第4章车用替代燃料.ppt

1、汽车操作材料，第四章汽车代用燃料，教学提示：在石油资源减少和环境污染增加的双重作用下，开发和寻找低污染、低成本的汽车代用燃料已成为当务之急。目前，发展前景广阔的替代燃料主要有酒精燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等。教学要求：本章主要介绍车用酒精燃料、乳化燃料、天然气、液化石油气、氢气等替代燃料的特点及应用。关键内容是车用替代燃料的特性和应用。要求学生了解车用替代燃料的发展前景，熟悉车用替代燃料的特点，掌握车用替代燃料的种类。4.1酒精燃料，主要是酒精和乙醇。目前，它们被用作汽车的替代能源，在技术和成本方面已经达到实用阶段。酒精燃料资源丰富，可以从各种原料中提取。例如，甲醇可以从天然气、

2、煤、油页岩、重质燃料、木材和垃圾中制备。乙醇可以从甜菜、甘蔗、稻草、土豆和玉米等作物中提取。4.1.1醇类燃料的理化性质，甲醇燃料和乙醇燃料与汽油燃料的主要理化性质对比见表4-1。表4-1酒精燃料和汽油的主要物理和化学性质的比较，4.1.2酒精燃料的特性，1。高辛烷值，酒精燃料和汽油的比较见表4-2。表4-2酒精燃料和汽油辛烷值的比较，2。大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。酒精燃料蒸发的巨大潜热意味着酒精燃料在发动机中从液态变成气态形成可燃混合物时需要吸收更多的热量。因此，燃烧酒精燃料的发动机需要配备进气预热系统，以保证其低温起动性

3、能。醇类燃料蒸发潜热大的优点是：形成的混合气温度低，充气效率提高，从而提高发动机的动力性能；蒸发潜热大，可以减轻冷却系统和润滑系统的冷却负担，从而延长发动机的使用寿命。3.点火极限很宽。点燃极限是指混合物能够点燃的最小浓度和最大浓度之间的范围。浓度用空气中可燃气体的体积分数来表示。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。酒精燃料的热值低于汽油，甲醇的热值约为汽油的一半，乙醇的热值约为汽油的61%。5.酒精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、塑料等非金属材料有很大的溶胀作用。6.酒精燃料容易产生气体阻力，沸点低，有助于形

4、成燃料和空气的混合物。7.它便于储存和使用。酒精燃料在常温下呈液态，类似于汽油和柴油，便于储存和使用。然而，当温度高时，很容易在燃料供应系统中产生空气阻力，并且在严重的情况下，燃料供应将被中断并且发动机将失速。排放污染低，酒精燃料蒸发潜热大。甲醇的蒸发潜热约为汽油的3.7倍，乙醇的蒸发潜热约为汽油的2.9倍，因此醇类燃料的燃烧温度较低，能够抑制氮氧化物的生成；在醇类燃料分子中没有碳碳键结构，也没有多环芳烃在燃烧过程中通过冷凝形成烟灰颗粒的现象。因此，废气中基本上没有烟灰；酒精燃料的氧含量比汽油高，碳氢比低，混合气燃烧完全，因此废气中未燃碳氢化合物和一氧化碳的含量也相应降低。甲醇、乙醇和汽油的混

5、合燃料分别用M(甲醇)和E(乙醇)加一个数表示，下面的数表示混合燃料中甲醇或乙醇的体积分数。例如，M15代表甲醇体积分数为15的混合燃料，E10代表乙醇体积分数为10%的混合燃料。(1)汽油与酒精混合的优点，(1)良好的防爆性和低廉的价格。(2)废气中的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳含量低。2001年，中国制定了乙醇燃料发展规划，确定在吉林、河南、黑龙江三省开展燃料乙醇试点，制定了变性燃料乙醇和车用乙醇汽油两个国家标准，并开始推广含10种乙醇的车用乙醇汽油混合燃料。车用变性燃料乙醇和乙醇汽油两个国家标准于2001年4月15日正式实施。具体指标分别见表4-3和表4-4。3)汽油与酒精混合的缺点，

6、以及(1)酒精燃料与汽油的混溶性差。醇类燃料极性强，与汽油的混溶性差。混溶性受酒精和汽油的混合比、助溶剂的种类和用量、混合温度等因素的影响。图4.1显示了甲醇和汽油的互溶性曲线。图4.1甲醇和汽油的互溶曲线，1-无助溶剂2- 1助溶剂3- 2助溶剂4- 4助溶剂，(2)汽油与酒精混合容易分层。(3)汽油掺酒精对发动机的金属、橡胶和塑料有一定的腐蚀性。(4)掺醇汽油低温启动性差，高温下易产生气体阻力。纯酒精燃烧意味着简单地燃烧甲醇或乙醇燃料。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混合酒精燃料，特别是低比例混合酒精燃料更为实用。纯酒精燃烧时，发动机可根据甲醇或乙醇燃料的特性进

7、行改装，使其动力性、经济性和排放比燃烧汽油时有很大提高。图4.2显示了火花点火内燃机分别燃烧甲醇和汽油时的性能比较。图4-2甲醇内燃机特性，4.2乳化燃料，是指汽油、柴油等燃料经特殊处理后与水相混合形成的相对稳定的乳状液。乳化燃料的使用不仅可以降低发动机排放物中的氮氧化物等有害成分的含量，还能有效降低油耗。因此，使用乳化燃料是节能减排的好措施之一。4.2.1乳化燃料的节能减排原理及效果乳化燃料的燃烧是一个非常复杂的过程，其节能减排原理仍在研究中。有两种常见的解释理论：微爆炸理论和燃烧化学反应动力学理论。1。微爆炸理论，2。燃烧化学反应动力学理论。乳化燃料的节能减排效果，以及乳化燃料与非乳化燃料

8、的燃烧效果对比如图4.3所示。不难看出，在乳化油燃料的燃烧过程中，火焰中的碳颗粒减少，燃油的燃烧程度提高，燃烧条件改善，燃油的燃烧效率提高。图4.3乳化燃料和非乳化燃料之间燃烧效果的比较，4.2.2燃料乳化方法，1。超声波法是利用超声波在液体介质中传播时的机械、热和空化机理来制备乳化燃料的方法。超声波法具有设备简单、处理量大、能耗少、乳化添加剂用量少、乳化效果好等优点，是目前最常用的方法。工艺流程如图4.4所示。图4.4超声波法乳化燃料工艺流程，2。机械混合法，乳化燃料的制备也可以用机械方法将油、水和乳化添加剂按比例搅拌、剪切、混合和雾化，并使粒径符合要求。机械搅拌法柴油乳化工艺流程如图4.5

9、所示。图4.5机械搅拌法柴油乳化工艺流程，1-电动4.3.1天然气资源，天然气的主要成分是甲烷(CH4)，其体积一般占天然气的8099。表4-5不同产地天然气组成，4.3.2天然气主要理化特性，表4-6天然气主要理化特性，4.3.3天然气特性，1。宽点火极限2。含空气的理论混合物的低热值。低火焰传播速度4。高点火能量5。良好的抗爆燃性。低密度7。排放污染到小8 9。便携性差。使用天然气可以减少发动机磨损4.3.4汽车中使用天然气1。天然气作为汽车燃料的替代品，其存在形式因其存在形式和类型而异。它可分为压缩天然气和液化天然气。(1)压缩天然气(CNG)压缩天然气是通过将天然气脱水、脱硫和净化，分

10、多级压缩至约25兆帕，将其储存在气瓶中，通过减压装置将其减压，然后将其供应给发动机燃烧而获得的。(2)液化天然气液化天然气是通过一定的工艺生产的，因此它在大约-162时变成液体，并储存在高压气瓶中。与压缩天然气相比，液化天然气的工作压力降低，气瓶体积减小，行驶里程延长。然而，它对低温存储技术有更高的要求。2.天然气汽车的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。1)压缩天然气汽车，目前国内外发展迅速。中国车用压缩天然气技术指标见表4-7。表4-7车用压缩天然气的技术指标。压缩天然气汽车可分为特种压缩天然气汽车、压缩天然气和汽油双燃料汽车、压缩天然气和柴油双燃料汽车

11、等。压缩天然气是专用压缩天然气汽车的唯一燃料，其发动机的燃料供应系统是专为压缩天然气燃料设计的，可以充分发挥压缩天然气燃料的特性。压缩天然气和汽油双燃料汽车是由现有的汽油车改造而来的。有两套燃料供应系统，一套是预留的原车燃料供应系统，另一套是新增的天然气供应装置。发动机可以分别使用天然气和汽油作为燃料，两种燃料的转换可以通过选择开关来实现。图4.6显示了东风雪铁龙爱丽舍压缩天然气和汽油双燃料汽车的实物照片。图4.6东风雪铁龙爱丽舍压缩天然气和汽油双燃料汽车，压缩天然气和汽油双燃料汽车由于发动机结构没有改变，对原汽油机的性能没有影响。然而，当使用天然气燃料时，它往往不能充分发挥其优势，导致发动机

12、功率略有下降。压缩天然气和柴油双燃料汽车是由现有的柴油汽车改造而来的。其燃油供应系统可根据发动机的工况，按一定比例同时供应天然气和柴油。其中，柴油仅用作先导燃料，天然气是主要燃料。2)液化天然气汽车，由于液化天然气储存技术要求高，储存容器成本高，在一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。天然气汽车技术，即所谓的天然气汽车技术，是指汽车储存、加注和合理使用天然气的技术，主要包括以下几个方面。1)加气站技术，无论是压缩天然气还是液化天然气，在给汽车加气时，所需的加气设备比汽油、柴油等传统燃料的加气设备更加复杂，因此需要保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这就要求有更高的技术水平。2)发动机技术，

13、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。应研究和发展燃料混合、发动机燃烧室结构和点火系统的独特特性。3)气瓶技术，由于汽车的机动性，燃料必须一直携带。绝大多数天然气汽车都有图4.7东风雪铁龙爱丽舍CNG气瓶，4.4液化石油气(LPG)是一种石油产品，是炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、冷却、液化后得到的无色挥发性气体。4.4.1液化石油气资源，中国液化石油气资源包括油田和炼油厂。油田液化石油气是大庆、胜利、中原等油田伴生气处理中的轻烃产品。油田液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷，不含烯烃，适合直接用作汽车燃料。表4-8显示了中国几个炼油厂液化石

14、油气主要成分的体积分数。表4-8炼油厂液化石油气主要成分的体积分数()，4.4.2液化石油气的主要理化特性。汽车用液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷，其主要理化特性见表4-9。表4-9液化石油气的主要物理和化学特性，4.4.3液化石油气的特性，1高防爆性能，2低排放污染，3火焰传播速度慢，4高点火能量，5与空气混合物的理论热值低，6易于携带，4.4.4液化石油气在汽车中的应用，1。汽车用液化石油气技术要求为保证液化石油气质量满足汽车使用要求，我国汽车用液化石油气技术要求见表4-。表4-10液化石油气车辆的技术要求；2.液化石油气车辆的类型。根据燃料供应系统的不同，液化石油气汽车可分为特种液化石油

15、气汽车、液化石油气和汽油双燃料汽车、液化石油气和柴油双燃料汽车等。液化石油气是专用液化石油气汽车的唯一燃料，其发动机的供油系统是专为液化石油气燃料设计的，能充分发挥液化石油气燃料的特性，具有最佳的使用性能。液化石油气-汽油双燃料汽车是由现有的汽油车改装而成的。有两套燃料供应系统，一套是原车的备用供油系统，另一套是新增的液化石油气供应装置。发动机可以分别使用液化石油气和汽油作为燃料，两种燃料的转换是通过电磁阀实现的。典型布置如图4.8所示。图4.8由于发动机结构的微小变化，液化石油气-汽油双燃料汽车在使用液化石油气燃料时往往不能充分发挥其优势，导致其性能不如特种液化石油气汽车。液化石油气和柴油双

16、燃料汽车是由现有的柴油汽车改装而来的。与液化石油气和汽油双燃料汽车一样，也有两套燃料供应系统，一套是原有的柴油供应系统，另一套是新增的液化石油气供应装置。两套燃料供应系统可以根据发动机的工况按一定比例同时供应液化石油气和柴油。其中，柴油仅用作先导燃料，液化石油气是主要燃料。4.5氢的特性：首先，氢可以用水制备，氢燃烧后产生水。这种快速的资源循环使得氢能取之不尽，这决定了当未来可耗尽的资源耗尽时，氢将发挥主导作用；其次，氢是一种非常理想的清洁燃料，它通过燃烧产生水，不含二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物和煤烟等污染物。4.5.1氢气资源：有许多生产氢气的资源，如煤、石油、天然气和水，可以用来生产氢气。4.5.2氢的主要物理化学性质见表4-11。4.5.3氢的特性，1。宽点火极限，2。低点火能量，3。火焰传播速度快，4。理论混合物与空气的低热值，5。自动点火温度高，6。燃烧排放低，7。发动机热效率，8。发动机磨损小，4.5.4在发动机中使用氢，氢可单独用作内燃机燃料或与汽油混合使用。1.氢气和汽油混合作为燃料。目前，氢燃料主要用于汽车发动机燃料。2.氢气被用作内燃机的燃料，并用于发动机。供应氢气有几种方式，如缸内直接供氢、预燃室注氢、进气口间歇喷射-电磁控制、进气口间歇喷射-进气门座工作面吸气、进气管连续喷射-空气导流