清洁汽车动力的应用研究

作者：上汽集团 阳树毅 上海内燃机所 侯天理

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 随着汽车节能、降噪技术的进步以及新能源、新动力汽车的发展，部分燃油汽车将会被采用新能源、新动力的汽车替代，污染和能源问题将逐渐得到改善。 中国汽车动力可持续发展同时面临城市大气污染和能源双重难题。汽车清洁化的过程，要受到各国排放法规驱动，同时又要顾及节能的要求和所能接受的成本，是个复杂的系统工程。随着汽车节能、降噪技术的进步以及新能源、新动力汽车的发展，部分燃油汽车将会被采用新能源、新动力的汽车替代，污染和能源问题将逐渐得到改善。 清洁汽车的动力与燃料 对于点燃式发动机来说，主要的代用燃料是甲醇、LPG、天然气（CNG、LNG）、氢。压燃式发动机的主要代用燃料是二甲醚。表1列出未来可能的汽车动力与燃料。 以不同燃料为动力的汽车的排放及综合性能的对比情况见表2，其中：甲醇发动机排放和燃油费与汽油机相当，但在续驶里程、燃料供给设备及车辆价格上比汽油机稍差。二甲醚是超清洁燃料，合成汽、柴油继承性最好。 国内外清洁汽车动力研发进展 LPG汽车动力 气体动力技术的发展可以分为七个阶段： 第一代是采用混合器供气系统，特征为：结构简单、无反馈控制、改造方便、比汽油机功率低、可能回火。 第二代是采用反馈式混合器供气系统，特征为：改造容易、但功率降低、难以满足排放法规强化要求。现在LPG车较多采用。 第三代是电控混合器供气系统，特征为：电控减少排放、但使功率降低。 第四代是电控气态喷射系统，特征为：双燃料车用，功率少许降低、不需要燃料加压泵、可以满足排放法规要求。 第五代是电控液态喷射系统，特征为：双燃料车用，功率与汽油车相同、能满足排放法规、需要燃料加压泵。 第六代是点燃式缸内直喷系统，特征为：直喷，提高热效率、需要开发燃料加压泵等技术、排气更清洁，是未来发展的系统。 第七代是压燃式缸内直喷系统。特征为：需要专用的LPG燃料、直喷热效率与柴油机相同、需要开发燃料加压泵等技术、排气更清洁。 天然气发动机（CNG、LNG）也具有相似的技术发展趋势。 醇（醚）类汽车动力 甲醇 甲醇是一种无色而易挥发的易燃液体，辛烷值高、抗爆性好、含氧量高，使用甲醇汽油可以有效降低汽车的CO和HC的排放，而未燃甲醇及醛类的排放则明显较普通汽油高，就目前排放法规而言，使用醇类燃料无疑对降低排放和炭烟十分有利。由图3可知，甲醇作为汽车燃料具有两条技术途径，既可以作为现代汽车发动机的燃料，又可以作为新型燃料电池动力的燃料，由于具有较大的适应性，可长期利用为汽车的能源。 甲醇在点燃式发动机上应用已基本不存在技术难题。在混合燃料车中的应用可分为：1）低比例甲醇汽油M3/M5可和汽油一样使用，发动机不作任何改动。在欧洲等地曾大量当做汽油销售。一般需要添加助溶剂，以防燃料分层。2）中比例甲醇汽油（M15），发动机只需作调整，技术问题较容易解决。曾在欧洲等国进行跨国界车队示范，必须添加助溶剂。3）高比例甲醇汽油M85/M90，需对发动机改装优化，其功率、排放和热效率都优于原汽油机。在欧、美、加、日等国曾进行大量研究开发，并有产品或样品问世。 由于甲醇加油站有限，行驶里程受限制，使用户不便，故开发了一种甲醇汽车，该汽车可使用汽油或醇与汽油以任何比例混合的燃料甲醇，由燃料传感器识别成份，通过电脑提供发动机最佳运行参数。这样就不会受到加油站限制。 甲醇在压燃式发动机上应用，需采用助燃措施，其中普遍的助燃措施是采用火花助燃或电热塞助燃。 二甲醚 二甲醚可以从中国储量丰富的煤、天然气和生物质中提炼，含氧燃料，有利于减少燃烧生成的烟度和微粒；同时，可以使用更大的废气再循环率（EGR），降低NOx排放。其低热值只有柴油的64.7%，理论空燃比低，为了达到柴油机的动力性，必须增大二甲醚的循环供油量。二甲醚的十六烷烷值比柴油高，远高于其它代用燃料，因此在柴油机上燃用二甲醚不像甲醇、乙醇、液化石油气和天燃气那样需要采用助燃措施。二甲醚在常温常压下的蒸发压力为0.5MPa，随着温度的升高，其蒸发压力也增大。在发动机使用条件下，为防止气阻现象发生，燃料供给系统的压力将远高于柴油机燃料供给系统（输油系统）。二甲醚的汽化潜热几乎是柴油的两倍，由于蒸发吸热降低缸内混合气温度，有利于抑制NOx的生成。 二甲醚发动机的优点：其功率比原柴油机高10%至15%；噪声低5至10dB(A)（接近汽油机的噪声）；热效率比柴油机高2%至3%（相对值高6%至7%）；在全部转速负荷范围内可以实现无烟燃烧；它的NOx、HC、CO排放分别为原柴油机的30%、40%、50%；柴油机燃用二甲醚可以达到欧洲III和美国超低排放（ULEV）标准，并有潜力达到欧洲Ⅳ标准。 主要存在问题：在常温常压下为气体，需装瓶使用（20℃时，饱和蒸汽压力为0.5MPa）。粘度为柴油的1/10，使用时润滑性，密封性较差，燃油系统要重新设计。目前二甲醚用作汽车燃料还处于研发阶段，要真正替代LPG、LNG以及石油燃料，必须要考虑生产成本。在最近的一段时间里应格外注意与LPG的竞争。 车用乙醇汽油 车用乙醇汽油是在汽油中加入一定比例的变性燃料乙醇而形成的一种新型混合燃料，已被一些国家用作为汽车燃料。燃料中的乙醇既是一种能源，又是一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和MTBE（甲基三丁基醚）。用乙醇作增氧剂，可显着降低汽车尾气中的有害排放物（主要是HC和CO）。同时乙醇也是一种可再生能源。这样，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，就能收到节约石油、净化空气和转化过剩的粮食等多种功效，为人类社会的可持续发展提供了一条有效的途径。 混合动力 混合动力是解决汽车排放与节能的有效途径，具有良好的继承性，目前在国外已实现了产业化，中国处于样车研发阶段。发动机和电机通常采用并联或混联的方式。表3给出国外典型混合动力轿车的结构型式和主要参数。并联方式结构简单、节能效果好，排放也比燃油动力汽车为佳。 燃料电池 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。该装置的最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，可高达60%至80%，实际使用效率是普通内燃机的2至3倍。质子交换膜燃料电池是今后汽车最理想的驱动电源。 燃料电池动力是无污染、高效率、应用广、无噪声、具有连续工作和积木化的动力装置。美国、加拿大、德国、日本、法国等国家的汽车公司都对燃料电池的研发投入了大量资金。零排放的燃料电池汽车在国外和中国都已投入示范运行，是本世纪汽车工业实现跨越式发展的技术。研发重点是：使用轻质材料，提高燃料电池发动机的比功率；提高质子交换膜燃料电池发动机快速冷启动能力；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器等。目前燃料电池研发处于领先地位的是加拿大巴拉德公司。 汽油发动机 汽油机是乘用车的主要动力。目前国外已具有达到超低排放汽油车的技术。目前研发主要技术：1)可变进气系统：可变进气、分层充气、可变配气机构（可变气门升程、可变凸轮相位）、EGR、电磁或电液驱动气门机构。2)燃烧系统：缸内直喷、稀燃。3)电控系统：控制模式优化、控制精度改善。4)增压中冷：可变涡轮增压器。5)排气后处理：三元催化、NOx捕集器。6)汽油改质：无铅、低硫、加含氧物、减少芳香烃和稀烃、加清净剂、高辛烷值。 柴油发动机 柴油机是商用车的主要动力。目前技术也能达到欧Ⅳ、欧Ⅴ排放法规的要求。研发重点是：1）高压喷射：共轨系统、单体泵。2）喷油规律控制：多次喷射、小喷孔。3）燃烧系统：均质压燃。4）进气系统：可控涡流、多气门，EGR（水冷）。5）增压中冷：可变涡轮增压器。6）电控系统：控制模式优化、控制精度改善。7）排气后处理：氧化催化、DeNOx、颗粒捕集器、选择性催化还原（SCR）、连续再生捕集系统（CRT）。8）柴油改质：低硫、高十六烷值。 小结 清洁汽车动力的研发是汽车持续发展的基础。在本世纪燃油汽车还是主流，低排放的汽油机和柴油机是清洁汽车的主要动力。气体和液体代用燃料是解决中国近期汽车大气污染和节约石油资源的有效技术措施。混合动力汽车是实现节能、低排放的现实技术，已进入产业化应用阶段。燃料电池发动机的研发是实现汽车跨越式发展的技术，已进入样车示范运行，可望成为本世纪中期以后的重要车种。 (end)

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