等 。燃气供给系统:储气瓶、燃气过滤器、调压器、喷气阀和输气管等。控制系统:传感器、电控单元和执行元件等 。工作:空气空气滤清器进气管节气门进气门汽缸。燃气 储气瓶燃气过滤器减压阀喷气阀汽缸。电控单元发动机工况 各传感器的信息(分析、处理、计算最佳供气量喷气阀 控制指令。HSV 型电控气体喷气阀:组成:由进气管接头、阀座、球阀、推杆、衔铁、线圈、壳体等组成。工作:当电磁线圈 8断电时,球阀 4在进气口和出气

17、口处气体压差的作用下向右运动,打 开 CNG 通道供气。当电磁线圈 8通电时,电磁吸力使衔铁 10经推杆 7推动球阀 4左移, 关闭燃气道,停止供气。点火后燃烧高压使球阀密封更严,防止了缸内高压燃气的倒流。DDEC 天然气 柴油喷射器:组成:电磁阀、凸轮、柱塞、柱塞弹簧、柴油针阀、气体针阀、针阀弹簧、壳体等组成。 工作:喷射器的喷射时刻和持续时间是由电磁阀和燃油压力控制相结合完成的。燃油压力 由凸轮轴推动柱塞而形成。当柱塞向上行时,电磁阀断电,阀门打开,柴油 充入柱塞腔内。 当控制单元发出喷射信号时, 电磁阀关闭,凸轮轴向下推动柱塞压缩柴油产生高压。 当柴油压力达到喷射压力时,柴油针阀开启向缸

18、内喷射柴油。而后随着气体压力的提高,气体针阀克服弹簧压力开启,向缸内喷射气体燃料。气体喷射时将阻止柴油喷射,实现减少引燃柴油喷射量的目的。气体喷射压力为 1216MPa。气体燃料的喷射始点由气体针阀的弹簧强度确定;气体燃料喷射的持续时间由电磁阀电控实现。喷射器压力变化曲线如图:可见,柴油和气体燃料的喷射是相继进行的,已达到柴油喷射引燃天然气的目的。四、天然气汽车性能评价(一较低的污染排放 1、与空气混合充分、燃烧彻底,可大幅度降低 CO 和 HC 的排放量;2、天然气火焰温度低,也会使 NOx排放量减少;3、天然气以甲烷为主要成分,碳氢原子比最小,产生同等热量时, CO2生成量比汽油、柴油降低

19、 15%以上 。4、 天然气汽车的燃料系统是密封的,不存在蒸发污染和形成光化学烟雾的危险。5、 化油器式汽车改装的天然气汽车的排放性优于电喷车改装的天然气汽车, 是因控制系统 的不匹配造成。 (二良好的运行经济性1、由 可知:压缩比高,热效率就高。 天然气的辛烷值为 130,燃用 天然气比燃用汽油时,许用压缩比可高 24个单位。提高热效率,提高经济性。2、天然气与空气的混合气形成质量比汽油与空气的好,不存在汽油的气化速度与温度和管 壁油膜的关系,混合均匀和分配均匀有利于提高燃烧的完全性。3、燃烧 1m3天然气所做功大于燃烧 1L 汽油所做功,且 1L 汽油的价格高于 1m3(3元天 然气的价格

20、,运行经济性好。(三可靠的安全保障1、从燃点看,天然气的自燃温度 650680,汽油的 228471,柴油的 200300 。2、从着火界限看,天然气的浓度着火界限范围为 515%,汽油为 1.37.6%,天然气比空 气轻,要形成天然气点燃的浓度比汽油难得多 。3、在制造要求和质量保证上, CNG 气瓶比汽车油箱严格得多。 天然气汽车缺点:1、续驶里程短 ; 2、动力性变差第二节 液化石油气汽车一、液化石油气概述1、液化石油气来自油田和炼油厂。2、 LPG 与汽、柴油相比,具有燃烧完全、积炭少、排放污染物低、怠速及过渡工况运行稳 定性好,但动力性降低。3、 液化石油气主要成分是丙烷 C3H8,

21、 还含有少量的丁烷 C4H10、 丙烯 C3H6和丁烯 C4H8。4、液化石油气的特点与天然气相似,天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油,但理 论混合气热值要比汽油低,液化石油气介于天然气和汽油之间。5、液化石油气的辛烷值在 100110范围内。天然气和液化石油气比汽油着火温度高,火焰 传播速度慢,需要较高的点火能量。6、液化石油气汽车有三种,纯液化石油气(单燃料汽车、 LPG-汽油双燃料汽车、 LPG-柴油双燃料汽车。1i 11-= 二、液化石油气汽车的结构与工作原理(一 单燃料(LPG 汽车组成:储气瓶、空滤器、电磁阀、蒸发调压器、混合器等组成。工作:气体 储气瓶 过滤器 电磁阀 蒸发

22、器蒸发为气体, 气体与来自空滤器的空气在混 合器中混合,由进气管进入汽缸。1、 蒸发调压器多数 LPG 蒸发调压器是集预热、蒸发、减压、 调压功能于一体,LPG 被发动机冷却水加热后蒸发气化,再经减压 (接近大气压 供发动机使用。(1 、一级减压室储气瓶的 LPG 从进口 8流入蒸发调压器高压腔,在压力下打开一级阀门 1进入一级减压室 6,被蒸发成气体,压力被减小到 0.140.25MPa 。 随着 6中的气压升高推动膜片 3上移,带动固定在膜片 3上的挂钩将杠杆 2向上拉起, 关闭阀门 1,阻断 LPG 的进入。随着 6中的 LPG 陆续进入二级减压室 17,一级减压室 6中的气压降低。当压

23、力降至某 一值时,弹簧 4使膜片 3下移,压动杠杆 2打开一级阀门 1, LPG 又进入一级减压室 6。 (2 、二级减压室来自一级减压室 6的石油气经二级阀门 25进入二级减压室 17时压力进一步降低 (至大 气压 ,之后经由 LPG 燃料出口输往混合器。(3 、不同工况下混合气浓度的实现怠速系统 :问题提出:在怠速工况下,废气系数大、燃烧恶化。为保证怠速的稳定,必须提供较浓的混 合气。解决方案:利用真空管 13将节气门后的真空引入真空气室 15,使真空膜片压缩弹簧 16并 带动杠杆使二级阀门 25开度增大,进入二级减压室 17的 LPG 便增多,增大怠速工况的燃 气。发动机停机时,混合器喉

24、口处及节气门后的真空度消失,二级阀门 25在真空膜片弹簧 16的作用下关闭,停止向混合器供气,起停机断气的安全作用。主供气系统组成:由混合器、二级减压室和真空室组件等组成。工作:随着节气门开度及转速增大, 喉口处真空度增大 主通道传 二级减压室膜片上 移 二级阀门 25的开度增大,增大供气量以满足发动机的需要。起动系统:问题提出:起动时转速低, 混合器喉口处的气流速度及真空度很低, 二级阀门 25的开度小, 燃气出量少,缸内混合气过稀,难以着火使启动困难。解决方案:起动时电磁阀 26通电,打开旁通气道。 LPG 由一级减压室 6中 起动加浓量 孔 27 二级减压室 17, 增大供气量,使发动机

25、顺利起动。 随着转速的升高,喉管的真空 度增加,二级减压室 17的阀门 25开度增大,当运转稳定时起动电磁阀 26关闭,旁通气道 被截断。(二 、 LPG 一汽油双燃料汽车该燃料汽车增加了一套 LPG 燃料供给系统。燃料系组成:储气瓶 1、蒸发调节器 10、混合器 15、电磁阀 8和控制系统等。工作原理:当用 LPG 作燃料时,将选择开关 3板到 气 的位置, LPG 电磁阀 8打开,汽油 电磁阀 16关闭。 LPG 由气瓶管路 6滤清器 7 电滋阀 8 蒸发调节器 10(蒸发、降 压、成气态混合器 15发动机。当将开关 3板到 油 的位置,则 LPG 电磁阀 8关闭,汽油电磁阀 16打开,为

26、汽油发 动机。(三 、 LPG 一柴油双燃料汽车该车两套燃料供给装置, 即 LPG 供给系和柴油供给系。两种燃料通过电磁阀转换。 LPG 供给系统组成:由液化气瓶 12、蒸发器 8、减压器 7、 调压阀 15、混合器 18和节气 门等组成。 工作:LPG 和 CNG 柴油双燃料发动机相同, 用柴油起动。待水温度达到正常后,气瓶阀 门打开,瓶内气体蒸发器(冷却水热量 减压阀 调压阀混合器。利用发动机 不同工况下混合器真空度不同, 自动调节流 入混合器的液化气量,与空气均匀混合。 三、液化石油气汽车的性能评价 (一 LPG 汽车的动力性 由图 16可见:燃用 LPG 动力性有所下降。 是因 LPG

27、 混合气的热值较低。由图 17可见:燃用 LPG 时的最大功率低, 但在稀混合气区,燃用 LPG 的功率却比燃用 汽油高 9%, 表明在稀混合区 LPG 的动力性优 于汽油。(二 LPG 汽车的燃料经济性1、 LPG 与汽油相比,其辛烷值高,发动机运行更平稳,起动加速稍比汽油差。2、 LPG 混合气形成质量高、燃烧完全,在整个负荷范围的经济性比汽油好,燃烧 1kg 液化 石油气,相当于燃烧 1.2kg 汽油。 3、 LPG 的油耗在整个混合气浓度范围都低于汽 油,尤其在稀混合气区低的更多; LPG 的稀限从 汽油的 a=1.3拓宽到 a=1.5; LPG 的最低油耗点从 汽油的 a=1.15扩

28、展到了 a=1.25;4、 LPG 的油耗曲线变化平坦, 在广阔的混合气浓 度范围内有良好的燃料经济性,对混合气浓度变 化适应性强。 (三 LPG 汽车的排放由于 LPG 与空气混合气的形成质量优于汽油,燃烧较为完全,在 90 120km /h , LPG 汽车 CO 排放减少 80%, HC 减少 30%,但 NOx 稍有增加。 第三节 醇类燃料汽车 一、醇类燃料汽车概述醇类燃料主要指指甲醇和乙醇 。可直接作为发动机的燃料 , 也可和汽、柴油按一定 的比例混合。以甲醇为燃料的汽车称为甲醇汽车,以乙醇为燃料的汽车称为乙醇汽车。醇类燃料来源:甲醇可从煤炭、天然气、煤层气,生物资源、垃圾等物资中制

29、取;略带臭味,与水无 限互溶,含 o250%,排气清洁。乙醇可从含糖、含淀粉的农作物秸秆、粮食中制取。与水无限互溶,含 o234.7 %,排气 清洁。甲醇和乙醇属有机化合物,是无色透明、易挥发的可燃液体。与汽油相比,热值低、 汽化潜热大、抗暴性好、含氧量高;醇类燃料吸水性强、化学活性高、易早燃等。醇类燃料的主要特点1、辛烷值比汽油高:甲醇的辛烷值为 106 112, 汽油最高为 97, 可采用高压缩比来提高热效率。 但是醇类 燃料的抗爆性敏感度大,中、高速时的抗爆性不如低速时好。普通汽油与 15%-20%的甲醇 混合,辛烷值可以达到优质汽油的水平。2、汽化潜热大: 按质量计算,甲醇的汽化潜热为

30、汽油的 3.52倍,乙醇为汽油的 3倍。高汽化潜热使 醇类燃料的低温起动和低温运行性差。 甲醇在 5以下, 乙醇在 20以下难以形成可燃混合 气, 若不装进气预热系统汽车难以起动。 但在汽油中混合低比例的醇, 利用汽化潜热大的特 点可提高发动机热效率和冷却发动机。3、热值低:甲醇的热值为汽油的 48%, 乙醇的热值为汽油的 64%。 燃用醇类燃料的经济性低, 但 理论混合气热值与汽油相当,对汽车的动力性影响不很大。4、腐蚀性大:醇的化学活性较强,能腐蚀锌、铝等金属。醇与汽油的混合燃料对橡胶、塑料的溶胀 作用比单独的醇或汽油都强,混合 20%醇时对橡胶的溶胀最大。5、醇混合燃料容易发生分层:醇的

31、吸水性强,混合燃料吸水后易分离为两相,因此,醇混合燃料要加助溶剂。 二、醇类燃料在发动机上的燃用方式1、掺烧:掺烧是主要应用方式。可改进内燃机结构及设计良好的掺烧及控制装置。甲醇或 乙醇与汽油的容积比例分别以 MX 或 EX 表示 。如甲醇占 10%、 20%,即以 M10、 M20表示,纯甲醇燃料用 M100表示;乙醇占 10%、 20%,即以 E10、 E20表示,纯乙醇燃料用 El00表示。2、纯烧:纯烧时对发动机的改进:1混合器的构造必须与醇的低热值及较少的空气需要量相适应,即:加大醇的供给减少空 气的供给。2加大输油泵的供油能力,以避免气阻。3采用高压缩比以充分利用醇高辛烷值的特性。

32、4压缩比提高后,宜采用冷型火花塞。5加装起动预热装置,解决冷起动不利的因素。6加大燃料箱,以保证必要续驶里程。7改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性等。3、甲醇改质甲醇改质是利用发动机排气的余热将甲醇改成为 H2和 CO 后输往发动机。甲醇蒸发及气体甲醇改质都需吸收热量,故甲醇改质后热值为液态甲醇的 1.2倍。改质 的热量有排气余热获得。改质气的成分为:含氢 66.7%(mol,含 CO33.3%(mol。其余为少量的甲烷和甲醛等。 甲醇改质用催化剂采用钯, 改质气的成分和数量取决于催化剂的温度。 催化剂的温度越 高,转换率越大, H2和 CO 生成量增多。当催化剂温度大于 300后,大多数甲醇参

33、与改 质, H2和 CO 基本上保持不变。甲醇改质气的特点:1、甲醇改质气的的低热值比甲醇高,但混合 气热值比甲醇略低。2、火焰传播速度远远大于汽油,有利于热效率的提高。3、着火界限很宽,易实施稀混合气燃烧,提高热效率。4、辛烷值高,许用压缩比高。5、甲醇改质气排气中的 HC 和 CO 增加。6、 甲醇改质气有效地回收了一部分排气热量,有利于热效率的提高。甲醇改质装置甲醇改质装置是一个可将甲醇汽化并分解为可燃气的装置, 常用发动机排气加热, 又称为排气余热改质器。安装在排气管附近。排气余热改质器是个多管式散热器,其中少数管道用作使甲醇汽化的蒸发管, 多数管道用作使甲醇蒸气发生分解的改质管。 改

34、质管中有促进甲醇分解的催化剂。甲醇改质的流程甲醇先经热交换器预热, 之后进入排气余热改质器的蒸发管,受热变成气态,然后流入改质管, 温度进一 步升高并在催化剂作用下,分解为 H2和 CO ,再经热交换器冷却后进入发动机进气管。 由于发动机的排气温度随工况而变化, 使得甲醇改质气的成分也随发动机的排气温度而变化,因此工况不同,所提供的甲醇改质气的成分不同。4、变性燃料乙醇乙醇脱水后再添加变性剂而生成的以乙醇为主 >92.1%(V/V 的燃料。汽车燃用醇类燃料时应注意的问题:1、醇是溶剂,使用初期,燃油系统零部件、油管壁上的沉积物会剥落, 导致滤清器堵塞,金属将被腐蚀。应进行长时间橡胶浸泡试

35、验及耐腐蚀试验。2、 长期使用醇 -汽油混合燃料, 润滑油酸值和粘度将会增加,发动机进气系统部件中易产生油污, 导致拉缸。 应在润滑油中添加清洁剂及中和酸性物质的添加剂。3、使用掺醇汽油后,汽车油耗和发动机动力有所下降。可适当提高压缩比和加大点火提前 角。对电喷发动机进行匹配,延长喷油时间。4、醇的气化潜热比汽油高,在寒冷季节会使混合燃料难以气化,不易起动。5、容易分层,使汽油和醇互溶性变差,影响燃油的品质。三、发动机燃用醇类燃料的参数选择(一 汽油机使用醇类燃料时的参数选择甲醇辛烷值高,抗爆燃性好;容积油耗量比汽油大;汽化潜热及着火温度高。乙醇的 性质介于甲醇与汽油之间。1、提高压缩比:利用

36、辛烷值高、抗爆燃性好的特点,汽油机可将压缩比提高到 1214, 大于 12, 热效率的提高不明显。提高 要与燃烧室的形状、 缸内气流运动方向及强度、 火花塞位置相配合, 以实现最 佳的燃烧过程。提高 ,组织较强的气流运动,会使激冷层面减少和激冷层变薄。在提高 、改动 燃烧室形状及尺寸时,应注意醇燃料早燃及爆燃的可能。2、改善燃油分配均匀性及供油特性:因功率相等时甲醇的容积耗量比汽油大一倍多, 因此要加大化油器的量孔, 现代汽车 采用喷油器, 改用甲醇或乙醇时, 要考虑其流量特性是否满足要求及材料的相容性, 重新确 定混合气的空燃比。由于醇的汽化热高, 每循环供应量大, 工作时很难完全汽化, 用

37、化油器供醇或单点喷 射醇, 各缸间分配不均匀导致功率下降及油耗增加。 采用混合气预热, 可改善混合气的形成 及均匀分配。 甲醇混合气的预热可以提高中、低负荷时的燃油经济性,降低排放,但预热过渡则会 使最大功率下降。3、混合气空燃比的调整:醇燃料混合气的可燃界限范围宽, 汽油机改用醇燃料后会提高压缩比, 使缸内气流速 度及压终温度提高, 可使用稀混合气。 若不用三元催化器、 不要求在理论空燃比附近工作时, 可使用更稀的混合气,提高热效率。4、火花塞及点火时间的选择 :甲醇易表面着火,使用火花塞温度应低于汽油机的火花塞温度,要采用冷型火花塞。 醇燃料的汽化潜热大,蒸气压低,各缸混合气不均匀,发动机

38、低温下难以稳定着火。 其改善措施是增加点火能量、延长点火时间、采用多电极火花塞等。(二柴油机使用醇类燃料时的参数选择1、压缩比的选择:柴油机压缩比为 16-20。较高的压缩比有利于醇类燃料的气化、混合气的形成及稳定 的着火,然而压缩比过高也会使醇类燃料早燃或爆燃。2、电热塞与火花塞:柴油机改用醇燃料后,需要采用火花塞或电热塞助燃。火花塞助燃,喷油器将燃油喷 射在活塞顶中央的圆盘上; 电热塞助燃, 燃油喷射在固定缸盖中心部位的圆盘上。 压缩比分 别为 16.4及 16.5,采用针阀式单孔喷油嘴,喷启压力为 7MPa 。火花塞的布置:柴油机压缩末期燃烧室内产生较强的涡流。 燃醇柴油机的火花塞与汽油

39、机不同, 采用长 电极冷型火花塞,或多极火花塞。火花塞的布置应能接触到较多的混合气, 且不会被气流吹灭。 直喷燃烧室火花塞布置在 喷油嘴附近或喷油嘴的对面。95系列柴油机火花塞或电热塞布置在水平位置上。采用长型火花塞或电热塞,使电极 或电热塞的炽热体达到 B 或 C 位置,并采用无触点晶体管点火装置,增加喷油提前角。如 果火花塞处于 A 或 D 位置,则会因气流或激冷层的影响以及混合气过稀而不易着火。 (三 醇类燃料汽车的供给系汽车改用醇燃料时,汽油机可用化油器使醇与空气形成混合气,电控喷油器向气道或汽 缸内喷入醇燃料, 其流量既要满足全负荷时醇燃料供应量的要求, 又要满足用汽油时小流量 要求

40、。柴油机使用醇燃料时仍用原高压油泵及喷油器向缸内供给醇燃料。但须进行供油提前 角及点火时间的调整。因甲醇的热值低.等功率下循环供油量比柴油大 1倍。需加大柱塞直径,增大供油提 前角,改变喷射速率,否则循环供油量大,喷油结束迟,会增大补烧期。在汽车热启动时,因气阻使起动困难,于是有些醇燃料喷油器不是从顶部进油,而是从侧面进油。四、醇类燃料在汽车上的应用(一 、甲醇与柴油的缸内预混喷油 :醇类易于吸水且密度小于柴油, 与柴油的互溶性较差。 醇类的十六烷值很低, 着火性 能差,使醇类用于柴油机燃料比用于汽油机燃料困难。 柴油机采用预混一喷油法,在 进气管上装一个甲醇引入器, 是带相互联动的双节气门结

41、构。 节气门 1用来控制甲醇混合气 的引入量,节气门 2用来控制附加进气管的空气量。当一个开大时另一个关小。工作中, 从甲醇引入器进入进气管的甲醇迅速雾化、 蒸发并与空气混合, 压缩接近终了 时,柴油喷入汽缸,引燃甲醇空气混合气。 怠速小负荷运转时,节气门 1关闭,不 引入甲醇。同时节气门 2开启,引入空气,发动机仅靠柴油运转。 当负荷增加时, 节气门 2逐渐关小, 节气门 1逐渐开启, 甲醇被吸出并与空气混合, 在压缩接近终了时被喷 入汽缸的柴油点燃; 当节气门 2完全关闭时, 节气门 1全开, 甲醇掺烧量最大,最大代用率 可达 50%。五、醇类燃料发动机性能评价 第四节 氢气汽车一、氢燃料

42、汽车概述 氢气在常温常压下为无色、无味、无毒的气体。氢是是地球上储量最丰富的资源,最常见的是水和有机物。氢燃烧后又生产水,是取之不尽用之不竭的清洁能源。氢的主要特点:1、氢质量最轻,标准状态下的密度为 0.08998s /L ,为空气的1/14.5。2、氢的沸点为 -253,常温常压下为气体,携带性和安全性差。3、氢在大气中的扩散系数为0.63cm3/s 约为汽油的 8倍, 形成可燃混合气快,分配均匀,4、氢极易点燃,最小点火能量只有汽油的 1/3,火焰传播速度比汽油高,容易实现稀薄燃烧;5、氢的自燃温度比汽油高,达850K , 高于柴油的 620K 和汽油的 770K 。辛烷值高,允许有较高

43、的压缩比。燃氢时热效率较高,燃料消耗率较低。6、氢的低热值高,是汽油的 2.7倍。但单位体积的发热量只有汽油的 1/20 。质量理论混合 气的热值最大, 为 34.48, 但密度太小仅为空气的 1/14.5 , 容积理论混合气热值反而最小, 为 3.17MJ /m3,所以动力性较差。7、氢燃料中不含碳元素,不排放 CO 、 HC 及硫化物。燃烧后生成 H20,而没有 CO2, NOx 高于汽油机。8、储存不便。气态储存密度低,续驶里程短。液态储存要求 253的超低温,成本很高, 且储存中每天因蒸发损失 3%。二、氢的制取与储存(一 氢的制取电解水制氢是较成熟的方法,将太阳能转化成电能,再用电能

44、电解水制氢。随着太 阳能电池转换效率的提高,成本的降低及使用寿命的延长,用于制氢的前景较好。利用热化学循环分解水制氢。纯水的分解需要 780的温度。利用核反应堆的高温 来分解水制氢。 高温石墨反应堆的温度已高于 900, 而太阳炉的温度可达 1200, 这将有 利于热化学循环分解水工艺的发展。氢还可以从煤、石油、天然气中制取。(二 、氢的储存传统存储方法 :压缩储存、 液态储存、 金属化合物储氢等。 压缩储氢是将气体压缩到 20MPa , 或冷却到液化低温 (约 253 下。 新储氢方法:1、低温吸附方法:将气体冷却至 -196达到液氮温度,以减小体积。再将低温气体压缩到 7MPa ,使氢吸附

45、到活性炭的表面。2、金属氢化物的分解 :在金属氢化物中, 金属原子与含有数个氢原子的基团以较弱的离子键结合在一起, 储 存氢。3、储氢箱 :箱体由两层隔热钢板制成,中间抽真空,液态氢充入储氢箱内。炎热季节箱内液态 氢受热蒸发,当箱内氢气压力超过 0.45MPa 时,打开安全阀排入大气。这虽安全,但每天 损失氢气 2%3%。4、纳米碳素纤维储存氢:储存器内装有碳素纤维毛细管 (直径为十亿分之一毫米 , 氢气充入毛细管, 氢原子就 与碳原子 化合 在一起,把氢气存起来。当给储存器加热,氢气可放出来。三、氢气汽车的类型及应用(一氢气汽车的分类按储存的压力和形态 :压缩氢汽车:氢气以 20-25MPa

46、 的压力储存于高压气瓶中。工作时经降压、计量和混合后进 人汽缸,或直接喷入汽缸。液化氢汽车:以液态储存氢的氢, 工作时液态氢经升温、降压和计量后直接喷入汽缸,或机 外混合后进入汽缸。吸附氢汽车:以金属氢化物储存氢, 工作时, 储存于金属氢化物中的氢释放出来直接喷入汽 缸,或机外与空气混合后进人汽缸。按混合气形成方式:预混式:将氢气与空气经混合器混合后进入汽缸;缸内直喷式:氢气通过喷氢器被直接喷人汽缸,在汽缸内完成与空气的混合。(二气态氢燃料在汽车上的应用采用进气管混合:氢在进气管预混,经进气道进入汽缸,由火花塞或电热塞或柴油引燃。 因 氢的分子量很小, 在等能量下气态氢比任何可燃气体体积大,

47、机外混合的容积效率低, 功率 只有石油燃料的 80%;氢与空气经进气、压缩两行程混合,混合时间较长,混合质量较好,但动力性低, 易产生回火,综合性能较差。采用直喷缸内混合:汽车的动力性、热效率及燃料经济性都优于石油燃料汽车。 (三液态氢燃料在汽车上的应用供氢系统组成:由储氢甁、液氢泵、热交换器、储氢筒和喷氢器等组成。工作:液氢泵将液氢从储氢甁中抽出,迅速由液态变成气态,经高压输氢管送人热交换器,提高氢的温度,然后氢气由储氢筒,经喷氢器在高压下喷入燃烧室。储氢甁的容积为 82L ,质量 35kg ,一次充液氢后,小客车的续驶里程达 350400km。 四、氢燃料汽车的性能评价(一动力性和经济性使

48、用缸外氢气与空气混合, 由于容积效率低, 发动机功率比原汽油机低 20%30; 用 缸内混合,将冷氢高压喷入燃烧室,因充量密度高,燃烧完善,功率比原汽油机提高 15%左右。汽油机改用氢燃料可使热效率提高 15%45%,功率降低 20%30%(缸外混合 。(二排放性氢完全燃烧的产物是 H20,实际上由于空气参与燃烧,空气中的氮在燃烧的高温下 会生成 NOx ,废气中会含有末参与燃烧的 N2和剩余的 O2,以及没有来得及燃烧的 H2。如 果润滑油窜入燃烧室,废气中还会含有 CO 、 HC 、 CO2、醛甚至微粒,但很少。使用氢燃料 后,有害排放物比原排放明显减少。 第五节 电动汽车一、电动汽车的发

49、展优势以及所面临的问题(一 电动汽车的发展优势1、电动汽车结构简单,使用方便。无机油、油泵、化油器及消声装置等,毋需添加冷却水。 2、电动汽车为零排放,噪声小。3、电力来源为多样性,许多清洁的可再生能源,像水能、 太阳能、潮汐能、氢能、核能等,都可高效地转化为电能。4、电动汽车起动速度快,等红灯时可以停车, 提高能源的使用效率;5、制动减速或下坡时,可通过电子控制器, 将汽车的行驶动能 再生 转化为电能并储存于蓄电池之中,能量可回收。(二 、 普及电动汽车所面临的问题 1、降低电动汽车的价格;2、提高一次充电后的行驶里程;3、延长蓄电池的使用寿命;4、发展充电设施在内的基础设施;5、解决右图的

50、技术难题。 二、蓄电池蓄电池是电动汽车的关键技术,也是制约电动汽车发展的最大因素。对蓄电池的要求:1、能量密度 (W.h/kg 又称比能量:能量密度决定了电动汽车潜在的运行范围,要求蓄电池 的能量密度要高;2、功率密度 (W/kg 又称比功率:功率决定了电动汽车的加速和爬坡性能,要求蓄电池的 功率密度要高;3、循环寿命 (充放电一次为一个循环 :决定了蓄电池充电的次数,要求循环寿命长;4、起动性能:即预热和从起动到最高速所需时间要短。5、价格费用:即电池价格和运行费用要低;6、可靠性:恶劣条件下的故障率少;7、安全性:操作安全和对人体、环境安全。蓄电池的类型:主要有铅酸蓄电池、镍氢电池、钠一氯

51、化镍电 池、锂电池、钠一硫电池、 镍镉电池等。铅酸蓄电池:成本低,比能低,快速充电不成熟,材料充足;镍氢电池:能量密度大,比功率大,不含重金属,有“绿色”电池之称,来受到普遍关注; 钠一氯化镍电池:比能量高,峰值功率高,安全性好,便于维护,发展前途好;锂电池:具有一系列的优点,使之成为称为各国研究的重点;钠一硫电池:技术复杂性,在电动汽车上的发展受到限制;镍一镉电池:虽然成本较高,但其使用寿命长、比能量大,但镉污染环境 .三、电动机电动机选择的原则应该是转矩 /转速特性与电动汽车的负载特性匹配良好 , 即低速发出 大转矩 , 高速发出小转矩;动态特性好,能迅速和平滑地控制电机的转矩,适应电动汽

52、车启 动、停车、加速和减速的要求;高的效率、较低的成本、坚固以及维修简单等。1、异步电动机特点:总体价格比直流电动机高、 效率高、调速范围宽、基本免维护以及体积小质量轻。 驱动特性:第一段:低速区, 电动机频率低于基频,产生额定转矩,成为恒转速区; 第二段:中速区,定子电压保持恒定,电动机功率维持额定不变;第三段:高速区,定子电流衰减,转矩以速度的平方减小。2、永磁式无刷电动机永磁无刷直流电动机为最适于电动汽车驱动的电机品种。优点:由高能永磁材料励磁, 一定的输出功率下,体积和质量小,功率密度高;由于转子无绕组,无铜耗,因此效率高于其他电机;电机发热主要集中于定子,易于 散热;可靠性较高;转子

53、电磁时间常数小,动态性能好。缺点:所需稀土永磁材料的制造工艺复杂, 永磁电机在大过载电流下, 因温度高会导 致磁性材料的磁性衰退或迟磁,使用中要严格控制过载电流,因此成本高,相应价格高。3、开关式磁阻电动机优点:定子采用简单的集中绕组,转子是凸极无绕组,结构简单,工作可靠,效率高,且容 易实现电动汽车制动时的能量回收,工作特性好,响应速度快,制造成本低。 缺点:双凸极工作造成转矩脉动和噪声较大。四、电动汽车基本结构及其工作原理电动汽车的基本结构 可分为三个系统,即电力驱动系统、能源系统、辅助控制系统。工作:根据制动踏板和加速踏板的信号,电子控制器发出相应的控制指令控制功率转换器的功率装置的通断

54、,当电动汽车制功时,再生制动的动能被电源吸收,此时功率流的方向反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收,能量管理系统和充电 器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同电压并提供必要的动力,它主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。五、混合动力电动汽车混合动力电动汽车有串联、并联和混联混合动力电动汽车三种类型。(一 、串联式混合动力电动汽车(SHEV S HEV 由发动机、发电机和驱动电动机组成。发动机、发电机和驱动电动机采用串联的 方式组成驱动系统。 SHEV 用发动机带发电机组发电, 电能供应驱动电动机或动力蓄电池组, 使 SHE

55、V 的行驶里程得到延长。 该机组的发动机并不直接参与驱动车辆。 发动机的转速不受 SHEV 运行工况的影向。SHEV 驱动系统的特点: 1、结构及控制系统比较简单;2、只有电动机驱动模式,其动力特性更加趋近于 EV ,要求发动机、 发电机和驱动电机的功率都等于或接近于 SHEV 的最大驱动功率;3、由于该系统的能量在热能 -电能 -机械能之间转换,总效率低于内燃机效率;4、由于三大动力总成之间无直接的机械连接, 在布置上具有较大自由度, 但同时受限于各总成体积较大、质量较重以及庞大的动力电池组,所以通常用于大型客车、公交汽车等。2、并联式混合动力电动汽车(PHEV PHEV 是由发动机、 电动

56、机 /发电机或驱动电动机两大动力组成, 其发动机、 电动机 /发电 机或驱动电动机采用并联的方式组成驱动系统。发动机和电动机通过变速装置同时与驱动桥直接相连接。 电动机 用来平衡发动机的载荷, 发动机在高负荷下经济性较好。 当车辆在较小载荷下工作时, 发动机可熄火只用电动机驱动汽车。并联式混合动力电动汽车的驱动方式是转速合成驱动方式,发动机通过离合器和动力合 成器驱动汽车,电动机也通过动力合成器驱动汽车。结构简单,改制容易,维修方便。 “动力合成器”是行星齿轮机构,其特点是:1、可使发动机或电动机之间的转速灵活分配,使转矩固定在汽车的转矩上,用调节发动机 节气门与电动机的转速相互配合。2、当汽车加速时,发动机和电动机同时