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07 第七章 代用燃料汽车.pptx

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本课件系统讲解六类代用燃料汽车:先给出天然气与汽油柴油的理化特性对比、天然气汽车类型与两用燃料双燃料供给系统,再介绍液化石油气汽车与蒸发调压器,随后展开甲醇乙醇燃料的特性与掺烧纯烧发动机改进,最后讲解生物柴油、二甲醚与氢气汽车的特点、生产工艺与车载应用方式。

第7章代用燃料汽车章节导览页,列出天然气、液化石油气、醇类、生物柴油、二甲醚与氢气汽车
天然气柴油汽油理化特性对比表,列出沸点、自燃温度、低热值、理论空燃比与辛烷值等差异
天然气汽车分类页,按储存形式分为CNG、LNG与吸附天然气,按燃料种类分单燃料两用双燃料
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第1页:第7章 代用燃料汽车

第7章 代用燃料汽车,本章内容包括:

  • 天然气汽车
  • 液化石油气汽车
  • 醇类汽车
  • 生物柴油汽车
  • 二甲醚汽车
  • 氢气汽车

第2页:天然气与汽油柴油的理化特性

第1节 天然气汽车:一、车用天然气。天然气汽车以天然气作为汽油、柴油的代用燃料。城市公交车和出租车改用天然气作为燃料,是减小城市空气污染的一项有效措施。

天然气与汽油、柴油的理化特性比较表
特性天然气柴油汽油
在常压下的沸点(℃)-161.5180~37030~220
自燃温度(℃)630~730260220~471
低热值(MJ/kg)49.54344.5
混合气热值(MJ/m3)3.393.83.82
理论空燃比16.714.514.7
辛烷值(RON)130—90~97
爆炸浓度(%)5~150.5~4.11.3~7.6

第3页:天然气汽车的类型

二、天然气汽车的类型与特点:1.天然气汽车的类型。

  • 按燃料储存形式分类:压缩天然气(CNG)汽车、液化天然气(LNG)汽车、吸附天然气汽车
  • 按燃料种类分类:单燃料天然气汽车、两用燃料天然气汽车、双燃料天然气汽车

第4页:天然气汽车的特点

2.天然气汽车的特点。

优点
排放少;可降低汽车营运成本;可节省维修费用;安全性高
缺点
动力性降低;续驶里程缩短;储气罐占用空间;初始投资较大

第5页:CNG/汽油两用燃料供给系统

三、天然气汽车的燃料供给系统:1. CNG/汽油两用燃料汽车供给系统。

CNG/汽油两用燃料汽车混合器式燃料供给系统部件:

  • 1-汽油箱
  • 2-油位传感器
  • 3-汽油表
  • 4-汽油滤清器
  • 5-电动汽油泵
  • 6-储气瓶
  • 7-充气阀
  • 8-过滤器
  • 9-手动截止阀
  • 10-天然气电磁阀
  • 11-高压表
  • 12-安全阀
  • 13-低压表
  • 14-减压调节器
  • 15-步进电机
  • 16-混合器
  • 17-化油器
  • 18-压力显示器
  • 19-压力传感器
  • 20-发动机转速传感器
  • 21-氧传感器
  • 22-发动机排气管
  • 23-三元催化转换器
  • 24-电控单元
  • 25-油气燃料转换开关

第6页:减压调节器

减压调节器部件:

  • 1-先导阀
  • 2-天然气滤清器
  • 3-主通道
  • 4-低压出气管
  • 5-通大气口
  • 6-热水道
  • 7-三级减压阀
  • 8-怠速电磁阀
  • 9-二级减压阀
  • 10-一级减压阀
  • 11-高压电磁阀

第7页:CNG/柴油双燃料供给系统

2. CNG/柴油双燃料汽车供给系统。CNG/柴油双燃料供给系统部件:

  • 1-压力报警器
  • 2-高压减压阀
  • 3-加热器
  • 4-供气阀
  • 5-充气阀
  • 6-高压输气管
  • 7-压力表
  • 8-储气瓶
  • 9-限压阀
  • 10-低压供气管
  • 11-计量阀
  • 12-混合器
  • 13-低压减压阀
  • 14-喷油泵供油量限位器
  • 15-燃料转换开关
  • 16-发动机
  • 17-喷油泵
  • 18-燃气滤清器

第8页:电控天然气直接喷射系统

3.电控天然气直接喷射系统。电控CNG/汽油供给系统部件:

  • 1-充装阀
  • 2-储气瓶
  • 3-输出阀
  • 4-压力表
  • 5-天然气电磁阀
  • 6-气量显示器
  • 7-减压调节器
  • 8-天然气喷射器
  • 9-进气歧管
  • 10-喷油器
  • 11-油压调节器
  • 12-燃烧分配器
  • 13-汽油电磁阀
  • 14-汽油泵
  • 15-汽油箱

第9页:车用液化石油气特性

第2节 液化石油气汽车:一、车用液化石油气。液化石油气(LPG)是丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)的混合物,有的还伴有少量的丙烯(C3H6)和丁烯(C4H8)。LPG本身无色无味,为了便于察觉、确保安全使用,在液化石油气中一般加入了具有明显臭味的硫醇、硫醚或含硫化合物配制的加臭剂。

液化石油气的理化特性表
特性数值
在常压下的沸点(℃)-42~0.5
自燃温度(℃)462~537
低热值(MJ/kg)45.3
混合气热值(MJ/m3)3.59
理论空燃比15.8
辛烷值(RON)100~110
爆炸浓度(%)1.5~9.5

第10页:液化石油气汽车的类型

二、液化石油气汽车类型与特点:1.类型。按照使用的燃料,液化石油气汽车可分为:

1)单燃料液化石油气汽车
发动机仅使用LPG燃料,燃料供给系统专为燃用LPG而设计,可保证气体燃料有效利用、充分发挥LPG辛烷值高的优势;压缩比比单燃料CNG汽车稍低,燃料经济性略差,但LPG挤占空气容积较少,故动力性更好
2)两用燃料液化石油气汽车
设有两套独立的燃料供给系统,利用选择开关可在LPG和汽油两种燃料中转换使用,但两种燃料不允许同时混合使用;一般汽油车发动机不改动,只是加装一套液化石油气燃料供给装置
3)双燃料液化石油气汽车
有同时供给两种燃料的装备,配备两个供给系统及两个独立的燃料储存系统;用压燃的柴油引燃LPG与空气的混合气而实现燃烧,发动机也可使用纯柴油工作,在低负荷及怠速时自动转换到纯柴油工作方式

第11页:液化石油气汽车的特点

2.液化石油气汽车特点。

优点
排放降低;发动机运行性能好;运行和维修成本低;安全性高
缺点
改装后的液化石油气汽车动力性有所下降;一次加满气的续驶里程不如燃油车,充气次数较多,液化石油气充气站目前不够普遍,使用受限;以双燃料方式并存需加装供气系统,整车成本较高;储气瓶占用空间大,不利于在车上布置

第12页:液化石油气汽车燃料供给系统

三、液化石油气汽车的燃料供给系统。电控式混合器闭环控制LPG/汽油供给系统部件:

  • 1-汽油箱
  • 2-油位传感器
  • 3-汽油滤清器
  • 4-电动汽油泵
  • 5-汽油表
  • 6-辅助液面显示器
  • 7-气瓶
  • 8-集成阀
  • 9-LPG电磁阀
  • 10-蒸发调压器
  • 11-混合器
  • 12-真空电磁阀
  • 13-燃料转换开关
  • 14-节气门位置传感器
  • 15-发动机转速传感器
  • 16-ECU
  • 17-氧传感器
  • 18-三元催化器
  • 19-发动机排气管

第13页:蒸发调压器

蒸发调压器部件:

  • 1-负压通道
  • 2-一级膜片
  • 3-低速同步室
  • 4-一级弹簧
  • 5-一级膜片拉钩
  • 6-一级杠杠
  • 7-一级减压室
  • 8-一级阀
  • 9-LPG入口
  • 10-二级膜片
  • 11-二级减压室
  • 12-二级弹簧
  • 13-二级杠杠
  • 14-二级阀
  • 15-低速通道
  • 16-低速同步膜片

第14页:甲醇燃料的生产与特性

第3节 醇类汽车:一、甲醇燃料汽车。

1、甲醇的生产来源
甲醇的来源广、制取方式多,可以从煤炭、天然气、煤层气、可再生生物资源、分类垃圾等物资中制取。世界甲醇生产主要集中在天然气资源丰富的地区,其中亚太地区的生产能力约占世界总产能的30%,我国甲醇生产原料以煤为主
2、甲醇燃料的特性
甲醇用于汽车燃料有掺烧、纯烧和改质三种方式

第15页:甲醇燃料的优点

甲醇燃料作为汽车替代能源的优点:

  • 甲醇的来源广泛,可部分缓解石油紧缺的现状
  • 甲醇燃料含氧量高,燃烧充分,是一种绿色环保燃料
  • 燃烧特性能有效地消除燃烧系统各部位的积炭,避免因积炭引起动力下降、燃烧不充分等现象,且可降低各工况排气温度,有利于降低零部件热负荷,延长发动机部件的使用寿命
  • 甲醇是一种性能优良的溶剂,能有效地消除油箱及油路系统中杂质的沉淀和凝结,有良好的油路疏通作用
  • 汽油发动机无需或只花费很低成本的改装费用,就可使用甲醇汽油
  • 甲醇汽油辛烷值高,动力强,适用于高压缩比发动机,可提高发动机的效率

原文要点编号重复出现两个「(3)」,此处按内容顺序重新连续编号。

第16页:甲醇燃料的缺点

为了提高甲醇作为车用燃料的实用性,要克服的缺点:

  • 甲醇燃料汽车的动力性下降
  • 甲醇燃料具有腐蚀性
  • 甲醇汽油的稳定性需要增强
  • 甲醇汽油具有溶胀性
  • 甲醇汽油具有高温气阻性
  • 甲醇的低温启动性差
  • 甲醇的溶水性强

第17页:乙醇的生产来源

二、乙醇燃料汽车:1.乙醇的生产来源。乙醇(C2H5OH)生产主要有化学合成法和生物发酵法。

化学合成法
以乙烯加水合成乙醇,该方法产生的杂质较多,且乙烯是石油的工业副产品,在石油日益短缺的情况下应用受到限制
生物发酵法
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、半纤维素生物质原料,如木材、木屑和谷物秸杆等

第18页:乙醇燃料的特性

2.乙醇燃料的特性:乙醇用于汽车燃料分为掺烧、纯烧和改质三种,其中掺烧是主要的应用方式,掺烧时最常用的是混合燃料法;乙醇更多应用于汽油机。

  • 乙醇汽油指在不含MTBE(甲基叔丁基醚)等含氧添加剂的专用汽油组分油中,加入一定比例的变性燃料乙醇,通过特定工艺混配而成的混合燃料
  • 乙醇汽油用EX表示,X表示乙醇在燃料中所占的体积百分比,E100为纯乙醇燃料
  • 我国目前只大规模生产乙醇含量为10%的E10乙醇汽油;E10乙醇汽油按研究法辛烷值分为90号、93号、95号、97号四个标号,即E90#、E93#、E95#、E97#

原文此处将乙醇汽油误写为「甲醇汽油」、将E100误写为「纯甲醇燃料」,已按乙醇燃料的文意更正。

第19页:乙醇燃料的优点

乙醇作为汽车替代燃料的优点:

  • 乙醇的生产资源丰富,并且都是可再生资源,使用乙醇燃料可减少车辆对石油资源的依赖
  • 有害排放减少。乙醇含氧量高达35%,含10%乙醇的乙醇汽油中含氧量能达到3.5%,有利于燃油充分燃烧,降低CO和HC的排放量
  • 乙醇辛烷值高、抗爆性好,可通过增加压缩比来提高发动机的热效率和动力性;另外乙醇蒸发潜热大,可提高发动机的进气量,进一步提高动力性
  • 车用乙醇燃料的燃烧特性能有效地消除火花塞、燃烧室、气门、排气管消声器部位积炭的形成
  • 对汽车发动机无需改动或改动不大,即可使用乙醇燃料

第20页:乙醇燃料的缺点

乙醇作为车用燃料需要克服的缺点:

  • 蒸发潜热大影响混合气的形成及燃烧速度,使乙醇燃料低温启动和低温运行性能恶化,不加装进气预热系统,燃烧高比例乙醇燃料汽车难以启动
  • 乙醇在燃烧过程中会产生乙酸,对汽车金属特别是铜有腐蚀作用
  • 乙醇是一种优良溶剂,易对汽车某些密封橡胶及其他合成非金属材料产生轻微的腐蚀、溶涨、软化或龟裂作用
  • 乙醇易吸水,乙醇燃料的含水量超过一定值后乙醇和水产生分层,使乙醇燃料不能正常燃烧
  • 乙醇的沸点只有78.5℃,在发动机正常工作温度下也易产生气阻,使燃料供给量降低甚至中断供油

第21页:掺烧的醇类燃料发动机

三、醇类燃料发动机:1.采用掺烧的醇类燃料发动机,分为混合燃料式、熏蒸式、双供油系统式三种。

1)混合燃料式
发动机注入醇类和汽油或柴油预先按一定比例混合好的醇类燃料。汽油机使用低比例甲醇汽油(M5以下)不需使用任何添加剂、发动机不做任何改动,车辆可以正常使用;当使用M15甲醇汽油时汽油机只需进行不大的改动即可正常运行。15%是甲醇燃料汽油机是否要进行大改的一个比例界限,因此M15甲醇汽油的应用最广。对于乙醇燃料汽油机,10%乙醇含量是发动机是否需要进行大改的比例极限,我国现在主要使用乙醇含量为10%的E10乙醇汽油。低比例的醇类燃料目前技术比较成熟

第22页:熏蒸式醇类燃料发动机

2)熏蒸式: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。熏蒸掺烧主要有低压喷嘴法和甲醇蒸气法两种。

  • 利用甲醇喷油器向进气道喷入甲醇:1-排气道;2-喷油器;3-进气道;4-甲醇喷油器
  • 利用废气热量的甲醇蒸发示意:1-甲醇油箱;2-电动油泵;3-加热器;4-蒸发器;5、6、7-阀;A-甲醇蒸气;B-排入大气;C-来自发动机的废气

第23页:双供油系统式醇类燃料发动机

3)双供油系统式。

  • 双喷油器:1-甲醇喷油器;2-柴油喷油器
  • 喷油器的结构改进:1-高压喷油泵;2-输油泵;3-代用燃油箱;4-回油管;5-电磁阀;6-压力调节器;7-出油阀;8-单向阀;9-喷油器;10-喷油器针阀;11-浮化液;12-高压油管

第24页:高比例与纯烧醇类燃料发动机

2.采用高比例和纯烧的醇类燃料发动机。采用高比例和纯烧的甲醇汽油机需要作以下改进:

  • 提高电动汽油泵的供油压力
  • 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
  • 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
  • 对混合气形成装置进行改进设计
  • 压缩比提高后宜采用冷型火花塞,合理选择火花塞和火花塞间隙
  • 采取解决冷起动不利的措施
  • 改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性,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
  • 加大燃料箱或采用双油箱结构
  • 与提高发动机的压缩比相适应,加大点火提前角调整2°~5°

纯烧乙醇汽油机应进行必要改进:提高压缩比至9~11;采用冷型火花塞;加大输油泵的供油能力避免气阻;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;改善有关零件的抗腐蚀性和抗溶胀性等。

3.灵活燃料发动机:指既可以使用汽油,又可以使用醇类与汽油以任意比例混合的燃料。

第25页:生物柴油的特点

第4节 生物柴油汽车:一、生物柴油的特点。生物柴油指来源于动植物油脂的脂肪酸甲酯,是生物质能的一种,是以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等,野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的无毒、可生物降解、可再生的燃料。

  • 是含氧量极高的复杂有机成分的混合物,主要是一些分子量大的有机物,几乎包括所有种类的含氧有机物,如醚、醛、酮、酚、有机酸、醇等
  • 生物柴油可与普通柴油以任意比混合,制成生物柴油混合燃料,表示为BX,其中X为生物柴油含量。目前世界各国使用较多的是B20生物柴油

第26页:生物柴油的优点

生物柴油作为车用燃料的优点:

  • 环保性能好。生物柴油含氧量达10%,硫含量低
  • 具有可再生性
  • 便于存储和运输
  • 润滑性能优良,有很好的润滑性,可延长发动机使用寿命
  • 较好的发动机低温启动性能,在无添加剂时冷滤点可达-20℃
  • 抗爆性能好,十六烷值高,可达56~62,高于矿物柴油的50

第27页:生物柴油的原料与生产

二、生物柴油的原料与生产。

1.原料
木本油料植物、转基因油料作物、废油脂、微生物油脂、微藻油脂
2.生产方法
酸催化法、碱催化法、酶催化法、超临界法

第28页:二甲醚的特点

第5节 二甲醚汽车:一、二甲醚的特点。二甲醚燃料是近年来新出现的一种汽车代用燃料。二甲醚化学分子式为CH3OCH3,是一种无毒含氧燃料,常温常压下为无色、无味气体,常温下可在5个大气压下液化,易于储存与输运。

  • 二甲醚十六烷值高达55~60,具有优良的压燃性,并且自身含氧,组分单一,碳链短,燃烧性良好,热效率高,燃烧过程中无残留物、无黑烟,是一种非常适合于压燃式发动机使用的代用清洁燃料
  • 二甲醚能从煤、煤层气、天然气、生物质等多种资源制取,作为一种新型二次能源具有很大的发展潜力和市场前景

第29页:二甲醚作为代用燃料的优点

二甲醚作为压燃式发动机代用燃料的优点:

  • 二甲醚分子结构中没有C-C键,只有C-O键和C-H键,且含有34%的氧,因此燃烧后生成的CO、HC和微粒少,发动机能承受较高的排气再循环率以降低NOx的生成与排放
  • 十六烷值高于柴油,远高于其它代用燃料,因此在柴油机上燃用二甲醚不像甲醇、乙醇、液化石油气和天然气那样需要采用助燃措施;自燃温度低,滞燃期比柴油短,NOx排放与燃烧噪声比使用柴油低
  • 低热值为柴油的64.7%,混合气热值与柴油相当,但只要每次循环中增大二甲醚的循环供给量,其产生的功率可大于柴油发动机功率;与甲醇燃料相比燃烧效果更优,还可克服其低温起动性能和加速性能差的缺点
  • 汽化潜热为柴油的1.6倍,蒸发吸热降低缸内混合气温度,会大幅度降低柴油机最高燃烧温度,有利于抑制NOx的生成
  • 沸点低(-25℃),喷入汽缸后即能汽化,油束的雾化特性明显优于柴油,有可能在低喷射压力下就能满足燃烧要求
  • 可以从来源丰富的煤、天然气和生物质中提炼

第30页:二甲醚的生产

二、二甲醚的生产:二甲醚以煤和天然气为原料合成制取,生产方法分为一步法和二步法,一步法是指由原料气一次合成二甲醚,二步法是由合成气合成甲醇,然后再脱水制取二甲醚。

1.一步法
由天然气转化或煤气化生成合成气,合成气再进入合成反应器内,在反应器内同时完成甲醇合成与甲醇脱水两个反应过程和变换反应,产物为甲醇与二甲醚的混合物,混合物经蒸馏装置分离得二甲醚,未反应的甲醇返回合成反应器
2.二步法
分两步进行,即先由合成气合成甲醇,甲醇在固体催化剂下脱水制二甲醚

第31页:二甲醚汽车的应用

三、二甲醚汽车的应用:二甲醚主要用于压燃式发动机,使用方式有纯液态二甲醚和以二甲醚作为点火促进物质两种方式。在适当加入抑制自燃的物质后,二甲醚也可用于预混的点燃式发动机。

1)纯液态二甲醚用于缸内直喷压燃式发动机
二甲醚十六烷值高,纯烧时可获得良好的综合性能,适于作为压燃式发动机燃料。利用燃油喷射装置直接向气缸内喷射液态二甲醚,靠发动机的活塞压燃着火的方式是二甲醚在发动机上最常见的应用方式
2)二甲醚作为点火促进物质用于柴油机
原因是十六烷值高、自燃性好。少量的二甲醚在进气行程进入气缸,在压缩行程后期先行燃烧,使缸内温度升高,对主燃料的燃烧起到促进作用,进而改善发动机的燃烧和排放性能

第32页:氢气燃料的特点

第6节 氢气汽车:一、氢气燃料的特点。

  • 是不含碳的燃料,H2O是燃烧主要生成物,废气中不含CO、HC以及微粒、铅、硫等有害物质,也没有CO2,只有高温下生成的NOx
  • 氢气燃烧的火焰传播速度快,是汽油的很多倍;氢是气态燃料,混合气形成质量好、分配均匀;着火界限很宽,允许采用较稀的混合气,实现稀薄燃烧;氢的自燃温度比汽油高,辛烷值高,允许有较高的压缩比,因此氢气发动机的热效率比汽油机高
  • 氢气的质量低热值很大,达到119.9MJ/kg,尽管理论空燃比也较大(34.48),以质量计的混合气热值仍然保持高值,达到3.38MJ/kg,而汽油仅有2.82MJ/kg;但由于氢气的密度太小,以体积计的混合气热值较小,因此氢气燃料发动机理论上的输出功率比燃用汽油要低
  • 点火能量较低,最小可以低到0.018mJ,汽油掺氢燃烧后点火能量可以降低,低温下容易起动
  • 氢气发动机易出现早燃、回火、工作粗暴等不正常燃烧现象
  • 容积系数很小,加上沸点低,因此氢在汽车上的存储难度大

第33页:氢气的携带方式

二、氢气汽车的应用:1)氢气的携带方式。按照氢气的携带方式不同,氢气汽车可分为:压缩氢汽车、液化氢汽车、吸附氢汽车。

第34页:氢喷射方式

2)氢喷射方式:

  • 在进气阀关闭后将氢喷入缸内,即在气缸内部形成混合气,能有效地提高发动机功率;内部形成混合气的热值比气缸外部形成混合气的氢发动机高41%
  • 内部混合气形成的氢发动机的氢喷射有低压喷射型和高压喷射型两种
  • 低压喷射型喷射压力可低至1MPa。氢在压缩行程的前半冲程被喷入缸内,采用火花点火;因为氢是在进气阀关闭后喷入缸内,不会发生回火现象;因不会发生早燃,喷射0~50℃的低温液态氢可使其功率比汽油机高20%;若在室温下喷射氢,由于易发生早燃,氢发动机功率下降至与汽油机相同的水平
  • 高压喷射型:氢在上止点附近喷入缸内,采用炽热表面点火或火花塞点火,其优点是不会发生回火、早燃及爆震,压缩比可达12~15,从而提高热效率,适于大缸径发动机

第35页:氢混合气点火方式

3)氢混合气点火方式:

(1)低压喷射火花点火
低压喷射氢发动机适合采用火花点火方式。若通过增加充量并控制早燃,则可得到较大的输出功率;当过量空气系数小于1.2时易发生早燃,此时仅可获得相当于或小于汽油机额定功率的输出功率;若喷射氢的温度低至0~50℃,则可防止早燃,发动机输出功率可增大
(2)高压喷射炽热表面点火
根据炽热表面点火试验可知,炽热表面温度高于900℃时混合气才能可靠着火。这种点火方式也存在实际使用寿命太短、加热点火塞需大容量的电池、喷氢阀产生氢的泄漏以及启动时易发生早燃和回火等问题
(3)高压喷射火花点火
为解决高压喷射炽热表面点火存在的问题可采用火花点火方式。由于氢/空气混合气只需较小点火能量便能着火,而且混合气着火界限也较宽广,故适合于采用火花点火
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