液化空气天然气发动机设计

论文总字数：20749字

摘 要

基于朗肯循环，对纯液氮动力、液氮/天然气混合动力、纯天然气三种工况进行了热力学分析，并计算出了单位质量工质的输出功、冷量以及工质流量，并分析了液氮/天然气发动机的动力性指标。基于这些参数，进一步设计了液氮发动机的气缸连接方式以及气缸的行程、缸径，天然气发动机的相关参数则借鉴现有的、应用较为广泛的CNG发动机。同时，还考虑到换热器结霜的问题并提出解决措施。

最后以碳排放量为指标，对各工况进行了碳排放分析，结果表明，液氮膨胀做功并不产生碳排放；与传统动机的结果相比较，天然气发动机碳排放也较少，更加环保。

关键词：液氮，天然气，朗肯循环，发动机，碳排放

A DESIGN ON THE LIQUID NITROGEN/ NATURAL GAS ENGINE

03111602 Guan Hanyi

Supervised by Professor Zhang Baohuai

Abstract:Conventional internal combustion engine has put great pressure on the environment as well as energy, which lead to the rapid development of new-energy-automobile. As industrial byproduct, liquid nitrogen costs low and has great low temperature performance. Compressed natural gas engine has been used widely in the past twenty years. This article aims at hybrid liquid nitrogen-natural gas vehicle, looking into the possibility and environmental significance of liquid nitrogen/natural gas engine.

Based on Rankine cycle, three working conditions are ananlysed, including liquid nitrogen only, hybrid liquid nitrogen-natural gas and natural gas only. The work, colling capacity of unit mass and mass flow are worked out, and index of power performance is compared. Moreover, connecting way, stroke and diameter of cylinder of liquid nitrogen enginare are designed , while the counterparts of compressed natural gas engine can be referred to existing CNG engine. At the same time, the problem about frosting of heat exchanger are considered and some possible measures are put forward.

In the end, carbon emission are calculated and compared, the results show that expansion work of liquid nitrogen does not cause carbon emission, and compared with conventional engine, natural gas engine emit less carbon.

KEY WORDS: liquid nitrogen, natural gas, Rankine cycle, engine, carbon emission

目 录

摘要 I

Abstract. II

1、绪 论 1

1.1课题背景 1

1.1.1能源问题 1

1.1.2环境问题 2

1.1.3新型汽车技术 4

1.1.4排放法规 5

1.2 液氮发动机研究现状 6

1.2.1研究历程 6

1.2.2液氮发动机的可行性分析 6

1.3 天然气发动机的相关研究及应用现状 8

1.4 本文的研究内容、研究方法及主要研究目标 8

2、液氮/天然气发动机的基本原理与特性 9

2.1 液氮/天然气发动机概念 9

2.2 液氮动力模式工作原理 9

2.3 液氮/天然气混合动力模式工作原理 10

2.4 压缩天然气动力工作原理 13

2.5液氮/天然气发动机的目标参数 13

3、发动机结构 14

3.1总体结构 15

3.2相关计算公式 15

3.2.1传统发动机 15

3.2.2液氮发动机 16

3.3缸直径与行程的确定 16

3.4液氮发动机除霜措施 17

4、液氮/天然气发动机的碳排放分析 19

4.1汽车碳排放与温室效应 19

4.2碳排放计算与分析 20

5、总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

致 谢 22

参考文献（References）： 23

1、绪 论

汽车是人们主要的交通工具之一，给人们的生活和工作带来了便利，对人类的发展起到了巨大的推动作用，随着生活水平的提高，人们对交通工具的要求也越来越高。然而大量的汽车对能源利用与环境保护造成了很大的压力。除了制定严格的标准，最根本的方法是研究环保汽车技术。传统发动机面临着巨大的挑战，将储能的液化空气用于车用发动机，以天然气为燃料加热液化空气膨胀作功，替代传统的燃油发动机，可以替代常规的燃油发动机，效率更高，也更环保。

1.1课题背景

1.1.1能源问题

根据瑞士银行发布的全球石油领域现状报告，世界已证实石油储量有1.8万亿桶，这意味着，按现有石油消费水平，世界石油还可开采46年。中国名列第九名，储量为60亿吨。

随着中国经济的快速发展以及人口的迅速增长，能源需求量也在增长。汽车占据了石油消耗的很大一部分，目前世界汽车保有量大约20亿辆。目前大部分汽车仍然以石油为动力来源。我国对石油的消费和储量很不平衡，2014年国内石油消费量为5.08亿吨左右，国内石油产量为2.1亿吨左右（同比增长0.7%），石油进口量约为2.98亿吨，对外依存度为58.66%，逼近59%，未来还将呈现不断上升态势。而国家统计局的数据显示：2014年年末全国民用汽车保有量达到15447万辆（包括三轮汽车和低速货车972万辆），比上年末增长12.4%，其中私人汽车保有量12584万辆，增长15.5%。我国能源问题比较严峻。

天然气的利用能有效较少对石油和煤炭这些燃料的依赖，根据[^[1]]，全年能源消费总量42.6亿吨标准煤，比上年增长2.2%。煤炭消费量下降2.9%，原油消费量增长5.9%，天然气消费量增长8.6%，电力消费量增长3.8%。煤炭消费量占能源消费总量的66.0%，水电、风电、核电、天然气等清洁能源消费量占能源消费总量的16.9%。根据[^[2]]数据显示，从全球来看，天然气消费1.4%、生产1.1%和贸易1.8%增长均有所放缓。区域价差缩小。与其它的所有化石燃料一样，发展中国家的需求放缓更为明显。石油和天然气的探明储量分别增加27%和19%——尽管产量增幅为11%和29%，可见天然气的潜力很大。

近年来, 随着对电力需求的增大，风力发电等可再生能源越来越多的并网发电，电负荷的峰谷比不断增加，导致许多发电设备利用率低,造成了较大的能源浪费。电网谷电时段的弃风发电（弃风发电是指由于某些原因不能让风电上网，只能将风机停止发电）问题受到广泛关注，电网对储能技术的需求日益迫切。电力储能系统能够把电能转换成可储存的形式并储存在不同的介质中；然后在需要的时候，被储存的能量被转换回电能，从而提高了电力系统的效率、经济性和安全性。

综合以上，使用天然气和液氮作为汽车动力能减少对石油的依赖并缓解从而缓解当前石油需求的紧张，同时天然气几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，在作为汽车燃料时，尾气中排放的CO2比燃油汽车少90%，还可降低噪声40%，而且不会产生苯、铅等致癌物质，同时利用液氮作为动力的一部分来源更能减少碳排放。

图 1-1 储量和新型供应源²

图 1-2 2013年石油市场²

图 1-2 全球天然气市场²

1.1.2环境问题

汽车尾气已成为世界环境的一大污染源，20世纪60年代以来，汽车尾气的污染控制和防护已引起世界各国的高度重视。随着人们环境保护意思的日益增强，各国政府都制定了许多控制汽车尾气排放的法规，而且要求也越来越严格，普遍要求是低排放甚至零排放。我国属于发展中国家，机动车生产量和保有量都很低，但由于制造水平相对落后，机动车排放尾气中有害物质的量很高，对大气污染十分严重。汽车排放的尾气中主要有害成分包括碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物、二氧化硫、铅化合物、颗粒状粉尘、油雾、甲醛和丙烯醛等，其中一氧化碳、碳氢化合物及氮氧化物是汽车尾气污染的主要成分，也是主要的大气污染物。这些有害成分对人体的健康以及动植物的生存构成了巨大危害，严重影响了生态环境。目前，世界汽车很多，主要分为欧洲、美国、日本标准体系。欧洲标准测试要求相对来说比较宽泛，是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系。并且，由于我国的轿车车型大多从欧洲引进生产技术，中国大体上采用欧洲标准体系。

哥本哈根气候变化大会前夕，中国政府正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%-45%，并将其作为约束性指标纳入“十二五”规划中，制定了相应的国内统计、监测和考核办法。据海外研究机构估计，中国CO2的排放量2006年就已经超过美国，成为世界第一大温室气体排放国，20年内还会翻番甚至更多，中国在兑现CO2减排诺言的实践中面临巨大的挑战，而备受瞩目的汽车行业也势必会遭遇更加严格的环保压力。

此外，交通噪声是四个主要环境问题中噪声污染的主要来源之一。据不完全统计，我国现有3500万~5000万人受到交通噪声的影响，其中，近3000万人生活在高于70dB的噪声严重污染环境中。目前我国大、中城市交通噪声级平均值都是A声级75dB，所以，造成近年来我国城市噪声扰民引起的诉讼事件也越来越严重。汽车中内燃机的排气噪声是汽车发动机最主要的噪声源，它是由于排气阀突然打开，高温气体自气缸排入排气系统而产生。

图 1-3 人为气体排放的分布

1.1.3新型汽车技术

汽车发动机技术不断向着可持续方向发展，一方面，加强了内燃机新技术的研究，降低内燃机的油耗和排放；另一方面，寻求替代能源并加以应用。

（1）内燃机排放控制技术

缸内燃烧的合理组织,包括柴油机中采用稀薄均质混合气燃烧方式,汽油机中采用分层燃烧方式等[^[3]]。涡轮增压及中冷技术、共轨式燃油喷射技术、新型废弃再循环系统、颗粒物过滤器及其再生技术等的应用也使得内燃机的性能大大改善。

（2）电动汽车技术（电池驱动、混合动力、燃料电池）

电动汽车发展很快。1837年在英国出现了第一辆电动汽车，但是电动汽车充电时间长、续航能力不足，它的应用也受到了一定限制。随着内燃机汽车的发展，电动汽车逐渐被替代。20世纪末，在环境污染日趋严重和室友资源面临危机的压力之下，世界各国又兴起了研究、开发和使用电动汽车的热潮。

纯电动汽车：又称为蓄电池电动汽车，它是指以车载电源为动力，用电极驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆[^[4]]。一般采用高效率充电电池为动力源。纯电动汽车能量的补充方式为充电，对蓄电池还要求较高的循环寿命等。由于电能是二次能源，可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式，而不仅仅是燃煤。纯电动汽车的一大优势是不排放对大气有污染的气体，即便把耗电量发电过程中的排放考虑在内，污染物中除了硫和颗粒物，其他都显著较少了。由于电厂的位置大多数都远离人口密集的城市，对人们的正常生活影响较小，而且电厂是固定不动的，集中排放，能够方便高效的清除各种有害排放物，也已经有了相关技术。电动汽车还可以充分利用用电谷段的电力充电，峰电和谷电存在差价，大大提高了经济效益。然而由于购车成本偏高，基础设施不齐备等原因，电动汽车始终叫好不叫座，在推广上迟迟没有大的进展。

混合动力汽车：通常意义上的混合动力是指油电混合动力，包括汽油、柴油和电能的混合。根据内燃机、电动机和蓄电池的不同组合，混合动力电动汽车分为串联式、并联式和混联式三种。

混合动力电动汽车的优点是：需要的功率较大时，电池能对内燃机功率进行补充，反之，需要的功率较小时，内燃机富余的功率可用于电池充电；方便回收制动、下坡时的能量，提高整车的经济性；在市区，可采用电池动力驱动汽车，而不用内燃机，从而实现“零”排放；而由于有发动机的存在，可以解决一些纯电动汽车的问题，如空调能耗大、结霜影响传热；可以利用现有的加油站加油；能让电池保持在良好的工作状态，不发生过充和过放电，电池的使用寿命得以延长，从而降低成本。然而也有缺点：长途行驶且速度比较高的时候，混合动力电动汽车省油量很有限。

燃料电池汽车：[^[5]]燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的高效率发电装置。燃料主要有氢气、甲醇、汽油和其他类型的碳氢化合物。车载蓄电池组在汽车启动时为汽车提供电能，启动后由燃料电池为汽车驱动系统提供电能。燃料电池汽车的特点是：（1）低排放。通过电化学的方法，将氢和氧结合，直接产生电和热，排出水，而不污染环境。其他燃料电池，如燃料为甲醇、乙醇，虽然也产生二氧化碳，但其排放量比内燃机的要少的多.（2）燃料多样化。燃料电池所使用的氢来源于甲醇、汽油、天然气和化工、氧气工业的副产品，还可利用食品废弃物、粪便、秸秆和下水污泥等可再生有机物发酵[^[6]]。（3）效率高、性能好。由于燃料电池没有活塞或涡轮等，减少了中间环节，结构上较为简单，使得效率大大提高，约为内燃机的2~3倍。燃料电池汽车在成本和整体性能上（特别是续航里程和补充燃料时间上）也明显优于其他类型的电动汽车。

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