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1、汽车动力新技术主讲：邓亚东主讲：邓亚东汽车工程学院汽车工程学院一、内燃机发展史内燃机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，内燃机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的，它的工质在燃烧前是燃油和空气的混合气，在燃烧它的工质在燃烧前是燃油和空气的混合气，在燃烧后则是燃烧产物。后则是燃烧产物。内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维内燃机以其热效率高、结构紧凑，机动性强，运行维护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的护简便的优点著称于世。一百多年以来，内燃机的巨大生命力经久不衰。目前世界上内燃机的拥有量巨大生命力经久不衰。目前世界上内燃机的拥有量大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济
2、中大大超过了任何其它的热力发动机，在国民经济中占有相当重要的地位。现代内燃机更是成为了当今占有相当重要的地位。现代内燃机更是成为了当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的用量最大、用途最广、无一与之匹敌的的最重要的热能机械。热能机械。最早的内燃机 煤气机 最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860 1860年，法国 年，法国发明家 发明家 莱诺 莱诺制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压 制成了第一台实用内燃机（单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为 缩和电点火的煤气机，输出功率为0.741.47KW 0.741.47KW，转
3、速为，转速为100r/min 100r/min，热效率为，热效率为4%4%）。）。1876 1876年，德国人奥托制成了第 年，德国人奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、一台四冲程往复活塞式内燃机（单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为 功率大约为2.21KW 2.21KW、180r/min 180r/min）。在这部发动机上，奥托）。在这部发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，其热效率 使混合气充分形成。这是一部非常成功的发动机，其热效率
4、相当于当时蒸汽机的两倍。相当于当时蒸汽机的两倍。煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性，但在社会化大生产 煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性，但在社会化大生产情况下，仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能。情况下，仍不能满足交通运输业所要求的高速、轻便等性能。因为它以煤气为燃料，需要庞大的煤气发生炉和管道系统。因为它以煤气为燃料，需要庞大的煤气发生炉和管道系统。而且煤气的热值低，故煤气机转速慢 而且煤气的热值低，故煤气机转速慢,比功率小。到 比功率小。到19 19世纪 世纪下半叶，随着石油工业的兴起，用石油产品取代煤气作燃料 下半叶，随着石油工业的兴起，用石油产品取代煤气作燃料已成为必然趋势
5、。已成为必然趋势。汽油机的诞生和发展18831883年，年，戴姆勒和迈巴赫戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往制成了第一台四冲程往复式汽油机，此发动机上安装了迈巴赫设计的化复式汽油机，此发动机上安装了迈巴赫设计的化油器，还用白炽灯管解决了点火问题。它的特点油器，还用白炽灯管解决了点火问题。它的特点是功率大，质量轻、体积小、转速快和效率高，是功率大，质量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具。与此同时，本茨研制成功特别适用于交通工具。与此同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。在汽车和飞机工业的推动下汽油机取得了长足的在汽车和飞机工
6、业的推动下汽油机取得了长足的发展。按提高汽油机的功率、热效率、比功率和发展。按提高汽油机的功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标的过程，可以把汽油机降低油耗等主要性能指标的过程，可以把汽油机的发展分为四个阶段。的发展分为四个阶段。第一阶段是上世纪最初二十年，为适应交通运输第一阶段是上世纪最初二十年，为适应交通运输的要求，的要求，以以提高功率和比功率提高功率和比功率为主为主。采取的主要。采取的主要技术措施是提高转速、增加缸数和改进相应辅助技术措施是提高转速、增加缸数和改进相应辅助装置。这个时期内，转速从上世纪的装置。这个时期内，转速从上世纪的500500800r/min800r/min提高
7、到提高到10001500r/min10001500r/min，比功率从，比功率从3.68W/Kg3.68W/Kg提高到提高到441.3735.5W/Kg441.3735.5W/Kg，对提高飞机，对提高飞机的飞行性能和汽车的负载能力具有重大的意义。的飞行性能和汽车的负载能力具有重大的意义。第二阶段时间在第二阶段时间在2020年代，主要解决汽油机的年代，主要解决汽油机的爆震爆震燃烧问题燃烧问题。当时汽油机的压缩比达到。当时汽油机的压缩比达到44时，汽油机时，汽油机就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝，干和鲍义德通
8、过在汽油中加入少量的四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题，使压缩比从问题，使压缩比从44提高到了提高到了88，大大提高了汽油，大大提高了汽油机的功率和热效率。机的功率和热效率。第三阶段是从 第三阶段是从20 20年代后期到 年代后期到40 40年代早期，主要是在汽油机上 年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。装备增压器。废气涡轮增压 废气涡轮增压可使气压增至 可使气压增至1.41.6 1.41.6大气压，大气压，他的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。他的应用为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。但是其真正的
9、广泛应用，却是在 但是其真正的广泛应用，却是在50 50年代后期才普及的。年代后期才普及的。第四阶段从 第四阶段从50 50年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发 年代至今，汽油机技术在原理重大变革之前发展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越来越高。其技术 展已近极致。它的结构越来越紧凑，转速越来越高。其技术现状为：现状为：缸内喷射 缸内喷射；多气门技术 多气门技术；进气滚流 进气滚流，稀薄分层燃烧 稀薄分层燃烧；电子控制点火正时 电子控制点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制 汽油喷射及空燃比随工况精确控制 等全 等全面电子发动机管理；面电子发动机管理；废气在循环及三元催化 废气在循环及
10、三元催化等排气净化技术 等排气净化技术等。其集中体现在近年来研制成功并投产的 等。其集中体现在近年来研制成功并投产的 缸内直喷分层充 缸内直喷分层充气稀燃汽油机 气稀燃汽油机（GDI GDI）。）。但是随着 但是随着70 70年代开始的电子技术在发动机上的应用，为内燃 年代开始的电子技术在发动机上的应用，为内燃机技术的改进提供了条件 机技术的改进提供了条件,使内燃机基本上满足了目前世界 使内燃机基本上满足了目前世界各国有关排放、节能、可靠性和舒适性等方面的要求。内燃 各国有关排放、节能、可靠性和舒适性等方面的要求。内燃机电子控制现已包括 机电子控制现已包括 电控燃油喷射 电控燃油喷射、电控点火
11、 电控点火、怠速控制 怠速控制、排放控制 排放控制、进气控制 进气控制、增压控制 增压控制、警告提示 警告提示、自我诊断 自我诊断、失 失效保护 效保护等诸多方面。等诸多方面。内燃机家族的另一个明星 柴油机 1892 1892年，德国工程师 年，德国工程师R.R.狄塞尔 狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自 设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸 燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸,使之着火燃烧。使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机 他首创的压缩点火式内燃机(柴油机 柴油机)于
12、于1897 1897年研制成功 年研制成功,为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机 为内燃机的发展开拓了新途径。狄塞尔开始力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的 实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧。其热效率达 是近似的等压燃烧。其热效率达26 26。压缩点火式内燃机。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的极大兴趣。压缩点火式内燃 的问世，引起了世界机械业的极大兴趣。压缩点火式内燃机也以发明者而命名为狄塞尔引擎 机也以发明者而命名为狄塞尔引擎(Diesel engine)(Diesel engine)。这。这种内燃机以后大多
13、用柴油为燃料，故又称为柴油机。种内燃机以后大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898 1898年，柴油机首先用于固定式发电机组 年，柴油机首先用于固定式发电机组,1903,1903年用作商船动 年用作商船动力 力,1904,1904年装于舰艇 年装于舰艇,1913,1913年第一台以柴油机为动力的内燃 年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成 机车制成,1920,1920年左右始用于汽车和农业机械。年左右始用于汽车和农业机械。近百年来近百年来,柴油机的热效率提高近柴油机的热效率提高近80%,80%,比功率提比功率提高几十倍高几十倍,空气利用率达空气利用率达90%90%。当今柴油机的技术。当今柴油机
14、的技术水平表现为水平表现为:优良的燃烧系统优良的燃烧系统；超高压喷射超高压喷射；增压增压和增压中冷和增压中冷；可控废气再循环和氧化催化器可控废气再循环和氧化催化器；降降低噪声的双弹簧喷油器低噪声的双弹簧喷油器；全电子发动机管理全电子发动机管理等等,集集中体现在以采用中体现在以采用电控共轨式燃油喷射系统电控共轨式燃油喷射系统为特征为特征的新一代柴油机上。的新一代柴油机上。增压技术增压技术在柴油机上的应用要比汽油机晚一些。在柴油机上的应用要比汽油机晚一些。早在早在2020年代就有人提出压缩空气提高进气密度的年代就有人提出压缩空气提高进气密度的设想，直到设想，直到19261926年瑞士人年瑞士人A.
15、J.A.J.伯玉希才第一次设伯玉希才第一次设计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于计了一台带废气涡轮增压器的增压发动机。由于当时的技术水平和工艺、材料的限制，还难以制当时的技术水平和工艺、材料的限制，还难以制造出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的影造出性能良好的涡轮增压器，加上二次大战的影响，增压技术为能迅速普及，直到大战结束后，响，增压技术为能迅速普及，直到大战结束后，增压技术的研究和应用才受到重视。增压技术的研究和应用才受到重视。19501950年增压年增压技术才开始在柴油机上使用并作为产品提供市场。技术才开始在柴油机上使用并作为产品提供市场。旋转活塞式发动机 早在往复活塞式内燃机诞
16、生以 早在往复活塞式内燃机诞生以前 前,人们就曾致力于创造旋转活 人们就曾致力于创造旋转活塞式的内燃机 塞式的内燃机,但均未获成功。但均未获成功。直到 直到 1957 1957年联邦德国工程师 年联邦德国工程师 F.F.汪克尔 汪克尔才研制出 才研制出 旋转活塞式发 旋转活塞式发动机（转子发动机）动机（转子发动机），被称为，被称为汪克尔发动机。它具有近似三 汪克尔发动机。它具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面 角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内作旋转运动，按奥托 的气缸内作旋转运动，按奥托循环工作。循环工作。这种发动机通过多 这种发动机通过多年的努力和发展，在成功地解 年的努力和发展，在成功地
17、解决了密封与缸体震纹之后，也 决了密封与缸体震纹之后，也在一定领域 在一定领域(如赛车和小型发电 如赛车和小型发电机组 机组)获得较好的应用。目前日 获得较好的应用。目前日本 本Mazda Mazda公司还生产这种发动机，公司还生产这种发动机，并应用于汽车上。并应用于汽车上。燃气轮机 燃气轮机全称为燃气涡轮发动机，燃气轮机可以是一个广泛 燃气轮机全称为燃气涡轮发动机，燃气轮机可以是一个广泛的称呼，基本原理大同小异，包括涡轮喷射引擎等等都包含 的称呼，基本原理大同小异，包括涡轮喷射引擎等等都包含在内。而一般所指的燃气涡轮引擎，通常是指用于船舶、车 在内。而一般所指的燃气涡轮引擎，通常是指用于船舶
18、、车辆、发电机组等的。辆、发电机组等的。1791 1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872 1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于 年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，并于1900 1900 1904 1904年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；年进行了试验，但因始终未能脱开起动机独立运行而失败；1905 1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气 年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，因而未获得实用。轮机，但效率太低，因而未获得实用。1920 1920年，德
19、国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其 年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机，其效率为 效率为13 13、功率为、功率为370 370千瓦，按等容加热循环工作，但因 千瓦，按等容加热循环工作，但因等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而 等容加热循环以断续爆燃的方式加热，存在许多重大缺点而被人们放弃。被人们放弃。19391939年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，年，在瑞士制成了四兆瓦发电用燃气轮机，效率达效率达18%18%。同年，在德国制造的喷气式飞机试。同年，在德国制造的喷气式飞机试飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开始飞成功，从此燃气轮机进入了实用阶段，并开
20、始迅速发展。迅速发展。在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气在燃气轮机获得广泛应用的同时，还出现了燃气轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的轮机与其他热机相结合的复合装置。最早出现的是与活塞式内燃机相结合的装置；是与活塞式内燃机相结合的装置；50506060年代，年代，出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由出现了以自由活塞发气机与燃气轮机组成的自由活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，活塞燃气轮机装置，但由于笨重和系统较复杂，到到7070年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机年代就停止了生产。此外，还发展了柴油机燃气轮机复合装置；另有一类利用燃气轮机排气燃气轮机复合装置；另有一
21、类利用燃气轮机排气热量供热热量供热(或蒸汽或蒸汽)的全能量系统，可有效地节约的全能量系统，可有效地节约能源，已用于多种工业生产中。能源，已用于多种工业生产中。二、内燃机代用燃料I.发展代用燃料的重要性 70 70年代初，由于石油危机导致原油价格成年代初，由于石油危机导致原油价格成倍上涨，引起对发动机燃油经济性的重视，但倍上涨，引起对发动机燃油经济性的重视，但由于要控制排气污染，因而增加了改进燃油经由于要控制排气污染，因而增加了改进燃油经济性的困难。为了减少内燃机对日益短缺的石济性的困难。为了减少内燃机对日益短缺的石油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代油基燃料的依赖，各国正在进行内燃机燃用代
22、用燃料的研究工作，以逐步取代汽油和柴油，用燃料的研究工作，以逐步取代汽油和柴油，如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成如燃用天然气、甲醇、乙醇、合成汽油、合成柴油以及二甲基醚柴油以及二甲基醚(CH(CH33OCHOCH33)等等。能源短缺和环境污染能源危机与汽车能源转型随着机动车保有量的激增，机动车尾气排放已逐随着机动车保有量的激增，机动车尾气排放已逐渐成为城市空气的主要污染源之一，且近年来呈渐成为城市空气的主要污染源之一，且近年来呈现出不断恶化的势头。现出不断恶化的势头。19981998年，全国年，全国140140个城市个城市（占全国城市总量的（占全国城市总量的43.5%43.5%）的空气
23、质量超过国）的空气质量超过国家三级标准，属于严重污染城市。按照国家环保家三级标准，属于严重污染城市。按照国家环保中心预测，中心预测，20102010年我国汽车尾气排放量将占空气年我国汽车尾气排放量将占空气污染物总量的污染物总量的64%64%。城市空气环境的恶化已对我。城市空气环境的恶化已对我国国民经济持续发展和人民身体健康产生了极大国国民经济持续发展和人民身体健康产生了极大的负面影响。的负面影响。为缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有为缓解我国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有利于我国长期可持续稳定的发展和环境保护，需利于我国长期可持续稳定的发展和环境保护，需要规划与发展内燃机燃用清洁代用燃
24、料以替代石要规划与发展内燃机燃用清洁代用燃料以替代石油基燃料即汽油和柴油。油基燃料即汽油和柴油。II.内燃机的代用燃料内燃机的代用燃料可分为液体和气体两种，此内燃机的代用燃料可分为液体和气体两种，此外也可用电能来代替燃料，驱动汽车。外也可用电能来代替燃料，驱动汽车。1.液体代用燃料u醇类燃料醇类燃料 醇 醇类 类燃 燃料 料主 主要 要包 包括 括甲 甲醇 醇和 和乙 乙醇 醇。低 低分 分子 子醇 醇容 容易 易吸 吸水 水而 而造 造成 成使 使用 用困 困难 难。如 如果 果把 把甲 甲醇 醇和 和异 异丁 丁烯 烯转 转化 化成 成甲 甲基 基叔 叔丁 丁基 基醚 醚或 或合 合成 成
25、为 为汽 汽油 油，就 就可 可与 与汽 汽油 油互 互溶 溶，也 也可 可以 以成 成为 为汽 汽油 油的 的组 组分 分。乙 乙醇 醇因 因具 具有 有原 原料 料广 广泛 泛、使 使用 用简 简便 便等 等特 特点 点，可 可以 以在 在基 基本 本上 上不 不改 改变 变发 发动 动机 机结 结构 构的 的情 情况 况下 下掺 掺烧 烧或 或者 者单 单烧。烧。(1)甲醇作为车用燃料有以下优点甲醇作为车用燃料有以下优点:甲 甲醇 醇可 可从 从煤 煤或 或天 天然 然气 气中 中提 提炼 炼，它 它可 可以 以大 大规 规模 模专 专门 门生 生产 产，也 也可 可以 以利 利用 用现
26、 现有 有的 的氮 氮肥 肥厂 厂设 设备 备联 联产 产，或 或采 采用 用多 多联 联产 产(热 热、电 电、化 化工 工产 产品 品如 如甲 甲醇 醇、二 二甲 甲醚 醚、合 合成 成气 气等 等联 联产 产，简 简称 称IGCC),IGCC),生产成本低。生产成本低。甲 甲醇 醇是 是液 液体 体燃 燃料 料，可 可以 以沿 沿用 用石 石油 油燃 燃料 料的 的运 运输 输储 储存 存系 系统 统，基础设施投入少。基础设施投入少。燃 燃用 用甲 甲醇 醇燃 燃料 料可 可以 以提 提高 高发 发动 动机 机动 动力 力性 性能 能、经 经济 济性 性能 能，有 有害排放物低，是一种清
27、洁代用燃料。害排放物低，是一种清洁代用燃料。l 甲醇作为车用燃料的优缺点(2)甲醇的主要缺点是甲醇的主要缺点是:有 有毒 毒、不 不可 可饮 饮入 入口 口中 中或 或溅 溅入 入眼 眼中 中，须 须对 对甲 甲醇 醇燃 燃料 料加 加强 强管 管理 理并严格遵守操作规程。并严格遵守操作规程。排 排气 气中 中有 有未 未燃 燃醇 醇和 和醛 醛有 有害 害气 气体 体排 排放 放物 物，需 需进 进行 行排 排气 气后 后处 处理 理。其 其中 中未 未燃 燃醇 醇在 在环 环境 境中 中存 存在 在的 的时 时间 间短 短，可 可以 以被 被带 带氧 氧微 微生 生物 物分 分解。解。甲
28、甲醇 醇对 对有 有色 色金 金属 属、橡 橡胶 胶有 有腐 腐蚀 蚀作 作用 用，需 需对 对燃 燃油 油系 系统 统在 在结 结构 构上 上与 与材 材料 料上 上采 采取 取措 措施 施，如 如采 采用 用耐 耐溶 溶胀 胀的 的硫 硫化 化橡 橡胶 胶、不 不锈 锈钢 钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。(1)乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点:辛 辛烷 烷值 值高 高(110(110左 左右 右)，可 可以 以代 代替 替目 目前 前正 正在 在使 使用 用的 的无 无铅 铅抗 抗爆 爆添 添加 加剂 剂甲 甲基 基叔 叔丁 丁
29、基 基醚 醚(MTBE)(MTBE)。乙 乙醇 醇无 无毒 毒，对 对环 环境 境无 无危 危害 害，而 而MTBE MTBE则 则被 被怀 怀疑 疑会 会污 污染 染地 地下 下水 水和 和致 致膀 膀胱 胱癌 癌等 等，在 在美 美国 国一 一些州已被禁用，些州已被禁用，2004 2004年全面禁用。年全面禁用。乙 乙醇 醇是 是含 含氧 氧燃 燃料 料，蒸 蒸发 发潜 潜热 热高 高，发 发动 动机 机燃 燃用 用乙 乙醇 醇可 可以 以实 实现 现无 无烟 烟排 排放 放，并 并能 能大 大幅 幅度 度降 降低 低CO CO排 排放 放，HC,HC,NO NOx x也 也可 可以 以有
30、 有不 不同 同程 程度 度的 的降 降低 低(取 取决 决于 于发 发动 动机 机结 结构 构及 及其 其调 调整 整状 状态 态)。火 火花 花点 点火 火发 发动 动机 机可 可以 以燃 燃用 用纯 纯乙 乙醇 醇或 或乙 乙醇 醇和 和汽 汽油 油的 的混 混合 合燃 燃料 料(掺 掺烧 烧比 比例 例大 大时 时需 需加 加助 助溶 溶剂 剂)，压 压燃 燃式 式发 发动 动机 机也 也可 可以 以燃 燃用 用乙 乙醇 醇，但需有助燃措施。但需有助燃措施。l 乙醇作为车用燃料的优缺点（2）乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是:乙 乙醇 醇生 生产 产成 成本
31、本高 高，虽 虽然 然利 利用 用阶 阶段 段性 性过 过剩 剩、存 存放 放期 期过 过长 长甚 甚至 至霉 霉变 变的 的粮 粮食 食制 制取 取酒 酒精 精可 可以 以在 在一 一定 定程 程度 度上 上缓 缓解 解粮 粮食 食过 过剩 剩和 和燃 燃料 料不 不足 足的 的矛 矛盾 盾。但 但我 我国 国可 可耕 耕地 地面 面积 积少 少(为 为世 世界 界的 的7%7%)，人 人口 口多 多(占 占全 全世 世界 界人 人口 口的 的22%22%)，粮 粮食 食来 来源 源不 不稳 稳定 定，生 生产 产乙 乙醇 醇过 过程 程中 中耗 耗能 能大 大(生 生产 产乙 乙醇 醇的
32、的耗 耗能 能量 量接 接近 近乙 乙醇 醇发 发出 出的 的能 能量 量)、耗 耗粮 粮大 大，生 生产 产乙 乙醇 醇过 过程 程中 中有 有大 大量 量CO CO2 2排 排放 放，利 利用 用粮 粮食 食生 生产 产乙 乙醇 醇，只 只能 能适 适度 度开 开展 展。此 此外 外利 利用 用乙 乙醇 醇作 作为 为燃 燃料 料或 或辛 辛烷 烷值 值添 添加 加剂 剂时 时，政 政府 府要 要考 考虑 虑给 给予 予补 补贴 贴，否 否则 则在 在市 市场 场经 经济 济条 条件 件下 下难 难以 以推广应用。推广应用。利用能源作物 利用能源作物(如甜高粱的茎杆、木薯等 如甜高粱的茎杆
33、、木薯等)制乙醇也是可行 制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低 的，生产成本比粮食制乙醇低1000 1000元 元/t/t左右，秸秆制酒精 左右，秸秆制酒精是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成 是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸秆比 本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。u 二甲醚（Dimethyl Ether，缩写DME）DME DME(CH(CH3 3OCH OCH3 3)是目前世界上被普遍看好的压燃式发动机超 是目前世界上
34、被普遍看好的压燃式发动机超清洁燃料。它可以用作民用、车用和燃汽轮机燃料替代 清洁燃料。它可以用作民用、车用和燃汽轮机燃料替代LPG LPG、柴油和天然气，其主要特点是、柴油和天然气，其主要特点是:广 广泛 泛的 的可 可获 获得 得性 性。可 可以 以由 由煤 煤或 或天 天然 然气 气制 制得 得，从 从而 而可 可以 以利 利用我国丰富的煤炭资源。用我国丰富的煤炭资源。超清洁。研究结果表明，柴油机燃用二甲醚时可以实现 超清洁。研究结果表明，柴油机燃用二甲醚时可以实现高的功率输出和热效率 高的功率输出和热效率(与柴油机相当或略高 与柴油机相当或略高)，低噪声，低噪声和无烟燃烧，其排放不采用复
35、杂后处理装置即可达欧洲 和无烟燃烧，其排放不采用复杂后处理装置即可达欧洲III III和美国 和美国ULEV ULEV标准，并有潜力达到欧洲 标准，并有潜力达到欧洲IV IV排放标准。排放标准。生产 生产DME DME的传统技术为二步法，即由合成气制成甲醇，的传统技术为二步法，即由合成气制成甲醇，再将甲醇脱水制成 再将甲醇脱水制成DME,DME,生产成本较高。目前已开发成 生产成本较高。目前已开发成功生产 功生产DME DME的先进方法 的先进方法(一步法或整体一步法 一步法或整体一步法)，可大幅，可大幅度降低其生产成本 度降低其生产成本(1100(1100元 元/t/t左右 左右)，此外若采
36、用多联产技，此外若采用多联产技术，二甲醚的成本可以更低。术，二甲醚的成本可以更低。DME DME用作车用燃料由于沸 用作车用燃料由于沸点低、粘度小，需要对整个燃油系统加压或采用共轨燃 点低、粘度小，需要对整个燃油系统加压或采用共轨燃油系统，此外应对柱塞偶件等进行减摩与耐磨处理或在 油系统，此外应对柱塞偶件等进行减摩与耐磨处理或在燃油中加润滑添加剂。燃油中加润滑添加剂。u 煤制油(又称合成汽油和合成柴油)煤制油是将煤炭通过化工过程变成油品。煤制油是将煤炭通过化工过程变成油品。用 用Fischer-Tropsch Fischer-Tropsch技 技术 术催 催化 化合 合成 成合 合成 成的 的
37、柴 柴油 油(简 简称 称F-T F-T油 油)，其 其十 十六 六烷 烷值 值可 可大 大于 于70 70，低 低硫 硫(质 质量 量分 分数 数在 在10 10-5-5以 以下 下)，低 低芳 芳烃 烃(小 小于 于1%),1%),热 热值 值与 与柴 柴油 油相 相当 当，在 在柴 柴油 油机 机上 上使 使用 用可 可以 以降 降低 低N0 N0 x x和碳烟微粒排放。和碳烟微粒排放。它 它可 可以 以与 与柴 柴油 油以 以任 任意 意比 比例 例互 互溶 溶，一 一些 些国 国家 家(如 如美 美国 国的 的Argonne Argonne国 国家 家实 实验 验室 室)正 正在 在
38、研 研究 究F-T F-T油 油与 与柴 柴油 油的 的混 混合 合油 油(50%(50%的 的柴 柴油 油和 和50%50%的 的F-T F-T油 油的 的混 混合 合油 油简 简称 称FT-50)FT-50)在 在柴 柴油 油机 机上 上使 使用 用的可能性及其燃烧与排放特性。的可能性及其燃烧与排放特性。u 生物柴油 生 生物 物柴 柴油 油是 是一 一种 种非 非化 化石 石的 的可 可再 再生 生能 能源 源，它 它作 作为 为柴 柴油 油机 机的 的代 代用燃料受到越来越多的关注。用燃料受到越来越多的关注。目前已知的可作为内燃机使用的植物油有 目前已知的可作为内燃机使用的植物油有30
39、 30多种。压燃式 多种。压燃式发动机可以燃用纯生物油，也可使用植物油和柴油的混合 发动机可以燃用纯生物油，也可使用植物油和柴油的混合油 油(如 如20%20%的大豆渣油与柴油的混合油称为 的大豆渣油与柴油的混合油称为B20)B20)。植物油。植物油的十六烷值较高 的十六烷值较高(40(40左右 左右)，能量密度较高，能量密度较高(约为柴油的 约为柴油的90%90%左右 左右)，与石油系燃料互溶性好，不存在分层问题，与石油系燃料互溶性好，不存在分层问题，含氧 含氧8%10%8%10%，可以降低碳烟，可以降低碳烟/微粒排放。微粒排放。目前世界上植物油产量相对石油来说还很少，今后随着其 目前世界上
40、植物油产量相对石油来说还很少，今后随着其产量的增大，用植物油取代柴油会越来越可行。此外，我 产量的增大，用植物油取代柴油会越来越可行。此外，我国餐饮业有大量的废油倒入下水道，由于粘度大，冬季时 国餐饮业有大量的废油倒入下水道，由于粘度大，冬季时易造成堵塞，如将废油收集后经适当处理转化为生物柴油，易造成堵塞，如将废油收集后经适当处理转化为生物柴油，会有较好的经济和社会效益。日本每年有近 会有较好的经济和社会效益。日本每年有近30 30万 万t t餐饮废油 餐饮废油转化为生物柴油作为柴油机的代用燃料使用，我国也正在 转化为生物柴油作为柴油机的代用燃料使用，我国也正在开发生物柴油在压燃式发动机中的应
41、用 开发生物柴油在压燃式发动机中的应用。2.气体代用燃料 气体燃料曾是内燃机的主要燃料，煤气机是最早的内燃 气体燃料曾是内燃机的主要燃料，煤气机是最早的内燃机。由于气体燃料的能量密度小 机。由于气体燃料的能量密度小(单位体积热值低 单位体积热值低)且储 且储运不便，致使液体燃料逐步取代了气体燃料。但在气体 运不便，致使液体燃料逐步取代了气体燃料。但在气体燃料资源丰富的国家和地区，它在内燃机上的使用一直 燃料资源丰富的国家和地区，它在内燃机上的使用一直没有停止过。没有停止过。近 近20 20年 年来 来，随 随着 着石 石油 油资 资源 源的 的逐 逐渐 渐枯 枯竭 竭、气 气体 体燃 燃料 料
42、开 开采 采量 量的 的加 加大 大和 和远 远距 距离 离输 输送 送、净 净化 化脱 脱水 水及 及储 储运 运技 技术 术的 的提 提高 高，气 气体 体燃 燃料 料液 液化 化技 技术 术和 和液 液化 化气 气体 体燃 燃料 料电 电控 控喷 喷射 射技 技术 术等 等的 的发 发展 展，特 特别 别是 是随 随着 着对 对内 内燃 燃机 机排 排放 放指 指标 标要 要求 求的 的日 日益 益严 严格 格，气 气体 体燃 燃料 料在 在内 内燃 燃机 机上 上的 的使 使用 用又 又进 进入 入了 了一 一个 个新 新的 的发 发展 展时 时期 期。目 目前 前在 在内 内燃 燃机
43、 机上 上使 使用 用的 的气 气体 体燃 燃料 料有 有天 天然 然气 气、液 液化 化石 石油 油气 气、沼 沼气 气、煤 煤气 气、氢 氢气 气等 等，其 其中 中以 以压 压缩 缩天 天然 然气 气(Compressed(Compressed Natural Natural Gas,Gas,缩 缩 写 写 CNG)CNG)和 和 液 液 化 化 石 石 油 油 气 气(Liquefied(Liquefied Petroleum Gas,Petroleum Gas,缩写 缩写LPG)LPG)为主。为主。u 液化石油气(LPG)LPG LPG的主要成分是丙烷和丁烷。的主要成分是丙烷和丁烷。
44、通常对 通常对LPG LPG中的烯烃含量加以限制，规定烯烃含量要低于 中的烯烃含量加以限制，规定烯烃含量要低于6%6%才能用作车用燃料。才能用作车用燃料。LPG LPG的辛烷值比汽油高，但火焰传播速 的辛烷值比汽油高，但火焰传播速度慢，燃烧时间长，着火温度高。度慢，燃烧时间长，着火温度高。LPG LPG以气体状态同空气混合，有利于提高燃烧效率和降低 以气体状态同空气混合，有利于提高燃烧效率和降低CO CO、PM PM、HC HC等污染物排放，其 等污染物排放，其NOx NOx排放水平与汽油相近。排放水平与汽油相近。LPG LPG完全以气态方式进入气缸，而汽油则会夹带部分未蒸发 完全以气态方式进
45、入气缸，而汽油则会夹带部分未蒸发的液体，因此相同排量的 的液体，因此相同排量的LPG LPG发动机进入气缸的混合气的能 发动机进入气缸的混合气的能量小于汽油机，输入功率也要低一些。量小于汽油机，输入功率也要低一些。LPG LPG的体积能量密度 的体积能量密度比汽油稍低，降低了 比汽油稍低，降低了LPG LPG汽车的续航距离，因此需要投入大 汽车的续航距离，因此需要投入大量资金建设加油站。量资金建设加油站。u压缩天然气（压缩天然气（CNGCNG）CNG CNG的主要成分是 的主要成分是85%99%85%99%的甲烷。甲烷的辛烷值高达 的甲烷。甲烷的辛烷值高达130 130，抗爆能力远好于汽油，可
46、以提高发动机压缩比，从，抗爆能力远好于汽油，可以提高发动机压缩比，从而提高发动机的动力性和经济性。如采用较高的压缩比，而提高发动机的动力性和经济性。如采用较高的压缩比，天然气发动机的燃烧效率可相当于柴油机，有利于减少二 天然气发动机的燃烧效率可相当于柴油机，有利于减少二氧化碳的排放。氧化碳的排放。CNG CNG可直接应用与稍加改装的汽油机，但 可直接应用与稍加改装的汽油机，但若想充分利用其特性，最好采用专门的 若想充分利用其特性，最好采用专门的CNG CNG发动机。发动机。甲烷与空气的混合气形成过程不存在进气过程中燃料由液 甲烷与空气的混合气形成过程不存在进气过程中燃料由液态变成气态的问题，不
47、需蒸发、雾化过程即能与空气顺利 态变成气态的问题，不需蒸发、雾化过程即能与空气顺利混合形成可燃混合气，同时也没有未参加燃烧的液态剩余 混合形成可燃混合气，同时也没有未参加燃烧的液态剩余燃料，所以甲烷燃烧比较完全，尾气中 燃料，所以甲烷燃烧比较完全，尾气中CO CO、HC HC浓度降低；浓度降低；但同时也造成进气的燃料较少，致使相同排量的 但同时也造成进气的燃料较少，致使相同排量的CNG CNG发动 发动机功率降低。机功率降低。CNG CNG的体积能量密度远低于汽油，使续航距离减小，这也 的体积能量密度远低于汽油，使续航距离减小，这也需要建设大量的加气站 需要建设大量的加气站。u 氢气（H2 2
48、）H H2 2主要用作宇宙飞船、航天飞机等尖端科技产品的燃料，主要用作宇宙飞船、航天飞机等尖端科技产品的燃料，现发展到应用在汽车上。燃氢发动机可在空气过量系数 现发展到应用在汽车上。燃氢发动机可在空气过量系数()较大的范围内稳定燃烧，点火能量低，不到汽油 较大的范围内稳定燃烧，点火能量低，不到汽油最低点火能量的 最低点火能量的1/10 1/10，且氢燃料的火焰传播速度快，低温，且氢燃料的火焰传播速度快，低温下易起动。汽油车较易改成 下易起动。汽油车较易改成H H2 2车，其排放物主要是 车，其排放物主要是H H2 2O O、N N2 2、O O2 2和少量 和少量NO NOx x。主要缺点为沸
49、点低。主要缺点为沸点低(约 约-253-253)，H H2 2以 以液态方式储存时成本高，易受外部温度影响而蒸发，不适 液态方式储存时成本高，易受外部温度影响而蒸发，不适宜长期储存，还有爆炸、回火、早燃等问题。宜长期储存，还有爆炸、回火、早燃等问题。p什么是新能源汽车什么是新能源汽车国家发改委新能源汽车生产准入管理规则中国家发改委新能源汽车生产准入管理规则中规定：规定：新能源汽车系指采用非常规的车用燃料作为动力新能源汽车系指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先力装置），综合车辆
50、的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车，但不包括采购新能源汽车完整车辆、结构的汽车，但不包括采购新能源汽车完整车辆、二类及三类底盘改装形成的汽车。二类及三类底盘改装形成的汽车。三、新能源汽车 新能源汽车包括燃料电池电动汽车（FCEV）、混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气（NG）、液化石油气（LPG）、乙醇汽油（EG）、甲醇、二甲醚之外的燃料。p 燃料电池电动汽车（FCEV）装备有燃料电池系统的纯