汽车新能源

第3章汽车替代燃料3.1概述3.1.1开发代用燃料的原因1.能源储备量2.环境污染问题3.1.2汽车新能源的选择标准1.储量丰富2.热值高，能量密度大3.安全、无毒、污染小4.价格便宜，来源广，容易制取5.便于携带、储存和使用6.最好可与现在的汽车供油系统兼容或只需进行简单的改装即可使用。3.1.3主要汽车替代燃料的种类目前，有广阔发展前景的替代燃料主要有醇类燃料、电能、压缩天然气、液化石油气、氢气、太阳能等。气体燃料是能源的一个重要组成部分，被称为继煤炭和石油之后的第三大能源。醇类燃料的发展一直受到各国的重视。汽车用醇类燃料主要是甲醇和乙醇，醇类的来源极其丰富，生产工艺成熟。电能是二次能源，原则的讲，它可以来源任何一种其他能源，以电能为动力的汽车就是电动汽车。电动汽车有蓄电池式、燃料电池式和混合动力电动汽车等多种形式。3.2氢气近年来，氢气发动机汽车的热度明显上升，它是清洁能源应用的一个好契机，同时它和燃料电池电动汽车在都使用氢气这一点上有着同根同源的关系，在氢能源社会建设工程方面，是一个非常合适的过渡。3.2.1氢气在发动机上的使用氢气既可以单独作为内燃机燃料用于发动机，也可与汽油作为混合燃料用于发动机。目前，氢燃料在汽车上的使用多为氢与汽油混合作为燃料用于发动机。氢气单独作为内燃机燃料在发动机上使用，其供氢方式有缸内直接供氢法、预燃室喷氢法、进气道间歇喷射—电磁控制法、进气道间歇喷射—进气门座工作面吸入法、进气管连续喷射—空气导流法和进气管连续喷射—混合气法等几种。为提高发动机的功率，一般采用内部混合气形成的氢发动机，即缸内直接供氢法。氢气发动机是在原型汽油机上改进的，发动机的排量，缸径，行程，压缩比都没有什么变动，只是在发动机上安装第二套供气管路，氢气是利用储氢罐的压力被送到发动机上的。在此过程中，重要的是使液态氢的气化过程。所以在发动机外面要加一个热交换器，使氢汽化并加热，经过动力调节，生成可燃混合气体。2009年6月16日，美国南加州莫哈韦沙漠的艾尔·米诺日干湖那宽阔龟裂的土地上风大尘高。测试人员杰西驾驶着他那辆形似一颗水滴的改装车一“飞”而过。依靠改装的氢动力发动机，他开到了时速199.712英里（321.54公里），刷新了此前由宝马H2R氢动力车在德国创下的186英里/小时（约299.3千米）的氢动力陆地速度纪录。3.2.2氢的制造目前，氢的制造通常有两种办法，一种是利用煤炭、石油、天然气提取碳氢化合物；一种是直接利用水制取。我国“973”计划项目中，有利用太阳能进行规模制氢的基础研究，目前已在西安交通大学正式启动。3.2.3氢的储存氢的储存方法：①金属氢化物贮存，金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，效率很高。但金属氢化物贮氢方式的重量大，且氢压太低，使得氢很难直接喷入气缸；②高压容器贮存，高压容器贮存是将氢压缩后存贮在高压氢气瓶，这种贮氢方式能提供较高的压力。但高压容器贮氢方式的重量较大，与金属氢化物贮氢方式相当。高压容器贮氢体积太大，只能在大客车上应用；③液氢贮存，液氢是把氢气液化后存贮在绝热容器中。氢气的沸点为-253℃。液氢贮氢方式设备重量轻，并且借助小型液氢泵还可获得8～10MPa的高压，以满足高压喷射方式的需要。但这种贮氢方式需使用绝热容器，价格昂贵，并且还容易发生蒸发泄露等。储氢箱大多是使用钛合金板制成的；④最先进的储氢是利用纳米碳素纤维储存氢气，目前正在加速研制中。对高压氢气瓶的加注，液氢温度为-253℃，如果用手去操作，会冻伤的，所以安装一种智能机器手，代替人工加注，加注时间一般为4分钟，由于在广阔露天，泄漏的一点氢气很快飞散，不会引起大爆炸。3.2.4氢燃料的特点氢是一种理想的清洁燃料，用作汽车燃料可实现真正的“零排放”。其优点在于：①无毒性，无污染，来源广，是地球上仅次于氧的最丰富元素，主要以化合物的形式存在于水中；②氢燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物；③单位重量的氢释放的热能比任何碳氢燃料都高，约为化石燃料的3倍；氢能源使用效率高，比常规的化石燃料的热效率高10％～15％；④比重小，火焰传播速度高，其火焰传播速度高达2.91m/s，是汽油的7.72倍，这就说明氢气的抗爆性比汽油好；⑤氢极易点燃，最小点火能量只有汽油的1/3，可燃界限宽，在空气中的着火界限是4.1％～75％比汽油和柴油的着火界限大很多，容易实现稀薄燃烧；⑥氢气是一种清洁燃料，其燃烧产物是水，没有碳和碳烟。氢燃料要想被广泛应用还存在的一些问题：①氢密度小、易汽化、着火、爆炸、储存运输不便，故携带性和安全性差，需专用发动机和配套基础设备；②制氢技术有待提高，制氢消耗的能量多、效率低、成本高；③储氢技术尚需提高，低温液化、高压压缩、金属吸附等储氢方法，燃料和附加设备的重量和体积都太大；④氢的沸点为-253℃，氢在大气中的扩散系数约为汽油的8倍，因而氢燃料“逃逸率”高。3.2.5国内外氢能源的研发现状二十世纪七十年代以来，美国、欧洲、日本对氢燃料的研究十分盛行，氢动力车、氢发动机、储氢金属材料和制氢技术都有了长足的发展，但是氢气作为内燃机燃料的技术难度较大，而且氢气在贮存、使用过程中，也存有一定的危险，如泄漏能力强、易被高温炽热点点燃等。很难在近期内推广使用。我国也十分重视氢能源的研究与开发工作。2003年11月中国和欧盟共同签署了“氢经济国际合作伙伴计划（IPHE）”。2009年5月份，由科技部、科协、国际能源协会，在北京联合举办“第二届国际氢能源论坛”我国的氢能源研发已和国际广泛合作和接轨。科技部负责人表示：氢作为21世纪最具发展潜力的清洁能源，中国绝不能落后，既要求国际的合作，又要走中国国情的路子，可以说中国已在一些氢能源研究开发及应用示范项目上，取得了一些关键技术上的显著进展。3.3天然气3.3.1天然气概述天然气（NaturalGas，简称为NG），天然气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生的气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而出或纯天然气气田。天然气是地表下岩石中自然存在的以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物的统称，主要成分是甲烷，其体积一般占天然气的80％～99％，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气主要存在于油田和天然气田，也有少量存在于煤层。比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂（四氢噻吩），以资用户嗅辨。天然气在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。天然气在空气中浓度为5％～15％的范围内，遇明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间产生高压、高温，其破坏力和危险性都是很大的。天然气的应用：1）民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气的首选燃料；2）工业燃料：以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉；3）工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等4）化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血盐钾，赤血盐钾等；5）压缩天然气汽车：以天然气代替汽油，具有价格低、污染少、安全等优点，可以解决汽车尾气污染问题。物化特性参数数值物化特性参数数值H／C原子比4理论空燃比（质量比〕17.25密度（液相）/（kg·m-3）424理论空燃比（体积比）9.52密度①（气相）/（kg·m-3）0.715高热值/（MJ·kg-1）55.54分子量16.043低热值/（MJ·kg-1）50.05沸点/℃-161.5混合气热值/（MJ·m-3）3.39凝点/℃-182.5混合气热值/（MJ·kg-1）2.75临界温度/℃-82.6低热值（液态）/（MJ·L-1）21.22临界压力/MPa4.62辛烷值RON130汽化潜热/（kJ·kg-1）510着火极限（体积分数）（％）5~15比热容（液体，沸点）/（kJ·kg-1K-1）3.87着火温度（常压下）/℃537比热容（气体，25℃）/（kJ·kg-1K-1）2.23火焰传播速度/（cm·s-1）33.8气/液容积比（15℃）624火焰温度/℃19183.3.2天然气的主要物化特性3.3.3天然气的特点1）着火极限宽，5％～15％，容易实现稀薄燃烧。2）与空气的理论混合气热值低。3）火焰传播速度低。4）点火能量高，着火温度是537℃。5）抗爆燃性能好，辛烷值是130。6）密度小。7）排放污染小。8）携带性较差。9）使用天然气可使发动机的磨损减小。3.3.4天然气在汽车上的使用1.天然气的存在形式作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式不同，分为压缩天然气（CompressedNaturalGas，简称CNG）和液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）两种。1）压缩天然气（CNG）压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至25MPa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。2）液化天然气（LNG）液化天然气是经过一定工艺将天然气在-162℃（112K）左右时，压力为0.1MPa时变为液态，存贮在储存罐内。存罐内。与压缩天然气相比，液化天然气工作压力降低，储气瓶体积减小，续驶里程延长。但它对低温贮存技术要求较高。2.天然气汽车类型根据天然气的储存形式，天然气汽车分为压缩天然气汽车和液化天然气汽车。以CNG为燃料的车辆叫做CNGV（CompressedNaturalGasVehicle），以LNG为燃料的车辆叫做LNGV（LiquefiedNaturalGasVehicle简称为LNGV)。1）压缩天然气汽车目前国内外发展较快的是压缩天然气汽车。压缩天然气是一种理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。压缩天然气汽车按燃料供给系统不同又可分为专用压缩天然气汽车、压缩天然气与汽油两用燃料汽车、压缩天然气与柴油双燃料汽车等。①专用压缩天然气汽车以CNG作为惟一燃料，其发动机的燃料供给系统专为CNG燃料设计，能充分发挥CNG燃料的特点；②压缩天然气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成，有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的CNG供给装置。发动机可以分别使用CNG和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。压缩天然气与汽油两用燃料汽车由于发动机结构未作改动，对原来的汽油机使用性能没有影响。但当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致发动机功率略有下降。③压缩天然气与柴油双燃料汽车是通过对现成柴油车改装而成。其燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给CNG和柴油两种燃料。其中，柴油只作引燃燃料，CNG是主要燃料。2）液化天然气汽车是将液化天然气储存在温度为112K压力为0.1MPa左右的储存罐内，其密度为标准状态下的600多倍，能量密度约为汽油的72%，已接近汽油。由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。3.天然气汽车技术天然气汽车技术，是指汽车用天然气贮存、加注以及合理运用等方面的技术，主要包括以下几方面。1）加气站技术无论是压缩天然气还是液化天然气，它们向汽车上加注时，所需加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加注设备复杂一些，必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这需要较高的技术水平。天然气加气站一般分为三个基本类型，即快速充装型，普通（慢速）充装及两者的混合型。2）发动机技术天然气燃料的性质不同于汽、柴油，因此天然气发动机的结构也不同于汽油机和柴油机，应对其燃料混合、发动机燃烧室结构、点火系统等方面的独特之处进行研究与开发。3）气瓶技术由于汽车具有的流动性，燃料必须时刻携带。绝大多数天然气汽车都把气瓶布置在行李箱里，如右图。3.4液化石油气3.4.1石油气概述液化石油气（LiquefiedPetroleumGas，简称LPG）是炼油厂进行原油催化裂解与热裂解时所得到的副产品，是由炼厂气