第二章 替代能源汽车.ppt

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,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,,,,1HSV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,（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,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。,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17，二级减压室内气体的压力和数量激增，从而保证向发动机提供额外的LPG，使LPG发动机得以顺利着火起动。随着LPG发动机转速的升高，混合器喉管中的真空度增加，二级减压室17的阀门25开度相应增大，从二级减压室17引出的LPG数量增多至可保证发动机稳定运转，起动电磁阀26关闭，旁通气道被截断。,二单燃料（LPG）汽车,（三）液化石油气-汽油两用燃料汽车,三、液化石油气汽车的性能评价（一）LPG汽车的动力性,（二）LPG汽车的燃料经济性,（三）LPG汽车的排放,由于LPG与空气混合气的形成质量优于汽油与空气混合气，燃烧较为完全，在整个混合气浓度范围内，燃用LPG比燃用汽油的HC排放浓度低，其CO排放与燃用汽油相比大幅度下降。,第三节醇类燃料汽车一、醇类燃料汽车概述,醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。醇类燃料可以和汽油或柴油按一定的比例配制而成混合燃料，也可以直接采用醇类燃料作为发动机的燃料。醇类燃料的来源广，制取方式多。甲醇可以从煤炭、天然气、煤层气，可再生生物资源、分类垃圾等物资中制取；乙醇的原料主要是含糖、含淀粉的农作物，如甜菜、甘蔗、玉米、草杆等。甲醇和乙醇都属有机化合物，是无色透明、易挥发的可燃液体。与汽油相比，热值低、汽化潜热大、抗暴性好、含氧量高等，另外，醇类燃料吸水性强、化学活性高、容易发生早燃等。,醇类燃料的主要特点,辛烷值比汽油高汽化潜热大热值低腐蚀性大醇混合燃料容易发生分层,二、醇类燃料在发动机上的燃用方式,1、掺烧掺烧是醇类燃料在汽车上的主要应用方式。为使内燃机燃用醇燃料时能有良好的效果，可采用不同的掺烧方式，调整混合燃料的性质，改进内燃机结构及设计良好的掺烧及控制装置。在混合燃料中甲醇或乙醇的容积比例分别以MX或EX表示。如乙醇占10％、20％，即以E10、E20表示，纯乙醇燃料用El00表示。,2、纯烧混合气的形成装置必须与醇较低的热值及较少的空气需要量相适应。加大输油泵的供油能力，以避免气阻。采用高压缩比以充分利用醇高辛烷值的特性。更合适的混合气形成装置。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。解决冷起动不利的因素。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、甲醇改质,甲醇改质是利用发动机排气的余热将甲醇改成为H2和CO，然后再输往发动机。,,甲醇蒸发需要吸收汽化潜热，气体甲醇改质也需要吸收热量，故甲醇改质后名义热值为液态甲醇的1.2倍。改质气的理论成分为含氢66.7％mol，含一氧化碳33.3％mol。实际上还会含有少量的甲烷和甲醛等，使改质气的热值降低，火焰传播速度下降，还会使排气中的HC和CO增加。,1、甲醇改质气的的低热值比甲醇高，但混合气热值比甲醇略低2、火焰传播速度远远大于汽油，这个特性有利于热效率的提高3、着火界限很宽，很容易实施稀混合气燃烧，提高热效率4、辛烷值高，许用压缩比高5、甲醇改质气有效地回收了一部分排气热量，有利于热效率的提高。,甲醇改质装置,甲醇,,热交换器,,改质器,改质管,,,热交换器,,进气管,预热,气态,H2CO,冷却,4、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。,汽车燃用醇类燃料时应注意的问题,醇是一种溶剂，发动机使用初期，燃油系统零部件、油路和燃油管壁上沉积物会剥落，导致滤清器堵塞，一些黑色金属和有色金属将腐蚀。应进行橡胶长时间浸泡试验及耐腐蚀试验。长期使用醇-汽油混合燃料，润滑油酸值和粘度将会增加，在发动机进气系统部件中，易产生油污，导致拉缸。应在润滑油中添加清洁剂及中和酸性物质的添加剂。使用掺醇汽油后，汽车燃油耗和发动机动力性有所下降。可适当提高压缩比和加大点火提前角，对电喷发动机进行匹配，延长喷油时间。醇的气化潜热比汽油高，在寒冷地区会使混合燃料难以气化，不易起动。容易分层，使汽油和醇互溶性变差，影响燃油的品质。,,三、醇类燃料在发动机上的参数选择,汽油机使用醇类燃料时的参数选择提高压缩比改善燃油分配均匀性及供油特性混合气空燃比的调整火花塞及点火时间的选择,柴油机使用醇类燃料时的参数选择压缩比的选择电热塞与火花塞,四、醇类燃料在汽车上的应用,M2566LUH型增压中冷甲醇发动机,甲醇与柴油在汽车发动机上的缸内预混喷油,五、醇类燃料发动机性能评价,,,,,第四节氢气汽车一、氢燃料汽车概述,氢气在常温常压下为无色、无味、无毒的气体。氢是宇宙中最丰富的物质，也是地球上储量最丰富的资源，自然界的氢绝大部分以化合态的形式存在，最常见的便是水和有机物。,氢主要有以下特点,氢是所有元素中质量最轻的。氢的沸点为-253℃，常温常压下为气体，携带性和安全性差。氢极易点燃，最小点火能量只有汽油的1/3，火焰传播特性也很好，容易实现稀薄燃烧；但自着火温度在标准大气压力下高达850K，高于柴油的620K和汽油的770K。氢的质量低热值非常高，是汽油的2.7倍。但单位体积的发热量只有汽油的1/20。氢燃料中不含碳元素，因而不排放CO、HC及硫化物。燃烧后生成H0，而没有CO。储存不便。动力性较差。,二、氢的制取与储存一氢的制取,电解水制氢是目前应用比较广泛且比较成熟的方法之一，近年来利用热化学循环分解水来获得氢的方法也得到了很好的发展。SO2十2H2O十I2H2SO4十2HIH2SO4SO2十H2O十O22HII2十H2总反应为H2OH2十O2,,,,,（二）氢的储存,低温吸附方法复杂金属氢化物的分解宝马汽车公司的储氢箱纳米碳素纤维储存氢气德国新的氢气转换技术,三、氢燃料汽车的类型及应用（一）氢燃料汽车的分类,氢燃料汽车的分类,,按储存的压力和形态,按混合气形成方式,,压缩氢汽车,液化氢汽车,吸附氢汽车,预混,缸内直喷,,（二）气态氢燃料在汽车上的应用,（三）液态氢燃料在汽车上的应用,四、氢燃料汽车的性能评价（一）动力性和经济性,在机外使氢气与空气混合，那么由于容积效率低，发动机功率比原汽油机低20％～30;如果将冷氢在进气门关闭以后，以较高压力喷人燃烧室，那么由于充量密度较高，燃烧完善，功率有可能比原汽油机提高15％左右。另外使用氢燃料后，有害排放物种类比原排放明显减少。,（二）排放性,氢完全燃烧的产物只有H0这么一种无害的物质，实际上由于空气参与燃烧，空气中的氮在燃烧的高温下会生成NO，在废气中还会含有末参与燃烧的N和剩余的O，以及没有来得及燃烧的H。此外，如果润滑油窜人燃烧室，则废气中还会含有石油燃料的排放物如CO、HC、CO、醛甚至微粒，不过很少。,第五节电动汽车,电动汽车,,,纯电动汽车,混合动力电动汽车,燃料电池电动汽车,完全由蓄电池提供电能，经过电动机和驱动系统，驱动汽车行驶,同时采用电动机和发动机作为动力驱动系统,采用燃料电池作电源,,,,一、电动汽车的发展优势以及所面临的问题一电动汽车的发展优势,电动汽车结构简单，使用方便。电动汽车是典型的零排放汽车。电力的来源可以是多样性的，许多清洁的可再生能源，都可以高效地转化为电能。减小噪声污染。制动能量可回收。,二普及电动汽车所面临的问题,二、蓄电池,,,,,,,蓄电池,安全性,可靠性,价格费用,功率密度,循环寿命,,,,,能量密度,起动性能,,,,,,三、电动机,电动机选择的原则应该是转矩/转速特性与电动汽车的负载特性匹配良好,即低速发出大转矩,高速发出小转矩；动态特性好，能迅速和平滑地控制电机的转矩，适应电动汽车启动、停车、加速和减速的要求；高的效率、较低的成本、坚固以及维修简单等。,1、异步电动机,特点总体价格比直流电动机高、效率高、调速范围宽、基本免维护以及体积小质量轻。,2、永磁式无刷电动机,永磁式无刷直流电动机成为最适于电动汽车驱动的电机品种之一。优点永磁式无刷直流电动机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，其体积和质量可以大为减小，功率密度高；由于转子上无绕组，无铜耗，因此效率高于其他电机；电机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热；可靠性较高；转子电磁时间常数小，动态性能好。缺点所需稀土永磁材料的制造工艺复杂，另外，永磁电机在大的过载电流下会导致磁性材料的磁性衰迟或者迟磁，使用时要严格控制过载电流，因此成本较高，相应它的价格更贵些。,3、开关式磁阻电动机,优点结构简单，工作可靠，效率高，且容易实现电动汽车制动时的能量回收，工作特性好，响应速度快，制造成本低。缺点双凸极工作造成转矩脉动和噪声较大。,四、电动汽车基本结构及其工作原理,五、混合动力电动汽车,1、串联式混合动力电动汽车（SHEV）,结构及控制系统比较简单；只有电动机驱动模式，其动力特性更加趋近于EV，要求发动机、发电机和驱动电机的功率都等于或接近于SHEV的最大驱动功率；由于该系统的能量在热能-电能-机械能之间转换，总效率低于内燃机效率；由于三大动力总成之间无直接的机械连接，在布置上具有较大自由度，但同时受限于各总成体积较大、质量较重以及庞大的动力电池组，所以通常用于大型客车、公交汽车等。,2、并联式混合动力电动汽车（PHEV）,PHEV是由发动机、电动机/发电机或驱动电动机两大动力组成，其发动机、电动机/发电机或驱动电动机采用并联的方式组成驱动系统。,3、混联式混合动力电动汽车（PSHEV）,（1）驱动轴合成混联式混合动力电动汽车,（2）驱动轮合成混合动力电动汽车,发动机动力和驱动电动机的动力在驱动轮上进行合成带动车轮行驶，故称为驱动轮合成PSHEV。发动机是驱动轮动力合成式PSHEV主要动力源，它能单独地驱动PSHEV的前轮或后轮行驶，驱动电动机也能够独立地驱动车辆后轮或前轮行驶，可以增加车辆的机动性和灵活性，驱动电动机及其驱动系统与发动机传动系统没有任何机构联系。在车辆加速或爬坡时，发动机节气门开度较大，在发动机驱动前轮行驶同时，驱动电动机也输出最大动力驱动后轮行驶，提供辅助动力。此时车辆采用混合驱动模式。车辆实现四轮驱动并具有最大驱动力。在混合驱动模式驱动车辆行驶时，前轮的驱动力和后轮的驱动力进行叠加。在车辆滑行、下坡或制动时，回收再生制动时的能量。,六、燃料电池电动汽车（FCEV）（一）燃料电池概述,燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，它能够使用多种燃料，可以是石油燃料也可以是有机燃料，还可以使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。燃料经过转化成为氢后，以氢作为燃料的燃料电池，它的能量转换不受卡诺循环规律的限制，热效率要高得多，可达到34～40。燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂且没有振动与噪声。,（二）燃料电池发动机组成,燃料电池发动机是FCEV主要的电源，一般由多个单体燃料电池组成，单体电池的电压一般在1V以下，即使采用串联的方法来提高输出电压，也需要串联大量的单体燃料电池才能达到，一般用燃料电池管理系统模块进行电源的管理，对燃料电池状态进行监控和检查。燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC／DC转换器，将燃料电池产生的直流电转换为稳压的直流电流，然后经过逆变器转换为交流电输送给驱动电动机。除此之外，在装有空调系统和电动油泵转向系统的FCEV上，燃料电池组还要向它们提供电能。通常在FCEV上还要装配一个普通蓄电池组作为辅助电源。,（三）燃料电池发动机的安全性,多个单体燃料电池串联的结构形式给燃料电池组的密封提出了很高的要求，在氢气进入燃料电池之前，氢气与氧气空气应完全隔绝并有严密的防泄漏的装备。如果密封不好，氢气与氧气在反应前因泄漏而混合，会严重地影响燃料电池的效率；如果氢气泄漏到系统外，在适当的条件下，可能引发氢气的燃烧，严重的还会因氢气泄漏而造成爆炸事故。行驶中的颠簸和振动对燃料电池密封性的要求更加严格。燃料电池发动机的布置应尽可能地与乘客区分开，采取有效的安全防范措施，装配报警系统和应急防护系统以确保乘员的安全。,