代用燃料及電動(dòng)汽車(chē)

1、第七講 代用燃料及電動(dòng)汽車(chē)一、天然氣汽車(chē)二、液化石油氣汽車(chē)三、太陽(yáng)能汽車(chē)四、電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)8/27/20221一、天然氣汽車(chē) 天然氣是使用最早、最廣泛的一種代用燃料，其使用方式有：1）壓縮天然氣CNG（Compressed Natural Gas）2）液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas）3）吸附天然氣ANG（Adsorbed Natural Gas）4）天然氣水合物NGH（ Natural Gas Hydrate） 從代用燃料到清潔燃料“可燃冰”巖芯樣品釋放的氣體可直接點(diǎn)燃。 8/27/20222 到目前為止，全世界在用的天然氣汽車(chē)已超過(guò)200萬(wàn)輛： 天然氣汽

2、車(chē)較多的國(guó)家主要是阿根廷、意大利和巴基斯坦等，而美國(guó)是天然氣加氣站最多的國(guó)家，約82輛天然氣汽車(chē)就有一個(gè)加氣站。 在我國(guó)，北京、上海、天津、重慶等12個(gè)示范城市天然氣汽車(chē)保有量已達(dá)5.7萬(wàn)輛，已建成天然氣加氣站233座。8/27/202231、天然氣的性質(zhì) 天然氣的主要成分是甲烷，隨產(chǎn)地不同，甲烷的含量為8399，其理論混合比和發(fā)熱量也有差異。 天然氣的研究法辛烷值為130，十六烷值為零，所以只能點(diǎn)燃不能壓燃。 CO、HC和炭煙排出量較少， CO2排出量也較少，未燃HC產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的可能性小。8/27/20224 1996年，中國(guó)石油天然氣總公司發(fā)布的汽車(chē)用天然氣技術(shù)要求：項(xiàng)目質(zhì)量指標(biāo)試驗(yàn)方

3、法高位發(fā)熱量/(MJm-3)31.4GB/T 11062硫化氫含量/(mg m-3)20GB/T 11060.1或11060.2總硫含量/(mg m-3)270GB/T 11061CO2含量(體積分?jǐn)?shù))/()3.0SY/T 7506水露點(diǎn)低于最高操作壓力下最低環(huán)境溫度5 SY/T 7507(計(jì)算決定)為確保天然氣的使用安全，壓縮天然氣應(yīng)有特殊氣味，必要時(shí)加入適量加臭劑，保證天然氣的濃度在空氣中達(dá)到爆炸下限的20前能被察覺(jué)；氣體體積為在101.325kPa、20狀態(tài)下的體積。8/27/202252、天然氣汽車(chē)的種類(lèi) 根據(jù)汽車(chē)攜帶天然氣的方式不同劃分：略。 根據(jù)汽車(chē)使用的燃料種類(lèi)多少劃分：1）單燃

4、料天然氣汽車(chē)（Natural Gas Dedicated Vehicle）2）兩用（靈活）燃料天然氣汽車(chē)（Fuel Flexible Vehicle）3）雙燃料天然氣汽車(chē)（Dual Fuel Vehicle）8/27/20226（1）單燃料天然氣汽車(chē) 專(zhuān)用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)都具有較高的壓縮比，并且采用燃料噴射系統(tǒng)和特制的天然氣用催化凈化器。8/27/202271）在汽油機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)5SFNE天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)種類(lèi)缸徑行程(mm mm)排量/L壓縮比氣缸數(shù)氣門(mén)系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)矩/(Nm)最大功率/kW(5200r/min)天然氣87 912.21144氣門(mén)頂置凸輪軸178(240

5、0r/min)88汽油87 912.2944氣門(mén)頂置凸輪軸197(4400r/min)978/27/20228 如圖所示，豐田公司開(kāi)發(fā)的5SFNE型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)示意圖：8/27/202292）在柴油機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o方式及其比較：響應(yīng)性最高功率混合氣形式開(kāi)發(fā)費(fèi)缸內(nèi)空然比的均勻性開(kāi)發(fā)周期成本單點(diǎn)噴射式混合器式多點(diǎn)噴射式注：差；較差；較好；好8/27/202210FU6天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)：混合氣供給形式缸徑行程(mm mm)排量/L壓縮比氣缸數(shù)燃燒形式最大轉(zhuǎn)矩/(Nm)最大功率/kW單點(diǎn)噴射式108 1266.925116稀混合氣666(1600r/min)154

6、(2800r/min)混合器式108 1266.925116稀混合氣539(1600r/min)132(2800r/min)8/27/202211 如圖所示，日產(chǎn)公司開(kāi)發(fā)的FU6型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)：8/27/202212（2）兩用燃料天然氣汽車(chē) 如圖所示，兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指在汽油機(jī)的基礎(chǔ)上，保留原有的汽油供給系統(tǒng)，另外再添加一套氣體燃料供給系統(tǒng)，工作時(shí)只能使用一種燃料，即要么使用汽油燃料，要么使用氣體燃料。 8/27/202213儲(chǔ)氣系統(tǒng)包括充氣裝置、儲(chǔ)氣瓶、氣壓顯示裝置和手動(dòng)截止閥等。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)包括天然氣過(guò)濾器、減壓調(diào)節(jié)器（簡(jiǎn)稱調(diào)壓器）、混合器、低壓軟管及循環(huán)水軟管等。燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括燃料轉(zhuǎn)換

7、開(kāi)關(guān)、天然氣截止閥和汽油截止閥等。 8/27/202214（3）雙燃料天然氣汽車(chē) 如圖所示，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指在柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，保留原有的柴油供給系統(tǒng)，另外再添加一套氣體燃料供給系統(tǒng)，工作時(shí)同時(shí)使用兩種燃料，即用噴入氣缸的少量柴油經(jīng)壓燃后引燃?xì)飧變?nèi)的氣體燃料。 8/27/202215（4）液化天然氣汽車(chē) LNG的密度大約比CNG氣高3倍，可彌補(bǔ)CNG能量密度低、續(xù)航里程短及在高壓狀態(tài)下搬運(yùn)會(huì)導(dǎo)致燃料容器的體積增大等缺點(diǎn)。 目前，開(kāi)發(fā)具有良好絕緣性能和成本低的燃料箱，難度較大，離實(shí)用化還較遠(yuǎn)。 液化天然氣汽車(chē)主要有兩類(lèi)，即自然吸入方式和強(qiáng)制供給方式。8/27/2022161）自然吸入方式8/27/

8、2022172）強(qiáng)制供給方式 利用裝在LNG燃料箱上的供給泵，將LNG呈液體狀態(tài)吸入，根據(jù)負(fù)荷大小，由供給泵供給必要的液化天然氣。8/27/2022183、天然氣汽車(chē)的動(dòng)力性 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作噪聲小、排放性能好，具有良好的應(yīng)用前景。 但是，直接改裝的兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)動(dòng)力性大幅度下降。8/27/202219 一汽集團(tuán)開(kāi)發(fā)研制的天然氣、汽油和液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)的比較： 型號(hào)項(xiàng)目CA6102基本型CA6102GCA6102N-1CA6102N-2型式四沖程、直列、六缸汽油機(jī)四沖程、直列、六缸高原汽油機(jī)四沖程、直列、六缸兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程、直列、六缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比6.97

9、.27.68.8燃料汽油CNGLPG汽油CNGLPG汽油CNGLPGCNG額定功率(3000r/min)/kw9975911018093105899791最大轉(zhuǎn)矩(12001400r/min)/(Nm)373322343375324345379335362350最低燃料消耗率汽油、LPG：g/(kwh)，CNG:L/(kwh)3063992833003902822953792803708/27/202220 如圖所示，492QC發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣和汽油時(shí)的轉(zhuǎn)矩和功率曲線：8/27/2022214、天然氣汽車(chē)的排放指標(biāo) 天然氣是一種清潔燃料，其排放性能的改善幅度是隨著天然氣汽車(chē)的排放系統(tǒng)和天然氣汽

10、車(chē)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不同而改變。8/27/202222（1）天然氣汽車(chē)的排放測(cè)量結(jié)果示例 如圖所示，按照美國(guó)聯(lián)邦的試驗(yàn)規(guī)范FTP測(cè)試的排放結(jié)果：8/27/202223 如圖所示，按照日本G1015模式對(duì)小型乘用天然氣汽車(chē)的排放性能測(cè)試的結(jié)果：8/27/202224 如圖所示，為重型車(chē)用柴油機(jī)D-13模式和重型車(chē)用汽油機(jī)G-13模式的測(cè)試結(jié)果：8/27/202225 如圖所示，為天然氣汽車(chē)與汽油車(chē)排放性能的比較試驗(yàn)結(jié)果：8/27/202226（2）天然氣汽車(chē)的排放控制裝置 如圖所示，是帶有三效催化轉(zhuǎn)化器的閉環(huán)排放控制系統(tǒng)示意圖：8/27/202227二、液化石油氣汽車(chē) 液化石油氣汽車(chē)就是以液化石油氣為

11、主要燃料的汽車(chē)，簡(jiǎn)稱LPG汽車(chē)。 與常規(guī)燃料相比，具有燃燒完全、積炭少、排放污染低等優(yōu)點(diǎn)，稱為“清潔燃料”。 液化石油氣的來(lái)源有油田和石化廠兩個(gè)途徑。8/27/2022281、液化石油氣的組成及存儲(chǔ)方式 LPG是以含三個(gè)或四個(gè)炭原子的烴類(lèi)為主的一種混合物，下表是我國(guó)幾個(gè)產(chǎn)地的LPG的成分：地區(qū)丙烷丙烯丁烷丁烯C2H6+ C2H4其他南京石油化工廠18.1723.0629.0426.451.282.0大慶煉油廠13.6050.9031.800.203.5錦州石油六廠8.5024.5023.9033.401.308.48/27/202229 中國(guó)石油天然氣總公司制定的車(chē)用液化石油氣質(zhì)量要求：項(xiàng)目質(zhì)

12、量指標(biāo)試驗(yàn)方法車(chē)用丙烷車(chē)用丙丁烷混合物37.8蒸氣壓（表壓）/kPa14301430GB/T 66021）組分a/（）丙烷60SH/T 0230丁烷及以上組分2.5戊烷及以上組分2丙稀55殘留物100mL蒸發(fā)殘留物/mL0.050.05SY/T 7509油漬觀察通過(guò)通過(guò)密度（20或15）/ （kgm-2）實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)SH/T 02212）銅片腐蝕不大于1級(jí)不大于1級(jí)SH/T 0232總硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）123106140106SY/T 7508游離水無(wú)無(wú)自測(cè)1）蒸氣壓力允許用GB/T 12567方法計(jì)算，但在仲裁時(shí)必須用GB/T 6602測(cè)定；2）密度允許用GB/T 12567方法機(jī)算，但在仲裁時(shí)

13、必須用SH/T 0221測(cè)定；3）規(guī)范號(hào)：SY 75481998。8/27/202230 LPG存儲(chǔ)方式最常見(jiàn)的是罐儲(chǔ)，根據(jù)儲(chǔ)存的溫度、壓力不同，可分為三種形式：1）常溫壓力2）低溫壓力3）低溫常壓 還可以將LPG做成磚形固體，在露天或倉(cāng)庫(kù)中堆放存儲(chǔ)。8/27/2022312、液化石油氣汽車(chē)的種類(lèi)根據(jù)汽車(chē)使用的燃料種類(lèi)多少劃分：1）單燃料液化石油氣汽車(chē)2）兩用（靈活）燃料液化石油氣汽車(chē)3）雙燃料液化石油氣汽車(chē)8/27/202232（1）單燃料液化石油氣汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給系統(tǒng)專(zhuān)為燃用LPG而設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮LPG的優(yōu)點(diǎn)，使用性能最佳。8/27/202233（2）兩用燃料液化石油氣汽車(chē) 如圖

14、所示，兩用燃料液化石油氣汽車(chē)大部分是在汽油機(jī)的基礎(chǔ)改裝而成的：8/27/202234（3）雙燃料液化石油氣汽車(chē) 是在柴油機(jī)的基礎(chǔ)上加裝LPG供給系統(tǒng)改裝而成，柴油供給系統(tǒng)僅向氣缸內(nèi)噴入少量柴油，用于引燃LPG與空氣的混合氣而實(shí)現(xiàn)燃燒，對(duì)外做功。 8/27/202235三、太陽(yáng)能汽車(chē)如圖所示，是太陽(yáng)能汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)：8/27/202236如圖所示，是太陽(yáng)能汽車(chē)的工作原理：8/27/2022371、太陽(yáng)能汽車(chē)的種類(lèi)類(lèi)別類(lèi)車(chē)類(lèi)車(chē)類(lèi)車(chē)類(lèi)車(chē)車(chē)身及載重樹(shù)脂材料車(chē)身，載重120200kg，12人樹(shù)脂材料/鋁框架車(chē)身，載重210270kg，12人樹(shù)脂復(fù)合材料車(chē)身，載重350700kg，2人商品轎車(chē)車(chē)身改造，載

15、重830980kg，2人太陽(yáng)能電池多晶硅、單晶硅，面積710m2,10002000W多晶硅、單晶硅，面積57m2,7501250W多晶硅，面積23m2,350460W多晶硅、單晶硅，面積1.52m2,80400W蓄電池銀鋅、鎳鋅，35kwh銀鋅、鎳鋅，35kwh鎳鋅，59kwh鉛酸，1418 kwh車(chē)速100120 km/h3050 km/h3050 km/h2040 km/h8/27/2022382、太陽(yáng)能電池的類(lèi)型 太陽(yáng)能電池的類(lèi)型可分為多晶硅和單體硅，近年來(lái)單晶硅越來(lái)越成為主流。 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵問(wèn)題，目前的轉(zhuǎn)換效率在1423范圍內(nèi)。8/27/202239四、電動(dòng)汽車(chē)和混合

16、動(dòng)力汽車(chē) 電動(dòng)汽車(chē)是以電力作為能源、由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。 在外形上，電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)并無(wú)顯著區(qū)別，其主要區(qū)別在于動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 如果一輛汽車(chē)同時(shí)采用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，就構(gòu)成了混合動(dòng)力汽車(chē)。8/27/2022401、電動(dòng)汽車(chē)8/27/202241 從環(huán)境保護(hù)角度看，電動(dòng)汽車(chē)有如下特點(diǎn)：1）電動(dòng)汽車(chē)在行駛中不排放任何有害氣體；2）電動(dòng)汽車(chē)消耗的電能有多種來(lái)源。 目前，阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及應(yīng)用的主要問(wèn)題：1）電池性能不能滿足要求；2）制造成本過(guò)高。8/27/202242 如圖所示，電動(dòng)汽車(chē)由電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主能源系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：8/27/2022432、混合動(dòng)力汽車(chē)（Hyb

17、rid Electric Vehicle，HEV） 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在一輛汽車(chē)上同時(shí)配備電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力單元，其中輔助動(dòng)力單元是燃燒某種燃料的原動(dòng)機(jī)或由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組。 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)將原動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、能量?jī)?chǔ)存裝置按某種方式組合在一起，有串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種布置形式。8/27/202244（1）串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng) 如圖所示，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理： 即發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器直接輸送到電動(dòng)機(jī)，再由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁力矩驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。8/27/202245（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng) 如圖所示，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理： 即發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)橋連接

18、，電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力復(fù)合裝置也與驅(qū)動(dòng)橋相連，汽車(chē)可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。 8/27/202246（3）混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)（串并聯(lián)靈活驅(qū)動(dòng)式） 如圖所示，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理： 即發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率一部分通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置輸送給驅(qū)動(dòng)橋，另一部分則驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋；根據(jù)行駛工況靈活采取串聯(lián)方式或并聯(lián)方式工作。 8/27/202247豐田混和動(dòng)力汽車(chē)普銳斯8/27/202248工作模式8/27/2022498/27/2022503、燃料電池汽車(chē) 燃料電池（Fule cell）是一種將燃料氧化的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的“發(fā)電裝置”。 雖然習(xí)

19、慣上稱為燃料“電池”，但其與一般的化學(xué)電池是完全不同的工作原理。 燃料電池汽車(chē)的工作原理是：燃料中的氫在汽車(chē)搭載的燃料電池中與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。 8/27/202251我國(guó)自主研發(fā)的燃料電池轎車(chē)“超越三號(hào)” 8/27/202252本田燃料電池汽車(chē)FCX8/27/2022538/27/202254（1）燃料電池的燃料 燃料電池能夠使用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機(jī)燃料，并可使用包括再生燃料在內(nèi)的幾乎所有的含氫元素的燃料。 主要有氫氣、甲醇、天然氣和汽油。 8/27/202255（2）燃料電池的種類(lèi)電池類(lèi)型工作溫度燃料氧化劑電解質(zhì)效率特點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用堿性燃料電池（AFC）室溫200純氫純氧水氧化鉀50能量轉(zhuǎn)化效率高；高比功率；高比能量；但不適合在地面上應(yīng)用高度發(fā)展，20世紀(jì)60年代已在航天中成功應(yīng)用，可作為特殊地面應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）室溫100純氫凈化重整氣氧氣空氣陽(yáng)離子交換膜50可室溫快速起動(dòng)；無(wú)電解液流失；水易排出；壽命長(zhǎng)；比功率與比能量高高度發(fā)展，適用于分散電站、電動(dòng)汽車(chē)、潛艇、各種可移動(dòng)電源、家庭動(dòng)力源。已有電動(dòng)汽車(chē)樣車(chē)，需降低成本，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化8/27/202256電池類(lèi)型工作溫度燃料氧化劑電解質(zhì)效率特點(diǎn)技術(shù)狀態(tài)及應(yīng)用直接甲醇燃料電