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第五章其他新能源汽车•第一节生物柴油汽车•第二节二甲醚汽车•第三节氢气汽车•教学目的和要求：•了解生物柴油汽车、二甲醚汽车、氢气汽车燃料特性、应用现状、发展趋势。•本章重点：应用现状、发展趋势。本章难点：结构特点•教学内容要点：•一、概述•1、生物柴油的发展状况及定义•生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，可转化成常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽，用之不竭，是一种可再生能源。•狭义生物柴油:1983年美国科学家首先将亚麻籽油的甲酯用于发动机,燃烧了1000h，并将可再生的脂肪酸甲酯定义为生物柴油广义生物柴油：是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料，这种燃料可供压燃式发动机使用。•生物柴油及其生产技术的研究，始于20世纪50年代末60年代初，发展于20世纪70年代，尤其是80年代以后发展迅速。•在我国，海南正和生物能源有限公司2001年在河北邯郸建成以回收废油、野生油料为原料年产1万t生物柴油的试验厂。•目前，我国对生物柴油的研究刚刚起步，与西方发达国家相比差距很大，未能形成生物柴油的产业化。从未来的发展看，生物柴油的主要应用有石油的炼油厂、发电厂、轮船航运公司以及流通领域的中间商。政府的扶持和全世界汽车车型柴油化的趋势加快，生物柴油的需求量在不断增加。随着生物柴油的竞争力不断提高，其发展空间巨大，生物柴油在柴油发动机、柴油发电厂、空调设备和农村燃料等方面的应用前景将更加广阔。2、生物柴油的资源（1）植物油脂：植物油脂主要包括草本植物油、木本植物油及水生油料植物油。•1）草本植物油：油菜、大豆和其他主要油料作物。•2）木本植物油：油菜、大豆和其他主要油料作物。•3）水生油料植物油：藻类的生物•（2）餐饮废油脂•餐饮废油脂（俗称垃圾油、泔水油），是目前阶段最有可能生产生物柴油的原料油资源。3、生物柴油理化特性•作为柴油的替代燃料或添加剂，生物柴油应当满足柴油的使用要求，才能保证作为燃料使用的性能。因此，评价生物柴油是否可以作为柴油的替代燃料，应当看其是否具有同矿物柴油相近的性质。•生物柴油的优点：•1）含水率较高，最大可达30%~45%。水分有利于降低油的粘度，提高稳定性，但降低了油的热值。•2）pH值低，故储存装置最好是抗酸腐蚀的材料。•3）密度比水小，相对密度约为0.83。•4）具有“老化”倾向，加热不宜超过80℃，宜避光、避免与空气接触保存。•5）润滑性能好。•6）优良的环保特性。•7）较好的低温发动机起动性能。•8）较好的安全性能。•9）十六烷值高，又含氧，燃烧性能好于柴油。•10）无需改动柴油机，可以掺烧任何比例的混合燃料或者直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备，这是在多种替代燃料中唯一能够这样做的。•11）生物柴油的资源丰富，是对环境友好的可再生燃料。•12）由动、植物油脂及废烹调油转化成生物柴油的技术基本已成熟，不需要复杂的设备。•13）生物柴油没有毒性，且是生物可降解物质。•14）在柴油机上推广应用甲醇及乙醇作燃料时，生物柴油既可用作助溶剂，又可以提高醇燃料的粘度。•生物柴油作燃料主要缺点：•价格尚高于常规柴油；在大量生产时，还需要保证原料的供应，如用可食用植物油作原料，就需较多土地；如用野生植物油，则还有待于开发；如用废烹调油，则需组织采购工作；发动机使用生物柴油，尚需进一步优化，解决可能产生的新问题。•4、生物柴油的生产方法•（1）由植物油或动物脂的脂肪酸烷基单酯组成•（2）生物柴油的化学法•（3）生物柴油的生物酶合成法•（4）物柴油的“工程微藻”法二、生物柴油在汽车上的应用•1、生物柴油的使用•生物柴油在柴油机的使用方法：•纯烧•掺烧:掺烧生物柴油以“BXX”表示:•“XX”代表生物柴油在燃料所占的体积比例，B20表示包含20％的生物柴油。•2、生物柴油汽车使用性能•（1）动力性：物柴油十六烷值大于56，完全能满足高速柴油机的使用要求。•（2）经济性：采用廉价原料及提高转化率从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。•（3）排放性：生物柴油车尾气中有毒有机物排放量下降90％，CO2和CO排放量下降90％，颗粒物排放下降80％，其废气排放指标可满足欧Ⅲ排放标准，因而对城市的污染治理极为有利。•（4）使用安全性：生物柴油在运输、储存、使用方面的安全性是显而易见的。•（5）对柴油润滑性的影响：生物柴油在运输、储存、使用方面的安全性是显而易见的。第二节二甲醚汽车•一、概述•1二甲醚的定义•二甲醚（DimethylEther，DME），属于醚的同系物，二甲醚毒性极低与用作麻醉剂的乙醚不一样，虽然对皮肤有轻微的刺激作用，但二甲醚毒性极低，具有优异的环境性能指标，在大气中二甲醚能够在短时间内分解为水和二氧化碳，不会对环境造成破坏；作为柴油机代用燃料，二甲醚具有十六烷值高，在55以上，不含S、N等杂质，加上组成中含氧，尾气排放造成的环境污染少，其CO和HC的排放比以柴油为燃料的柴油机有较大幅度的下降，因而是城市车辆比较理想的清洁燃料。•2、二甲醚的资源•二甲醚的制取原料主要有天然气、煤、生物质等。•3、二甲醚的理化性质•1）常温常压下二甲醚是一种无色、无味、无毒气体，其化学式是CH3OCH3。二甲醚的组成决定了其理化性能。•2）二甲醚是最简单的醚类化合物，只有C—H和C—O键，没有C—C键，又是含氧（氧质量分数为348％）燃料，容易完全燃烧，在燃烧时不会像柴油那样产生碳烟，即有利于减少燃烧生成的烟度和微粒。同时，还可使用更大的废气再循环（EGR），降低NOx排放。•3）二甲醚的十六烷值为55~60，一般柴油的只有40~55；二甲醚的着火温度为235℃，低于柴油的250℃，着火性能优于柴油。在柴油机上燃用二甲醚不需采用助燃措施。•4）二甲醚不发生光化学反应，对人体无毒，当体积分数超过10％时，才会产生轻微的麻醉作用，因此对环境和人体无害。•5）二甲醚是一种可再生燃料，不仅可以从石油及天然气中提取合成，而且可从煤、植物、生活垃圾中提取合成。•6）醚的低热值只有柴油的64.7％，为达到柴油机最佳动力性，必须增大二甲醚的循环供应量。•7）二甲醚在常温、常压下的饱和蒸气压为0.5MPa。二、二甲醚汽车的应用•1、二甲醚汽车的现状•最早是为了改善用压燃方式工作的甲醇发动机的低温起动性能，用作甲醇的引燃剂。•日本采用3600mL四缸DI柴油发动机进行的燃烧试验表明，烟度排放为零，NOx极少。•奥地利AVL公司应AMOCO公司要求，在一台NAVISTAR7.3LV-8柴油机上进行了用二甲醚替代柴油的可行性研究，首先是烟度为零，其次是NOx排放大约降低30％，在较高的排气再循环率下。•二甲醚能使压燃式发动机在不采取任何后处理措施情况下，达到欧洲Ⅲ排放标准。•在高速直喷发动机上进行改燃二甲醚燃料的研究表明，发动机燃烧柔和，排放好，同时还具有直喷柴油机的高热效率。•针对二甲醚饱和蒸气压高，在较低启喷压力下就能获得优异发动机性能的特点，国外开发了适用于二甲醚的共轨喷射系统。•西安交通大学的试验，使用二甲醚可使发动机功率提高10％～15％，热效率提高2％~3％，噪音降低10％~15％，可达到欧洲Ⅲ级排放标准。•上海柴油机股份有限公司和大连柴油厂也进行了二甲醚作为柴油机燃料的相关研究，如二甲醚燃料发动机喷射特性、燃烧机理与排放特性、二甲醚燃料特性以及燃油系统精密偶件减磨耐磨及可靠性的研究等。•2、二甲醚在汽车的应用方式•有纯液态二甲醚和以二甲醚作为点火促进物质两种方式。•1）纯液态二甲醚缸内直喷压燃式•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在柴油机上的应用•1）混合喷射•2）二甲醚预混、柴油（或甲醇）喷射式•1）混合喷射：•将二甲醚加压以液态与柴油（或甲醇）混合，一同经由喷油器喷入气缸。此法也保留了柴油机压燃和负荷质调的特征。但效果不如纯烧二甲醚，而且仍然需要加压设备，装置也未简化；•2）二甲醚预混、柴油（或甲醇）喷射式：•二甲醚以预混方式进入气缸、柴油（或甲醇）仍利用原喷油装置喷入气缸。该方式不再需要确保二甲醚为液态的加压设备，不可能获得大的掺烧比，整个发动机的性能与纯烧相比也存在差距。•（3）二甲醚混合燃料在点燃式发动机上应用•1）常压气态：•高压储存，有单一复合燃料式和复合燃料/汽油两用燃料式之分，单一复合燃料式是用二甲醚、液化石油气等制成复合燃料，其在汽车上的储存和工作方式与液化石油气汽车相同，可以采用与液化石油气汽车通用的燃料供给系统；复合燃料/汽油两用燃料式在汽车上的储存和工作方式与液化石油气/汽油两用燃料汽车相同；•2）常压液态式：•用二甲醚、烃类和抑制自燃的物质混合制成液态复合燃料，其在汽车上的储存和工作方式与汽油车相同，可以采用与汽油车通用的燃料供给系统。这种混合燃料需要解决燃料物性因蒸发而迅速变化的问题。3、二甲醚汽车的应用情况•（1）二甲醚轻型货车•用原来储存LPG的油箱储存DME，其中压力为0.6MPa。将原来汽油机用的油箱中的输油泵改动后，串联三个输油泵对DME进行多级加压，将压力提高到2.5MPa后供给发动机的高压喷油泵，以适应其温度达到60~70℃的高温状态。从喷油泵、喷油嘴处泄漏出的DME蒸气被引回到进气管中，而回流的液态DME则返回到DME油箱中。在DME中加入250μg/g的黏度增加剂。•进行道路试验，平均车速为30km/h，燃油经济性为5.2km/L，与标准的轻型柴油机货车一样。NOX比用柴油时低40％，CO下降99％，HC下降82％。将4105柴油机改用DME的比能耗、排放及噪音等对比•（2）二甲醚公共汽车•一部分安装在底盘上，另一部分属于发动机，主要增加了2个低压输油泵、3个燃油冷却器及高压供油泵等元件，能为公共汽车提供可靠的供油系，现正在进一步研究使该供油系简化。4、二甲醚汽车燃料供给系统的改进•1）气阻现象的产生和克服方案•主要采用两段的低压部分解决气阻问题，第一段主要有压缩氮气瓶8、二甲醚燃料贮存罐7和燃油流量计6等组成。第二段主要有包括低压输送泵4、蓄能器3等组成。在第一段，利用高压氮气使系统内压力高于环境温度下二甲醚饱和蒸气压力，以确保二甲醚在转子流量计中为液态，不因有气态存在而影响测量精度•（2）喷油泵的改进设计•增大每循环供油量主要有增大柱塞直径和柱塞的有效行程两种方法。•（3）喷油嘴的改进设计•加大总的喷孔流通面积，以与增大了的喷油量相匹配；改变喷孔数目，以寻求最优的喷孔数目。•（4）空气供给系统的优化设计•进气涡流是影响直喷式柴油机燃烧过程的重要参数之一。主要研究进气涡流的强度对发动机燃用二甲醚时性能的影响，优化二甲醚发动机的最佳进气涡流强度，通过对发动机进行改造，使之具有随工况变化的可变进气涡流强度的功能。三、我国二甲醚发展面临的问题•1．成本•2．技术•需要高效、低价的煤制气工艺及设备；需要能满足大型二甲醚生产用的反应器；解决以煤为原料制成二甲醚生产过程中二氧化碳的利用；相关催化剂的开发与生产；成熟、经济的二甲醚分离和提纯技术等。•3．政策•目前我国二甲醚建设项目的投资多是企业自筹、地方和国家配套贷款、国外企业投资和政府贷款。需要国家在投资、税收等方面制订倾斜政策，二甲醚作为新能源才有可能发展起来。第三节氢气汽车一、概述优点：热值高、能源转化率高（40％以上），续驶里程可与汽油车相当。洁净无污染，噪声低，氢作为代用燃料，其燃烧产物既没有HC、CO和炭烟等污染物，也没有造成温室效应的CO2，惟一的有害排放物是NOx，因此氢是理想的清洁燃料，对于汽油发动机只需稍加改造，就可燃烧氢气。所以有人认为未来的燃料是氢气，氢气燃料汽车是将来最有希望的交通工具。•1．氢气的来源•2．氢的制备•3．氢气的理化性质•4．氢气的携带方式及氢气汽车类型•1．氢气的来源•氢气的来源主要是从水中通过裂解制取，或者来源于各种工业副产品