第七講 代用燃料及電動汽車

第七講代用燃料及電動汽車一、天然氣汽車二、液化石油氣汽車三、太陽能汽車四、電動汽車和混合動力汽車12/27/20231一、天然氣汽車天然氣是運用最早、最廣泛的一種代用燃料，其運用方式有：1〕緊縮天然氣CNG〔CompressedNaturalGas〕2〕液化天然氣LNG〔LiquefiedNaturalGas〕3〕吸附天然氣ANG〔AdsorbedNaturalGas〕4〕天然氣水合物NGH〔NaturalGasHydrate〕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燃。12/27/20232到目前為止，全世界在用的天然氣汽車已超越200萬輛：天然氣汽車較多的國家主要是阿根廷、意大利和巴基斯坦等，而美國是天然氣加氣站最多的國家，約82輛天然氣汽車就有一個加氣站。在我國，北京、上海、天津、重慶等12個示范城市天然氣汽車保有量已達5.7萬輛，已建成天然氣加氣站233座。12/27/202331、天然氣的性質天然氣的主要成分是甲烷，隨產(chǎn)地不同，甲烷的含量為83％～99％，其實際混合比和發(fā)熱量也有差別。天然氣的研討法辛烷值為130，十六烷值為零，所以只能點燃不能壓燃。CO、HC和炭煙排出量較少，CO2排出量也較少，未燃HC產(chǎn)生光化學煙霧的能夠性小。12/27/202341996年，中國石油天然氣總公司發(fā)布的汽車用天然氣技術要求：項目質量指標試驗方法高位發(fā)熱量/(MJ·m-3)≥31.4GB/T11062硫化氫含量/(mg·m-3)≤20GB/T11060.1或11060.2總硫含量/(mg·m-3)≤270GB/T11061CO2含量(體積分數(shù))/(％)≤3.0SY/T7506水露點低于最高操作壓力下最低環(huán)境溫度5℃SY/T7507(計算決定)為確保天然氣的運用平安，緊縮天然氣應有特殊氣味，必要時參與適量加臭劑，保證天然氣的濃度在空氣中到達爆炸下限的20％前能被覺察；氣體體積為在101.325kPa、20℃形狀下的體積。12/27/202352、天然氣汽車的種類根據(jù)汽車攜帶天然氣的方式不同劃分：略。根據(jù)汽車運用的燃料種類多少劃分：1〕單燃料天然氣汽車〔NaturalGasDedicatedVehicle〕2〕兩用〔靈敏〕燃料天然氣汽車〔FuelFlexibleVehicle〕3〕雙燃料天然氣汽車〔DualFuelVehicle〕12/27/20236〔1〕單燃料天然氣汽車公用的天然氣發(fā)動機都具有較高的緊縮比，并且采用燃料放射系統(tǒng)和特制的天然氣用催化凈化器。12/27/202371〕在汽油機根底上改良的天然氣發(fā)動機5S－FNE天然氣發(fā)動機的主要參數(shù)：發(fā)動機種類缸徑×行程(mm×mm)排量/L壓縮比氣缸數(shù)氣門系統(tǒng)最大轉矩/(N·m)最大功率/kW(5200r/min)天然氣87×912.21144氣門頂置凸輪軸178(2400r/min)88汽油87×912.2944氣門頂置凸輪軸197(4400r/min)9712/27/20238如下圖，豐田公司開發(fā)的5S－FNE型天然氣發(fā)動機燃料供應系統(tǒng)表示圖：12/27/202392〕在柴油機根底上改良的天然氣發(fā)動機燃氣供應方式及其比較：響應性最高功率混合氣形式開發(fā)費缸內(nèi)空然比的均勻性開發(fā)周期成本單點噴射式○○○○○○○混合器式△△○○○○○多點噴射式◎○△×△×△注：－差；△－較差；○－較好；◎－好12/27/202310FU6天然氣發(fā)動機的主要參數(shù)：混合氣供給形式缸徑×行程(mm×mm)排量/L壓縮比氣缸數(shù)燃燒形式最大轉矩/(N·m)最大功率/kW單點噴射式108×1266.925116稀混合氣666(1600r/min)154(2800r/min)混合器式108×1266.925116稀混合氣539(1600r/min)132(2800r/min)12/27/202311如下圖，日產(chǎn)公司開發(fā)的FU6型天然氣發(fā)動機：12/27/202312〔2〕兩用燃料天然氣汽車如下圖，兩用燃料發(fā)動機是指在汽油機的根底上，保管原有的汽油供應系統(tǒng)，另外再添加一套氣體燃料供應系統(tǒng)，任務時只能運用一種燃料，即要么運用汽油燃料，要么運用氣體燃料。12/27/202313儲氣系統(tǒng)包括充氣安裝、儲氣瓶、氣壓顯示安裝和手動截止閥等。燃氣供應系統(tǒng)包括天然氣過濾器、減壓調理器〔簡稱調壓器〕、混合器、低壓軟管及循環(huán)水軟管等。燃料轉換系統(tǒng)包括燃料轉換開關、天然氣截止閥和汽油截止閥等。12/27/202314〔3〕雙燃料天然氣汽車如下圖，雙燃料發(fā)動機是指在柴油機的根底上，保管原有的柴油供應系統(tǒng)，另外再添加一套氣體燃料供應系統(tǒng)，任務時同時運用兩種燃料，即用噴入氣缸的少量柴油經(jīng)壓燃后引燃氣缸內(nèi)的氣體燃料。12/27/202315〔4〕液化天然氣汽車LNG的密度大約比CNG氣高3倍，可彌補CNG能量密度低、續(xù)航里程短及在高壓形狀下搬運會導致燃料容器的體積增大等缺陷。目前，開發(fā)具有良好絕緣性能和本錢低的燃料箱，難度較大，離適用化還較遠。液化天然氣汽車主要有兩類，即自然吸入方式和強迫供應方式。12/27/2023161〕自然吸入方式12/27/2023172〕強迫供應方式－利用裝在LNG燃料箱上的供應泵，將LNG呈液體形狀吸入，根據(jù)負荷大小，由供應泵供應必要的液化天然氣。12/27/2023183、天然氣汽車的動力性天然氣發(fā)動機的任務噪聲小、排放性能好，具有良好的運用前景。但是，直接改裝的兩用燃料發(fā)動機將會導致汽車動力性大幅度下降。12/27/202319一汽集團開發(fā)研制的天然氣、汽油和液化石油氣發(fā)動機的主要性能目的的比較：型號項目CA6102基本型CA6102GCA6102N-1CA6102N-2型式四沖程、直列、六缸汽油機四沖程、直列、六缸高原汽油機四沖程、直列、六缸兩用燃料發(fā)動機四沖程、直列、六缸天然氣發(fā)動機壓縮比6.97.27.68.8燃料汽油CNGLPG汽油CNGLPG汽油CNGLPGCNG額定功率(3000r/min)/kw9975911018093105899791最大轉矩(1200～1400r/min)/(N·m)373322343375324345379335362350最低燃料消耗率[汽油、LPG：g/(kw·h)，CNG:L/(kw·h)]30639928330039028229537928037012/27/202320如下圖，492QC發(fā)動機燃用天然氣和汽油時的轉矩和功率曲線：12/27/2023214、天然氣汽車的排放目的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的排放系統(tǒng)和天然氣汽車的構造類型的不同而改動。12/27/202322〔1〕天然氣汽車的排放丈量結果例如如下圖，按照美國聯(lián)邦的實驗規(guī)范FTP測試的排放結果：12/27/202323如下圖，按照日本G10·15方式對小型乘用天然氣汽車的排放性能測試的結果：12/27/202324如下圖，為重型車用柴油機D-13方式和重型車用汽油機G-13方式的測試結果：12/27/202325如下圖，為天然氣汽車與汽油車排放性能的比較實驗結果：12/27/202326〔2〕天然氣汽車的排放控制安裝如下圖，是帶有三效催化轉化器的閉環(huán)排放控制系統(tǒng)表示圖：12/27/202327二、液化石油氣汽車液化石油氣汽車就是以液化石油氣為主要燃料的汽車，簡稱LPG汽車。與常規(guī)燃料相比，具有熄滅完全、積炭少、排放污染低等優(yōu)點，稱為“清潔燃料〞。液化石油氣的來源有油田和石化廠兩個途徑。12/27/2023281、液化石油氣的組成及存儲方式LPG是以含三個或四個炭原子的烴類為主的一種混合物，下表是我國幾個產(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13.6050.90－31.800.203.5錦州石油六廠8.5024.5023.9033.401.308.412/27/202329中國石油天然氣總公司制定的車用液化石油氣質量要求：項目質量指標試驗方法車用丙烷車用丙丁烷混合物37.8℃蒸氣壓（表壓）/kPa≤1430≤1430GB/T66021）組分φa/（％）丙烷－≥60SH/T0230丁烷及以上組分≤2.5－戊烷及以上組分－≤2丙稀≤5≤5殘留物100mL蒸發(fā)殘留物/mL≤0.05≤0.05SY/T7509油漬觀察通過通過密度（20℃或15℃）/（kg·m-2）實測實測SH/T02212）銅片腐蝕不大于1級不大于1級SH/T0232總硫含量ω（質量分數(shù)）≤123×10－6≤140×10－6SY/T7508游離水無無自測1）蒸氣壓力允許用GB/T12567方法計算，但在仲裁時必須用GB/T6602測定；2）密度允許用GB/T12567方法機算，但在仲裁時必須用SH/T0221測定；3）規(guī)范號：SY7548－1998。12/27/202330LPG存儲方式最常見的是罐儲，根據(jù)儲存的溫度、壓力不同，可分為三種方式：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，在露天或倉庫中堆放存儲。12/27/2023312、液化石油氣汽車的種類根據(jù)汽車運用的燃料種類多少劃分：1〕單燃料液化石油氣汽車2〕兩用〔靈敏〕燃料液化石油氣汽車3〕雙燃料液化石油氣汽車12/27/202332〔1〕單燃料液化石油氣汽車－發(fā)動機的燃料供應系統(tǒng)專為燃用LPG而設計，可以充分發(fā)揚LPG的優(yōu)點，運用性能最正確。12/27/202333〔2〕兩用燃料液化石油氣汽車如下圖，兩用燃料液化石油氣汽車大部分是在汽油機的根底改裝而成的：12/27/202334〔3〕雙燃料液化石油氣汽車－是在柴油機的根底上加裝LPG供應系統(tǒng)改裝而成，柴油供應系統(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現(xiàn)熄滅，對外做功。12/27/202335三、太陽能汽車如下圖，是太陽能汽車的根本構造：12/27/202336如下圖，是太陽能汽車的任務原理：12/27/2023371、太陽能汽車的種類類別Ⅰ類車Ⅱ類車Ⅲ類車Ⅳ類車車身及載重樹脂材料車身，載重120～200kg，1～2人樹脂材料/鋁框架車身，載重210～270kg，1～2人樹脂復合材料車身，載重350～700kg，2人商品轎車車身改造，載重830～980kg，2人太陽能電池多晶硅、單晶硅，面積7～10m2,1000~2000W多晶硅、單晶硅，面積5～7m2,750~1250W多晶硅，面積2～3m2,350~460W多晶硅、單晶硅，面積1.5～2m2,80~400W蓄電池銀－鋅、鎳－鋅，3～5kw·h銀－鋅、鎳－鋅，3～5kw·h鎳－鋅，5～9kw·h鉛－酸，14～18kw·h車速100～120km/h30～50km/h30～50km/h20～40km/h12/27/2023382、太陽能電池的類型太陽能電池的類型可分為多晶硅和單體硅，近年來單晶硅越來越成為主流。太陽能電池的光電轉換效率是關鍵問題，目前的轉換效率在14％～23％范圍內(nèi)。12/27/202339四、電動汽車和混合動力汽車電動汽車是以電力作為能源、由電動機驅動的汽車。在外形上，電動汽車與傳統(tǒng)汽車并無顯著區(qū)別，其主要區(qū)別在于動力和驅動系統(tǒng)。假設一輛汽車同時采用電動機和發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，就構成了混合動力汽車。12/27/2023401、電動汽車12/27/202341從環(huán)境維護角度看，電動汽車有如下特點：1〕電動汽車在行駛中不排放任何有害氣體；2〕電動汽車耗費的電能有多種來源。目前，妨礙電動汽車普及運用的主要問題：1〕電池性能不能滿足要求；2〕制造本錢過高。12/27/202342如下圖，電動汽車由電力驅動系統(tǒng)、主能源系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構成：12/27/2023432、混合動力汽車〔HybridElectricVehicle，HEV〕混合動力電動汽車在一輛汽車上同時配備電力驅動系統(tǒng)和輔助動力單元，其中輔助動力單元是熄滅某種燃料的原動機或由原動機驅動的發(fā)電機組。混合動力電動汽車將原動機、電動機、能量儲存安裝按某種方式組合在一同，有串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種布置方式。12/27/202344〔1〕串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)如下圖，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的任務原理：即發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其電能經(jīng)過電動機控制器直接保送到電動機，再由電動機產(chǎn)生電磁力矩驅動汽車。12/27/202345〔2〕并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)如下圖，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的任務原理：即發(fā)動機經(jīng)過機械傳動安裝與驅動橋銜接，電動機經(jīng)過動力復合安裝也與驅動橋相連，汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。12/27/202346〔3〕混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)〔串并聯(lián)靈敏驅動式〕如下圖，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的任務原理：即發(fā)動機發(fā)出的功率一部分經(jīng)過機械傳動安裝保送給驅動橋，另一部分那么驅動發(fā)電機發(fā)電；電動機產(chǎn)生的驅動力經(jīng)過動力復合安裝傳送給驅動橋；根據(jù)行駛工況靈敏采取串聯(lián)方式或并聯(lián)方式任務。12/27/202347豐田混和動力汽車普銳斯12/27/202348任務方式12/27/20234912/27/2023503、燃料電池汽車燃料電池〔Fulecell〕是一種將燃料氧化的化學能直接轉換為電能的“發(fā)電安裝〞。雖然習慣上稱為燃料“電池〞，但其與普通的化學電池是完全不同的任務原理。燃料電池汽車的任務原理是：燃料中的氫在汽車搭載的燃料電池中與氧發(fā)生化學反響，產(chǎn)生電能驅動電動機，進而驅動汽車行駛。12/27/202351我國自主研發(fā)的燃料電池轎車“超越三號〞12/27/202352本田燃料電池汽車FCX12/27/20235312/27/202354〔1〕燃料電池的燃料燃料電池可以運用多種燃料，可以是石油燃料也可以是有機燃料，并可運用包括再生燃料在內(nèi)的幾乎一切的含氫元素的燃料。主要有氫氣、甲醇、天然氣和汽油。12/27/202355〔2〕燃料電池的種類電池類型工作溫度℃燃料氧化劑電解質效率特點技術狀態(tài)及應用堿性燃料電池（AFC）室溫～200純氫純氧水氧化鉀50％能量轉化效率高；高比功率；高比能量；但不適合在地面上應用高度發(fā)展，20世紀60年代已在航天中成功應用，可作為特殊地面應用質子交換膜燃料電池（PEMFC）室溫～100純氫凈化重整氣氧氣空氣陽離子交換膜50％可室溫快速起動；無電解液流失；水易排出；壽命長；比功率與比能量高高度發(fā)展，適用于分散電站、電動汽車、潛艇、各種可移動電源、家庭動力源。已有電動汽車樣車，需降低成本，盡早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化12/27/2023