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第二章替代能源汽车•天然气汽车•液化石油气汽车•醇类燃料汽车•氢气汽车•电动汽车本章学习重点•掌握有关替代能源汽车的基本概念•掌握替代能源汽车特有结构的特征和基本工作原理•明确替代能源汽车合理运用的特殊事项•掌握替代能源汽车评价的基本知识第一节天然气汽车一、天然气汽车概述天然气汽车主要成份是甲烷表2—1天然气与汽油的理化特性的比较特性值天然气汽油密度(气态,kg/m3)0.7185.093低热值(MJ/kg)49.5444.52理论空燃比(重量)17.214.7理论混合气热值(MJ/m3)3.363.82沸点(℃,常压)-162100汽化潜热(kJ/kg)510297自燃温度(大气中,℃)650500点火界限燃料体积比(%)5.3—151.2—6点火界限当量比(Φ)0.65—1.60.7—3.5表2—4世界主要国家CNG汽车数量及加气站数量国家CNG汽车数量/万辆CNG加气站数量/座阿根廷40.1531意大利29284俄罗斯20.5187美国6.61102新西兰2.5190加拿大1.7120巴西1.439其他2.9319合计104.72772天然气汽车作为一种清洁汽车，由于其低排放、安全可靠、技术成熟、有良好的经济效益和环境效益而被广泛应用于世界40多个国家和地区。二、天然气汽车的类型(一)按储存天然气的压力和形态•压缩天然气汽车(CNGV)•常压天然气汽车(NNGV)•液化天然气汽车(LNGV)•吸附天然气汽车(ANGV)(二)按燃料的组成与应用•单燃料（CNG）汽车•CNG-汽油两用燃料汽车•CNG-柴油双燃料汽车(三)按燃料供给的控制方式•机械控制式天然气汽车•机电联合控制式天然气汽车•电控式天然气汽车（开环和闭环）三、压缩天然气(CNG)汽车（一）压缩天然气(CNG)供气专用部件结构及原理1、负压输出的减压调节器2、文丘里管结构混合器文丘里管安装在空气滤清器与化油器之间。一方面要使喉管处产生真空度来调节减压调节阀的天然气流量，另一方面又要将天然气与空气均匀混合。混合器喉径过大，真空度小，不灵敏；过小，吸人空气量少，影响空燃比，发动机功率下降。通气小孔总截面积应与天然气进气道截面积相匹配。3、正压输出的减压调节器基本工作原理：每级减压器由进气阀、减压室及阀门开闭调节装置、出气阀等组成。本级出气阀为下一级减压室的进气阀。高压气体由进气阀进入减压室，体积膨胀，当气体作用于膜片组的推力与进气阀门开启力相等时，进气阀又被关闭，使减压室压力不再增高，以达到减压的目的。等气体从出气阀流出时，减压室压力降低，气体对膜片组的作用力小于进气阀门开启力，进气阀又被打开，如此周而复始，使本级减压室压力稳定在额定压力，以达到减压的目的。4、比例调节混合器基本工作原理：当发动机起动运行时，发动机进气歧管产生真空，混合器气室B的空气通过管道E进入发动机化油器进气管；气室B产生真空，而气室A与大气相通，混合器膜片在大气的压力作用下克服膜片组的重力和混合器弹簧的弹力上行，打开天然气进气管和混合器空气阀座，天然气和空气通过混合器进入发动机，发动机开始工作。混合器膜片根据发动机化油器进气管的真空度变化上下运动，天然气进气管开度的大小也随着变化，从而向发动机提供不同数量的天然气，与空气形成空燃比合理的混合气。（二）压缩天然气-汽油两用燃料汽车CNG-汽油两用燃料汽车，就是将原来的燃料供给系统保留不变，增加一套“车用压缩天然气装置”。车用压缩天然气装置天然气储气系统天然气供给系统油气燃料转换系统充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、高压管线、高压接头、压力传感器及气量显示器等天然气滤清器、天然气高压电磁阀、减压调节阀、混合器等油气燃料转换开关、天然气电磁阀、汽油电磁阀等（三）电控喷射天然气汽车1、电控喷气形式电控喷气形式缸外供气方式缸内供气方式主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气阀处喷射供气。缸外进气阀处喷射是一种较进气道混合器预混合供气方式更进一步的供气方式，该供气方法是将气体喷射器布置在各缸进气道进气阀处，可实现对每一缸的定时定量供气。缸内喷射是指将气体燃料直接喷到汽缸内，喷气阀装在汽缸盖上。主要包括缸内高压喷射供气和低压喷射供气。低压喷射主要用在压缩比较低的点燃式气体燃料发动机上；高压喷射主要用在压缩比较高和压缩终点喷射的气体燃料发动机上。2、电控喷气系统的组成及工作原理电控喷气系统空气供给系统空气供给系统空气供给系统空气滤清器、进气管和进气歧管等储气瓶、燃气过滤器、调压器、喷气阀和输气管线等传感器、电控单元和执行元件等1)HSV型电控气体喷气阀当电磁线圈8断电时，球阀4在进气口和出气口处气体压差的作用下向有运动，使CNG通道打开，实现供气。当电磁线圈8通电时，衔铁10产生电磁推力，通过推杆7，使球阀4向左运动，靠在其密封座上，关闭燃料气道，停止供气。2、DDEC天然气—柴油喷射器四、天然气汽车性能评价（一）较低的污染排放•与空气混合充分、燃烧彻底，可大幅度降低CO和HC的排放量•天然气火焰温度低，也会使NOx排放量减少•天然气是碳氢原子比最小的烃类化合物，以产生相同热量计算，产生的CO也可比汽油、柴油降低15％以上表2—3天然气与汽油的排放对比环境温度燃料种类排放物(g/km)COCO2NOXTHCNMHC24℃天然气0.156229.30.0250.0680.006汽油1.21302.70.140.1740.14-20℃天然气0.21289.60.060.080.006汽油5.87356.10.390.920.83平均减少百分比(%)91.521.583.576.097.5（二）良好的运行经济性•天然气的研究法辛烷值130，这就意味着燃用天然气比燃用汽油时，许用压缩比可高2～4个单位。很显然，压缩比高，热效率就高。•天然气与空气的混合气形成质量比汽油与空气的好，混合均匀与分配均匀有利于提高燃烧的完全度。（三）可靠的安全保障•从燃点看，天然气的自燃温度高达650℃～680℃，远高于汽油的228℃～471℃，柴油的200℃～300℃•从着火界限看，天然气的着火界限范围为5～15%，汽油为1.3～7.6%，天然气比空气轻，要形成天然气点燃的浓度比汽油难得多•在制造要求和质量保证上，CNG气瓶比汽车油箱严格得多天然气汽车缺点：1、续驶里程短2、动力性变差表2—5汽油机改燃天然气后的动力性对比试验结果序号型号压缩比最大功率(kW)下降率(%)最大转矩(N·m)下降率(%)汽油天然气汽油天然气1CA10866.7855.518.1294.3249.215.32BQ61006.7592.170.123.933328913.23CA61026.590.470.621.9342.5310.99.24CA61026.7597.173.624.2380.3321.915.45NJ472A7.368.652.12418915617.56吉尔138A7110.388.519.67格斯53-27783.17017.8第二节液化石油气汽车一、液化石油气概述•我国液化石油气的资源包括油田和石油炼厂两个方面。•LPG与汽油、柴油等常规汽车燃料相比，具有燃烧完全、积炭少、排放污染物低、怠速及过渡工况运行稳定性好等优点，但与天然气一样也存在着动力性降低的问题。•液化石油气的主要成分是丙烷C3H8，此外还含有少量的丁烷C4H10、丙烯C3H6和丁烯C4H8。•车用液化石油气必须保证其使用安全性、抗爆性和良好的起动性和排放性等，我国制定了相关标准：SY/Y7548-1998《汽车用液化石油气》。表2-6液化石油气与汽油、柴油以及天然气的理化特性的比较项目汽油柴油天然气液化石油气物理状态液态液态气态气态汽车上的存储状态液态液态气态或液态液态在常压下的沸点（℃）30～220180～370-161.5-0.5低热值（MJ/kg）44.524349.5445.31汽化潜热（kJ/kg）297510丙烷：-41丁烷：0～2辛烷值（RON）9112094十六烷值2740～60自燃点（℃）260700丙烷：358.2丁烷：373.2最低点火能量（MJ）0.25～0.3分子量100～115～22616丙烷：41丁烷：58在空气中的可燃范围比（%）1.3～7.65～15二、液化石油气汽车的结构与工作原理(一)液化石油气汽车蒸发调压器多数LPG蒸发调压器是集预热、蒸发、减压、调压功能于一体，LPG被发动机冷却水加热后蒸发气化，再经减压(接近大气压)供发动机使用。1、一级减压室来自储气瓶的LPG从进口8流入蒸发调压器高压腔，在自身压力的作用下压开一级阀门1，并进入一级减压室6。在此被蒸发、气化成气体并得到了第一次减压，压力被减小到0.14～0.25MPa。随着6中的气体数量增多，室内压力升高。推动一级膜片3向上运动，压迫一级弹簧4，固定在一级膜片3上的挂钩将一级杠杆2向上拉起，关闭一级阀门1，阻断LPG的进入。随着6中的LPG陆续进入二级减压室17，一级减压室6中的气压降低。当压力降至某一值时，一级弹簧4使一级膜片3向下移动，带动一级杠杆2动作，打开一级阀门1，LPG又进入一级减压室6。于是一级减压室中的LPG压力处于动态平衡状态。增加一级弹簧4的预紧力、减小一级阀门1的阻尼等可使一级减压室压力和出气量增大，反之则使一级减压室压力和出气量减小。2、二级减压室二级减压室17的作用是使LPG的压力进一步降低至接近负压。来自一级减压室6的石油气经过二级阀门25进入二级减压室17时压力进一步降低(降至大气压附近)，之后经由LPG燃料出口输往混合器。随着进入二级减压室17中的气体数量的增多，室内压力升高，当室内压力大于平衡压力的时候，推动二级膜片18向下运动，这时减压室内体积增大，使得室内压力减小。当室内压力小于平衡压力的时候，在压差的作用下，推动二级膜片向上运动，使得室内压力增加。于是二级减压室17中的LPG压力处于动态平衡状态。增加二级膜片弹簧19的预紧力、减小二级阀门25的阻尼等可使二级减压室17的压力和出气量增大，反之则使二级减压室压力和出气量减小。3、不同工况下混合气浓度的实现1)怠速系统问题提出：在怠速工况下，废气系数大(节气门开度几近为零，进入气缸的空气量很少)、燃烧恶化的情况仍然存在。为了保证怠速工况的正常运行，必须提供很浓的混合气。解决方案：利用真空管13将节气门后的真空引入真空气室15，使真空膜片压缩真空膜片弹簧16并带动二级阀门25开度增大，进入二级减压室17的LPG便增多，这样就满足了怠速工况对可燃气的需要。若发动机处于停机状态，混合器喉口处及节气门后的真空度均消失，二级阀门25在真空膜片弹簧16的作用下关闭，停止向混合器供给LPG，起到停机断气的安全作用。2)主供气系统主供气系统主要由混合器、二级减压室和真空室组件等组成。在发动机运转过程中，随着节气门开度的增大及转速的升高，混合器喉口处的真空度亦不断增大，这一真空度通过主通道传至二级减压室使二级阀门25的开度增大，引出较多的LPG以满足发动机的需要。怠速系统的真空气室15还具有一定的的校正功能。当节气门开大时，一方面进入的空气量增加，同时，混合器喉口处的真空度增加，蒸发调压器输出的LPG量增加，如果进入混合器空气量的增加速度赶不上蒸发调压器LPG燃料出气量的增加速度，混合气反而会变浓。而此时由于真空孔处真空度下降，真空气室15真空度亦跟着下降，真空弹簧16在预紧力的作用下将真空膜片压向下方，通过二级杠杆20迫使二级阀门25的开度减小，以减少调压器的出气量，从而防止混合气随着负荷的增加变得过浓。3)起动系统问题提出：在起动工况时，因转速很低，混合器喉口处的气流速度及真空度均很低，因此，二级阀门25的开度很小，不能将燃气吸出或者吸出的数量很少，致使气缸内的混合气过稀，难以保证其着火与燃烧。为此LPG发动机也需要在供气系统中专设起动系统。解决方案：起动电磁阀26控制连接一级减压室6和二级减压室17的旁通气道的启闭。起动时，起动电磁阀26接通，旁通气道开启，于是一级减压室6中较高压力的LPG经起动加浓量孔27直接进入二级减压室17，二级