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气体燃料汽车的特点
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气体燃料汽车的特点
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气体燃料汽车的特点
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一、各种气体燃料在汽车上的应用分析
目前所说的气体燃料按化学成分主要有H₂、CH₄~C₄H10、和CO。
按来源形式分氢气、天然气、液化石油气、煤气和沼气等。
汽车用燃料应具备以下主要条件:
①燃料的资源要极大丰富;②燃料的经济性要好;③燃料的携带要方便;④燃料燃烧后排气污染要小;⑤燃料的安全性。
表3-3是作者对上述气体燃料进行的对比分析结果。
其具体分析如下:
(1)资源从长远观点看,天然气、液化石油气、煤气都是可耗尽能源,氢气是由水制取并能实现能源形式的及时转化,因此可以说是取之不尽,用之不绝的;沼气则是由各种有机物中制取出来的,只要人类生存下去,其来源就不会断绝。
(2)经济性 这里的经济性包含两层含义,一是燃料本身的价格或生产成本,二是将其应用于汽车时所需设备的附加成本。
从生产成本上看,天然气最经济,液化石油气次之,沼气的制取需要大型设备,如果只从沼气生产角度看,其造价太高,但从城市和工业废物综合治理上看,这些投资才有价值。
氢气需利用电能制取,它实际上成为一种能量载体,它在燃烧时所释放的能量要由更多的电能转化而来。
因此,氢气只是未来其它能源形式消耗殆尽时的主要燃料。
从燃料的应用性看,由于液化石油气在低压常温下就可液化,其运输、存储、携带方便,因而经济性最好。
其它气体由于液化极困难,因此这方面的附加成本较高。
(3)携带性 由于汽车是移动式工作的,其燃料是否方便携带是很重要的。
除液化石油气可以液态携带较为方便外,天然气、沼气、煤气、氢气都很难液化,如以压缩气态存储,根据它们的标态体积热值可知在同样压力,同样容积下所能带的能量数额。
(4)排污 从汽车尾气排放来看,氢气燃烧后生成水,是最清洁的燃料。
天然气等由于是气态进入汽车发动机缸内,混合好,因此燃烧较完全。
(5)安全性 燃烧的安全性有几方面考虑,一是本身有无毒性,二是是否易形成可燃混合气,三是可燃混合气界限大小。
煤气主要成分CO,是有毒气体,同时与液化石油气一样密度比空气大、易沉积,不易逸走,因此一旦泄漏会在小范围内迅速形成可燃混合气,因而其安全性较差。
天然气,沼气、氢气均为无毒气体,密度较空气轻,只要不是封闭空间,泄漏的气体一出即散,很难形成可燃混合气。
从可燃混合气界限来看,氢气较大,因此天然气(甲烷)是最安全的气体燃料。
从上述分析可以看出,氢气从资源和排气污染上看,是最理想的,但由于其制取造价较高,储、运、带上技术水平要求高,因此在目前尚无法广泛应用于汽车,但在不远的将来,氢气会愈来愈发挥其重要作用。
煤气主要由煤炭和木柴制取,从目前资源来看,煤气仅城市居民使用尚有不足,因而无法做为保有量巨大的汽车燃料。
沼气从成分上看与天然气相近,尤其是在进行“洗气”之后,两者几乎相同。
但不同的是,沼气的生产成本高,经济性差。
近年来,随着城市化规模的不断扩大,城市垃圾、污水的处理成为共同的难题,目前国外最先进的垃圾处理技术就是采用厌氧降解方法,综合利用,变废为宝,这样制取沼气的费用才可能让人接受。
天然气的资源、经济性、排污、安全性等诸方面占有极大优势,因此目前是汽车的首选新燃料。
液化石油气尽管在资源上不如天然气丰富,安全性差,但由于它易于携带,与传统的液体燃料汽车更相近,因而得到了率先发展。
到目前为止,气体燃料应用于内燃机汽车上,主要是天然气和液化石油气,因此本书以后章、节主要介绍这两种燃料在汽车上的应用情况。
二、天然气、液化石油气汽车的优缺点
(1)可以替代十分短缺的汽、柴油,充分利用天然气资源 随着我国国民经济的飞速发展,汽车保有量急剧增长,1995年底我国拥有11OO万台汽车,年递增率12%,到20xx年将达到1500万辆;同时,我国的石油产量增长极少,产储量难有大的突破,1995年生产了1亿7千万吨,净进口3千万吨。
在此同时,我国天然气的产、储量发展较快(详见第二章),因此,大力发展天然气、液化石油气汽车是一条可行,也是必然之路。
(2)减少对大气的污染 汽车排出的废气是当今对大气环境,尤其是大城市里的空气污染的一种移动式污染源,在西方国塞占城市空气污染源总量的60%~70%,随着汽车数量的增加,这种污染危害已受到整个世界的重视。
先进国家均对汽车废气排放指标作了规定,汽车尾气中的CO、HC、NOx及粉尘中含铅物质能够阻碍人体内氧气和血红蛋白的结合,能致癌,对眼睛、咽喉有刺激,在空气中形成酸雾。
66~85号含铅汽油内四乙基铅含量达千分之一左右。
若有机动车9万辆的城市,年耗汽油25万吨左右,即有250kg四乙基铅被汽车排放到大气中漂浮,将严重危害人民的身体健康。
天然气和液化石油气在常温下为气态,以气态进入内燃机、燃料与空气同相,混合均匀,燃烧比较完全,可大幅度降低CO和HC的排放量,彻底改善微粒排放污染。
天然气和液化石油气经净化处理后,其有害物质和含量比液体燃料也要小得多,如S的含量可降到3×10-6(-6标在右上位置)(质量比)以下,远低于汽、柴油的0.1%~0.2%。
由于天然气和液化石油气火焰温度低,也会使NOx排放量减少。
此外以甲烷为主要成分的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,甲烷产生的CO₂也可比汽、柴油降低15%以上,这对减小造成地球变暖的“温室效应”也是大有好处的。
(3)燃料经济性好 目前在全球范围内的油气差价是发展天然气汽车的效益基础,以我国目前油气价格计算,1kg汽油价格为2.8元以上,若天然气价格为0.70元/m³,算上压缩成本0.4元/m³,其经济效益是可观的。
(4)使用压缩天然气比汽油安全 汽油具有良好的挥发性,随着气温升高挥发性加强。
汽车燃料系统从构造上看并没有十分严密的封闭措施,尤其是在汽车加注汽油时,油箱附近空气中易形成可燃性混合气,加之汽油燃点在430℃以内,着火界限为1.3%~7.6%,遇微小火花极易着火,汽车经碰撞、翻覆或漏油后发生火灾是常见的事故。
而压缩天然气(CNG)在车辆上储存在经专门设计加工、高强度的气瓶内,传输和加注均是在严格封闭的管道内进行,气瓶不易破坏,管路不会泄露,既使有泄漏现象发生,由于天然气比空气轻,在空气中遇微风而被驱散,加上天然气燃点高(537℃以上),着火界限为5%~15%,不易形成可燃性混合气,所以汽车用天然气不易产生火灾事故,比用汽油更安全。
(5)使用性能好 以天然气和液化石油气为燃料的发动机,冷起动性能好,运转平稳,不含汽、柴油中存在的胶质,因而在燃烧中不会产生如汽、柴油燃料中胶质产生的积炭,同样由于其S含量和机械杂质均远低于汽、柴油,对气缸、活塞、活塞环、气门等零部件的危害较小。
气体燃料不会对机油产生稀释,因此发动机寿命长,汽车大修里程可提高20%以上。
不用经常注入机油和更换火花塞,比使用常规燃料节约50%以上的维修费用。
(6)天然气有较好的抗爆性 天然气辛烷值高,约为130,液化石油气的辛烷值也在100左右,高级汽油的辛烷值在96左右,所以天然气和液化石油气不需要添加剂或加铅抗爆剂等。
当天然气应用于汽油机,可适当增大发动机压缩比和点火提前角,以提高发动机性能。
(7)天然气的携带性 差液化石油气在较低压力下(690kPa)就可以完全液化,因此它几乎和汽柴油同样便于车辆携带。
但是天然气却极难液化,常温下无论如何加压也不会液化,只有采用先进的膨胀制冷过程将其冷却N-162℃才能液化,而这要求有较高的技术,无论是液化设备还是车上储罐,造价都会较高。
目前广泛采用的压缩天然气均采用高压(20~25MPa)存储在高压气瓶内,这些气瓶导致汽车自莺加大,空间减小,同时限制了汽车的续驶里程。
(8)由于气体燃料本身是气态,当采用缸外预混合方式时,就会占据部分进入气缸的空气量,充气系数比使用液体燃料大约低10%左右,同时,气体燃料的理论混合气热值也较低,与同排量的汽油机相比,使用天然气或液化石油气将使发动机功率有所下降。
(9)若气体燃料以双燃料和两用燃料并存(即在原有汽、柴油机基础上改装,原汽、柴油供给系统不变)形式应用于汽车,则需要增加天然气或液化石油气的储、供气系统,使整车成本提高约15%左右。
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