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项目八 其他清洁能源汽车
项目八 其他清洁能源汽车
任务8.1 气体燃料汽车
任务8.2 太阳能汽车
任务8.3 二甲醚汽车
任务一 气体燃料汽车
学习目标
1.理解天然气汽车的基本概念；
2.熟悉不同类型天然气汽车的结构组成与原理。
3.了解东风雪铁龙爱丽舍CNG双燃料车基本参数。
【建议完成本任务的时间为2课时】
任务描述
图8-1 全新奥迪A5g-tron
资讯分析
A5 Sportback g-tron天然气罐和油箱位于后备箱地板下方，天然气罐由三层材料构成：聚酰胺基体、碳纤维增强聚合物和玻璃纤维增强聚合物、玻璃纤维层。可携带19kg天然气（200bar压力），在NEDC循环下，A5 Sportbackg-tron可以用天然气跑500公里。气罐内部压力低于10bar，即天然气含量低于0.6kg时，系统会自动切换到燃油模式。外界温度较低时，系统会优先使用汽油启动，发动机达到一定温度后再烧天然气。
全新奥迪A5g-tron的最大马力是170hp，最大扭矩270Nm，极速226km/h，和燃油版A5Sportback（230hp、350Nm、250km/h）相比有所下降。A5g-tron的百公里加速，则达到了8.5秒。
活动1.气体燃料汽车的概念和分类
气体燃料汽车又称为燃气汽车，主要分为液化石油气汽车和天然气汽车两种。根据汽车使用可燃气体的形态不同可分为三种：压缩天然气CNG（Compressed Natural Gas），主要成分为甲烷；液化天然气LNG（Liquefied NaturalGas），主要成分为甲烷，经深度冷冻液化；液化石油气LPG（Liquefied Petroleum Gas），主要成分是丙烷和丁烷的混合物。燃气汽车的发动机在燃料供应系统、工作循环的参数、配气机构参数等方面，针对燃气的物化特性进行了专门设计，因此，燃料的热效率高，经济性好。
按照燃料使用状况的不同，天然气汽车可分为以下种类。
专用燃料天然气汽车
发动机仅使用CNG或LPG中的一种作为发燃料，不再使用其他燃油或代用燃料的汽车。此类车辆的发动机在燃料供应系统、工作循环参数、配气机构参数等方面一般都针对CNG或LPG的物理化学特征进行了专门设计，因此燃烧热效率较高、经济性好。
活动1.气体燃料汽车的概念和分类
两用燃料天然气汽车
一般是指具有两套燃料供应系统，一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统可分别但不可共同向气缸供给燃料的汽车。使用中可以在两种燃料之间进行灵活切换。此类车辆在燃用汽油时，不能同时使用CNG或LPG作为发动机的燃料；反之，燃用CNG或LPG时，也不能混烧汽油。此类汽车与单一燃料汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特征，发动机结构参数几乎不做改造，因此燃烧热效率不高，经济性较差。
双燃料天然气汽车
一般具有两套燃料供应系统，系统一套供给天然气或液化石油气，另一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统按预定的配比向气缸供给燃料，在缸内混合燃烧的汽车，如CNG柴油双燃料的汽车，或LPG柴油双燃料的汽车。此类车辆燃用CNG（或LPG）为主燃料，柴油起引燃作用。此类发动机结构参数也几乎不作改动，可以在单纯燃烧柴油和CNG与柴油同时混烧两种工况灵活切换，因此这种类型天然气汽车得到较大的推广，相比之下技术亦相对成熟。
活动2.天然气汽车的优缺点
1.优势分析
（1）天然气汽车是清洁燃料汽车
天然气汽车的排放污染大大低于汽车为燃料的汽车，尾气中不含硫化物和铅，一氧化碳降低80%，碳氢化合物降低60%，氮氧化合物降低70%，CO2减少20%~30%，噪声降低40%，尾气中不含硫化物、铅和苯，大大减轻了对环境的污染，因此，许多国家已将发展天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段。
（2）天然气汽车有显著的经济效益可降低汽车营运成本。
目前天然气的价格比汽油和柴油低得多，燃料费用一般节省50%左右，使营运成本大幅降低。可节省维修费用。燃料以气态进入气缸，燃烧较充分，热效率高，运行平稳，噪声低，积炭少，不需经常更换机油和火花塞，可使发动机的大修期延长30%~40%，使润滑油更换周期延长50%，降低了维护费用和运行成本。
（3）比汽油汽车更安全
与汽油比，压缩天然气本身就是比较安全的燃料，主要表现在以下方面。
1）燃点高。天然气燃点在650℃以上，比汽油燃点（427℃）高出223℃，所以与汽油相比不易点燃。
2）密度低。与空气的相对密度为0.48，泄漏气体很快在空气中散发，很难形成遇火燃烧的浓度。
3）辛烷值高。可达130，比目前最好的96号汽油辛烷值高得多，抗爆性能好。释放过程是一个吸热过程。当压缩天然气从容器或管路中泄出时，泄孔周围会迅速形成一个低温区，使天然气燃烧困难。
2.缺点分析
（1）续驶里程有限，由于气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。由于气体燃料在汽缸中的可燃混合气里占有一定的容积（汽油机汽缸中流体燃料所占容积忽略不计），在同样的汽缸工作容积下，用天然气作燃料时做的功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降10%~20%，这就是司机所说的爬坡没劲、加速响应慢等现象。一般柴油汽车如果用“双燃料”方式改装燃用天然气，则不会出现这种现象，但改装件的结构较为复杂。
（2）由于目前的天然气汽车是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装的，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。这样，要在原汽车的结构中增加天然气燃料系统，特别是气瓶使原来的汽车的有效空间减少，本身的自重也增加了。
（3）天然气是气态燃料，不容易储存和携带。为此，需要加压或液化以便装瓶，还需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并形成一定的网络，一次性投资较大。
（4）将现有的汽车改用天然气作燃料时，需增加发动机燃料系统的部件，如储气瓶、减压阀、混合器等，需要一定的改装投入。
活动3.天然气汽车的组成及工作原理
天然气发动机结构包括燃气供给系统、进气控制系统、点火控制系统等，其他还包括传感器和电子控制模块。
（1）燃气供给系统：储存、输送清洁燃料，根据发动机不同工况的要求，配制一定数量和浓度的可燃混合气送入气缸，保证发动机的动力性、经济性和排放达标。
（2）进气控制系统：进气系统不仅要对空气进行过滤、计量，为了增大进气量而提高发动机的功率，还必须对进气实施各种电子控制，提供一个和发动机负荷相对应的可变的进气增压压力，而增压器的废气旁通阀可以通过释放涡轮处的排气压力来减小增压压力，这通过一个膜片推动杠杆来完成。
（3）点火控制系统：功能及原理和汽油机的点火控制系统相似，ECU通过各种传感器信号判定发动机的工况，并进行通电时间控制、点火提前角控制和爆震控制。
高压的压缩天然气从储气钢瓶出来，经过天然气滤清器过滤后，经高压电磁阀进人高压减压器。高压电磁阀的开合由ECM控制，高压减压器的作用是将高压的压缩天然气（工作压力200-300bar）经过减压将压力调整至7-9bar。高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压器结冰，从发动机将发动机冷却液引到减压器对燃气进行加热。经减压后的天然气进入电控调压器，电控调压器的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量。天然气与空气在混合器内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧，火花塞的点火时刻由ECM控制，氧传感器及时监控燃烧后尾气的氧浓度，推算出空燃比，ECM根据氧传感器的反馈信号和控制MAP及时修正天然气喷射量：
天然气发动机电子控制系统可以精确地控制进入发动机气缸内的空气和燃油的混合比、燃烧过程，以优化发动机性能，改善汽车驾驶性能，并且更加严格地控制汽车所排出的废气对空气的污染。
活动4.天然气汽车实例
东风雪铁龙爱丽舍CNG双燃料车（C-Elysee），是国内第一家燃气供给系统采用原厂流水线一体化设计制造非线外改装的CNG双燃料车。采用汽油及压缩天然气（CNG）电控多点喷射燃料供给系统的1.6L/16V小型高能的两用燃料发动机，其汽油喷射系统采用BOSCHME7.4汽油电控单元，更安全、科技含量更高。其中，CNG系统为意大利LOVATO最新一代的CNG压缩天然气多点喷射系统，该系统处于国内汽油与CNG两用燃料轿车市场上的领先水平。爱丽舍CNG双燃料车的动力性能与常规动力汽车一致，但燃油经济性有着明显优势。对应于常规动力汽车，其发动机使用汽油时额定功率可达78kW（5750r/min），使用CNG额定功率可达70kW（5750r/min），功率损耗仅为10%，燃气消耗为7.25～7.61m2/km。
动机特点 35系统强调了发动机在低转速时的扭矩输出，1、2、3挡加速性能好，同时保持TU系列发动机的高转速性能。且功率损耗可控制在10%，性能优于国内其他车型。 燃气喷射机构 多点喷射，VALEO喷气嘴，采用进口橡胶喷气管，无缝高强度不锈钢燃气分配管，BOSCH传感器，保证100%密封性检测，装配一致性好。 减压器 OMVL RP07 气瓶阀 C350（易熔合金+爆破片+限流阀）具备高压系统限流保护，当高压管路破损，可保证气体按照安全流量排出，为车辆人员提供足够的撤离时间。 加气口 由于减少了高压管路在发动机舱内的长度，减少了正面碰撞、发动机舱高温等环境因素对系统的影响，能够保证侧围安全、方便加气。 排放水平 欧Ⅲ+双OBD 气瓶容积
计划决策
全新爱丽舍CNG车型动力系统参数
汽车型号 全新爱丽舍 类型 CNG 发动机 1.6L EC5 CNG
1.压缩天然气（CNG）是指______________。压缩天然气（CNG）是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是_________________。
液化天然气（LNG）是指______________。
液化天然气（LNG）具备________、________、________等优点。
液化石油气（LPG）在常温常压下为气态的________，比空气重，有较高的________，具有________、________、不积碳、不稀释润滑油等优点，能够延长发动机使用寿命，而且一次载气量大、行驶里程长。
2．________是以储存在车载高压气瓶中的高压气态天然气为燃料的汽车；________是以储存在车载绝热气瓶中的低温液化天然气为燃料的汽车；________是以丙烷和丁烷为主要成分的混合物，在常温条件下，随着压力变化易在液态和气态两种状态间转换的烃类为燃料的汽车。
3.试说明天然气汽车的优缺点有哪些。
任务二 太阳能汽车
学习目标
1.理解太阳能汽车的基本概念；
2.了解太能能汽车的技术亮点；
3.了解比亚迪F3DM基本参数。
【建议完成本任务的时间为2课时】
任务描述
资讯分析
从某种意义上讲，太阳能汽车也是电动汽车的一种，所不同的是电动汽车的蓄电池靠工业电网充电，而太阳能汽车用的是太阳能电池。太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在储电池中存起备用，用来推动汽车的电动机。由于太阳能车不用燃烧化石燃料，所以不会放出有害物。据估计，如果由太阳能汽车取代燃汽车辆，每辆汽车的二氧化碳排放量可减少43至54%。
在太阳能汽车上装有密密麻麻像蜂窝一样的装置，它就是太阳能电池板。太阳能电池依据所用半导体材料不同，通常分为硅电池、硫化镉电池、砷化擦电池等，其中最常用的是硅太阳能电池。在阳光下，太阳能光伏电池板采集阳光，并产生人们通用的电流。这种能量被蓄电池储存并为以后旅行提供动力。或者直接提供给发动机也可以边开边蓄电。能量通过发动机控制器带动车轮运动，推动太阳能汽车前进。而且没有内燃机，太阳能电动车在行驶时听不到燃油汽车内燃机的轰鸣声。
活动1.太阳能汽车简介
太阳能汽车（Solar Car）主要是利用太阳能发电系统对太阳能电池进行充电，再经由汽车本身的动力单元为驱动轮提供动力，从而驱动汽车。而太阳能发电系统主要由太阳能电池组件、控制器、电动机等关键部件组成。其中太阳能电池是目前太阳能汽车的热点。依据所用半导体材料不同，通常分为硅电池、硫化镉电池、砷化擦电池等，其中最常用的是硅太阳能电池。通常，硅太阳能电池能把10%~15%的太阳能转变成电能。它既使用方便，经久耐用，又很干净，不污染环境，是比较理想的一种电源。只是光电转换的比率较小。近年来，美国已研制成光电转换率达35%的高性能太阳能电池。澳大利亚用激光技术制成的太阳能电池，其光电转换率达24.2%，而且成本与柴油发电相当。这些都为光电池在汽车上的应用开辟了广阔的前景。
活动1.太阳能汽车简介
在能源危机加剧的当今，太阳能汽车成为了研究热点，其优势在于以下几点。
（1）太阳能电动车以光电代油，可节约有限的石油资源。白天，太阳能电池把光能转换为电能自动存储在动力电池中，在晚间还可以利用低谷电（220V）充电。
（2）无污染，无噪声。因为不用燃油，太阳能电动车不会排放污染大气的有害气体。没有内燃机，太阳能电动车在行驶时听不到燃油汽车内燃机的轰鸣声。
（3）与燃油汽车相比，实用型太阳能动力车除行驶速度远低于燃油汽车外，与燃油汽车相比，还是有诸多优势的。首先，太阳能电动车耗能少，只需采用3～4m2的太阳能电池组件便可使太阳能电动车行驶起来。燃油汽车在能量转换过程中要遵守卡诺循环的规律做功，热效率比较低，只有1/3左右的能量消耗在推动车辆前进上，其余2/3左右的能量损失在发动机和驱动链上；而太阳能电动车的热量转换不受卡诺循环规律的限制，90%的能量用于推动车辆前进。
到目前为止，太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱动力；二是用作汽车辅助设备的能源。
（1）完全用太阳能为驱动力代替传统燃油，这种太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是运行原理上都有很大的不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成.利用贴在车体外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。目前此类太阳车的车速最高能达到100km/h以上，而无太阳光最大续行能力也在100km左右。
（2）太阳能和其它能量混合驱动汽车，太阳能辐射强度较弱，光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气的限制，使得完全靠太阳能驱动的汽车的实用性受到极大的限制，不利于推广。复合能源汽车外观与传统汽车相似，只是在车表面加装了部分太阳能吸收装置，比如车顶电池板，用于给蓄电池充电或直接作为动力源。这种汽车既有汽油完全用太阳区动的太阳能气车发动机，又有电动机，汽油发动机驱动前轮，蓄电池给电动机供电驱动后轮。电动机用于低速行驶。当车速达到某一速度以后，汽油发动机起动，电动机脱离驱动轴，汽车便像普通汽车一样行驶。
尽管国内外研发了多种形式的太阳能汽车，但在商用方面，在性能方面，还远不能达到传统燃料汽车的使用要求，因此，太阳能目前多作为辅助能源在汽车上得到使用。同时随着电动汽车的发展，太阳能也作为电动汽车蓄电池重要的充电方式在汽车上得到应用。
活动2.比亚迪F3DM简介
作为全球新能源汽车领导者，比亚迪在电动车领域动作频频。继奔驰携手比亚迪之后，比亚迪官方宣布，全新科技的比亚迪F3DM低碳版双模电动车已经于2010年3月29日上市，该车搭载了全新的车顶太阳能电池充电系统。
比亚迪F3DM输出功率为125KW，并达到排量为3.0L发动机的动力输出水平。在起步阶段，比亚迪DM双模电动车的瞬间加速性能，远超过3.0L级别的发动机所能达到的水平。据介绍，搭载铁电池的比亚迪DM双模电动车纯电动续航里程达100公里。而该公司研发的铁电池在极端高低温和碰撞实验中也“然不动”，体现出较高的安全指数。除容量高、安全性好外，该款车的铁电池还大大降低了材料成本，进一步加快其商业化步伐。比亚迪F3DM为F3所属系列下的最新车系。
1.技术亮点
车辆可以在纯电动（EV）和混合动力（HEV）这两种模式之间自由切换。这种技术的好处显而易见纯电动模式下即实现了零排放，混合动力的排放标准也将远远优于欧IV标准。
在动力方面，比亚迪F3DM[21双模电动车搭载了BYD3710A全铝发动机，功率为50KW，配合75KW的电机，比亚迪F3DM双模电动车输出功率达到了125KW。在纯电动的模式下，F3DM双模电动车也实现目前世界上最长的续航里程—100km，最高时速可达150公里小时。此外，F3DM双模电动车使用的铁电池，原材料广泛、无污染、可回收，其而耐热性、抗压性都已经通过国家测试。而且电池循环充电2000次后容量还有80%以上，实际可使用4000次。
重要的是，F3DM将是全球第一款上市的不依赖专业充电站的双模电动车。该车在比亚迪电动汽车充电站快速充电10分钟可充满50%，家用电源上慢充7小时可充满。
2.车型亮点
（1）DM混合动力系统
搭载全球首创的DM双动力混合系统。DM为DUALMODE的缩写。DM双模电动车采用电动系统（EV）和混合动力系统（HEV）。该系统是将汽油发动机和电机有机结合融合为一体，配合动力电池，形成由电机和电机配合发动机向车辆输出动力的两种驱动模式。不仅降低了油耗及排放，更极大的提高了动力和操控性能，实现了既可充电，又可加油的多种能源补充方式，实现了真正意义的双动力混合系统。
（2）节能环保
在EV纯电模式下，F3DM实现零排放，太阳能天窗实现清洁能源生产，电机对制动时车辆动能进行回收再利用。
2.车型亮点
（3）使用便捷
在充电技术上，比亚迪F3DM低碳版双模电动车突破了反复充电、家用插座充电两大技术难关，使电动汽车在使用上更为方便，摆脱了对充电站的依赖。F3DM低碳版双模电动车在家用电源上慢充，仅需要7个小时即可充满。
（4）续驶里程
DM双模电动车电力系统，选用高容量的铁电池组，充分利用了电驱动形式的优势，充满电后纯电动模式综合工况下可持续行驶达60公里。
任务三 二甲醚汽车
学习目标
1.理解二甲醚汽车的基本概念；
2.了解二甲醚汽车的特点；
3.了解DME城市客车的特性。
【建议完成本任务的时间为2课时】
任务描述
图8-4 DME城市客车
资讯分析
在国家科技部“清洁汽车行动计划”和上海市科委的支持下，上海交通大学燃烧与环境技术研究中心与上海汽车工业（集团）公司承担了二甲醚汽车国家科技攻关项目，在上海申沃客车有限公司、上海柴油机股份有限公司、上海华谊集团公司、上海焦化有限公司等协作下，成功研制了我国第一台二甲醚城市客车，2005年4月27日通过了国家科技部的成果验收。该车动力强劲，噪声低、排放远优于欧Ⅲ排放限值、彻底解决了城市公交车冒黑烟的问题，是我国汽车领域的一项具有自主知识产权的重大科研成果。
我国首台二甲醚城市客车的问世，对发展具有中国特色的汽车代用燃料体系，逐步改变汽车能源结构，降低对石油资源的依赖性，保证我国能源安全及环境保护具有重大战略意义。
活动1.二甲醚汽车概述
二甲醚（Dimethyl-ether，DME），其化学分子式为CH3OCH3，含氧量为34.8%，二常压下是气态，加压到5~6个大气压可以变为液体，物理性质类似于液化石油气，可以用作民用燃料；理论热值约为汽柴油的64%，应用热值相当于汽柴油的80%左右。二甲醚十六烷值大于55，高于柴油，有望作为柴油替代品。二甲醚低毒低腐蚀性，燃烧时常规有害气体排放量低于汽油和柴油，有利于环境保护。
与柴油的理化性质相比，二甲醚替代柴油有如下特点。
（1）二甲醚分子结构中无C-C键，只有C一0和C-H键，并且含有34.8%的氧元素，因此，容易分解，进行氧化燃烧，不易产生碳烟（PM）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC），该三种有害物质排放比使用柴油有大幅度的下降。
（2）二甲醚的十六烷值明显高于柴油，自燃温度与柴油相近，所以在柴油机中可以靠压燃着火。
（3）二甲醚的低热值比柴油低，仅为柴油的67.8%，但是其理论空燃比亦比柴油低，两者的理论混合气热值相差不大，因此柴油机使用二甲醚时，其动力性不会有所下降，如考虑到使用二甲醚的热效率比较高、二甲醚燃烧完全度高等因素，则柴油机使用二甲醚时，其动力性应比柴油高。
（4）二甲醚在常温常压下为气态，而在常温加压（约为0.5MPa）的状态下为液态，与液化石油气相似，而与柴油不同，因此车辆使用二甲醚时需要压力容器储存，并要采取一定的技术措施防止二甲醚在供油管道中造成气阻。
（5）二甲醚的汽化潜热远高于柴油，因此，采用二甲醚缸内直喷燃烧方式可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度，从而可降低NOx（氮氧化物）的排放量。
（6）与柴油相比，二甲醚中不含硫、氮等有害元素或杂质，因此，尾气排放造成的环境污染较小。
（7）二甲醚的黏度比柴油的低，因此其润滑性能比较差，如果柴油机使用纯二甲醚作为替代燃料，而又不加入改善黏度及润滑性能的添加剂或采取其他措施，那么供油系中的部分运动副将会过度磨损。
计划决策
二甲醚与柴油的理化性质比较
试说明二甲醚的理化性质，说明二甲醚作为汽车燃料有哪些优势。
【青春V观】青年就像幼苗需要精心培育 该施肥就施肥该整枝就整枝
我们要悉心教育青年、引导青年，做青年群众的引路人。青年要顺利成长成才，就像幼苗需要精心培育，该培土时就要培土，该浇水时就要浇水，该施肥时就要施肥，该打药时就要打药，该整枝时就要整枝。要坚持关心厚爱和严格要求相统一、尊重规律和积极引领相统一，教育引导青年正确认识世界，全面了解国情，把握时代大势。既要理解青年所思所想，为他们驰骋思想打开浩瀚天空，也要积极教育引导青年，推动他们脚踏实地走上大有作为的广阔舞台。当青年思想认识陷入困惑彷徨、人生抉择处于十字路口时要鼓励他们振奋精神、勇往直前，当青年在工作上取得进步时要给予他们热情鼓励，当青年在事业上遇到困难时要帮助他们重拾信心，当青年犯了错误、做了错事时要及时指出并帮助他们纠正，对一些青年思想上的一时冲动或偏激要多教育引导，能包容要包容，多给他们一点提高自我认识的时间和空间，不要过于苛责。要积极鼓励青年到艰苦的一线吃苦磨练、增长才干，放手让青年在重要领域和重要岗位上攻坚克难、施展才华，积极为青年创造人人努力成才、人人皆可成才、人人尽展其才的发展条件。

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