新型动力系统及新能源

新型动力系统及新能源前言天然气醇类燃料氢燃料和氢能发动机生物燃料含氧燃料和二甲醚太阳能汽车电动汽车混合动力汽车燃料电池前言•洁净能源？•可再生的能源？•其它的可以取代汽车的动力机械？1．气体燃料和气体燃料汽车压缩天然气（CNG）液化天然气（LNG）—主要成分甲烷CH4，分子中只含一个C原子,按储存状态分为压缩天然气和液化天然气。液化石油气（LPG）--主要成分丙烷C3H8和丁烷C4H10,由石油矿藏中伴生的为石油气，以液态存在。特点与NG相似.液化石油气LPG：--主要成分丙烷C3H8和丁烷C4H10。•----特点与NG相似，具有热值高、抗爆性好，自燃温度高，易与空气混合，低排放等优点。气体燃料汽车•优点--排放可降低到加州超低排放法规（ULEV）的1/10--商业应用技术已成熟--有利于改善能源结构--燃油经济性好•缺点--费用高--充气站少天然气NG：—主要成分甲烷CH4，分子中只含一个C原子。•排放特性：CO少；未燃HC引起的光化学反应低；燃料中几乎不含硫，造成酸雨的SO2排放大幅度降低；热值比汽油高，可减少造成温室效应的CO2；稀燃下限宽，有利于降低NOX；固体颗粒的排放几乎为零。•热效率高：辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得高的热效率。•运转性能：气体燃料，低温起动和低温运转性能好；•适应性能好，可单独或与汽油同时使用（双燃料），并且发动机改造小。天然气NG•运转性能：气体燃料，低温起动和低温运转性能好；•适应性能好，可单独或与汽油同时使用（双燃料），并且发动机改造小。•问题：使用纯NG发动机功率下降约10%；储气压力高达20Mpa，使燃料容器加重；一次充气行驶距离短；燃料的储运，添加困难，设备复杂，一次性投资较高。储量：•我国四川、陕甘宁、新疆及东部油田有丰富的天然气资源，新疆、大庆等东北的区有石油液化气资源。•1993年已探明的天然气资源为1.87万亿m3,估计总储量38万亿m3；•1996年，我国天然气产量为250亿m3，2000年天然气陆上产量为250亿m3，海上为150亿m3。特点：（国际燃气汽车协会主席，杰福瑞-塞斯勒博士）•与汽油和柴油相比，天然气使用更为经济（在有些国家，天然气比传统燃料便宜50%）•与其它车辆相比，天然气最安全。天然气比空气还轻，即使泄露也不会对环境造成危害•地球上的天然气资源还可使用200年•天然气是最洁净的燃料之一。天然气做燃料的车辆比用汽油或柴油的车辆在排放方面至少要减少85%~90%。日本本田天然气小客车布置示意图日本本田天然气汽车和汽油车性能的比较储量：----中国拥有世界第二的天然气储量传统发动机天然气发动机2．醇类燃料•醇类燃料----一般指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）来源：•甲醇：生产甲醇的原料有煤、木柴、天然气、有选择的城市垃圾及近几年正在研究的海藻等；•乙醇：生产乙醇的原料有单糖类{如甘蔗、甜菜等}，淀粉类植物（如玉米、薯类、大麦等），化工原料（如乙烯等）和纤维类（木屑、树枝及秸杆等）。醇类燃料的性质：•甲醇：一种轻质、无色、略有臭味、低污染的可燃液体，与水能无限互溶。甲醇只有一个C原子，没有C-C键，含有50%的氧。•乙醇：只含两个碳原子的含氧燃料特点：•可再生燃料•与汽油或柴油掺烧或纯烧•在燃烧中产生甲醛和乙醛等有害气体。•甲醇有一定毒性，若吞服量大，则会中毒，乃至死亡。若侵入眼睛的量大，则会导致视神经衰弱，甚至失明。醇类燃料的性质：•甲醇：一种轻质、无色、略有臭味、低污染的可燃液体，与水能无限互溶•乙醇：只含两个碳原子的含氧燃料醇与汽油的成分的比较组成甲醇乙醇普通汽油C（%）37.552.286H（%）12.513.014O（%）5034.8-H/C43≈2奥托循环M100及E100发动机与汽油机性能的比较自由混合双燃料汽车FlexibleFuelVehicle3．氢燃料和氢能发动机通用采用线控技术的氢燃料电池概念车Hy-wire装备氢燃料转子引擎！马自达RX-8氢能源时代的构思氢作为汽车燃料的特点：•唯一的不含碳的燃料最理想的环保燃料•H2的热值为120MJ/kg，是汽油的2.7倍。但单位体积的发热量只有汽油的1/20•H2极易点燃，火焰传播特性也很好；但自着火温度（在大气压下）高达850K•携带性和安全性差氢在发动机中的供给方式：•常温H2，进气管吸入•液态H2，进气管吸入（H2的沸点为-253C）•高压H2，缸内直喷氢燃料的实用化问题：•如何廉价地获得H2•携带运输：安全、低成本和能量密度高•常用的贮运方法有高压气瓶法（HP）、液态H2（LH）和贮氢合金法（MH）常见的金属氢化物与其它储氢方法的比较应注意的是：H2发动机尽管不排放CO2，但在生产H2的过程中因方法不同会有不同程度地排出CO2：由天然气制氢：CnH2n+2+2nH2O-nCO2+(3n+1)H2由煤制氢：CH0.8+0.6H2O+0.7O2-CO2+H2由渣油制氢：CH1.8+0.98H2O+0.51O2-CO2+1.88H24．含氧燃料和二甲醚•含氧燃料—分子结构中含有氧原子的燃料。如甲醇和乙醇等。含氧燃料在燃烧时所需空气量少，容易充分燃烧，基本上不产生碳烟，对解决柴油机的碳烟和微粒排放有很大优势。•二甲醚：有可能成为高效、低污染、廉价的十分理想的柴油机新型燃料。二甲醚的特点：•是由两个甲基中间夹一个氧原子构成（CH3-O-CH3），不存在C-C键•着火温度为2350C，低于柴油的2500C•含氧量为34.8%，容易完全燃烧•不发生光化学反应；对人体无毒•可再生燃料，不仅可以从石油及天然气中提取，而且可以从煤、植物、生活垃圾中提取二甲醚的排放特性：•在任何工况下均能实现无烟燃烧•CO排出量只有柴油的1/5•HC的排放仅有柴油的1/2左右•NOX排放，在喷油较早时高于柴油，推迟喷油，则略低于柴油二甲醚实用化需解决的问题：•沸点为250C，在常温和常压下呈气态。•粘度很低，因而润滑很差，容易造成磨损、卡死以及泄漏，该点为DME实用化的最大障碍。•燃料低热值为28.8kj/kg，约为柴油（42.7kJ/kg）的70%，与柴油车行驶同样的距离必须加大油箱的容积。•对金属材料无腐蚀，因而其贮藏等无需特殊材料；但长时间接触会使合成橡胶老化。5．生物燃料气体燃料，如沼气、发生炉煤气等；可从树木、草本植物提炼出的“绿色石油”；醇类燃料，如甲醇及乙醇；可食用的植物油，如向日葵油、菜油等各种植物油不可食用的植物油，如桉树油、桐油等单脂类——从植物油提炼出来的派生物；动物油脂，如蛹油、鱼油等。生物燃料特点：•植物在生长过程中吸收CO2，而在成长后可以不同的方式变成人类生活中的能源；•植物的生长期远远短于石油的生成期；•植物又可以人工种植。一些植物油与轻柴油闪点（开口）的比较（℃）目前正在开发和研究有：菜籽油、棉籽油、棕榈油、大豆油、花生油以及向日葵油等。研究表明，这类植物油十六烷值较高，只要用合适的方法将其粘度调整到柴油水平，可以在发动机不作改进的情况下直接使用。菜籽油棉籽油木油桐油菜油按树油松节油巴豆油柴油2102372552652105445～907174～856．太阳能汽车----是真正意义上的无公害无能源消耗的环保汽车技术关键：•太阳能电池的类型可分为多晶硅和单晶硅，近年来单晶硅越来越成为主流。太阳能电池的光电转换效率是关键问题，目前的转换效率在14~23%之间。应用状况：•赛车：只乘坐驾驶员一人，车身采用流线型和树脂复合材料（减轻重量）；太阳能电池板（7-10m2），车身具有很大的面容比；并带有3-5kW的蓄电池。行驶速度可达100-200km/h.•商用车：可乘坐1-2人，树脂复合材料的车身，太阳能电池板为2-7m2，蓄电池为3-9kW，车速为30-50km/h。•最接近实用化的太阳能车：一般由轿车改装而成，太阳能电池板只有1.5-2m2，但带有较大的蓄电池（14-18kW），车速只有20-40km/h。车重依次增加。7．电动汽车—以电力驱动的汽车组成：OnOn--BoardFTIRMeasurementBoardFTIRMeasurementSystemSystemSystemhasbeenverifiedonthedynamometerandontheroad特点：•在行驶过程中不排放任何有害气体（包括CO2）。是目前唯一零排放的汽车。•电能可以有多种来源，如水利发电、核能发电、潮汐发电、燃煤发电、风能、地热能以及未来的生物发电。•白天行驶，夜间充电，有利于调节电力系统在夜间富余的大量电力。•能源利用率高：石油汽油或柴油发动机热功转换，有效能只占原油所含能量的12%；石油发电电网输送充电机电动机车轮，能量利用率可达14~17%；存在问题：•电池性能不能满足要求—能量密度低，一次充电行驶里程太短。铅酸和镍-镉电池，每公斤质量蓄电能分别约40W.h/kg和45~60W.h/kg，汽车为12000W.h/kg，相差200~300倍（考虑电机的工作效率，两者也差十到几十倍）电动汽车的一次充电行驶里程为100~200km，最高车速在80~130km/h。•制造成本过高。价格成本为同级燃油汽车的2~3倍（电池价格、研制费用和生产规模小）。•充电时间长实用现状：•从70年代开始研制电动车，到90年代已开始商品化。•德国--4400辆（95年）•法国--2000辆（97年），汽油价格约为美国的4倍，而电力价格则很便宜（75%的电力来自于核能发电，15%来自于水利发电）。•日本--3000辆（96年），91年推出了IZA牌4座电动车，采用镍-镉电池、稀土永磁无刷电动机、复合材料车身和铝车架等先进技术，最高车速达176km/h，一次充电行驶里程达548km（40km/h匀速行驶），创下至今保持领先的性能指标。•美国的加洲规定必须按一定比例销售零排放汽车，98年为2%，01年为5%，03年以后为10%，到2000年总数为3750辆。混合动力汽车•将驱动系统与另外一种动力系统在同一辆车上使用，并且对另外一种动力系统的选择是很灵活的，可以是汽油机、柴油机、代用燃料发动机等。•驱动方式—串联式、并联式和串并联灵活驱动方式混合动力汽车串联式混合动力汽车并联式混合动力汽车混合式FEV1空车重量：1100kg最高速度：120km/h加速性能：13.0sec.(0-100km/h)行驶距离：154km(EV)620km(HEV)发动机：AC感应器电池：NI-MH引擎：800cc汽油生产时间：1995年5月FEV2空车重量：1320kg最高速度：175km/h加速性能：12.0sec.(0-100km/h)耗油量：28km/t引擎：1500cc汽油发动机：BrushlessDC电池：Ni-MH6.5Ah生产时间：1994年4月特点：•动力性能完全达到同类汽车的水平，而百公里油耗是同类车的一半，排放只有同类车的1/10。•结构复杂，成本高。燃料电池----用燃料电池作为动力源•原理：由燃料（氢、煤气、天然气等）、氧化剂（氧气、空气等）、电解质或催化剂和电极等组成，利用燃料的氧化反应，把化学能直接转化为电能。特点：•与一般蓄电池不同，不需要充电，只要不断加入燃料和氧化剂，就会不断产生电能。•燃料电池的比能量大，可达200~350W.h/kg，是铅酸电池的5~8倍、锂电池的2~3倍。•能量转换效率高，可达60%~80%，是汽油机或柴油机的1.5~2倍。•低排放或无排放物污染，如氢-氧燃料电池排出物为水。存在问题：•满足车用要求的燃料电池系统复杂，结构尺寸过大。•直接用氢-氧燃料电池的氢储存困难，行驶里程有限。•用天然气、汽油等其它燃料按氢-氧燃料电池方式工作需要较为复杂和体积较大的转换器。•作为最有前途的质子交换膜燃料电池需要大量昂贵的金属铂，成本太高。