第一章.能源,人類及環(huán)境

1、內(nèi)燃機教學課件車輛工程宋文鵬編寫 汽車與交通工程學院2013年9月 第一章：能源，人類與環(huán)境1-1 傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)狀傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)狀1-2 傳統(tǒng)燃料造成的環(huán)境問題傳統(tǒng)燃料造成的環(huán)境問題1-3 內(nèi)燃機未來的燃料問題內(nèi)燃機未來的燃料問題1-4 代用燃料的分類與選擇代用燃料的分類與選擇1-5 代用燃料的應用代用燃料的應用1-1 傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)狀傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)狀一、能源的概念 能量是物質(zhì)的屬性，即做功的潛在本領(lǐng)。能能量是物質(zhì)的屬性，即做功的潛在本領(lǐng)。能量有不同的形式，有萬有引力能、核能、熱能、量有不同的形式，有萬有引力能、核能、熱能、化學能、輻射能等。具有的能量在一定的的條件化學能、輻射能等。具有的能量在一定

2、的的條件下能釋放出來，以達到人們做有用功的物質(zhì)，稱下能釋放出來，以達到人們做有用功的物質(zhì)，稱為能源。為能源。 能源分為能源分為一次能源一次能源和和二次能源二次能源。存在于自然。存在于自然界中的可以提供現(xiàn)成形式能量的物質(zhì)稱為一次能界中的可以提供現(xiàn)成形式能量的物質(zhì)稱為一次能源。需要依靠其他能源來制取的能源稱為二次能源。需要依靠其他能源來制取的能源稱為二次能源。能源又分為源。能源又分為可再生能源可再生能源和和不可再生能源不可再生能源。凡。凡是不會隨著人們的利用而減少的能源稱為可再生是不會隨著人們的利用而減少的能源稱為可再生能源。如風能、太陽能、水能、生物能等。凡是能源。如風能、太陽能、水能、生物能等

3、。凡是隨著人們的利用而減少的能源稱為不可再生能源。隨著人們的利用而減少的能源稱為不可再生能源。如煤、石油、天然氣、核燃料等。如煤、石油、天然氣、核燃料等。能源的分類能源的分類一次能源二次能源一是自然界中存在的天然能源如煤炭石油、天然氣、水力、風力、鈾、植物燃料、太陽能、地熱、潮汐能等由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化為的人工能源，如電力、汽油煤油。柴油、重油、焦炭、煤氣、沼氣等稱為二次能源。二、化石燃料現(xiàn)狀煤煤化石燃料石油石油天然氣天然氣工業(yè)的糧食工業(yè)的血液 這些燃料同化石一樣都是經(jīng)歷了非常漫長的時代和復雜的變化才形成的，所以叫化石燃料。由于它們形成所需的時間和變化對于我們?nèi)藖碚f是無法重演的，所以它們都

4、是不可再生能源煤的形成數(shù)百 萬年后石油、天然氣的形成數(shù)百 萬年后能源生產(chǎn)增長緩慢自然災害局部戰(zhàn)爭氣候變化供需關(guān)系緊張能源消費快速增長石油儲量分布概況：石油儲量分布概況：我國的能源結(jié)構(gòu)我國的能源結(jié)構(gòu)10%24%40%26%世界的能源結(jié)構(gòu)世界的能源結(jié)構(gòu)世界化石能源供應進一步趨緊，傳統(tǒng)能源安世界化石能源供應進一步趨緊，傳統(tǒng)能源安全問題依然嚴峻，非傳統(tǒng)能源安全問題日益凸顯。全問題依然嚴峻，非傳統(tǒng)能源安全問題日益凸顯。能源的政治屬性和金融屬性進一步增強，地緣政能源的政治屬性和金融屬性進一步增強，地緣政治格局更加復雜，大國博弈日趨激烈。世界能源治格局更加復雜，大國博弈日趨激烈。世界能源秩序面臨重大調(diào)整。秩

5、序面臨重大調(diào)整。 世界能源需求持續(xù)增長，發(fā)達國家能源需求世界能源需求持續(xù)增長，發(fā)達國家能源需求趨穩(wěn)，中國、印度等發(fā)展中國家成為新增需求的趨穩(wěn)，中國、印度等發(fā)展中國家成為新增需求的主體，對國際能源市場影響力逐漸增大，能源消主體，對國際能源市場影響力逐漸增大，能源消費格局呈現(xiàn)由發(fā)達國家主導向發(fā)達國家與發(fā)展中費格局呈現(xiàn)由發(fā)達國家主導向發(fā)達國家與發(fā)展中國家共同主導轉(zhuǎn)變趨勢。國家共同主導轉(zhuǎn)變趨勢。（Proved reserves at end of 2010） (BP, 2011)15煤炭最豐富，石油、天然氣相對較少煤炭最豐富，石油、天然氣相對較少2010年化石能源儲采比 化石能源儲采比（2004/20

6、10）2010年世界主要國家能源消費結(jié)構(gòu)(%)我國資源人均占有水平石油與天然氣的進口量預測 2010年中國進口原油1.031.32億噸、天然氣300億立方米； 到2020年石油進口量將到達2.002.50億噸，天然氣1000-1500億立方米。我國能源的結(jié)構(gòu)及特點 中國人口眾多；中國人口眾多； 經(jīng)濟還要爭取幾十年的高速增長；經(jīng)濟還要爭取幾十年的高速增長； 人均能源消費水平低人均能源消費水平低 能源強度高能源強度高 能源資源人均占有量低；能源資源人均占有量低； 今后能源需求將大幅度提高；今后能源需求將大幅度提高； 能源供應的保障和安全面臨挑戰(zhàn)能源供應的保障和安全面臨挑戰(zhàn)； 我國目前使用的能源主要

7、為煤、石油、天我國目前使用的能源主要為煤、石油、天然氣、水電、核電、草木能源等。其中消耗量然氣、水電、核電、草木能源等。其中消耗量最大的是煤，約占最大的是煤，約占70%70%左右，其次是石油，約左右，其次是石油，約占占20%20%，水電和天然氣約為，水電和天然氣約為9%9%。這種能源結(jié)構(gòu)。這種能源結(jié)構(gòu)除水電比重過小外，是符合我國的能源儲藏狀除水電比重過小外，是符合我國的能源儲藏狀況的。況的。 我國即將成為世界最大能源消費國。隨著我國即將成為世界最大能源消費國。隨著國家實現(xiàn)現(xiàn)代化的進程，能源需求仍將大幅度國家實現(xiàn)現(xiàn)代化的進程，能源需求仍將大幅度增加。我國人均化石能源資源量很低，尤其是增加。我國人

8、均化石能源資源量很低，尤其是石油、天然氣僅為世界平均水平的石油、天然氣僅為世界平均水平的6%6%左右。能左右。能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。1-2 傳統(tǒng)燃料造成的環(huán)境問傳統(tǒng)燃料造成的環(huán)境問題題車輛尾氣污染工業(yè)污染工業(yè)污染大氣污染大氣污染內(nèi)燃機排放與環(huán)境污染內(nèi)燃機排放與環(huán)境污染 內(nèi)燃機排放主要是指內(nèi)燃機燃料燃燒后的產(chǎn)物向大氣環(huán)境的擴散。 能源作為人類賴以生存的基礎，其開采、輸送、加工、轉(zhuǎn)換、利用和消費的過程都直接或間接地改變著地球上的物質(zhì)平衡和能量平衡，必然對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生各種影響，成為環(huán)境污染的根源之一。 能源對環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在導致溫室效應、酸雨、臭氧層破壞、熱污染、放射性污染等

9、。 世界經(jīng)濟發(fā)展和人類賴以生存的環(huán)境是不協(xié)調(diào)的，經(jīng)濟發(fā)展和人口增長給環(huán)境造成了巨大的壓力，對發(fā)展中國家這種情況尤為突出。v 完全燃燒產(chǎn)物的基本成分是：1）二氧化碳2）水蒸汽3）剩余的氧氣4）殘留的氮氣對人類無直接危害，是無害排放物。v 不完全燃燒產(chǎn)物和燃燒中間產(chǎn)物的基本成分是：1、CO2、HC3、NOx4、 SO25、顆粒物6、醛類一、內(nèi)燃機排氣中有毒成分的危害1、CO2、HC3、NOx4、微粒5、臭氣6、硫的氧化物1、CO CO是無色、無味的易燃有毒氣體，也是空氣中最主要的污染物。 CO在氧氣不足的情況下產(chǎn)生，其濃度主要受到過量空氣系數(shù)的影響。2、HC 城市中HC對人體健康無害，但能導致生成

10、有害的光化學煙霧。1）在燃燒過程中生成并隨排氣排出；2）曲軸箱竄氣；3）燃油蒸發(fā)。3、NOx NOx種類繁多，內(nèi)燃機排氣中最重要的是NO和NO2，兩者都具有毒性，對環(huán)境會造成危害，是值得重視的有害排放物。 NO2是一種褐色氣體，有特殊刺激性臭味，是構(gòu)成內(nèi)燃機排氣臭味的物質(zhì)成分之一。 在燃燒高溫期，燃燒室空氣中的氧和氮化合形成。4、微粒 微粒是指空氣中分散的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，其粒度在分子級，包括氣溶膠、煙、塵、霧和炭煙等。 炭煙是在高溫和缺氧的條件下生成的。 一般肉眼可分辨的微粒直徑在100 m以上。5、臭氣 構(gòu)成排氣中臭氣的成分：一是，O3、NO2；二是，燃料的不完全燃燒產(chǎn)物，如甲醛、丙烯醛等。

11、 刺激人的眼粘膜，產(chǎn)生不舒服感。6、硫的氧化物 主要是SO2，其數(shù)量由燃料的含硫量決定。 一般來說，柴油機比汽油機排氣中的SO2多。二、光化學煙霧 上述排氣中所含的有毒物質(zhì)都是內(nèi)燃機直接排出的污染物，稱為一次污染物。 當其中的HC和NOx排入大氣后，在太陽光作用下經(jīng)光化學反應而生成的刺激性產(chǎn)物，成為二次污染物，即光化學煙霧。 光化學煙霧一般發(fā)生在逆溫層和低風速、空氣接近停滯狀態(tài)、陽光充足的氣象條件下。三、各種污染物危害比較 最新的研究結(jié)果證實，對人體健康的影響以空氣中細小顆粒物PM2.5污染最為嚴重，其次是SO2污染，NOx污染的影響相對較弱。四、大氣質(zhì)量和內(nèi)燃機排放標準 世界衛(wèi)生組織將大氣質(zhì)

12、量劃分為四個等級，各國均以此為依據(jù)，按照本國的實際情況制定大氣質(zhì)量標準。 我國于1996年頒布了大氣環(huán)境質(zhì)量標準GB309596，規(guī)定環(huán)境空氣中主要污染物為：SO2、總懸浮微粒TSP、可吸入顆粒物IP、 NOx、 CO2、CO、O3、鉛、苯并芘和氟化物。 大氣環(huán)境質(zhì)量 標準GB309596把大氣環(huán)境質(zhì)量標準分為三級： 一級標準指為保護自然生態(tài)和人群健康，在長期接觸情況下，不發(fā)生任何危害及影響的空氣質(zhì)量要求； 二級標準指為保護人群健康和城市、鄉(xiāng)村動植物在長期和短期接觸情況下，不發(fā)生傷害的空氣質(zhì)量要求； 三級標準指為保護人群不發(fā)生急、慢性中毒和城市一般動植物（敏感者除外）能正常生長的空氣質(zhì)量要求。

13、 目前，國際上主要有三種內(nèi)燃機排放標準：1、美國聯(lián)邦標準2、日本標準3、歐洲經(jīng)濟委員會標準1-3 內(nèi)燃機未來的燃料問題內(nèi)燃機未來的燃料問題 世界的石油資源終將日趨減少，石油世界的石油資源終將日趨減少，石油燃料短缺的現(xiàn)象必然會出現(xiàn)，而且是日燃料短缺的現(xiàn)象必然會出現(xiàn)，而且是日益嚴重，因此，早在益嚴重，因此，早在7070年代各國就在紛年代各國就在紛紛的研究對策。一方面深入研究內(nèi)燃機紛的研究對策。一方面深入研究內(nèi)燃機的節(jié)能，降低它的比油耗；一方面挖掘的節(jié)能，降低它的比油耗；一方面挖掘它的潛力，改變?nèi)剂系氖褂梅绞剑芯克臐摿Γ淖內(nèi)剂系氖褂梅绞?，研究?nèi)燃機的代用燃料。能源問題將會對內(nèi)內(nèi)燃機的代用燃料。

14、能源問題將會對內(nèi)燃機產(chǎn)生如下的影響：燃機產(chǎn)生如下的影響：一、使用品質(zhì)更劣的燃料 未來船用柴油機將要用品質(zhì)更差的劣質(zhì)重油和殘渣油。預測劣質(zhì)燃油品質(zhì)見表1-1.表1-1未來船用燃油品質(zhì)預測二、改變使用燃料的方式 1、 將上述劣質(zhì)重油及殘渣用過濾器或離心分離法進行處理，從而除去里面的大部分瀝青及固體殘渣等部分。2、 對劣質(zhì)重油進行研磨，或在一定壓力下從噴嘴噴出，使顆粒變成15微米的微粒，再和水形成乳化液使用。3、 煤炭粉碎成煤粉，煤的液化，氣化。三、使燃料適用于多種動力裝置 柴油機的熱效率較高，在柴油機中摻燃汽油或?qū)掟s分燃料，可以提高燃料的使用效率。在原來使用液體燃料的發(fā)動機中，改用沼氣，天然氣或液化石油氣等氣體燃料。使重油甚至煤粉運用于燃氣輪機中。上述這些研究方向都是使燃料能有多種用途，使發(fā)動機具備燃燒多種燃料的性能。這樣不僅可以提高燃料的利用率，擴大其靈活性，能應付某種燃料突然短缺的應急狀況，還可以經(jīng)過發(fā)動機多種燃料性能的研究，使柴油機和汽油機“雜交”，獲得新的更完善的過程。四、使用摻合燃料及改質(zhì)燃料 由傳統(tǒng)的石油燃料改用代用燃料或完全新型燃料時，一方面由于代用燃料在