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汽车代用燃料
学校代码:
10206
学生学号152094127
白城师范学院
毕业论文
汽车代用燃料的发展方向及应用前景
Directionofdevelopmentofalternativefuelcarsandapplicationprospects
学生姓名:
王强
指导教师:
王蕴
学科专业:
交通运输
所在单位:
机电系
20013年6月
目录
目录2
摘要4
Abstract5
1绪论6
1.1研究的背景6
1·2发展汽车替代能源的意义6
1.3研究内容6
2醇类汽车代用燃料7
2.1甲醇7
2.1.1甲醇作为汽车代用燃料的优点:
8
2.1.2甲醇作为汽车代用燃料的缺点:
9
2.1.3国外与国内甲醇燃料研究发展概况9
2.1.4应用的前景11
2.2乙醇11
2.2.2乙醇作为汽车代用燃料的缺点:
13
2.2.3国内外用乙醇汽油研究发展概况13
2.2.4应用前景15
3醚类汽车代用燃料15
3.1二甲醚15
3.1.1二甲醚作为汽车代用燃料主要优点:
16
3.1.2二甲醚作为汽车代用燃料缺点:
17
3.1.3国内外二甲醚发展概况:
17
3.1.4应用前景19
4气体汽车代用燃料20
4.1天然气20
4.2天然气作为汽车代用燃料的优点20
4.3天然气作为汽车的代用燃料的缺点;21
4.4国内外天然气汽车发展概况,21
4.4应用前景22
5电能成为汽车替代能源23
5.1电动汽车(EV)23
5.2电动汽车作为汽车代用然的优点;23
5.3电动汽车成为汽车代用燃料的缺点;23
5.4国内外电动汽车发展概况24
5.5应用前景25
6氢能成为汽车代用燃料25
6.1氢内燃机25
6.1.2用氢气作为汽车内燃机的优点;27
6.1.3用氢气作为汽车内燃机的缺点27
6.1.5应用前景28
6.2氢燃料电池28
6.2.1氢燃料电池作为汽车代替燃料的优点:
28
6.2.2氢燃料电池作为汽车代替燃料的缺点:
28
6.2.3国内外氢燃料电池车的概况29
6.2.4应用前景29
7结论30
参考文献31
摘要
随着油价上涨进入8元时代,能源危机也悄悄来临。
我国对进口石油依赖严重,长期发展下去将制约我国经济和社会的发展,现代汽车发动机向着高压缩比、大功率、高转速发展,人们用稀薄燃烧技术和电子控制点火系统来实现较好的经济性,但是这不能彻底的解决我国对石油的依赖,因此,发展新能源来替代传统的汽车燃料对我国具有重大的意义。
新能源主要的类型有:
醇类、醚类、天然气、电能、氢气。
本文将对这些可能作为未来汽车能源的燃料进行阐述分析,我们将结合它们的优点、缺点、各国使用和发展情况一系列问题进行讨论。
关键词:
汽车新能源代用燃料
Abstract
Withrisingoilpricesintoeightyuanera,theenergycrisishasquietlycome.Ourdependenceonimportedoilserious,long-termdevelopmentwillcontinuerestrictingChina'seconomicandsocialdevelopment,themodernautomobileenginetowardthehighcompressionratio,high-power,high-speeddevelopment,peoplewithlean-burntechnologyandelectroniccontrolignitionsystemtoachievebettereconomicresistance,butthisdoesnotcompletelysolveourdependenceonoil,therefore,thedevelopmentofnewenergysourcestoreplacetraditionalfuelsforvehiclesofgreatsignificancetoChina.
NewEnergyThemaintypesare:
alcohols,ethers,naturalgas,electricity,hydrogen.Thisarticlewillthesemaybeusedasthefutureofautomotivefuelenergyelaborateanalysis,wewillcombinetheiradvantagesanddisadvantages,theuseanddevelopmentofallcountriestodiscussarangeofissues.
KeywordsCarNewEnergyAlternativeFuels
绪论
绪论
研究的背景
目前,汽车工业已经成为世界工业化国家的支柱型产业,汽车给人们带来方便与舒适的同时也带来了严重的污染和石油能源的消耗。
发展汽车替代能源的意义
随着我国各项事业的发展,对于能源的消耗也与日俱增,特别是对原油的消耗量,而汽车又是石油消耗最主要的行业之一,2011年中国石油的消费量接近5亿吨,同比增长5%而2011年中国全年原油产量只有2亿吨,占全中国消费的40%,剩下的60%近三亿吨完全依赖于国外的进口,随着中国的汽车普及,石油的进口量还会大幅度的增长。
能源问题已经严重影响到我国的战略安全,过多的依赖于国外的进口石油可能是我国的发展受到国外的制约,汽车作为石油最主要的消耗行业,寻找合适汽车替代能源对我国具有重要的意义。
研究内容
本文首先对世界上各国主要研究的新能源如甲醇、乙醇、二甲醚、天然气、氢气、电能特点进行分析,其次对甲醇、乙醇、二甲醚、天然气、氢气、电能在各国的发展进行概述,最后在应能前景中得出作为汽车未来的替代燃料是否有应用的前景。
醇类汽车代用燃料
2.1甲醇
甲醇的理化性质
甲醇又名木醇,化学分子式为
,是一种无色有毒的液体,易挥发、易燃、易氧化,能与水、乙醇、乙醚、苯、酮等有机溶剂混溶,蒸汽与空气可形成爆炸混合物,遇火发生爆炸,有腐蚀性。
甲醇与汽油的理化性质可见表
性质
甲醇
汽油
分子式
的碳氢化合物
相对分子质量
32.04
约100
元素质量组成/%
O
C
H
50
37.5
12.5
碳氢化合物
密度(20℃)(㎏/L)
0.792
0.73
冰点/℃
—96.0
<—60
沸点/℃
64.7
27~225
汽化热/(kJ/kg)
1167
293~841
燃烧热/(kJ/kg)
19930
43030
蒸汽压(38℃)/mmHg
239
362~775
水中溶解度/(mg/L)
互溶
100~200
闪点/℃
12
6.1
蒸汽密度(101.325pa10℃)(g/L)
1.4
2—5
燃烧上限
体积分数/%
温度/℃
36.5
43
7.6
—13~—12
燃烧下限/%
体积分数/℃
温度
60
7
1.4
—43
自然温度/℃
500(RON)
456(MON)
辛烷值
112
70~90
理论混合气进气温度/℃
122.4
21.6
理论混合气热值/(kJ/kg)
2650
2780
理论空燃比/(kJ/kg)
6.5
14.8
层流燃烧速度(m/s)
52
38
〔1〕
2.1.1甲醇作为汽车代用燃料的优点:
①甲醇的辛烷值比较高。
在汽油中掺入甲醇可改善汽油的辛烷值,燃烧时可以提高发动机的压缩比,从而提高了发动机的功率,使用M15家村汽油的发动机功率可提高2%,而能耗却降低6%~8%.
〔2〕
②甲醇含有大量的氧。
在燃烧过程中无需外界过多供给氧气,不会造成气缸内氧气不均,甲醇燃料可以使内燃机燃烧均匀,减少HC和CO的产生,从而提高了燃烧效率和热效率。
③维修方便。
甲醇汽车改动小与传统汽车变化不大,有继承性。
④可燃界限宽。
甲醇汽油的可燃界宽,燃烧速度快可实现稀薄燃烧。
⑤甲醇资源丰富。
甲醇可用煤、天然气、木柴等原料进行制取,也可利用自然能源如太阳能、风能、核能、水能电解水生成氢,在将氢和
合成甲醇。
据统计,世界上煤的储藏量按含热量计是石油的五倍以上,天然气的总埋藏量是25兆
还要多得多,甲醇的原料分布世界各地,不像是有集中在中东不稳定地区。
〔3〕
⑥甲醇的抗爆性好。
甲醇的抗爆性好,在与汽油掺烧中可增加汽油的抗爆性能。
⑦甲醇运输方便。
甲醇在常温下为液体,方便储存和运输。
⑧甲醇的经济性能好。
甲醇燃料与汽油的替代比可达1.65即1.65吨的甲醇燃料可替代1吨汽油,甲醇的市场价在2800~2950元/吨而汽油市场价在9285元/吨,可节省燃料成本4417~4665元/吨.
2.1.2甲醇作为汽车代用燃料的缺点:
①热值降低。
甲醇的热值为1916mJ/kg仅为汽油热值4315mJ/kg的45%,固此,使用甲醇汽油后,发动机的油耗随甲醇掺入量的增加而增加,据资料报道,使用M10甲醇汽油时,油耗增加约5%。
〔4〕
②腐蚀性。
甲醇燃烧过程中会产生甲醛、甲酸和大量的水蒸气,这些产物对气缸内部的金属表面都具有腐蚀性,造成燃烧室周围零件的磨损。
③溶胀性。
汽油是不良溶剂,对橡胶材料无侵蚀作用,但是,甲醇是量溶剂,因而会对汽车的供油系统中的橡胶部件发生腐蚀、溶胀、软化、龟裂。
④冷启动差
甲醇的初沸点比汽油高,甲醇蒸发潜热值是汽油的3倍,甲醇在进气道汽化时需要吸收大量的热,从而使进气道温度降低,造成甲醇汽化困难,从而使汽车难以启动。
⑤甲醇燃料有毒
甲醇为精神毒物,有麻醉作用,可从呼吸系统和皮肤渗入人体,在使用过程中使用不当可是人中毒失明重者甚至是死亡。
⑥非常规排放物高
甲醇燃料燃烧过程中会产生甲醛甲酸等非常规的排放物,而且甲醛是高致癌物质。
⑦甲醇与汽油的互溶性差
当甲醇汽油含有少量的水时分层现象严重。
2.1.3国外与国内甲醇燃料研究发展概况
甲醇燃料在作为汽车代用燃料时主要以掺烧、纯烧和改质燃烧为主。
通常掺烧甲醇汽油是按甲醇含量分为三种:
一是低比例甲醇汽油M5~M20(即含甲醇5%~20%)
二是中比例甲醇汽油M50~M70
三是高比例甲醇汽油M80~M100
其中低比例甲醇汽油(M5~M20)无需对汽车发动机进行改进,可直接使用,中比例甲醇汽油(M50~M70)必须加入适当的甲醇汽油添加剂以解决甲醇汽油的通用性和腐蚀等问题,高比例甲醇汽油(M85~M100)必须对发动机结构和材质进行改动。
美国
在美国,甲醇汽油的主要应用形式为M85(是标准为ASTMD5797),根据加州能源委员会CEC(CalifomiaEnergyCommission)的有关资料介绍加州最早于1978年开始在测试车辆中使用甲醇,在20世纪80年代和90年代,在加州能源委员会CEC的资助以及在汽车生产工业的配合下,曾经有几千辆甲醇燃料驱动的车辆在加州运行。
1978年以后,当第一辆设计使用M85燃料的灵活燃料汽车进行了商业化生产后,甲醇汽车的数量出现较大幅度的增加。
另外,为了技术支持甲醇项目CEC在甲醇资源的开发以及零售基础设施的建设方面提供了许多帮助以保证对加州的甲醇汽油供应。
在鼎盛时期,加州大约有100多个公共和私人的甲醇汽油供应设施,而且以甲醇作燃料的车辆的行驶里程总计约为数千万英里(一英里=1.6KM)。
在此之后的一段时间内,甲醇汽油在美国的使用出现大幅度下降,截止到1999年,全加州
只保存有35个由CEC资助的甲醇燃料加油设施,据统计数据表明,目前美国加州甲醇汽油加油站也仅剩一座。
其中原因是多方面的:
甲醇燃料的缺陷特别是甲醇有毒,使得甲醇在比较重视健康安全和生活质量的美国不受欢迎;1998年美国福特汽车公司停止生产FFV甲醇汽车;美国农业作物丰富,美国政府非常重视保护农民利益,使得毒性小和安全性比较好的乙醇燃料得以迅速推广;甲醇的热值较低,使用甲醇燃料的车辆活动范围较小;CNG、LNG、电力等替代燃料在美国市场发展空间较大,也是的甲醇代用燃料在美国受到冷落。
〔5〕
欧洲
在德国、瑞典等欧洲国家,甲醇汽油应用最初是以M15推广,但20世纪80年代末以后,甲醇汽油逐渐被乙醇汽油取代。
原因有几个方面:
第一1998年后美国甲醇燃料汽车和甲醇燃料都开始减少。
第二甲醇加油站在10租借期满后,石油公司所属的甲醇加油站绝大部分都转回加汽油,没有了加油站的支持,甲醇汽车没有地方加油,FFV汽车都改成为加汽油,第三,之前投入市场的甲醇示范车辆逐步被淘汰,到2003年,M85汽车几乎完全退出市场,而各大汽车制造商也不再继续研究和生产甲醇燃料汽车。
〔6〕
我国甲醇研究开始于上世纪60年代,我国在“六五”、“七五”期间将甲醇列入国家科技攻关项目。
山西省在甲醇燃料和汽油掺烧方面做了大量的工作,如1998年山西省甲醇燃料示范营运工程、2002年的M15示范运营等,中国的甲醇汽油供应商还打算下一步继续推广。
2.1.4应用的前景
一甲醇的应用前景不容乐观,因为各国都对甲醇在汽油中的含量作出规定,如美国车用无铅汽油标准ASTM4814-2006中要求汽油中甲醇含量不大于0.3%(体积分数)。
日本汽油标准JISK2202-2008中规定不得加入甲醇。
欧洲85/536/EEC法规及EN228-2008车用汽油标准中规定甲醇含量不得大于3%。
我国GB17930-2006年用汽油标准规定“不得认为加入甲醇”期限值不得大于0.3%,同时。
1998年世界汽车制造组织联合发布“世界燃料规范”对加入含氧化合物要求中明确规定不得加入甲醇。
〔7〕
二甲醇作为汽车燃料有明显的缺陷,主要有:
①甲醇有毒,不论对使用者还是在加油站工作的人员或是汽车维修者都有可能造成中毒失明甚至是死亡。
②甲醇钠腐蚀性强,段时间不易发现,但长时间使用造成车辆使用寿命变短。
③冬天不易启动,夏天易气阻
④非常规排放物污染超标,而产物中甲醛还是强致癌物质。
三甲醇汽油的使用有悖于当前发展低碳经济的世界潮流和实现我国大幅降幅降低二氧化碳排放强度的承诺目标,当前世界各国纷纷发展低碳经济,我国也承诺2020年单位GDP二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%为发展低碳经济和实现承诺目标,就必然调整能源结构,大幅降低碳热比(燃料燃烧的二氧化碳排放量与热值比)高的煤炭的比重,提高碳热比低的天然气在一次能源中的比重,大大力发展碳热比基本为零的可再生能源和核能,而我国甲醇生产主要以煤炭为原料生产过程中能耗也很高,无论是从发展低碳经济还是从能源高效利用的角度看,甲醇都不适合用作汽车燃料,因此,凡达国家政府最终也不得不放弃甲醇汽油。
2.2乙醇
乙醇(
),俗称酒精,是以玉米、小麦、薯类、甘蔗等农作物作为原料,经发酵、蒸馏制成,也可以由乙烯与水合成[9]。
将乙醇脱水后再加上适量汽油后制成变性燃料乙醇,所谓的车用乙醇汽油就是把变性燃料乙醇和汽油以一定比例混配制成一种车用燃料一般常用的有两种:
一种是E10(即乙醇含量站容积的10%)一种是E85(即乙醇含量站容积的85%)
乙醇的理化性质
乙醇是一种无色透明、易挥发燃料液体、热值较低、蒸发潜热值较高、抗爆性能好、含氧量高。
在少量水分存在情况下容易产生相分离,可与大多数溶剂互溶,毒性比甲醇小。
乙醇与汽油理化性质比较
性质
乙醇
MTBE
汽油
化学分子式
烃类
分子量
46
88
58~180
碳含量,%
52.2
68.2
85~88
氢含量,%
13
13.6
12~15
氧含量,%
34.7
18.2
0
密度(25℃)/㎏·L
0.785
0.74
0.7~0.78
理论空燃比
9.0
11.73
14.2~15.1
雷德蒸汽压/kpa
18
56
45~100
沸点/℃
78.32
55.3
30~220
闪点/℃
13
-28
-40
自然点/℃
420
460
220~260
蒸发潜热kJ·㎏
904
339
310
低热值
26.77
35.11
43~50
辛烷值
RON
MON
111
91
118
101
84~98
72~86
2.2.1乙醇作为汽车代用燃料的主要优点:
①乙醇资源丰富。
乙醇可以从谷物玉米中制取也可以从甘蔗、甜菜、小麦、大麦和蔬菜废弃物中制取。
②环保性能好。
汽油中硫含量和烯烃含量比较高,乙醇含有较高的氧,存在自供氧效应,减少CO生存的条件,是CO较多的变成二氧化碳,使CO和HC排放量小于汽油。
③辛烷值高,抗爆性好。
有关研究结果显示,国内典型催化裂化汽油中添加10%乙醇后,其RON提高了3、4个单位,MON增加1.4个单位,乙醇对烷烃类汽油组分辛烷值调合效应好于烯烃类汽油组合和芳烃类汽油组合。
[10]
④冰点低。
乙醇冰点比汽油低得多,无须担心在环境温度较低时,像汽油那样在化油器中容易结冰,影响化油器正常工作。
⑤乙醇着火极限宽。
乙醇着火极限宽,燃烧速度快,在稀混合气燃烧时任能保持较高的火焰传播速度,这就是在选择运转工况时有较大的自由度,有利于净化排气及降低油耗。
⑥潜热值大。
乙醇潜热值大,蒸汽压低,能降低缸内温度,减少发动机热负荷,降低
的排放,减少压缩负功,并可提高充气系数[11]。
⑦储存运输方便。
醇常温常压下为液体,方便储存和运输。
2.2.2乙醇作为汽车代用燃料的缺点:
①乙醇的热值低于常规汽油。
乙醇的热值低于常规汽油,因此,当动力系统不改变时,使用乙醇汽油的汽车,发动机油耗随着乙醇掺入量的增加而增加。
②乙醇具有腐蚀性。
乙醇在燃烧过程中会形成乙酸等对金属有腐蚀性的硫化物乙醇生产过程中一般会有酸性物质,会对发动机产生较为严重的腐蚀和磨损影响。
有关实验结果表明,汽油添加10%~15%乙醇后乙醇浓度对金属腐蚀率基本没有影响,但乙醇浓度增加,对紫铜试件腐蚀增加,当乙醇含量为15%时,铜片腐蚀达3A级,铸铁试件出现0.02%~0.04%的增重,对其他金属腐蚀影响不明显。
③汽化潜热值大。
乙醇的汽化潜热值大,理论空燃比下的蒸发温度大于常规汽油,导致汽车动力性及经济性下降。
④乙醇冷启动性差。
在低温条件下乙醇可燃混合气在化油器中形成的可燃混合气比低,影响可燃混合气的形成和燃烧的速度,从而影响启动。
⑤溶胀性乙醇作为一种化工溶剂对汽车供油系统的橡胶部件有一定的溶胀作用,对油泵的密封及其他的合成橡胶材料大多都有轻微的腐蚀、溶胀、软化或龟裂作用。
⑥乙醇抗水性差。
乙醇汽油在少量水分存在情况下容易发生相分离。
2.2.3国内外用乙醇汽油研究发展概况
美国
美国是乙醇燃料的主要生产国之一,早在20世纪30年代就开始研究和应用乙醇燃料。
图表为近年来美国燃料乙醇生产使用情况及预测
根据美国能源部公布资料可知,乙醇燃料在美国生产与使用获得迅猛发展,年产量突破10亿加仑用了10年时间(1984~1993),突破20亿加仑也用了10年时间(1993~2003),而由20亿突破到30加仑仅仅用了2年(2002~2004年)随着乙醇燃料技术发展,扩大乙醇生产原料的来源,降低乙醇的生产成本是美国积极研究的课题。
12]
巴西
巴西是世界上最大的乙醇燃料生产国和消费国,巴西燃料乙醇年生产量约为1265万吨,占全球燃料乙醇总量的36%,国内使用1226万吨,年出口约为40万吨左右,巴西是世界上唯一不使用纯汽油作为汽车燃料的国家,巴西燃料乙醇产业的发展始于1931年,巴西设立了糖和乙醇的研究机构,并在法律上上要求乙醇作为添加剂,以40%的比例与汽油混配。
20世纪70年代,受石油危机的影响,为保持经济增长和国家能源独立,巴西政府采取积极行动,于1975年出台了《国家乙醇计划》。
甘蔗为巴西主要的经济作物,其种植的甘蔗有65%用于乙醇生产,而乙醇的97%用作燃料,目前,巴西的汽车燃料有4种:
纯乙醇(含水乙醇)、乙醇汽油(22%乙醇+78%汽油)、MEG燃料(60%乙醇+33%甲醇+7%汽油)和柴油。
巴西共有320多家燃料乙醇生产企业,其中205家实行燃料乙醇和糖联产,115家单生产燃料乙醇,自2000年以来,燃料乙醇的产量年均增长12%以上。
[13]
日本
日本由于资源严重匮乏,所以日本积极研究燃料乙醇,目前在日本有2%的汽车是使用乙醇汽油的,政府计划2020年前一半燃油汽车使用乙醇汽油,到2030年所有的日本燃油汽车都是用乙醇汽油。
欧盟
据统计,继2008年乙醇产量增长60%后,欧盟2009年的乙醇生产量有继续增长,增长31%,欧盟乙醇生产量已从2008年28亿升增长到2009年的37亿升。
虽然一些国家包括奥地利和瑞典,其2009乙醇产能大大增加,但法国依然是最大的生产国。
法国乙醇生产量从2008年的10亿升增长到2009年的12.5亿升。
德国也不甘落后,该国2009年乙醇生产量增长了32%,至7.5亿升,而第三大生产国西班牙生产量为4.65亿升。
欧盟乙醇产量上升的同时消费量也在快速上升,2008年欧盟的乙醇消费量在35亿升,到2009年增长到43亿升。
国内
我国发展燃料乙醇起步较晚,先后在河南、安徽、黑龙江、吉林、辽宁五省进行了试点,生产乙醇,生产的原料主要是玉米等陈化粮,从2001年开始在河南、黑龙江两省开始适用车用乙醇汽油,采用立法的手段在试点的地方应用,河南先在南阳、洛阳、郑州三市使用乙醇汽油,2001和2012年分别消耗燃料乙醇147吨和500吨,增长势头明显,黑龙江省在哈尔滨和肇东使用乙醇汽油,2001年和2002年分别消耗燃料乙醇127吨和500吨。
我国吉林省燃料乙醇有限公司、河南天冠集团及黑龙江华润金玉实业有限公司都生产燃料乙醇,年产量分别达到60万吨、30万吨、15万吨。
[14]
2.2.4应用前景
燃料乙醇具有长远的经济利益,随着国际油价上涨,替代能源开发重要性日益彰显,乙醇燃料作为汽车代用燃料优势明显,推广乙醇汽油不仅可以解决石油短缺的问题,还可以解决环境问题,未来汽车替代能源市场组要有三个阶段,短期还是以车用燃料,中期是乙醇汽油,长期是电能和氢能。
从长远来看,石油的价格还会保持上涨的趋势,而随着乙醇生产工艺的成熟,成本将不断下降,与油价上涨的反差将越来越明显,在成本上乙醇已经具备强大竞争,未来20年由于石油资源枯竭,乙醇以其无污染、可再生、经济性好的特点将占有大量的汽车市场份额。
3醚类汽车代用燃料
3.1二甲醚
物化性质:
二甲醚(DimthylEther,简称DME)是一种简单的脂肪醚,又称木醚、甲醚。
DME的化学分子式为
在常温下是一种无色可燃气体,二甲醚氧含量高(氧含量34.8%),这使得DME的燃烧十分充分,几乎是无烟燃烧。
二甲醚具有轻微醚香味,不刺激皮肤。
室温下其蒸汽压为0.5Mpa,(-40~50)℃的温度范围内,易冷凝、易气化,能溶于水、甲醇和乙醇的溶剂。
二甲醚与柴油的理化性质
汽油
柴油
二甲醚
液态密度/㎏·
0.70~0.78
0.82~0.88
0.667
质量低热值/MJ·㎏
43.5
42.5
28.9
体积低热值/MJ·m
32.12
35
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