第七讲 代用燃料及电动汽车

第七讲代用燃料及电动汽车一、天然气汽车二、液化石油气汽车三、太阳能汽车四、电动汽车和混合动力汽车5/10/20241一、天然气汽车天然气是使用最早、最广泛的一种代用燃料，其使用方式有：1）压缩天然气CNG（CompressedNaturalGas）2）液化天然气LNG（LiquefiedNaturalGas）3）吸附天然气ANG（AdsorbedNaturalGas）4）天然气水合物NGH（NaturalGasHydrate）从代用燃料到清洁燃料“可燃冰”岩芯样品释放的气体可直接点燃。5/10/20242到目前为止，全世界在用的天然气汽车已超过200万辆：天然气汽车较多的国家主要是阿根廷、意大利和巴基斯坦等，而美国是天然气加气站最多的国家，约82辆天然气汽车就有一个加气站。在我国，北京、上海、天津、重庆等12个示范城市天然气汽车保有量已达5.7万辆，已建成天然气加气站233座。5/10/202431、天然气的性质天然气的主要成分是甲烷，随产地不同，甲烷的含量为83％～99％，其理论混合比和发热量也有差异。天然气的研究法辛烷值为130，十六烷值为零，所以只能点燃不能压燃。

CO、HC和炭烟排出量较少，CO2排出量也较少，未燃HC产生光化学烟雾的可能性小。5/10/20244

1996年，中国石油天然气总公司发布的汽车用天然气技术要求：项目质量指标试验方法高位发热量/(MJ·m-3)≥31.4GB/T11062硫化氢含量/(mg·m-3)≤20GB/T11060.1或11060.2总硫含量/(mg·m-3)≤270GB/T11061CO2含量(体积分数)/(％)≤3.0SY/T7506水露点低于最高操作压力下最低环境温度5℃SY/T7507(计算决定)为确保天然气的使用安全，压缩天然气应有特殊气味，必要时加入适量加臭剂，保证天然气的浓度在空气中达到爆炸下限的20％前能被察觉；气体体积为在101.325kPa、20℃状态下的体积。5/10/202452、天然气汽车的种类根据汽车携带天然气的方式不同划分：略。根据汽车使用的燃料种类多少划分：1）单燃料天然气汽车（NaturalGasDedicatedVehicle）2）两用（灵活）燃料天然气汽车（FuelFlexibleVehicle）3）双燃料天然气汽车（DualFuelVehicle）5/10/20246（1）单燃料天然气汽车专用的天然气发动机都具有较高的压缩比，并且采用燃料喷射系统和特制的天然气用催化净化器。5/10/202471）在汽油机基础上改进的天然气发动机5S－FNE天然气发动机的主要参数：发动机种类缸径×行程(mm×mm)排量/L压缩比气缸数气门系统最大转矩/(N·m)最大功率/kW(5200r/min)天然气87×912.21144气门顶置凸轮轴178(2400r/min)88汽油87×912.2944气门顶置凸轮轴197(4400r/min)975/10/20248如图所示，丰田公司开发的5S－FNE型天然气发动机燃料供给系统示意图：5/10/202492）在柴油机基础上改进的天然气发动机燃气供给方式及其比较：响应性最高功率混合气形式开发费缸内空然比的均匀性开发周期成本单点喷射式○○○○○○○混合器式△△○○○○○多点喷射式◎○△×△×△注：－差；△－较差；○－较好；◎－好5/10/202410FU6天然气发动机的主要参数：混合气供给形式缸径×行程(mm×mm)排量/L压缩比气缸数燃烧形式最大转矩/(N·m)最大功率/kW单点喷射式108×1266.925116稀混合气666(1600r/min)154(2800r/min)混合器式108×1266.925116稀混合气539(1600r/min)132(2800r/min)5/10/202411如图所示，日产公司开发的FU6型天然气发动机：5/10/202412（2）两用燃料天然气汽车如图所示，两用燃料发动机是指在汽油机的基础上，保留原有的汽油供给系统，另外再添加一套气体燃料供给系统，工作时只能使用一种燃料，即要么使用汽油燃料，要么使用气体燃料。

5/10/202413储气系统包括充气装置、储气瓶、气压显示装置和手动截止阀等。燃气供给系统包括天然气过滤器、减压调节器（简称调压器）、混合器、低压软管及循环水软管等。燃料转换系统包括燃料转换开关、天然气截止阀和汽油截止阀等。5/10/202414（3）双燃料天然气汽车

如图所示，双燃料发动机是指在柴油机的基础上，保留原有的柴油供给系统，另外再添加一套气体燃料供给系统，工作时同时使用两种燃料，即用喷入气缸的少量柴油经压燃后引燃气缸内的气体燃料。5/10/202415（4）液化天然气汽车

LNG的密度大约比CNG气高3倍，可弥补CNG能量密度低、续航里程短及在高压状态下搬运会导致燃料容器的体积增大等缺点。目前，开发具有良好绝缘性能和成本低的燃料箱，难度较大，离实用化还较远。液化天然气汽车主要有两类，即自然吸入方式和强制供给方式。5/10/2024161）自然吸入方式5/10/2024172）强制供给方式－利用装在LNG燃料箱上的供给泵，将LNG呈液体状态吸入，根据负荷大小，由供给泵供给必要的液化天然气。5/10/2024183、天然气汽车的动力性天然气发动机的工作噪声小、排放性能好，具有良好的应用前景。但是，直接改装的两用燃料发动机将会导致汽车动力性大幅度下降。5/10/202419一汽集团开发研制的天然气、汽油和液化石油气发动机的主要性能指标的比较：型号项目CA6102基本型CA6102GCA6102N-1CA6102N-2型式四冲程、直列、六缸汽油机四冲程、直列、六缸高原汽油机四冲程、直列、六缸两用燃料发动机四冲程、直列、六缸天然气发动机压缩比6.97.27.68.8燃料汽油CNGLPG汽油CNGLPG汽油CNGLPGCNG额定功率(3000r/min)/kw9975911018093105899791最大转矩(1200～1400r/min)/(N·m)373322343375324345379335362350最低燃料消耗率[汽油、LPG：g/(kw·h)，CNG:L/(kw·h)]3063992833003902822953792803705/10/202420如图所示，492QC发动机燃用天然气和汽油时的转矩和功率曲线：5/10/2024214、天然气汽车的排放指标天然气是一种清洁燃料，其排放性能的改善幅度是随着天然气汽车的排放系统和天然气汽车的结构类型的不同而改变。5/10/202422（1）天然气汽车的排放测量结果示例如图所示，按照美国联邦的试验规范FTP测试的排放结果：5/10/202423如图所示，按照日本G10·15模式对小型乘用天然气汽车的排放性能测试的结果：5/10/202424如图所示，为重型车用柴油机D-13模式和重型车用汽油机G-13模式的测试结果：5/10/202425如图所示，为天然气汽车与汽油车排放性能的比较试验结果：5/10/202426（2）天然气汽车的排放控制装置如图所示，是带有三效催化转化器的闭环排放控制系统示意图：5/10/202427二、液化石油气汽车液化石油气汽车就是以液化石油气为主要燃料的汽车，简称LPG汽车。与常规燃料相比，具有燃烧完全、积炭少、排放污染低等优点，称为“清洁燃料”。液化石油气的来源有油田和石化厂两个途径。5/10/2024281、液化石油气的组成及存储方式

LPG是以含三个或四个炭原子的烃类为主的一种混合物，下表是我国几个产地的LPG的成分：地区丙烷丙烯丁烷丁烯C2H6+C2H4其他南京石油化工厂18.1723.0629.0426.451.282.0大庆炼油厂13.6050.90－31.800.203.5锦州石油六厂8.5024.5023.9033.401.308.45/10/202429中国石油天然气总公司制定的车用液化石油气质量要求：项目质量指标试验方法车用丙烷车用丙丁烷混合物37.8℃蒸气压（表压）/kPa≤1430≤1430GB/T66021）组分φa/（％）丙烷－≥60SH/T0230丁烷及以上组分≤2.5－戊烷及以上组分－≤2丙稀≤5≤5残留物100mL蒸发残留物/mL≤0.05≤0.05SY/T7509油渍观察通过通过密度（20℃或15℃）/（kg·m-2）实测实测SH/T02212）铜片腐蚀不大于1级不大于1级SH/T0232总硫含量ω（质量分数）≤123×10－6≤140×10－6SY/T7508游离水无无自测1）蒸气压力允许用GB/T12567方法计算，但在仲裁时必须用GB/T6602测定；2）密度允许用GB/T12567方法机算，但在仲裁时必须用SH/T0221测定；3）规范号：SY7548－1998。5/10/202430

LPG存储方式最常见的是罐储，根据储存的温度、压力不同，可分为三种形式：1）常温压力2）低温压力3）低温常压还可以将LPG做成砖形固体，在露天或仓库中堆放存储。5/10/2024312、液化石油气汽车的种类根据汽车使用的燃料种类多少划分：1）单燃料液化石油气汽车2）两用（灵活）燃料液化石油气汽车3）双燃料液化石油气汽车5/10/202432（1）单燃料液化石油气汽车－发动机的燃料供给系统专为燃用LPG而设计，可以充分发挥LPG的优点，使用性能最佳。5/10/202433（2）两用燃料液化石油气汽车如图所示，两用燃料液化石油气汽车大部分是在汽油机的基础改装而成的：5/10/202434（3）双燃料液化石油气汽车－是在柴油机的基础上加装LPG供给系统改装而成，柴油供给系统仅向气缸内喷入少量柴油，用于引燃LPG与空气的混合气而实现燃烧，对外做功。5/10/202435三、太阳能汽车如图所示，是太阳能汽车的基本结构：5/10/202436如图所示，是太阳能汽车的工作原理：5/10/2024371、太阳能汽车的种类类别Ⅰ类车Ⅱ类车Ⅲ类车Ⅳ类车车身及载重树脂材料车身，载重120～200kg，1～2人树脂材料/铝框架车身，载重210～270kg，1～2人树脂复合材料车身，载重350～700kg，2人商品轿车车身改造，载重830～980kg，2人太阳能电池多晶硅、单晶硅，面积7～10m2,1000~2000W多晶硅、单晶硅，面积5～7m2,750~1250W多晶硅，面积2～3m2,350~460W多晶硅、单晶硅，面积1.5～2m2,80~400W蓄电池银－锌、镍－锌，3～5kw·h银－锌、镍－锌，3～5kw·h镍－锌，5～9kw·h铅－酸，14～18kw·h车速100～120km/h30～50km/h30～50km/h20～40km/h5/10/2024382、太阳能电池的类型太阳能电池的类型可分为多晶硅和单体硅，近年来单晶硅越来越成为主流。太阳能电池的光电转换效率是关键问题，目前的转换效率在14％～23％范围内。5/10/202439四、电动汽车和混合动力汽车电动汽车是以电力作为能源、由电动机驱动的汽车。在外形上，电动汽车与传统汽车并无显著区别，其主要区别在于动力和驱动系统。如果一辆汽车同时采用电动机和发动机作为动力系统，就构成了混合动力汽车。5/10/2024401、电动汽车5/10/202441从环境保护角度看，电动汽车有如下特点：1）电动汽车在行驶中不排放任何有害气体；2）电动汽车消耗的电能有多种来源。目前，阻碍电动汽车普及应用的主要问题：1）电池性能不能满足要求；2）制造成本过高。5/10/202442如图所示，电动汽车由电力驱动系统、主能源系统和辅助控制系统三个子系统构成：5/10/2024432、混合动力汽车（HybridElectricVehicle，HEV）混合动力电动汽车在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元，其中辅助动力单元是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置按某种方式组合在一起，有串联式、并联式和混联式三种布置形式。5/10/202444（1）串联式混合动力系统如图所示，串联式混合动力系统的工作原理：即发动机带动发电机发电，其电能通过电动机控制器直接输送到电动机，再由电动机产生电磁力矩驱动汽车。5/10/202445（2）并联式混合动力系统如图所示，并联式混合动力系统的工作原理：即发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。

5/10/202446（3）混联式混合动力系统（串并联灵活驱动式）如图所示，混联式混合动力系统的工作原理：即发动机发出的功率一部分通过机械传动装置输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电；电动机产生的驱动力通过动力复合装置传送给驱动桥；根据行驶工况灵活采取串联方式或并联方式工作。

5/10/202447丰田混和动力汽车普锐斯5/10/202448工作模式5/10/2024495/10/2024503、燃料电池汽车燃料电池（Fulecell）是一种将燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”。虽然习惯上称为燃料“电池”，但其与一般的化学电池是完全不同的工作原理。燃料电池汽车的工作原理是：燃料中的氢在汽车搭载的燃料电池中与氧发生化学反应，产生电能驱动电动机，进而驱动汽车行驶。

5/10/202451我国自主研发的燃料电池轿车“超越三号”

5/10/202452本田燃料电池汽车FCX5/10/2024535/10/202454（1）燃料电池的燃料燃料电池能够使用多种燃料，可以是石油燃料也可以是有机燃料，并可使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。主要有氢气、甲醇、天然气和汽油。5/10/202455（2）燃料电池的种类电池类型工作温度℃燃料氧化剂电解质效率特点技术状态及应用碱性燃料电池（AFC）室温～200纯氢纯氧水氧化钾50％能量转化效率高；高比功率；高比能量；但不适合在地面上应用高度发展，20世纪60年代已在航天中成功应用，可作为特殊地面应用质子交换膜燃料电池（PEMFC）室温～100纯氢净化重整气氧气空气阳离子交换膜50％可室温快速起动；无电解液流失；水易排出；寿命长；比功率与比能量高高度发展，适用于分散电站、电动汽车、潜艇、各种可移动电源、家庭动力源。已有电动汽车样车，需降低成本，尽早实现产业