汽車動力系統(tǒng)發(fā)展與節(jié)能技術(shù)

劉志翔

江蘇大學(xué) 江蘇省鎮(zhèn)江市 212013

汽車不僅帶來了巨大的經(jīng)濟效益，推動了社會發(fā)展，也產(chǎn)生了大量的尾氣排放與空氣污染。隨著中國對環(huán)境問題的越發(fā)強調(diào)，汽車的環(huán)保與節(jié)能問題也日益得到更多人重視。世界各國亦引進了更加嚴格的廢氣排放與燃油經(jīng)濟性指標。因此，傳統(tǒng)燃油汽車正向著新能源化方向快速發(fā)展。其中標志性的混合動力汽車，純電動汽車已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市場。從排放的角度來看，電動汽車可以大大降低排放，減少空氣污染。從節(jié)能的角度來看，電動汽車可使得能源利用更加多元化與高效化。最終達成無污染交通的目標。

但是，傳統(tǒng)燃油車有著技術(shù)成熟，成本低廉的優(yōu)點；新能源汽車也有著充電設(shè)備成本高，維護費用昂貴的缺點。目前的電池技術(shù)受制于化學(xué)材料的限制，電池單位質(zhì)量的能量密度仍無法與汽油相比。因此，未來十年，必然是傳統(tǒng)燃油汽車與新能源汽車并肩發(fā)展的階段。

1 發(fā)動機節(jié)能技術(shù)

發(fā)動機產(chǎn)生排放污染的主要原因，是汽油燃燒不充分導(dǎo)致的。盡管發(fā)動機有著燃燒不充分，工作特性不完備的缺點但發(fā)動機由于其較高的功率密度，合理的燃油經(jīng)濟性，以及在一個世紀用來累積的豐富生產(chǎn)與使用經(jīng)驗。仍然是目前應(yīng)用最廣泛的汽車動力源。

為最高程度上充分燃燒汽油，提高發(fā)動機效率。目前各大汽車廠商都研發(fā)出許多技術(shù)，用以提高燃油利用率。發(fā)動機的燃燒效率與排放污染是密切相關(guān)的。2019年以來國內(nèi)陸續(xù)執(zhí)行最新排放指標國Ⅵ，國Ⅵ指標也對發(fā)動機提出了更高的要求。因此，進一步提高發(fā)動機燃燒效率勢在必行。目前提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的主要途徑為：

（1）提高汽油發(fā)動機熱效率與機械傳動效率。（2）多使用柴油發(fā)動機。（3）對發(fā)動機增壓化。（4）廣泛使用電子計算機控制技術(shù)。

其中，電子計算機控制技術(shù)作為目前使用最廣泛，最先進的發(fā)動機技術(shù)。有著廣泛的研究與應(yīng)用前景。

1.1 電控汽油噴射技術(shù)

電控汽油噴射技術(shù)是指燃油通過電控液壓泵，在一定壓力下將燃油直接噴射進氣缸內(nèi)。燃油具有較好的霧化效果，噴油量能夠得到精準的控制。因此，發(fā)動機內(nèi)燃油與空氣混合比例好，燃燒更充分。并且，通過微機單元監(jiān)控發(fā)動機工況，可在怠速，加速，恒速等不同駕駛條件下準確的計算出所需燃油量。使得發(fā)動機在任何工況下均處于最佳的工作狀態(tài)。

電控汽油噴射技術(shù)最早于1957年由美國Bendix 公司發(fā)明，并首次安裝在克萊斯勒牌豪華汽車上。1967年博世公司研發(fā)了機電混合式汽油噴射系統(tǒng)，于70年代開始量產(chǎn)，并且首次在美國加利福尼亞州達到了廢氣排放法規(guī)的要求。開創(chuàng)了電控汽油噴射技術(shù)的新時代。1980年，通用公司首先研發(fā)了一種節(jié)流閥體噴射技術(shù)。進一步降低了成本。

目前我國也有許多公司具有較高的電控汽油噴射研發(fā)，制造能力。例如歐德克斯，上海伊捷燃油，成都威特電噴等等。

1.2 可變進氣系統(tǒng)

可變進氣系統(tǒng)是為了改變發(fā)動機在不同工況下，進氣量不同的問題所開發(fā)的技術(shù)。一般采用電子閥門，動態(tài)提高進氣壓力與進氣效率，從而改善發(fā)動機中、低速性能。可變進氣系統(tǒng)可以根據(jù)車輛特性、駕駛者踩踏油門的幅度和發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速的扭力需求，控制空氣室內(nèi)閥門的啟閉，調(diào)整進氣歧管路徑的長短，低轉(zhuǎn)速用長進氣歧管，保證空氣密度，維持低轉(zhuǎn)的動力輸出效率；高轉(zhuǎn)用短進氣歧管，加速空氣進入汽缸的速度，增強進氣氣流的流動慣性，保證高轉(zhuǎn)下的進氣量，以此來兼顧各段轉(zhuǎn)速發(fā)動機的表現(xiàn)，保證最佳的發(fā)動機進氣效率。使用這套系統(tǒng)的裝置后，發(fā)動機進氣氣流的流動慣性和進氣效率都有所加強。

可變進氣系統(tǒng)分為兩類：多氣門分別工作系統(tǒng)和可變進氣道系統(tǒng)。

多氣門分別工作系統(tǒng)，是在進氣管內(nèi)設(shè)置一控制閥，利用控制閥的開閉，實現(xiàn)低速，高速不同進氣量的控制。

可變進氣道系統(tǒng)的第一種，是雙進氣道系統(tǒng)。此系統(tǒng)是每個進氣歧管都有兩個進氣通道。根據(jù)發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速高低，負載大小，由旋轉(zhuǎn)閥控制空氣經(jīng)過哪一個通道流進氣缸。此種雙進氣管道系統(tǒng)可以有效增加發(fā)動機所有工況下的轉(zhuǎn)矩?？勺冞M氣道系統(tǒng)的的第二種，也即理想狀態(tài)，是無極可變進氣歧管。其原理仍是進氣歧管長度與歧管截面能夠隨著發(fā)動機工況連續(xù)的改變。

1.3 柴油發(fā)動機電控共軌噴射技術(shù)

柴油機的電控噴射系統(tǒng)是通過檢測柴油機轉(zhuǎn)速與加速踏板位置，從而計算出噴油量。柴油機的電控噴射系統(tǒng)與汽油發(fā)動機類似，由傳感器，微機單元，高壓泵（執(zhí)行機構(gòu)）三部分組成。

因為傳統(tǒng)電控噴射系統(tǒng)，噴射壓力取決于柴油機轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速時會導(dǎo)致油液壓力過低。所以共軌噴射技術(shù)是在傳統(tǒng)電子噴射的基礎(chǔ)上，將油液壓力的產(chǎn)生與噴射過程分離開。是對電控噴射的進一步升級。高壓油泵將柴油輸送至公共油管，通過對公共油管內(nèi)的油壓進行控制，使得油壓與柴油機轉(zhuǎn)速無關(guān)。由車載微機控制噴油器的噴射量。共軌式噴油系統(tǒng)的共軌油道內(nèi)為高壓燃油，噴油壓力僅取決于共軌油道內(nèi)的燃油壓力，采用高速電磁閥可實現(xiàn)噴油量、噴油壓力的準確控制。例如日本電裝公司開發(fā)的 ECD-U2 電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)，最高噴油壓力可達到120MPa。德國博世公司在九十年代所開發(fā)的電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)，最大噴油壓力可達140MPa。

2 混合動力汽車

車輛電動化的過程從開始的HEV 式混合動力、到現(xiàn)今的純電動車輛，隨著技術(shù)不斷進步，燃油功率占比逐步減少，電動功率占比逐步增加。其結(jié)構(gòu)形式也越發(fā)多變。例如，可采用電機，發(fā)動機進行混合動力驅(qū)動，或不采用變速器，使用分布式電機分別驅(qū)動前后軸；更可以不采用差速器，用輪轂電機直接驅(qū)動車輪。車輛的驅(qū)動結(jié)構(gòu)一般可分為單個動力源與多個動力源兩種形式，單個動力源即為傳統(tǒng)發(fā)動機燃油車輛，多個動力源目前技術(shù)最成熟的為混合動力汽車。

所謂混合動力，就是將燃油發(fā)動機和電動機同時安裝在一輛汽車上。電動機和發(fā)動機相比，有著更加清潔，效率高的特點。將電力驅(qū)動與燃油驅(qū)動兩種驅(qū)動方式進行結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢。同時在電池技術(shù)尚未達到今天這個程度的時候，平衡了電動車續(xù)航里程過少與燃油車排放過高的兩個問題。

混合動力最大的優(yōu)勢即在于動力系統(tǒng)的靈活性，不同于發(fā)動機，變速箱等機械部件的剛性機械連接?；旌蟿恿ζ噭恿ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)非常靈活。根據(jù)發(fā)動機和電動機的功率比的不同，可分為里程延長型，雙模式型和動力輔助型。而根據(jù)動力源的數(shù)量，以及結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為串聯(lián)型，并聯(lián)型以及混聯(lián)型。

串聯(lián)型動力系統(tǒng)較為簡單，即發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，電能供給電動機驅(qū)動車輪。并聯(lián)型是發(fā)動機與電動機分別獨立驅(qū)動車輪，可以達成發(fā)動機獨立驅(qū)動，電力獨立驅(qū)動和混合驅(qū)動三種模式。混聯(lián)型綜合了串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點，且通過電力與液壓等方式，將雙動力在一定條件下進行耦合。從而最大程度實現(xiàn)對能量的利用。

例如日本豐田汽車公司的Prius THS-Ⅱ混動系統(tǒng)，詳見圖1。Prius 是典型的混聯(lián)型動力系統(tǒng)。Prius 同時具備電池、發(fā)動機、發(fā)電機、電機四個部件，發(fā)動機與發(fā)電機之間有一行星齒輪組，將發(fā)動機動力一部分分流至發(fā)電機用以給電池或電機供電，一部分通過齒輪傳遞至車輪。因此，Prius 混合動力系統(tǒng)可以完成多種動力間的自由轉(zhuǎn)換，其目的在于時刻保持發(fā)動機和電機均處于最優(yōu)效率的工作狀態(tài)，以此達到減少耗能的目的。并且，由于各部件可以有效實現(xiàn)動力耦合，使得總動力系統(tǒng)高度集成。減少了系統(tǒng)總質(zhì)量。

圖1 Prius混動系統(tǒng)總成

3 純電動力汽車

純電動力汽車發(fā)展歷史悠久，1834年美國人托馬斯.達爾波特就制作出一臺純電動三輪汽車。1832—1838年蘇格蘭人羅伯特安德森制作出電驅(qū)動馬車。1900年前后，電動汽車進入了第一次發(fā)展黃金時期?？呻S著內(nèi)燃機的快速發(fā)展，電動車的馬力與續(xù)航都遠遠不及燃油車，因此在20 世紀中期陷入發(fā)展瓶頸。這隨著石油使用，帶來了更多的環(huán)境問題。1995年前后，電動汽車又進入了新的發(fā)展周期，直至現(xiàn)在。

隨著鋰電池的發(fā)展，純電動汽車的續(xù)航里程短的問題得到了顯著解決。純電動汽車在近幾年得到了長足的發(fā)展。國外以特斯拉為首的Model 系列純電動汽車。國內(nèi)以比亞迪，北汽新能源等為首的電動汽車。正在掀起一陣陣造車浪潮。促進了我國電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

純電動汽車與傳統(tǒng)汽車的最大差別，就是舍棄了化石燃料，全部由電池對整車實施供能。有三種類型的電池可用于電動車輛，鎳基電池、鉛酸電池和鋰離子電池。

鉛酸電池相較于其他兩種電池成本最低，但能量密度不如鋰離子電池。鎳基電池一般指鎳鎘電池或鎳氫電池，鎳基電池有著良好的使用壽命，由于鎘元素對環(huán)境有害，因此鎳氫電池應(yīng)用更廣泛。鎳氫電池多用于混合動力汽車。鋰離子電池具有最高的能量密度，因此是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的電池。例如磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池等。雖然鋰離子電池價格高昂，但更長的使用壽命和能量密度抵消了成本高昂的缺點。但是，鋰離子電池需要相對復(fù)雜的保護系統(tǒng)來防止電池短路以及過熱。因此現(xiàn)在鋰電池汽車都會配置電池管理系統(tǒng)用來保護電池，增加電池壽命。

純電動汽車的動力系統(tǒng)可簡單分為單電機型和多電機型兩種。單電機型是使用一個電機驅(qū)動車輪，車輪與電極之間仍采用機械進行連接。多電機型是在整車上布置多個電機，用以驅(qū)動車輪。代表性的有雙電機型和使用輪轂電機的四電機型。雙電機型動力系統(tǒng)是分離前后驅(qū)動橋，分別用一個電機驅(qū)動前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋。當(dāng)然，這種驅(qū)動結(jié)構(gòu)的控制方法也更為復(fù)雜，如果控制系統(tǒng)設(shè)計不合理，易使得前后輪轉(zhuǎn)速不一致，造成不正常的輪胎磨損。例如特斯拉Model 系列即使用雙電機分別驅(qū)動前軸和后軸，采用牽引力耦合式驅(qū)動車輪，如圖2 所示。動力在輪胎處實現(xiàn)了功率的耦合。此結(jié)構(gòu)形式可在四輪驅(qū)動和前輪驅(qū)動間自由切換，使得電機時刻保持在峰值功率區(qū)間。

圖2 牽引力耦合式動力結(jié)構(gòu)

4 燃料電池汽車

雖然電池給汽車帶來了混合動力等新型動力總成。正如文章開頭所提及的，電池的能量密度相比汽油仍然相去甚遠。且為了增加汽車續(xù)航里程，電池組的大小也是與日俱增。因此，電動汽車的最終發(fā)展目標，是實現(xiàn)燃料電池的車載化。燃料電池是將適宜的燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。有多種燃料電池形式，例如聚合物電解膜燃料電池，固體氧化物燃料電池，磷酸燃料電池，堿性燃料電池等等。目前對于車輛來說，聚合物電解膜燃料電池是最有希望的，因為該燃料電池的能量密度高，且壽命長。目前也開發(fā)了將甲醇中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池。通常來說，燃料電池的催化劑是氧氣。燃料與催化劑都可以直接車載儲存，用以代替沉重的電池組。而且電池組在使用壽命完畢后，會有著嚴重的回收問題，這也是目前純電動汽車的一個擔(dān)憂。

燃料電池汽車的動力系統(tǒng)與電動汽車類似，從結(jié)構(gòu)上來說，沒有特別不同的地方。僅僅是將電池組改換為儲料罐和燃料電池本身。因此，將純電動汽車改裝為燃料電池汽車是較為方便的。

從節(jié)能的角度考慮，燃料電池的理論效率為83%，并且可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成更大型的電池堆。用以滿足不同需求的車輛。因此燃料電池被認為是很有希望的內(nèi)燃機替代品。評估燃料電池對環(huán)境的影響時，不能僅從車輛的直接排放進行考慮。因為純電動車輛產(chǎn)生的直接排放為零，但是制備燃料，或者說制備電池這個過程本身，產(chǎn)生的排放也必須計算在內(nèi)。

5 結(jié)語

汽車發(fā)展已逾百年，動力系統(tǒng)經(jīng)歷了從內(nèi)燃機到混合動力，直至如今純電動汽車的數(shù)次技術(shù)革命。未來隨著世界各國對環(huán)境的進一步要求，更加會刺激汽車發(fā)展新技術(shù)用以減少排放，或?qū)ふ倚碌膭恿ρb置加以替代。我國正在積極向著綠色能源，零排放的目標不斷進步。各汽車企業(yè)也將不斷創(chuàng)新，推動我國成為世界第一的汽車制造強國。