重交大汽車新能源與節(jié)能技術(shù)教案02替代能源汽車

第二章替代能源汽車教學(xué)目的和要求：理解天然氣、液化石油氣、氫氣和醇類燃料的理化特性、天然氣汽車和液化石油氣汽車的主要類型、主要組成部分的結(jié)構(gòu)及基本工作原理，醇類燃料在發(fā)動機(jī)上的燃用方式、醇類燃料在發(fā)動機(jī)上的參數(shù)選擇、醇類燃料在汽車上的應(yīng)用及面臨的技術(shù)難題，氫的制取與儲存，電動汽車的發(fā)展優(yōu)勢以及所面臨的問題、蓄電池的主要性能特點(diǎn)、電動機(jī)的主要特性以及電動汽車基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，燃料電池電動汽車的組成及主要性能特點(diǎn)。掌握天然氣汽車、液化石油氣汽車、醇類燃料汽車、氫燃料汽車的性能評價。本章重點(diǎn)：天然氣汽車和液化石油氣汽車主要組成部分的結(jié)構(gòu)及基本工作原理，天然氣、液化石油氣、氫氣和醇類燃料的理化特性有其對汽車性能的影響，掌握天然氣汽車、液化石油氣汽車、醇類燃料汽車、氫燃料汽車的性能評價。本章難點(diǎn)：電控噴氣系統(tǒng)的組成及工作原理，液化石油氣汽車蒸發(fā)調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理、不同工況下混合氣濃度的實(shí)現(xiàn)，電動汽車基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，混合動力汽車的主要工作過程。教學(xué)時數(shù)：10學(xué)時教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)：第一節(jié)天然氣汽車一、

天然氣汽車概述天然氣汽車主要成份是甲烷，其主要理化特性見表2-1二、

天然氣汽車的類型（一）按儲存天然氣的壓力和形態(tài)分類1、壓縮天然氣汽車天然氣以高壓氣態(tài)儲存，工作時經(jīng)降壓、計量和混合后進(jìn)入氣缸。2、常壓天然氣汽車天然氣以常壓氣態(tài)儲存，但運(yùn)輸存儲不便，且存在安全隱患，基本被淘汰。3、液化天然氣汽車天然氣以液態(tài)儲存，其體積僅為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的1/6254、吸附天然氣汽車（二）按燃料的組成與應(yīng)用分類1、單燃料汽車2、CNG-汽油兩用燃料汽車3、CNG-柴油雙燃料汽車（三）按燃料供給的方式分類（1）機(jī)械控制式天然氣汽車（2）機(jī)電聯(lián)合控制式天然氣汽車（3）電控式天然氣汽車（開環(huán)和閉環(huán)）三、壓縮天然氣汽車（一）壓縮天然氣供氣專用部件結(jié)構(gòu)及原理1、負(fù)壓輸出的減壓調(diào)節(jié)器基本原理：高壓天然氣經(jīng)過天然氣濾清器后，進(jìn)入到常閉式高壓電磁閥，以控制供、斷天然氣。在電磁線圈未通電時，電磁鐵芯在回位彈簧的作用下，將先導(dǎo)閥的小孔密封，繼而推動先導(dǎo)閥將O形密封圈壓在閥座上，通道全部關(guān)閉。當(dāng)電磁閥通電時，由于電磁鐵的磁力較小，不能直接把主通道打開，只能先打開先導(dǎo)閥的小孔，這時高壓腔的高壓氣通過小孔流到低壓腔，使高低壓腔壓差減小，然后電磁鐵芯通過連接銷，將先導(dǎo)閥一起提起，打開主通道。一級減壓閥在未通入高壓氣體時，在壓力彈簧的作用下，使膜片向下運(yùn)動，帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥芯與閥口保持一定間隙，閥口處于常開狀態(tài)。當(dāng)通入高壓氣體時，減壓室的壓力逐步增高，氣體作用在膜片下方的壓力克服彈簧的彈力，使膜片向上動作，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥口關(guān)閉。當(dāng)減壓室的氣體向二級閥輸出后，壓力降到額定輸出壓力以下時，在壓力彈簧的作用下又使閥口打開，如此反復(fù)，使一級減壓閥出口壓力穩(wěn)定在0.35～0.4MPa內(nèi)。二級減壓閥的閥口也處于常開狀態(tài)，高壓天然氣經(jīng)過一級減壓后進(jìn)入二級減壓室，此時二級減壓室內(nèi)的壓力逐步升高，達(dá)到額定輸出壓力時，氣體作用在膜片上方的壓力克服扭簧的彈力，使膜片向下動作，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使二級減壓閥閥口關(guān)閉。當(dāng)減壓室的氣體向三級閥輸出后，壓力降到額定輸出壓力以下時，在扭簧的作用下又使閥口打開，如此反復(fù)，使出口壓力穩(wěn)定在0.15～0.19MPa內(nèi)。三級減壓閥的閥口處于常閉狀態(tài)，閥的開閉由發(fā)動機(jī)進(jìn)氣真空度控制，輸出壓力可通過壓力彈簧的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)閥室內(nèi)真空度為零時，在壓力彈簧的作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)閥室處于負(fù)壓時，由于膜片上方與大氣相通，膜片兩邊出現(xiàn)壓力差，膜片向閥里運(yùn)動，帶動杠桿克服彈簧壓力，使閥口打開供氣。當(dāng)減壓室負(fù)壓減小時，在壓力彈簧作用下，閥口又處于關(guān)閉狀態(tài)，如此反復(fù)，就使減壓閥出口壓力穩(wěn)定在一個數(shù)值內(nèi)。2、文丘里管結(jié)構(gòu)混合器基本原理：文丘里管安裝在空氣濾清器與化油器之間。一方面要使喉管處產(chǎn)生真空度來調(diào)節(jié)減壓調(diào)節(jié)閥的天然氣流量，另一方面又要將天然氣與空氣均勻混合。混合器喉徑過大，真空度小，不靈敏；過小，吸人空氣量少，影響空燃比，發(fā)動機(jī)功率下降。通氣小孔總截面積應(yīng)與天然氣進(jìn)氣道截面積相匹配。3、正壓輸出的減壓調(diào)節(jié)器1）一級減壓器2)二級減壓器3）三級減壓器基本原理：每級減壓器由進(jìn)氣閥、減壓室及閥門開閉調(diào)節(jié)裝置、出氣閥等組成。本級出氣閥為下一級減壓室的進(jìn)氣閥。高壓氣體由進(jìn)氣閥進(jìn)入減壓室，體積膨脹，當(dāng)氣體作用于膜片組的推力與進(jìn)氣閥門開啟力相等時，進(jìn)氣閥又被關(guān)閉，使減壓室壓力不再增高，以達(dá)到減壓的目的。等氣體從出氣閥流出時，減壓室壓力降低，氣體對膜片組的作用力小于進(jìn)氣閥門開啟力，進(jìn)氣閥又被打開，如此周而復(fù)始，使本級減壓室壓力穩(wěn)定在額定壓力，以達(dá)到減壓的目的。4、比例調(diào)節(jié)器工作原理：當(dāng)發(fā)動機(jī)起動運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管產(chǎn)生真空，混合器氣室B的空氣通過管道E進(jìn)入發(fā)動機(jī)化油器進(jìn)氣管；氣室B產(chǎn)生真空，而氣室A與大氣相通，混合器膜片在大氣的壓力作用下克服膜片組的重力和混合器彈簧的彈力上行，打開天然氣進(jìn)氣管和混合器空氣閥座，天然氣和空氣通過混合器進(jìn)入發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)開始工作。混合器膜片根據(jù)發(fā)動機(jī)化油器進(jìn)氣管的真空度變化上下運(yùn)動，天然氣進(jìn)氣管開度的大小也隨著變化，從而向發(fā)動機(jī)提供不同數(shù)量的天然氣，與空氣形成空燃比合理的混合氣。（二）壓縮天然氣-汽油兩用燃料汽車此汽車就是將原來的燃料供給系統(tǒng)保留不變，增加一套“車用壓縮天然氣裝置”。改裝后既可以使用汽油，又可以使用壓縮天然氣。（三）電控噴射天然氣汽車1、電控噴氣形式2、電控噴氣系統(tǒng)的組成及工作原理1）HSV型電控氣體噴氣閥2）DDEC天然氣-柴油噴射器四、天然氣汽車性能評價（一）較低的污染排放與空氣混合充分、燃料徹底、有害物的排放量很低。（二）良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性可使用較大壓縮比，理論循環(huán)熱效率可提高7%-12%.（三）可靠的安全保障天然氣汽車作為一種清潔汽車，由于其低排放、安全可靠、技術(shù)成熟、有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益而被廣泛應(yīng)變差用于世界40多個國家和地區(qū)。但其也存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）續(xù)駛里程短（2）動力性第二節(jié)液化石油氣汽車一、

液化石油氣概述液化石油氣主要來自油田和石油煉廠。主要成份是丙烷，此外還含有少量的丁烷、丙和丁烯。具有燃燒完全、積碳少、排放污染物低、怠速及過渡工況運(yùn)行穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但動力性降低。液化石油氣的體積低熱值和質(zhì)量低熱值略高于汽車，但理論混合氣熱值比汽油低。辛烷值在100-110，可提高壓縮比；著火溫度高，需較高的點(diǎn)火能量。二、

液化石油氣汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理（一）液化石油氣汽車蒸發(fā)調(diào)壓器LPG蒸發(fā)調(diào)壓器是集預(yù)熱、蒸發(fā)、減壓、調(diào)壓于一體，LPG被發(fā)動機(jī)冷卻水加熱后蒸發(fā)氣化，再經(jīng)減壓供發(fā)動機(jī)使用。1、一級減壓室工作過程：來自儲氣瓶的LPG從進(jìn)口8流入蒸發(fā)調(diào)壓器高壓腔，在自身壓力的作用下壓開一級閥門1，并進(jìn)入一級減壓室6。在此被蒸發(fā)、氣化成氣體并得到了第一次減壓，壓力被減小到0.14～0.25MPa。隨著6中的氣體數(shù)量增多，室內(nèi)壓力升高。推動一級膜片3向上運(yùn)動，壓迫一級彈簧4，固定在一級膜片3上的掛鉤將一級杠桿2向上拉起，關(guān)閉一級閥門1，阻斷LPG的進(jìn)入。隨著6中的LPG陸續(xù)進(jìn)入二級減壓室17，一級減壓室6中的氣壓降低。當(dāng)壓力降至某一值時，一級彈簧4使一級膜片3向下移動，帶動一級杠桿2動作，打開一級閥門1，LPG又進(jìn)入一級減壓室6。于是一級減壓室中的LPG壓力處于動態(tài)平衡狀態(tài)。增加一級彈簧4的預(yù)緊力、減小一級閥門1的阻尼等可使一級減壓室壓力和出氣量增大，反之則使一級減壓室壓力和出氣量減小。2、二級減壓室工作過程：二級減壓室17的作用是使LPG的壓力進(jìn)一步降低至接近負(fù)壓。來自一級減壓室6的石油氣經(jīng)過二級閥門25進(jìn)入二級減壓室17時壓力進(jìn)一步降低(降至大氣壓附近)，之后經(jīng)由LPG燃料出口輸往混合器。隨著進(jìn)入二級減壓室17中的氣體數(shù)量的增多，室內(nèi)壓力升高，當(dāng)室內(nèi)壓力大于平衡壓力的時候，推動二級膜片18向下運(yùn)動，這時減壓室內(nèi)體積增大，使得室內(nèi)壓力減小。當(dāng)室內(nèi)壓力小于平衡壓力的時候，在壓差的作用下，推動二級膜片向上運(yùn)動，使得室內(nèi)壓力增加。于是二級減壓室17中的LPG壓力處于動態(tài)平衡狀態(tài)。增加二級膜片彈簧19的預(yù)緊力、減小二級閥門25的阻尼等可使二級減壓室17的壓力和出氣量增大，反之則使二級減壓室壓力和出氣量減小。3、不同工況下混合氣濃度的實(shí)現(xiàn)。1）怠速系統(tǒng)怠速時，混合器喉口處真空度很低，不能將LPG從蒸發(fā)調(diào)壓器吸出，但節(jié)氣門后真空度很高，故由真空管13將此真空引入真空氣室。使16帶動25開度增大。2）主供氣系統(tǒng)由混合器、二級減壓室、真空室等組成。3）起動系統(tǒng)起動加濃電磁閥開啟一級減壓室與二級減壓室的旁通氣道。（二）液化石油氣-汽油兩用燃料汽車此汽車就是將原來的燃料供給系統(tǒng)保留不變，增加一套LPG燃料供給系統(tǒng)。改裝后既可以使用汽油，又可以使用液化石油氣。（三）液化石油氣-柴油雙燃料汽車三、液化石油氣汽車性能評價（一）液化石油氣動力性動力性略有降低、但在稀混合區(qū)具有比汽油機(jī)更高的動力性。（二）液化石油氣的燃料經(jīng)濟(jì)性油耗率更低，更高的稀限，對混合氣濃度變化適應(yīng)性強(qiáng)。（三）液化石油氣的排放HC、CO大大降低，但NOX基本無變化或稍有增加。第三節(jié)醇類燃料汽車一、

醇類燃料汽車概述醇類燃料主要是指甲醇和乙醇。醇類燃料可以和汽油或柴油按一定的比例配制而成混合燃料，也可以直接采用醇類燃料作為發(fā)動機(jī)的燃料。醇類燃料的來源廣，制取方式多。甲醇可以從煤炭、天然氣、煤層氣，可再生生物資源、分類垃圾等物資中制取；乙醇的原料主要是含糖、含淀粉的農(nóng)作物，如甜菜、甘蔗、玉米、草桿等。甲醇和乙醇都屬有機(jī)化合物，是無色透明、易揮發(fā)的可燃液體。與汽油相比，熱值低、汽化潛熱大、抗暴性好、含氧量高等，另外，醇類燃料吸水性強(qiáng)、化學(xué)活性高、容易發(fā)生早燃等。醇類燃料主要性質(zhì)表現(xiàn)在：1、辛烷值比汽油高。2、汽化潛熱大3、熱值低4、腐蝕性大二、

醇類燃料在發(fā)動機(jī)上的燃用方式1、滲燒醇類燃料以一定比例加入汽油。2、純燒3、甲醇改質(zhì)甲醇改質(zhì)就是利用發(fā)動機(jī)排氣的余熱將甲醇改成H2和CO，然后再輸往發(fā)動機(jī)。4、變性燃料乙醇指乙醇脫水后再添加變性劑而生成的以乙醇為主的燃料。三、醇類燃料在發(fā)動機(jī)上的參數(shù)選擇（一）汽油機(jī)使用醇類燃料時的參數(shù)選擇1、提高壓縮比2、改善燃油分配均勻性及供油特性3、混合氣空燃比的調(diào)整4、火花塞及點(diǎn)火時間的調(diào)整（二）柴油機(jī)使用醇類燃料時的參數(shù)選擇。1、壓縮比的選擇2、電熱塞與火花塞（三）醇類燃料汽車的供給系。四、醇類燃料在汽車上的應(yīng)用（一）純甲醇發(fā)動機(jī)的開發(fā)實(shí)例（二）甲醇與柴油在汽車發(fā)動機(jī)上的缸內(nèi)預(yù)混噴油五、醇類燃料發(fā)動機(jī)性能評價動力性變化不大，污染物排放也大致相當(dāng)。第四節(jié)氫氣汽車一、氫燃料汽車概述氫氣在常溫常壓下為無色、無味、無毒的氣體，大部分以化合態(tài)的形式存在。氫主要有以下特點(diǎn)：1、氫是所有元素中質(zhì)量最輕的。2、常溫常壓下為氣體，攜帶性和安全性差。3、極易點(diǎn)燃，但自著火溫度高于汽油和柴油。4、質(zhì)量熱值高，但由于其密度太小，單位體積發(fā)熱量只有汽油的二十分之一。5、不含碳元素，因而不排放CO、HC、CO2以及硫化物。6、儲存不便，難以滿足續(xù)駛里程要求。7、動力性差。二、氫的制取與儲存（一）氫的制取最常見的是電解水制氫。此外還有利用熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫。以及從煤、石油、天然氣中制取等。（二）氫的儲存?zhèn)鹘y(tǒng)氫的存儲方法主要有壓縮儲存、液態(tài)儲存以及金屬化合物儲存等。1、低溫吸附方法首先將氣體冷卻到液氮溫度（-196）來減小氣體體積，將低溫氣體壓縮到7MPa，迫使氫物理吸附到材料的很多凹坑和裂縫中。2、復(fù)雜金屬氫化物的分解金屬氫化物如硼氫化鋰，使金屬原子與含有數(shù)個氫原子的基團(tuán)以較弱的離子鍵結(jié)合在一起，通過向復(fù)雜金屬氫化物系統(tǒng)中添加物質(zhì)（如硅）的方法降低了分解溫度。3、寶馬汽車公司的儲氫箱由兩層隔熱鋼板制成，中間抽成真空，象保溫瓶。如箱內(nèi)液態(tài)氫受熱蒸發(fā)，當(dāng)箱內(nèi)壓力超過0.45MPA時，安全閥打開，故有部分氫氣排入大氣，一般每天損失氫氣2-3%.4、納米碳素纖維儲存氫氣利用納米碳素纖維儲存氫氣。主要是內(nèi)部充滿了直徑為十億分之一毫米碳素纖維毛細(xì)管，氫原子與碳原子化合在一起，把氫氣儲存起來，加熱后，氫氣逸出。5、德國新的氫氣轉(zhuǎn)換技術(shù)在耐腐蝕容器中放入氫氧化鈉水溶液，溶液中插入硅棒，當(dāng)溶液加熱到200度以上時，硅原子與氫氧化鈉分子結(jié)合，生成硅酸鈉并且放出氫氣。低于200度時硅酸鈉晶體又分裂還原為氫氧化鈉。三、氫燃料汽車的類型及應(yīng)用（一）氫燃料汽車的分類1、按儲存的壓力和形態(tài)1）壓縮氫汽車2）液化氫汽車3）吸附氫汽車2、按混合氣形成方式可分為預(yù)混形式和缸內(nèi)直噴兩類（二）氣態(tài)氫燃料在汽車上的應(yīng)用了解氣態(tài)氫在汽車使用上的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)、缸內(nèi)直噴氫氣汽車的特點(diǎn)。（三）液態(tài)氫燃料在汽車上的應(yīng)用了解液氫汽車的燃料供給系統(tǒng)。液氫泵的結(jié)構(gòu)和工作原理。氫的不同供給方式與輸出功率。四、氫燃料汽車的性能評價（一）動力性和經(jīng)濟(jì)性以氣態(tài)氫的形式供氣，動力性降低，以液態(tài)形態(tài)供氫，動力性增加。使用氫氣，經(jīng)濟(jì)性更好。（二）排放性微量的CO、HC，略高的NOX。第五節(jié)電動汽車一、電動汽車的發(fā)展優(yōu)勢以及所面臨的問題（一）電動汽車的發(fā)展優(yōu)勢1、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便2、零排放3、提高能源使用效率，減少空氣污染4、噪聲小5、專門設(shè)計制造，能滿足使用要求6、制動能量可回收（二）普及電動汽車所面臨的問題主要問題是：降低電動汽車的價格、提高一次充電后的行駛里程、延長蓄電池的使用壽命以及發(fā)展包括充電設(shè)施在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施。二、蓄電池主要要求：能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、起動性能、價格費(fèi)用、可靠性、安全性。三、電動機(jī)掌握電動機(jī)的機(jī)械特性。1、異步電動機(jī)具有效率高、調(diào)速范圍寬、基本免維護(hù)以及體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。2、永磁式無刷電動機(jī)體積和質(zhì)量小，功率密度高；效率高；易于散熱；可靠性高；動態(tài)性能好。3、開關(guān)式磁阻電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，效率高，且容易實(shí)現(xiàn)電動汽車制動時的能量回收，工作特性好，響應(yīng)速度快，制造成本低。四、電動汽車基本結(jié)構(gòu)及其工作原理基本結(jié)構(gòu)可分為三個子系統(tǒng)：電力驅(qū)動了系統(tǒng)（電控單元、功率轉(zhuǎn)換器、電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和驅(qū)動輪）、能源子系統(tǒng)（能量源、能量管理系統(tǒng)和能量）和輔助控制子系統(tǒng)（動力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動力供給等）。五、混合動力電動汽車混合動力電動汽車是指包含兩種或兩種以上動力源并能協(xié)調(diào)工作的車輛。1、串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV）SHEV的發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電動機(jī)采用串聯(lián)的方式組成驅(qū)動系統(tǒng)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)比較簡單；要求發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電動機(jī)的功率都等于或接近于SHEV的最大驅(qū)動功率；效率低于內(nèi)燃機(jī)效率；常用于大型客車、公交汽車等。2、并聯(lián)式混合動力電動汽車（PHEV）PHEV由發(fā)動機(jī)、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)或驅(qū)動電動機(jī)兩大動力組成，且以并聯(lián)的方式組成驅(qū)動系統(tǒng)。3、混聯(lián)式混合動力