文档介绍：该【新能源汽车的发展现状及发展其趋势业论文 】是由【丽华】上传分享，文档一共【16】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【新能源汽车的发展现状及发展其趋势业论文 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。新能源汽车的发展现状及发展趋势
摘要:进入21世纪,随着能源问题和环境问题的日趋严重,开发和利用新型清洁能源已成为一个重要课题;由于石油燃料的短缺及控制排放法规的强化,如何为汽车选择清洁的代用燃料的问题,已提到议事日程上;
本文详细分析比较如CNG、DME、甲醇及乙醇等不同燃料,作者认为首先应考虑选用甲醇及乙醇;自从1886年世界上第一辆汽车问世至今100多年,汽车能源基本上采用的是石油制品———汽油和柴油;经过多年大规模的开采,地球上的石油存量已经不多,7亿多辆内燃机汽车组成的庞大耗能群体,其他交通工具火车、轮船、飞机等化工以及众多民用锅炉,还在继续以惊人的速度消耗着地球上残存的石油;与此同时,汽车及其他交通工具运行时排放的大量污染物日积月累地使环境和生态不断恶化;有鉴于此,寻找具有环保特征的交通新能源尤其是汽车新能源的任务显得日益紧迫;近几年来我国汽车工业发展很快,平均年增长率为15%是同期世界汽车增长率的10倍;摩托车的年产量及销售量均超过1000万辆;2010年达到600万辆,可能占世界汽车总产量的1/10;不言而喻,汽车及摩托车的产销量如此大幅度增加,对石油的需求量也会大幅度逐年增加,成品油的缺口量也愈来愈大,再加上全国及地方排放法规日趋严格,降低CO2排放的任务也很重,汽车行业及用户选择和使用清洁的代用燃料势在必行;各大汽车公司不得不考虑如何开发代用燃料的车辆;
关键词:甲醇乙醇CNGDME新能源汽车
目录
1引言
随着世界石油资源日益枯竭和环境污染日益严重,内燃机新能源—高效清洁燃烧一直是内燃机研究与发展中的关键问题;能源主要是石油资源匮乏和环境恶化是当今人类面临的两大挑战,汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者,也是大气特别是城市大气污染的主要来源;随着我国汽车工业的迅速发展和汽车保有量的不断增加,我国能源消耗正以每年一个百分点的速度上升,预计到2020年60%的石油消费将依赖进口;因此,研究开发高效低污染发动机和新能源清洁石油替代燃料发动机对于摆脱我国经济对外国石油的依赖,提高能源利用率,减缓能源危机,降低城市空气污染,保护环境有十分重要的显示意义和深远的社会经济效益;
2能源形势及汽车新能源的研究现状
国际能源形势
根据美国地质调查局及一些国际能源专家的统计预测,石油、天然气及煤炭的储采比分别为34年、44年及245年;世界能源大会1995年版能源资源调查报告认为石油天然气及煤的储采比分别为44年、57年及230年,尽管看法不一,这些预测可能不完全符合实际情况,但是石油及天然气的储采比大大地小于煤炭的储采比;非再生能源资源日益减少,则是比较肯定的;表1是几次石油危机使石油价格上涨
我国缺油少气,能源资源人均拥有量只有世界人均拥有量的1/10;能源储存及供应形势严峻,根据中国工程科学院在1994年~1995年统计,1997年发表的能源供需矛盾报告,如按2003年计,我国石油的储存量只够开采14年;
从1993年起我国就已经是石油净进口国;2000年进口原油7000万吨,成品油3000万吨,花去250亿美元;随着经济的高速发展,人民生活水平的不断提高,车辆的数目逐年大幅度增加,石油缺口也将大幅度增加;买得起汽车的人日益增多,面临的问题是燃料供需矛盾大,或者价格逐步上涨,用不起油怎么办
有人认为世界石油储存量还多,可以大量进口,这可能不是稳妥之计,而且本国产量有限,进口太多,会产生严重的能源安全问题;我国在“十五规划”中,明确规定要开发和利用甲醇等新能源燃料;中央领导多次在经贸委及多位专家给中央的报告上批示,要建新厂及化肥厂改造增产甲醇;又决定在河南、吉林及黑龙江用陈化粮生产乙醇,在汽车上使用醇燃料及生物柴油;汽车工业部门有责任,同时也为了自身更好的发展,都应该迅速开展醇燃料汽车的试验研究和使用运行的工作;
汽车新能源的研究现状
常规天然气和煤层气随产地不同而组分各异,通过分析我国42处煤层气组分,发现煤层气以甲烷为主30%-99%,伴有少量重烃气如乙烷,一般大于5%,其次组分首先是氮%-65%,还有少量二氧化碳大于5%;天然气、煤层气作为新能源燃料正在发挥着越来越重要的作用;天然气发动机主要分为两类:一是火花塞点火式发动机,此类发动机普遍存在低中负荷时热效率低,稀燃能力差等问题;另一类是利用柴油引燃的柴油天然气双燃料发动机,此类发动机需要两套燃料供给系统,存在低负荷时碳氢排放高的问题;国内学者研究发现柴油天然气双燃料发动机燃烧模式主要以预混燃烧为主;因此,颗粒物和碳烟排放较低;
目前存在问题有以下三个方面:
a:二煤层气组分中氮和二氧化碳的稀释作用对其燃烧特性和排放的影响机理还不清楚,国外尚未见有关煤层气燃烧机理和煤层气发动机的报道;
b:由于天然气火焰传播速度较慢且随着过量空气系数的增加而更慢,导致了混合气的燃烧不完全,热效率降低,未燃碳氢排放上升和发动机的稳定性变差等一系列问题仍需解决;
c:虽然在天然气、煤层气发动机上使用氮氢天然气、氮氢煤层气能提高稀薄混合气的燃烧速度,避免通过组织缸内强紊流运动来提高燃烧速率所引起的弊端;但是,国内外研究还未涉及到煤层气对煤层气燃烧特性和煤层气发动机的性能、排放的影响,而且,因天然气产地不同而各异,很难归纳出掺氢天然气燃烧与排放方面的共性特征和规律;
氢气与天然气、汽油、LPG相比单位质量低热值高,约是汽油低热值的倍;可燃极限宽,易于实现稀薄燃烧,提高经济性,同时可以降低最高燃烧温度,大幅度地降低NOx排放;同时氢的自燃温度585
℃比天然气540℃、汽油228-501℃高,有利于提高压缩比,提高氢能源内燃机的热效率;虽然氢能源的自燃温度比天然气、汽油等燃料高,但其点火能量很低,最小可以低到,这样氮能源内燃机工作时几乎不失火,具有良好的启动性;氢能源有害物排放少,燃烧主要产物是水,不产生CO及CH,由于氢气火焰的淬冷距离比汽油短,因此靠近缸壁激冷层可燃混合气燃烧更完全,NOx排放大大降低;由于氢能源燃料电池系统在能量密度、体积、反应速度以及成本等方面还没有很好解决,所以以燃料电池为动力的汽车距实用还有一段距离;燃机燃料既可以实现氢能源清洁,可再生的特点又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础,且氢气发动机热效率较高,综合效率与燃料电池效率相当,生产及使用成本低,在使用性能、成本等方面较容易得到发展和应用;目前制约氢能源内燃机的因素主要有氢气沸点低-253℃,车贮存和运输性能差,制取困难,到目前为止制取氢的成本仍是制约氢能源发展的主要因素;
新能源汽车性能的分析
分析汽车使用不同燃料后性能如何,也是选择燃料时要考虑的问题;
动力性能及燃油经济性
内燃机在机外形成天然气与空气的混合气,再进入气缸燃烧,必然会使原机的功率较大幅度下降;用这种方式掺烧部分天然气也会影响功率;要使天然气发动机功率不下降,就需要向气缸内喷射气体燃料乃至液化天然气,但是这样内燃机就需要较大的变动或者重新设计专用内燃机;在常压下二甲醚是气态,如果加压将其变成液态喷入气缸中,那会同柴油机的功率一样;醇燃料的低热值比汽油、柴油低得多,但是理论空燃比下的混合气热值和常规燃料一样,醇燃料的理论空燃比比汽油、柴油低;因此掺烧部分醇燃料或者使用100%醇燃料,只要增加醇供油量,功率不会下降,如果进行优化,功率还会有较大幅度的增加;汽车使用醇燃料能提高功率及降低内燃机的比能耗MJ/,亦能提高热效率的原因如下:
1气化潜热高,有内冷作用,可以提高充气系数;
2含碳原子数少,层流火焰传播速度快,容易燃烧完全,等容燃烧比例大;
3含氧,对于原来混合气较浓时有稀释效应;
4混合气可燃范围宽,可以使用稀混合气,燃烧更完全可以提高热效率;
5辛烷值高,燃烧室壁面温度低,可以提高汽油机受爆燃限制的功率;燃烧无烟,可以提高受冒烟限制的柴油机功率;
6理论空燃比混合燃烧后,分子变化系数大,可以提高膨胀功;
交通部公路科学研究所在使用213SC化油器的解放CA-15汽油机上,使用不同含乙醇混合燃料的试验结果表明,在提高压缩比ε后最大功率P都增加,而按等热值折算成汽油的比油耗都降低,即热效率提高24;
汽油机使用100%甲醇或100%乙醇后,动力性能及燃油耗的变化表明,汽油机使100%甲醇后,功率扭矩都比汽油分别增加15%及13%,热效率也由%提高到%,折算成当量汽油后,;使用乙醇后功率及扭矩分别提高12%及9%,而热效率则由%提高到%;
柴油机的功率受排气冒烟的限制,改用碳原子很少的醇燃料,排气不冒烟,因此无论掺烧或者使用100%的醇燃料,只要增加供油量,动力性能及热效率都会有不同程度的提高;
起动性、加速性及爬坡性能
实验表明,燃料的10%馏分温度愈低愈容易起动,汽油的这一馏分温度为45~55℃,而单一组分的甲醇及乙醇的沸点分别为65℃及79℃,醇燃料的气化热也比常规燃料高得多,使用大比例及100%醇燃料汽车在环境温度低时的起动性能差,需要采取改善措施后能满足用户的要求,能在–25℃低温下起动;详情参见文献5;
汽车的加速性能爬坡性能除了受燃料组分及蒸馏特性的影响外,在很大程度上受动力性能的影响;优化的醇燃料内燃机的动力性能比原机还有较大幅度提高,最高车速、加速及爬坡性能也会较好;汽车使用含不同甲醇混合燃料后的加速性基本上和原汽油机一样,最高车速还略有提高;2526
3环境保护
净化空气的任务繁重
汽车排放物是污染空气的重要根源之一;我国对660个城市空气质量分析结果表明,达到一级质量标准的城市仅占1%;2001年卫生部门统计结果表明,全国癌症患者达300万人,每年以3%的速度递增,在癌症患者中以肺癌占首位,然后是胃癌及肝癌;肺癌除了与吸烟有关外,也与空气质量及汽车排气中有害物密切相关;
承担降低CO2等温室气体的义务
温室气体导致全球变暖,造成世界巨大的人员伤亡及经济损失;据美国公共利益研究集团的资料报道,20世纪10年是1000年来最热的10年,全世界夺走33万人生命,损失6252亿美元;与20世纪50年代比,自然灾害多4倍,经济损失多9倍;1997年12月各国通过京都议定书,各国都要承担降低CO2排放的义务;我国CO2排放量占世界总量14%;如何降低CO2排放是当前各国关注和研究的焦点;能源及汽车工业部门既要考虑解决能源短缺,又要研究如何降低CO2排放,开发和使用清洁替代燃料是同时能解决两个问题的重要途径;
4汽车动力装置及燃料的现状与发展趋势
汽车动力及燃料的现状与发展趋势如图1所示
图1交通运输等动力及燃料的现状与发展趋势图1的左侧是内燃机过去用油的情况,中间部分是当前动力装置开发研究及所用燃料多元化的情况,右侧部分是正在研究试验中的动力及燃料;目前研究及应用的电动汽车、混合动力及多种替代燃料,各有优缺点;毫无疑问,电动汽车及混合动力对降低排放,保护环境有利,应该研究;然而能在局部地区城市首先投入使用的是混合动力,仍要选用燃料;初期电动及混合动力车辆的价格也较高,常规内燃机动力的车辆仍占很大比例;
未来的汽车动力是用可再生资源生产的氢、醇燃料甲醇、乙醇等作燃料,由燃料电池发电;燃料电池是通过电化学反应,将燃料化学能直接转换成电能做机械功,不受卡诺循环的限制,效率可达50%以上,无污染,噪声很小;利用先进的纳米材料及技术,通过光电作用及利用风能水能制取廉价的氢,另一方面用丰富的可再生资源制取醇燃料,然后通过车载裂解器,生产出氢,这样整个装置重量大较复杂;所以一些国家已经在试验研究,将醇燃料直接输入燃料电池,在其中分解出氢发电34;
综上所述,我国面临车用燃料日益短缺以及进一步降低CO2等排放的繁重任务,选择使用清洁代用燃料势在必行;国内外研究,使用的清洁燃料有CNG、LPG、二甲醚DME、醇燃料、氢及植物油酯生物柴油;考虑到我国LPG资源有限,民间生活用LPG液化石油气的一部分还要靠进口;氢气是公认的清洁燃料,只是要解决如何廉价制造及储存的问题;同时考虑文章篇幅不宜太大,所以本文主要对CNG、DME、及醇燃料进行分析比较;
不同燃料使用经济性及方便性
1990年美国能源部门以每天代替一百万桶汽油为目标,对改用醇燃料汽车、天然气汽车及电动汽车所需的费用单位:10亿美元进行了测算表明,用醇燃料代替汽油所需的费用是最低的;27
由于常规燃料汽车的有害排放物对大气的污染,使人们患呼吸系统、血液循环、神经系统及癌症的概率日益增大,影响了生态环境,带来了经济损失,在上述分析比较中,将上述危害给社会增加的负担损失,分成低费用及高费用两类;考虑了有害排放物影响因素后,使用清洁燃料或电力驱动后,每公里平均总费用比使用汽油时增加的幅度%减少了,而且使用醇燃料时增加的幅度是最低的,比使用天然气时低;
.2国际上日益重视可再生醇燃料等生物燃料
1973年石油危机后很多国家投入大量的人力、财力及物力;对醇燃料进行研究及应用,为了交流研究成果及使用经验,1976年瑞典发起在斯德哥尔摩召开了首届国际醇燃会议1SAF,每隔2~3年召开一次,1998年在北京召开了第12届,2002年在泰国召开了第14届,前面几届论文主要集中在用煤或天然气制甲醇及甲醇的应用,以后乙醇的论文逐渐增多,而且更多地关注用生物质制甲醇、乙醇以及生物质燃料的开发及应用,除了ISAF外,国际上还经常召开生物质燃料的专门学术会议;
第13届国际醇燃料会议的主题是“地球的生存环境”——实施可持续发展的运输系统,会议较明显地转向讨论如何降低CO2排放、乙醇燃料的生产及应用以及在柴油机上应用乙醇等,第14届会议的主题是“可持续发展的能源在21世纪中的作用”,会议上共发表了82篇文章,其中大约59篇文章是与乙醇有关的,乙醇更加受到国际上的重视;为了降低CO2等排放及弥补石油燃料的不足,欧州要求减少矿物燃料的使用,到2005年要求生物燃料主要指乙醇及生物柴油占整个燃料消费量的3%,为此要增加乙醇的产量5~6倍;到2010年生物燃料的使用量要达到6%,一些国家加大将植物纤维通过酸解、酶解、发酵制取甲醇、乙醇的研究试验工作,预计到2008年这一技术将达到廉价制取醇燃料的商业化要求,在经济上可与汽油相竞争;28由于柴油机用途广,功率范围比汽油机宽得多,比油耗比汽油机低,小排量汽车愈来愈多采用柴油机作动力,柴油机掺烧醇燃料可以明显地降低排气烟度、微粒及NOx,使柴油机容易达到严格的排放法规要求;因此,国外在柴油机上掺烧醇燃料以及改用100%醇燃料的专用车辆也愈来愈多,并与使用其它燃料进行比较;例如最近美国代用能源技术公司对汽车使
用CNG及E10进行比较的结果表明,使用E10比使用CNG的好处要多;2930
瑞典对城市公共汽车使用不同燃料对环境及人们健康影响的试验研究结果表明29:①柴油机的NOx排放高,使用CNG较低,而使用乙醇时的NOx排放居于两者之间;②未经过滤处理的柴油机排气中碳烟微粒高,有较大的致癌潜在危险,使用乙醇及CNG比仅用氧化催化后处理的柴油机还要低些;③CNG的温室气体排放比柴油高,而使用生物乙醇燃料的温室气体排放最低;
5代用燃料性质的分析比较
几种燃料的分析
天然气是以甲烷CH4为主与丙烷、丁烷等的混合物气体;二甲醚是简单的醚构成物,在常压下为气体;甲醇及乙醇是碳氢化合物CH与羟基OH结合的单一化合物,醇是烃分子中的氢原子被羟基取代后的生成物,其通式为CnH2n+1OH;而汽油及柴油是多种碳氢化合物烃的混合物;
.2甲醇及甲烷等
甲醇及甲烷只含1个碳原子,乙醇及二甲醚含2个碳原子;甲醇含50%的氧,乙醇及二甲醚含%的氧;汽油中烃类含5~12个碳,柴油的烃则含更多的10~26个碳原子;因此,代用燃料的C/H原子量比汽油及柴油的小得多,这样有利于燃烧充分;
几种燃料性能的比较
醇燃料比汽油重但比柴油轻,液态的二甲醚最轻,它们的凝固点比汽油及柴油低得多;粘度比汽油大,但比柴油小,这些性质对供油过程及供油系零件磨损有影响;对内燃机动力性产生重要影响的低热值,二甲醚、醇燃料比汽油及柴油低得多;由于含氧理论空燃比低,理论空燃比下的混合气热值,醇燃料和汽油柴油基本一样,而天燃气的要低些;