第四章-车用替代燃料.ppt

1、第三章车用替代燃料。在石油资源减少和环境污染加剧的双重影响下，开发和寻找低污染、低成本的替代燃料已成为当务之急。汽车代用燃料的双重标准主要包括：1)资源丰富。2)价格应相对便宜，以便广泛推广。3)由于能量密度高，热值高，汽车在少量行驶时可以有足够的行驶里程。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有醇类燃料、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，或者用生物材料生产，而且工艺成熟。乙醇生产的原料是植物，例如，巴西用甘蔗生产乙醇。目前，使用

2、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来提高抗爆性能。汽油中加入约10%的乙醇或乙基叔丁基醚(ETBE)。比汽油少30%的烟。醇类燃料的特性1)高辛烷值汽油发动机燃料的防爆性能是最重要的性能之一。酒精燃料的辛烷值高于汽油。但是，值得注意的是，它们的灵敏度非常大，在使用中应特别注意。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。)。对于汽油发动机，灵敏度越小越好。酒

3、精燃料的敏感性表明其低速抗爆性能优于中高速抗爆性能。2)大的蒸发潜热是指单位质量的纯物质在常压沸点下从液态到气态所吸收或释放的热量。酒精燃料蒸发的潜热将使形成的混合物的浓度降低，这使得发动机难以起动。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可以降低混合气的温度，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)宽点燃极限可燃混合物的点燃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，可以实现稀薄燃烧，有效降低发动机在部分负荷下的能耗和排放污染。

4、4)低热值通常，酒精替代燃料的热值低于石油燃料。然而，由于含醇氧混合燃料燃烧所需的理论空气量较少，且燃料的有效输出功率不仅取决于燃料的热值，还取决于可燃混合物的热值，所以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的汽油燃料的热值大致相同。因此，只要提供适当质量的混合物，就不会影响发动机功率的输出变化。5)腐蚀性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、塑料等非金属材料有很大的膨胀作用。6)易产生气阻的醇类燃料沸点低，有利于形成燃料和空气的混合物。然而，当温度高时，很容易在燃料供应系统中产生空气阻力。在严重的情况下，燃油供应会中断，发动机会失速。7)便于储存和

5、使用酒精燃料在常温下为液态，与传统燃料中的汽油、柴油相似，因此是液态8)低排放污染的醇类燃料的蒸发潜热较大，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，可抑制氮氧化物的生成；醇类燃料分子中不存在碳碳键结构，也不存在多环芳烃在燃烧过程中通过冷凝形成碳烟颗粒的现象。发酵，1)发酵生产乙醇的原料、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。(中国每年废弃生物质资源量约为2-4亿吨标准煤。)目前，发酵生产乙醇的原料基本上属于前两类。目前，应大力发展和完善以秸秆为原料的乙醇生产技术

6、。乙醇燃料生产，生产工艺，淀粉或纤维素，糖，酒精，糖化酶，醇化酶，C6H12O6，2CH 2H 5O 2CO 2，醇化酶，60-72h，葡萄糖，酒精燃烧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。但是，由于其点火性能差，十六烷值比柴油低得多，因此很难在柴油发动机中使用。在汽油发动机中使用酒精燃料有两种主要方式：混合酒精燃烧和纯酒精燃烧。1混合酒精燃烧是指将乙醇以不同比例混合到汽油中。乙醇。(1)酒精汽油的优点(1)抗爆性好。2)废气中氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的含量低。醇类燃料蒸发潜热高，使得掺醇汽油形成的混合气燃烧温度低，因此废气中的氮氧化物含量低；醇类燃料中含有氧气，其碳氢比

7、小于汽油，这使得掺醇汽油形成的混合气燃烧更完全，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)汽油与酒精混合的缺点，以及(1)酒精燃料与汽油的混溶性差。助溶剂必须大量使用。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、橡胶和塑料有腐蚀性。4)掺醇汽油低温启动性差，高温时易产生气体阻力。纯酒精燃烧纯酒精燃烧是指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烧，特别是低比例混合酒精燃烧更为实用。因此，人们对纯酒精燃料的使用进行了许多研究。有必要对发动机进行大的改动，包括调整供油系统，增加油泵的供油，安装进气预热装置，提

8、高零件的耐腐蚀性。汽车发动机工作时，不仅消耗石油燃料，还会排放有害物质，污染环境。如果使用乳化燃料，不仅可以减少废气中的氮氧化物和其他有害成分，减少烟雾和污染，还能有效降低燃料消耗。使用乳化燃料是节能减排的好措施之一。乳化燃料是在乳化剂的作用下，将燃料和水乳化，稳定乳化液。1.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团。在加热汽化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先于油蒸发，汽化压力突破油膜阻力，使油滴爆炸。由于爆炸，油滴变得更细，与空气混合更均匀。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

9、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比较但是，OH具有很强的化学活性，能与烃类燃烧过程中形成的中间产物或不完全燃烧产物发生反应，促进烃类物质的燃烧过程，使燃料在上止点附近燃烧，及时释放所有的热能，提高发动机的热效率，从而达到节能减排的目的。同时，由于乳化燃料中水分的蒸发需要吸收热量，这也将降低气缸内的燃烧温度，减少氮氧化物的排放。具体反应过程如下：H2O OH-2CO 2OH-2CO 2OH-2CO 2OH-2CO 2OH，油乳化法L，超声波法，单设备桶，能耗少，乳化颗粒细小均匀，节油效果较好。工艺流程见下图。2.

10、机械搅拌法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，乳化燃料效率低、不稳定且消耗大量能量。3.化学添加剂法化学添加剂法处理简单，成本高。图4-5机械混合法柴油乳化过程、超声乳化燃烧过程、天然气组成及不同产地天然气(1)天然气主要成分为甲烷。甲烷占大多数天然气的90%以上，其中一些高达95-98%。天然气含有其他正构烷烃(甲烷除外)，约占总量的1-13%。天然气还含有N2、二氧化碳和其他气体，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组成有所不同。(2)天然气低位热值一般为33-38MJ/m3。还有高达40-64MJ/m3。高热值天然气一

11、般含有大量的乙烷到戊烷，由于乙烷到戊烷的密度比甲烷高，所以低热值按体积计算大大增加。低热值是指单位气体完全燃烧后，烟气冷却至初始温度时释放的总热量，水蒸气以蒸汽形式排出。(3)天然气的密度为0.71-0.89千克/立方米，根据不同的产地而有所不同。天然气中甲烷含量高时，密度小；甲烷含量不高(低于90%)，而当己烷-戊烷含量较高(在5和13之间)时，密度较高。(4)天然气的理论空燃比一般为9.4-12.3。下限属于甲烷含量高的天然气，上限属于甲烷含量相对较低的天然气。(5)天然气混合物的理论热值为3.22-3.42兆焦耳/立方米。此外，应注意的是，同一井口在夏季和冬季生产的天然气成分会有所不同。

12、天然气的特性(1)宽点火极限。(2)空气混合物的理论热值低。(3)火焰传播速度低。(4)点火能量高。(5)良好的抗爆燃性。(6)低密度。(7)减少排放污染。(8)便携性差。(9)使用天然气可以减少发动机磨损。天然气燃料使燃烧室积碳少，燃烧产物不含液体燃料成分，对润滑油损害小。天然气在汽车中的应用。天然气的现有形式包括压缩天然气和液化天然气，天然气汽车类型，液化天然气汽车，压缩天然气汽车，特殊压缩天然气汽车，特殊压缩天然气和汽油或柴油双燃料汽车，3。天然气汽车技术1)加气站技术：无论是压缩天然气还是液化天然气，加气时所需的加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加气设备复杂。必须保证压缩天然气的压力和

13、液化天然气的低温，这就要求有较高的技术水平。2)发动机技术：天然气燃料的性质不同于汽油和柴油，所以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性。3)气瓶技术：由于汽车的机动性，燃料必须随时携带。如何保证天然气气瓶的储存压力和保温能力在20世纪20年代末和30年代初，意大利率先开发了常压气球天然气汽车和压缩天然气汽车，以解决汽油短缺的问题。到20世纪80年代，由于石油危机的加剧、改善环境的呼声越来越高以及压缩机技术的不断进步，天然气汽车发展迅速。1986年，30多家燃气公司在加拿大渥太华成立了国际天然气汽车协会。20世纪90年代以来，

14、天然气汽车的发展因素进一步成熟，俄罗斯、美国等国家分别成立了天然气汽车协会。下表2显示了世界上一些国家天然气汽车的发展状况。车用天然气发动机技术的发展过程经历了三个阶段：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、意大利等少数国家和地区得到发展，主要目的是以气代油，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，如启动性、行驶可靠性等。并且最小化液体燃料发动机的性能差距，尤其是功率差距。这时，一种用于化油器式汽车的混合式天然气发动机装置被开发出来。第二阶段是从20世纪60年代到90年代初。这一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油和柴油汽车排放的污染

15、少，许多国家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。相继开发了用于气体供应开环控制的化油器型车辆和用于开环控制的电喷气体供应装置，并且开发了比第一代更环保和更先进的天然气车辆。第三阶段是20世纪90年代以后。随着汽油机技术的提高，排放污染大大减少，天然气汽车的优势不明显，这促使天然气汽车行业对发动机进行改造，开发更先进的闭环电子控制、电子数字控制、单点和多点喷射、高压直喷供气系统。特别是1995年以后，车用天然气发动机采用了理论空燃比反馈控制稀薄燃烧等技术，极大地提高了车用天然气发动机的效率、经济性、排放和动力性能，实现了车用天然气发动机技术的质的飞跃。1991年至20

16、08年，世界各地区天然气汽车总量超过950万辆，近年来天然气汽车年均增长率超过30%；有超过12，000个天然气加气站。就天然气汽车数量而言，阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利位列世界前六名。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年平均年增长率为50%。其中，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，中国启动了由原国家科委牵头的“清洁汽车行动净化空气工程”，并与原国家计委、国家环保总局、建设部等13个部委成立了国家清洁汽车行动协调领导小组，随后启动了北京、上海、重庆、四川等12个示范城市和地区，2005年

17、扩大到19个。2006年，国家再次启动“节能与新能源汽车”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；建设了555个天然气加气站，比2006年增加了75个。中国的天然气汽车和加气站主要集中在气源附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、Xi、兰州等。天然气的便捷供应和低廉的天然气价格(仅为石油价格的40%)是天然气汽车快速发展的主要驱动力。压缩天然气车辆及充装统计见下表(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，火焰传