新能源汽车课件第4章

第四章醇类燃料汽车•第一节概述•第二节醇类燃料汽车发动机的•结构与工作原理•第三节醇类燃料汽车维护•教学目的和要求：•了解醇类汽车分类、掌握工作原理、特点、发展趋势。•本章重点：•醇类汽车特点•本章难点：•教学内容要点：第一节概述•一、醇类燃料的来源及分类•1．醇类燃料的来源•甲醇（木醇或木酒精）可以由一氧化碳和氢气合成，为无色透明的液体，高挥发性，易燃。主要由天然气（占78%）、重油（占10%）、石脑油（占7%）、液化石油气（占3%）、煤炭（占2%）、油页岩、木材和垃圾等物质中提炼。•乙醇俗称酒精，其工业生产方法主要有发酵法、乙烯水合法等方法，我国一直以发酵法为主，其生产原料有三类：•第一类是含糖作物与副产物，如甘蔗、甜菜、甜高梁和糖蜜等；•第二类是淀粉质作物，如玉米、高梁、小麦、红薯和马铃薯等；•第三类是纤维素原料，如木材、木屑和谷物秸杆等。•目前主要是利用发酵法生产乙醇，其所用的原料基本上是属第一、第二类。•2．醇类燃料的分类•（1）按组成成份和性质分类•主要是指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）•（2）按在汽车上应用分类掺烧纯烧改质•1）掺烧•是在汽车上的主要应用方式,•掺烧主要是指醇类燃料（甲醇或乙醇）以不同的体积比例掺入汽油（柴油）中。掺烧的主要方法有三种:•混合燃料法:常用,甲醇、乙醇与汽油的混合•燃料分别用MX和EX表示。•薰蒸法:•双供油系统法:仅用于柴油机上。•一般情况主要针对醇类燃料与汽油的掺烧。•2）纯烧•是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。•主要方式有六种：•裂解法：•蒸气法：•火花塞法：•电热塞法；仅用于柴油机上•炽热表面法；仅用于柴油机上•加入着火改善剂法：仅用于柴油机上•3）改质•现在主要是指醇类燃料的改质。•甲醇利用发动机的余热将甲醇生成为H2和CO，然后输送到发动机内燃烧。采用甲醇改质需要对发动机进行较大的改造，最好重新设计发动机。•变性燃料乙醇指乙醇脱水后再添加变性剂而生成的以乙醇为主[92.1％(V/V)]的燃料。3．醇类燃料的现状•1909年，美国人HenryFord设计并制造了世界上第一辆燃用乙醇的汽车。20世纪20～30年代美国、巴西、德国、法国、新西兰等国先后将乙醇与汽油的混合燃料用于汽车。•20世纪70年美国重点开发燃烧M85、M100的专用甲醇燃料汽车。德国、瑞典、新西兰等国先后曾推广使用含15％甲醇的M15汽油。•1998年12月世界汽车制造商组织联合发布的“世界燃料规范”中要求“不允许使用甲醇”；2000年4月新一版的燃油规范中，再次明确要求“不允许使用甲醇”。•目前，有40多个国家和地区开发应用了乙醇汽车，以美国和巴西应用最多。在乙醇方面，巴西、美国等国曾先后推广使用含10％、22％、85％等不同比例乙醇的车用燃料。美国市场上以10％乙醇含量的乙醇汽油为主。二、醇类燃料主要特性•甲醇和乙醇均是无色透明、易挥发的可燃液体。甲醇和乙醇与汽油相比，热值低、蒸发潜热大、抗爆性好、含氧量高。甲醇略带酒精味，有毒，进入人体会引起胃痛、肌肉痉挛、头昏、乏力等症状，严重时可导致失明甚至死亡。乙醇有强烈的酒精气味，对人体的大脑神经有麻痹作用。•醇类燃料在汽车上应用特点•（1）醇类燃料中含氧量大热值低，所需要理论空气量比汽油或柴油少，从而保证发动机的动力性能不降低。•（2）辛烷值比汽油高，采用高压缩比提高热效率。普通汽油与15％~20％的醇类燃料混合，辛烷值可以达到优质汽油的水平。•（3）常温下为液体，操作容易，储带方便。•（4）可燃界限宽，汽油的着火极限为1.4~7.6；甲醇的着火极限为6.7~36，燃烧速度快，火焰传播速度比汽油快，可以实现稀薄燃烧，利于排气净化和空燃比控制。•（5）与传统的发动机技术有继承性，特别是使用汽油－醇类混合燃料时，发动机结构变化不太大，减少燃烧室表面的燃烧沉积物和改善排放性能。•（6）由于十六烷值低，着火性差，着火延迟期长，在压燃式发动机中采用醇类燃料要困难得多，在点燃式发动机应用较广。•（7）蒸发潜热大，使得醇类燃料低温起动和低温运行性能恶化。但在汽油中混合低比例的醇，由燃烧室壁面给液体醇以蒸发热，这一特点可成为提高发动机热效率和冷却发动机的有利因素。••（8）热值低，甲醇的热值只有汽油的48％，乙醇的热值只有汽油的64％。因此，与燃用汽油相比，在同等的热效率下，醇的燃料经济性低。•（9）沸点低，蒸汽压高，容易产生气阻。•（10）腐蚀性大。醇具有较强的化学活性，能腐蚀锌、铝等金属。甲醇混合燃料的腐蚀性随甲醇含量的增加而增加。另外，醇与汽油的混合燃料对橡胶、塑料的溶胀作用比单独的醇或汽油都强，混合20％醇时对橡胶的溶胀最大。•（11）醇混合燃料容易发生分层。醇的吸水性强，混合燃料进入水分后易分离为两相。因此，醇混合燃料要加助溶剂。•（12）甲醇有毒，会刺激眼结膜，也会通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体，刺激神经，造成头晕、乏力、气短等症状。第二节醇类燃料汽车发动机的结构与工作原理•巴西为世界上唯一不使用纯汽油作汽车燃料的国家，发动机结构专门为醇类燃料而设计，我国现在主要采用混合比为10%的醇类混合燃料。发动机基本结构与传统燃料基本相同。•混合比不同，在结构需要有所改进或不同。一、掺烧式车用醇类燃料发动机结构改进•1．混合燃料法的醇类燃料汽车发动机结构改进•1）在点燃式发动机上掺烧甲醇•汽油发动机使用低比例（M3-5）甲醇汽油，不需使用任何添加剂，发动机不做任何发动，车辆可以正常使用。汽油机使用比例M15甲醇汽油，发动机不做大变动，使用技术成熟，气阻、腐蚀、溶胀、互溶等技术故障可解决。•2）在压燃式发动机中掺烧甲醇•不是醇类燃料应用的主渠道。主要改进方法：•加入点火促进剂；使用较多•改善点火性能；使用较多•高压缩比及废气再循环；•电热塞法；•柴油引燃法；•高能电火塞法；•乳化甲醇柴油。•柴油机燃用甲醇应用较多的国家有美国、德国、日本等，使用的汽车多为城市公交客车和载重汽车。但因点火促进剂或发动机制造成本较高，未能使甲醇燃料在柴油机上普遍使用，同样乙醇柴油也存在类似问题研究工作及应用较慢。3）车用掺烧乙醇汽油发动机结构改进我国主要应用的掺烧比例比较小时（10%），发动机的结构基本不变，大部分汽油车使用，如奥迪、红旗等。•2．薰蒸法的醇类燃料汽车发动机结构改进•薰蒸法是利用醇燃料表面张力及黏度低的特点，通过不同方式将醇燃料雾化、气化后从进气管送入燃烧室。•可利用流动的空气流、机械部件等使醇燃料雾化，或者利用冷却水或排气的热量加热醇燃料，使其气化。•1）低压喷嘴法的醇类燃料汽车发动机结构改进：•在缸盖进气道3上•安装甲醇喷油器4•这种方法可掺烧70％的甲醇，•每缸要安装一个甲醇喷油器，•而且需有控制喷甲醇的时间•及喷醇量的装置。2）甲醇蒸气法的醇类燃料汽车发动机结构改进：利用废气热量使甲醇变成蒸气的装置甲醇蒸气可用于汽油机及柴油机，可以掺烧甲醇或者实现纯醇燃料发动机。•利用循环水热量甲醇蒸发器•当真空压力管4处真空度较大时，则通过压力调节杆的移动,使阀门关闭。甲醇蒸气出口处输出的醇蒸气量减少。•当真空压力管处的真空度小时，使阀门打开，于是输出的甲醇蒸气量增加。3．双燃料喷射系统的醇类燃料汽车发动机结构改进•1）两套喷油泵及喷油器••其中一套喷射醇燃料，而另一套喷射引燃柴油。在U型和ω型两种燃烧室上，全负荷时甲醇喷射量（体积比）达到90％，引燃柴油为10％。•2)供油管及喷油器的结构变动•出油阀7回位时，在出油阀上部至喷油器之间的高压油管内产生负压，醇或其他代用燃料在此负压作用下，通过单向阀8被吸入喷油器，被吸入的代用燃料在高压柴油紊流作用下形成乳化液11后喷入燃烧室•3）双燃料汽车用新型供油系统•引燃的柴油可靠着火，同时又能点燃甲醇，必须具备两个条件：•一是甲醇油束紧靠着柴油油束；•二是引燃柴油必须集中，形成能可靠着火的较浓混合气。•在原来柴油机用的油泵、油嘴的基础上开发了单一的油泵、油嘴供应双燃料的新型供油设备二、车用高比例和纯醇类燃料发动机结构改进•1．甲醇点燃式发动机结构改进•（1）提高电动汽油泵的供油压力，以避免产生气阻，影响供油，如有的汽油泵采用3.0MPa以上压力。•（2）混合气的形成装置必须与甲醇较低的热值及较少的空气需要量相适应。•（3）采用高压缩比以充分利用甲醇高辛烷值的特性，压缩比可提高到9~11。•（4）更合适的混合气形成装置，对混合气形成装置进行改进设计。•（5）火花塞和火花塞间隙的选择，压缩比提高后，宜采用冷型火花塞。••（6）解决冷起动不利的因素，如：辅助汽油喷射、电加热、火焰起动装置、热分解燃油、催化分解燃油、增加点火能量、燃油的雾化、燃油中添加低沸点的添加剂。•（7）改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性等，尤其是提高供油管路的金属件、橡胶件和塑料的性能，如油压调节器的膜片。•（8）加大燃料箱，以保证必要续驶里程。或采用双油箱结构。•（9）在提高发动机的压缩比，为充分利用醇类燃料高辛烷值的特点，应加大点火提前角调整2~5度。•2．乙醇汽油发动机结构改进•纯烧乙醇应对发动机进行必要的改动；提高压缩比（9～11），充分发挥乙醇辛烷值高的优势。压缩比提高后，宜采用冷型火花塞；加大输油泵的供油能力，以避免气阻；用附加供油系统及加强预热等措施，改善冷起动；加大燃料箱，以保证必要续驶里程；改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性等。•3．醇类燃料的柴油机结构改进•（1）火花塞法•1）燃料喷射时间及点火时间：•2）火花塞的位置及电极长度：•采用较长的火花塞•使其电极达到B或C位置••（2）电热塞法•在燃烧室中•安置电热塞•是使醇燃料•着火，并实•现较为稳定•燃烧的措施。•（3）裂解甲醇法•将无水或含水很少•的甲醇分解成H2及•CO称为裂解甲醇。•甲醇先在蒸发器中•变成气体，然后在•裂解反应器中被分•解为H2及CO，然•后经过冷却，与空•气混合，进入发动•机。•（4）表面着火法•电阻丝加热带所产生的热量，使不锈钢套燃烧室内表面的温度高于甲醇的着火温度，由喷嘴喷出的甲醇油雾接触到高温表面后便自行着火。发动机启动运转一段时间后，便不再消耗电能加热表面。（5）采用着火改善剂在柴油机中使用加了着火改善剂的纯醇燃料，就无需对柴油机作大的变动，并且随时可以改用柴油，是一种较简便理想的方法。关键是要研究出优良的添加剂。如环己基销酸盐、三乙基铵硝酸酯、异丙基硝酸酯等。•（6）高压缩比压燃法•适用于分负荷工况下工作的时间较多的公共汽车的醇燃料发动机，主要的技术是高压缩比加助燃剂。•4．甲醇改质发动机结构改进•改质气的最大火焰传播速度仍然高达215cm/s，远远大于汽油。这个特性有利于热效率的提高。•改进控气装置，有利于热效率的提高，很容易实施稀混合气燃烧。CO和HC排放少，NOx的排放浓度也较低。•5．醇类灵活燃料发动机•（1）甲醇灵活燃料发动机•（2）乙醇汽油灵活燃料发动机三、醇类燃料的应用实例•1．M85甲醇燃料汽车•2．乙醇汽油汽车•中国汽车技术研究中心对乙醇汽油进行了大量的试验研究，选用两种车型（分别采用1.8L电喷发动机和1.6L电喷发动机）对三种乙醇汽油进行实验，其掺烧比例分别为：7.7％（E7.7）、10％（E10）、15％（E15），并与燃用93号汽油的结果进行比较：•1）动力性•不做任何调整，乙醇汽油的动力性与基础汽油变化不大。•2）燃料经济性•从燃料经济性出发，掺烧乙醇的比例也是不宜太大。•3）排放性•试验表明，燃用乙醇汽油与燃用汽油相比，由于含碳比例减少和含氧燃烧较为完全，怠速排放CO和HC有所下降。三种方案NOx排放与燃用汽油相比，大体相近，有高有低。•乙醇汽油的甲醛排放比汽油高。•第三节醇类燃料汽车维护•一、醇类燃料的正确使用•1．车用乙醇汽油•（1）车用乙醇汽油的组成•车用乙醇汽油由车用无铅汽油、变性燃料乙醇和改善其使用性能的添加剂组成。••（2）车用乙醇汽油的牌号•按GB18351—2004《车用乙醇汽油》规定，我国车用乙醇汽油目前有四个牌号，分别是90号、93号、95号和97号，与车用无铅汽油一样，其牌号是按研究法辛烷值大小来划分的