现代汽车排放与控制技术课件：低排放及汽车新能源 -

汽车排放与控制低排放燃料及汽车新能源学习目标

了解车用燃料及其来源，理解传统石油燃料的改善目的和方法，理解含氧燃料对排放的影响，了解气体燃料在汽车上的应用，掌握汽车新能源的发展方向和途径。知识要点车用燃料及其来源改善石油燃料的重要性、汽油品质提高的方法、柴油品质提高的方法醇类燃料、生物柴油、二甲醚LPG、CNG、沼气、氢燃料混合动力、电动汽车、燃料电池4.1车用燃料及其来源车用燃料及其来源如图4-1所示，图中的左侧是传统内燃机——汽油机和柴油机，燃料在主要来源于石油。图4-1：车用燃料及其来源图

随着石油能源的不断减少可再生的代用能源越来越受到关注。能从煤、天然气、生物质能制得的含氧代用燃料如甲醇、乙醇等低醇、生物柴油、以及二甲醚为代表的醚类等燃料引起国内外学者广泛的重视表4-1给出了常见燃料物理化学特性。

性质甲醇乙醇二甲醚汽油轻柴油分子式CH3OHCH3CH2OHCH3OCH3C5～C12C10～C21分子量324646--氧含量/%5034.7334.800密度（20℃）/kg.L-10.7920.7890.6649（0.5MPa）0.72～0.780.81～0.83沸点/℃64.578.4-24.940～120180～370闪点/℃11～1213～14--45～-3865～88凝固点/℃-97.8-117.3--60～-56-1～3动力粘度/mm2·s-10.6111.20.150.28～0.593.0～8.0汽化潜热/kJ·kg-11.0880.854-0.31～0.340.25～0.3低热值/MJ·kg-119.91626.77828.843.9～44.442.5～着火温度/℃470434235350～468270～350火焰传播速度/m·s-10.523--0.38～0.58-理论空燃比/kg·kg-16.458.458.514.7～15.014.4～14.6十六烷值CN3～58＞555～2545～65辛烷值RON106～115110-80～9820表4-1几种燃料的物理化学性质比较日本汽车工业协会在协助政府和能源行业也对汽车燃料进行综合性探讨，如引进CO2排放量少的清洁燃料等。清洁能源车在日本市场上的普及量的变化如下图所示。4.2传统石油燃料的改善4.2.1改善石油燃料的重要性在影响机动车排放控制水平提高的诸多因素中，油品的质量是重要的影响因素之一。如图4-3所示，同一台发动机，燃用不同燃油其排放结果不同。从图中可以看出燃油的品质越低，尾气排放污染越严重。

图4-3同一台发动机燃用不同燃油的排放为了提高了油品质量在2005年我国制定了新的标准，对油品的质量做了新的要求：1降低了硫含量硫含量从500ppm下降到350ppm，第Ⅳ阶段可能下降到10ppm2提高了十六烷值十六烷值从（49-53）上升到（50-53）；3密度范围要求更小从（820-860kg/m3)到（825-840kg/m3)4对多环芳香烃提出限制要求（3%-11%m/m）由于中国的汽车排放标准是等效采用欧洲标准，所以有关汽油品质的标准也将逐步向欧洲标准看齐。表4-2和表4-3分别为欧洲市售无铅汽油标准和柴油的主要技术指标汽油标准1993(EN228-93)1998(EN228-98)2000(EN228-98)2005相应的汽车排放标准欧洲1号欧洲2号欧洲3号欧洲4号硫含量①/%≤0.10.050.0150.005苯含量②/%≤5511芳烃含量/②%≤无规定无规定4235烯烃含量②/%≤无规定无规定1818氧含量①/%≤2.52.52.72.3铅含量/（mg/L）≤131355表4-2欧洲市售无铅汽油标准表4-3欧洲市售车用柴油标准的主要指标4.2.2汽油品质提高的方法

汽油品质的提高包括主要体现在三个方面：高标号化、无铅化和组分优化。高标号化，就是提高汽油的辛烷值，也就是通常所谓的汽油的标号。辛烷值提高，汽油的抗爆性增强，汽油机可以采用较高的压缩比，从而获得良好的动力性和良好的经济性。无铅化，可以减少环境空气的铅污染，而且促进各类催化器的使用。中国已实现汽油的高标号化和无铅化。4.2.3柴油品质提高的方法

提高柴油品质主要从三个方面出发：提高十六烷值、降低硫含量和降低芳烃含量。十六烷值是衡量燃料在压燃式发动机中着火延迟期的指标，十六烷值高，着火延迟期短。如果十六烷值低于45，则会引起柴油机工作粗暴，最高燃烧压力增加和NOx排放增加。满足未来排放标准的轿车用柴油机，要求所使用的柴油十六烷值不低于49。4.3含氧燃料对排放的影响4.3.1醇类燃料1醇类燃料性能(1)醇燃料是含氧燃料，因此理论空燃比低，容易使燃料燃烧完全。(2)热值低。（3）醇类的沸点和蒸气压比汽油低。(4)辛烷值比汽油高。(5)着火性能差，甲醇和乙醇的十六烷值只有3和8。(6)汽化潜热高。(7)蒸发潜热大，使得醇类燃料低温起动和低温运行性能恶化。(8)着火极限扩大。(9)与传统的发动机技术有继承性，特别是使用汽油－醇类混合燃料时，发动机结构变化不太大。2醇类燃料在内燃机上的应用方法醇类燃料在内燃机上主要有掺烧和纯烧。如下图所示。图4-5醇在内燃机中的应用图4.3.2生物柴油

生物柴油是近年来国内外研究的热点，全球变暖是不争的事实，人们正在开发来源广泛的生物能源。生物燃料是指从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。表4-6是生物柴油与矿物柴油的性质比较，生物柴油中的富氧可以加快燃烧速度，减少CO和HC以及碳烟、微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值较高，燃料的性质与柴油接近。

表4-6生物柴油与矿物柴油的性质比较生物柴油具有许多优点：（1）具有优良的环保特性。（2）具有较好的低温发动机起动性能。无添加剂冷滤点达-20℃。（3）具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。（4）具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。（5）具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。（6）具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。（7）社会效益高；可在自然状况下，实现生物降解，减少对人类生存环境的污染。（8）生物柴油作为柴油代用品，现用柴油机不需作任何改动或更换零件。生物柴油可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。（9）生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。（10）原料来源广泛。生物柴油的原料很多，大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等都可作为制取生物柴油的原料。4.3.3二甲醚二甲醚(Dimethylether，DME)是近年来新出现的含氧代用燃料，同时从它衍生或与之有关的具有较高沸点的含氧燃料，如Dimethoxymethane,Diethylenglycoldimethylether,DiemethylcarbonateDiethylsuccinate等，近几年也引起发动机研究者的高度兴趣和重视。利用上述含氧燃料作为柴油添加剂可显著改善柴油机碳烟排放，而且对NOx的排放没有不良影响[34]。二甲醚是一种无色略带气味的气体，沸点为-24.9℃，环境温度下的蒸汽压为0.51MPa。因此其物理化学性质类似LPG。DME无腐蚀性，几乎没有毒性，长期同空气接触也不会被进一步氧化。从目前国外的研究状况来看，DME在柴油机上的应用方式主要有两种：一是以DME作为助溶剂，二是柴油机单独使用DME。4.4气体燃料（LPG、CNG、沼气）4.4.1．液化石油气液化石油气(LPG)是原油炼制汽油、柴油过程中的副产品，其主要成分是丁烷和丙烷，这些碳氢化合物的一个主要特性是在常温及相对较低的压力(约1．6MPa)下即可转化为液体。表7-7列出了高级汽油和液化石油气的一些主要性能指标。性能汽油液化石油气(丙烷20％～100％)容积热值(MJ／L)3323．5—25．6需要的空气量(理论值)／(吨空气／kg)燃油14．715．6混合气的热值(kJ/L)29902756～2792蒸发热(与热值有关)(kJ／MJ)9．27．6—7．7蒸发温度范围(℃)30—190

—42在38～C时的蒸气压力(105Pa)0．78～13辛烷值RON99101～111MON8997表4-7高级汽油和液化石油气的性能液化石油气优点：(1)发动机和排气系统使用寿命长；(2)燃烧积炭少；(3)换机油周期长；(4)排气污染较少；(5)运转较平稳。缺点：(1)容积油耗高15％；(2)需要使用较大的特殊燃油箱；(3)气门磨损严重，加速性能差：(4)使用仍受限制(不允许在地下车库使用)。4.4.2压缩天然气天然气是多种气体的混合物，其中主要成分是甲烷。根据产地的不同，甲烷在天然气中的含量约为81％～98％。作为汽车燃料，为了携带方便，需经压缩成为压缩天然气(CNG)或低温液化成为液化天然气(LNG)。压缩天然气的压力达16。5～20MPa，低温液化时温度在—162℃以下。天然气因其储量大，可以减少排气污染，因而受到普遍重视，据估计目前世界上已有60万台压缩天然气发动机在运行，其中大部分用在轻型车辆的汽油机上，柴油机上使用天然气的研究工作也已取得一定的研究成果。1．天然气的燃料特性项目天然气(甲烷)汽油(90#)C／H原子比42～2．3密度(液相kg／m3)424700～780分子量M16．04396沸点(℃)-161．530～90凝固点(℃)-182．5—临界温度(℃)-82．6—临界压力(MPa)4．62—汽化热(kU/kg)510—比热(液体，沸点，kJ/kg·K)3．87—比热(气体，25℃，kJ／kg·K)2．23—气／液容积比(15℃)6N—密度(气相，kg/m3)0．715—化学计量比质量比17．2514．8体积比9．528．586高热值(MJ／kg)55．54低热值(MJ／kg)50．0543．9混合气热值(MJ／m3)3．393．37辛烷值(RON)13092着火极限(％)5373m—420火焰传播速度(cm／s)33．839—47火焰温度(℃)191821973．压缩天然气用于汽油机目前汽油机使用压缩天然气是以双燃料为主要方式，它是在汽油机的基础上保留汽油机的燃料供给系并附加了一套压缩天然气瓶、调压阀及计算机流量控制装置等，如图所示。4．压缩天然气用于柴油机天然气的辛烷值高达120～130，但十六烷值很低，几乎为零，所以它不能压燃，只能点燃。柴油机使用压缩天然气有两种方式，一种是利用现有的柴油机将天然气由进气管吸入汽缸，天然气的吸人量随负荷而改变。另一种方式是将天然气和空气在机外预混合后引入气缸，再用火花塞进行点火。德国Damler-Benz采用这种方式将某柴油机改为天然气燃料并辅之以火花塞点火时，柴油机输出功率由162kW降为120kW；NOx+HC排放量由10.7g/(kW•h)降低至3．7g/(kW•h)；CO排放量由8.1g/(kW•h)降至2.8g(kW•h)；微粒排放和烟度也有明显降低。4.4.3沼气

沼气是有机物质在一定温度、湿度以及厌氧缺氧的条件下发酵，通过特殊的微生物的作用分解生成的产物。表4-11表示了沼气的主要组分和物化特性。

国内对沼气机动车对大气排放的研究始于上世纪80年代初,先后有一些单位进行过沼气机动车的结构改装和提高热效率方面的研究工作。表4-12是柴油发动机改烧沼气以及改烧柴油和沼气混合燃料后的一些比较。国家或单位机型燃料工作方式比热能/kJ/(kW·h)发动机组发动机英国DAG煤气全煤气10224.2原苏联DKE030天然气全天然气10236.7武进柴油机厂195-Z沼气全沼气10274.4四川省农机研究院CC195沼气全沼气13983.910626.1四川省农机研究院1100天然气全天然气11095.0四川省农机研究院195沼气全沼气11756.5泰安电机厂12GFS32柴油-沼气双燃料14750.111924.0泰安电机厂10GFS13柴油-沼气双燃料9512.4南充电机厂195柴油-沼气双燃料9277.9上海内研所5GFZ沼气全沼气17802.313443.8重庆电机厂1.2KW沼气全沼气20975.812288.34.5氢燃料

氢是二次能源，具有清洁、无污染、效率高、重量轻和储运性能好、应用形式多样等优点。在全球实现可持续发展进程中，氢作为能源利用的前景被人们看好。特别是燃料电池技术获得迅速发展后，氢的开发利用更赢得了人们的青睐。很多国家已把氢能——燃料电池系统应用于移动动力系统上。氢的来源极为丰富，不仅可从常规的化石燃料煤、石油、天然气中制取，还可从清洁的生物质能、水、太阳能等可再生能源中提取。当前，我国水电解制氢、生物质气化制氢等技术已趋成熟，并初步形成规模；贮运氢的技术正在发展之中，随着技术完善和规模扩大，成本将会逐步下降。特别是燃料电池技术的发展将会加速氢能开发利用的进程。4.6混合动力汽车

混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。本田INSIGHT混合动力

目前在我国地区销售的混合动力车型主要以油电混合动力车型为主，如：丰田普锐斯、雷克萨斯RX400h和本田混合动力的思域。图4-20马自达的混合动力车型Mazda5XMQ6125GH系列混合动力客车4.6.2混合动力汽车的分类1．串联式混合动力汽车串联式混合动力电动汽车组成如图所示：主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，图4-25串联式HEV动力传动系示意图2．开联式混合动力汽车并联式HEV动力传动系的组成，如图所示。这种系统更接近于传统意义上的燃油汽车，该系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。图4-26并联式HEV动力传动系示意图3．混联式混合动力汽车典型的混联式HEV动力传动系布置方案简图，如图9-10所示。该系统既装有电动机又装有发电机，具备了串、并联结构各自的特点。图4-27混联式HEV动力传动系示意图a)开关式结构；b)分路式结构方式控制系统电池能量传递效率燃油发动机工作效率环境污染其他串联式控制系统结构比较简单，控制方法简便，只要根据蓄电池充电状态决定其运行或停止对电池要求较高，容量大，增加了电池和汽车重量以及制造成本动力传递过程中，存在能量转换的损失，降低了能量利用率发动机的工作不受汽车行驶工况的影响，总在最佳工况下工作，具有较好的燃油经济性污染最小每一动力装置的功率均等于汽车要求的总功率，设备规模较庞大，增加了车辆的成本及机构布置的难度并联式动力控制系统及机械切换系统相对较复杂总容量比串联式小(约为l／3)，对蓄电池的峰值功率要求较低动力直接传到车轮上，中间环节少，比串联式有更高的能量效率主要动力还是来源于燃油发动机，但燃油发动机工作范围大，效率较低污染和噪声较大结构简单，可把传统车用发动机的最新研究成果应用到混合动力汽车上，节省了研发资金混联式机械传动系统及控制系统最为复杂对电池的依赖小，甚至可以不需外置充电系统较高发动机的工作不受汽车行驶工况的影响，总是在最高效率状态下运转，具有很好的燃油经济性比并联小发动机和电动机均可较小。动力系统可根据不同工况选用不同的动力驱动方式，充分利用两套动力装置的优点表4-13三类混合动力汽车的比较4.7电动汽车

纯电动汽车是以车载电源（充电蓄电池）作为储能方式、用电动机为动力来驱动车轮行驶，不仅具有节能、环保的特性，还有动能来源广泛的优点，可以利用水力、风力、核能等发电或利用电力系统低谷期给蓄电池充电，从而提高电网效能。三菱i-MiEV斯巴鲁新款电动汽车RLE

纯电动汽车主要由蓄电池、电动/发电机等部件组成。蓄电池向电动机提供电能来驱动汽车。在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。图4-29纯电动汽车组成

虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式。表4-14列出了各种电动汽车用电池的存储能力比较。电动汽车仍存在着储电设备(电池)能量密度低、价格高、充电时间长、行驶距离短等缺点，这些因素制约着电动汽车的发展和推广。电能储存的能量密度太低，成本太高，是人类发现电能以来一直没有得到圆满解决的问题。4.7.2燃料电池汽车燃料电池与普通蓄电池不同，燃料电池的能源来自能量密度较高的燃料，在使用过程中不断地向