新能源發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉子愷

（南京市第九中學，江蘇 南京 210000）

黨的第19次全國代表大會報告中提出“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”，表明了黨和國家將環(huán)境保護進行到底的決心。針對我國汽車保有量與尾氣排放的環(huán)境治理現(xiàn)狀，盡管我國從2017年1月1日起，在全國范圍內(nèi)執(zhí)行國家第5階段機動車排放標準，簡稱“國五標準”，但由于我國燃油汽車基數(shù)大，新的排放標準無法解決根本性的問題，因此新能源汽車成為解決問題的必要手段。截至2016年，我國新能源汽車的占有量僅為汽車總量的0.56%，連1%都沒有達到，原因是新能源發(fā)動機技術(shù)不夠成熟，無法滿足消費者需求。因此，我國一直都在尋找更加清潔高效的能源種類來替代傳統(tǒng)能源種類，研制適合新型能源的發(fā)動機來替代已有的汽油發(fā)動機。

新能源發(fā)動機的研制，將致力于新的機械結(jié)構(gòu)和功能，能將如氫氣、電池、壓縮空氣等新型燃料轉(zhuǎn)化為汽車的機械動能。目前已經(jīng)取得一定進展的新型發(fā)動機有氫氣發(fā)動機、天然氣發(fā)動機、空氣動力發(fā)動機、電動機、結(jié)合電動機與油動發(fā)動機于一體的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)。

1 新能源發(fā)動機

1.1 電動機

電動機技術(shù)相對成熟，目前有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機。直流電動機由于換相刷的存在，工作過程中摩擦嚴重時易產(chǎn)生火花，基本上被交流電動機取代，交流電動機可以分為異步電機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電機3大類。因此，交流電動機的驅(qū)動原理是將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妬眚?qū)動交流電動機工作，進而驅(qū)動汽車行駛。目前，永磁電動機多用于混合動力汽車、與油動發(fā)動機配合使用。而開關(guān)磁阻電機，工作過程中能產(chǎn)生較大的功率，效率高，用于大型的汽車，如客車等。純電動汽車如小型轎車多使用異步電機驅(qū)動。

1.2 氫氣發(fā)動機

氫氣可燃性好，燃燒速度快，燃燒產(chǎn)物無污染，同時儲量豐富，非常適合作為動力能源。因此，對氫氣動力發(fā)動機的研究一直是新能源發(fā)動機領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。但氫氣熱值與汽油熱值相等的情況下，體積是汽油的3000倍，所以氫氣的存儲一直是研究難點。同時發(fā)動機本身也存在限制，氫氣發(fā)動機與傳統(tǒng)的油動發(fā)動機相似，都屬于點燃式發(fā)動機?？梢酝ㄟ^對汽油機和柴油機進行改裝實現(xiàn)，目前可分為采用化油器、進氣噴射的預(yù)混式和缸內(nèi)直噴式。預(yù)混式是通過噴射預(yù)先混合后的氣體進入氣缸點火，空氣和氫氣的混合在外部完成。該方式的輸出功率低，容易發(fā)生回火和早燃現(xiàn)象。而缸內(nèi)直噴式將氫氣直接噴入氣缸，不會產(chǎn)生回火，在低壓噴入時也容易發(fā)生早燃，如果噴入低溫氫氣則會增加成本，高壓噴入氫氣會導致氫氣和空氣混合不充分，熱效率低，但可以避免早燃現(xiàn)象。因此，高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機可以通過熱效率補償?shù)确绞教岣咝阅堋?/p>

1.3 天然氣發(fā)動機

天然氣發(fā)動機與氫氣發(fā)動機相似，都是基于燃燒速度快，燃燒產(chǎn)物清潔的優(yōu)點，以它作為燃料的動力機構(gòu)。天然氣發(fā)動機主要分為2類：火花點火天然氣發(fā)動機和壓燃天然氣發(fā)動機?；鸹c火天然氣發(fā)動機又可以分為汽油-天然氣兩用燃料發(fā)動機和單燃料發(fā)動機。汽油天然氣兩用發(fā)動機用混合器式機械系統(tǒng)控制天然氣的供給，不足的是混合器會降低發(fā)動機的效率。而單燃料發(fā)動機專用于天然氣，采用電控進氣口多點順序噴射系統(tǒng)控制，具有專門的天然氣噴射器。壓燃天然氣發(fā)動機是混合器式或進氣口噴射式雙燃料發(fā)動機，當氣缸活塞運動到上止點時，噴入少量柴油，在高溫作用下柴油引燃，進而點燃天然氣與空氣的混合氣體。但與氫氣發(fā)動機存在相似的問題，燃氣存儲困難，噴氣技術(shù)不夠成熟，導致發(fā)動機的效率低下，這是目前天然氣發(fā)動機的研究難點。

1.4 空氣動力發(fā)動機

空氣動力發(fā)動機是通過壓縮空氣的膨脹做功，壓縮空氣進入氣缸后，吸熱膨脹推動氣缸內(nèi)活塞運動，工作后的氣體完全無污染，仍可循環(huán)利用，具有更多的實用性。壓縮空氣是通過儲氣瓶進行儲存，瓶內(nèi)的高壓空氣在使用前，通過減壓裝置減壓和換熱器吸熱進入氣缸做功。因此，空氣動力發(fā)動機的功率是通過調(diào)節(jié)進入氣缸內(nèi)的氣體壓力和流量來調(diào)節(jié)。其控制難點則集中在配氣機構(gòu)和氣缸的進氣量上。

由于目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工限制問題，當發(fā)動機上的進氣門關(guān)閉時，還存在進氣門氣體泄漏的問題，造成能量的損失，影響了發(fā)動機。因此，合理的配氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和提升空氣動力發(fā)動機的加工精度是空氣動力發(fā)動機的研究重點。

1.5 混合動力組合機構(gòu)

混合動力是指將電動機與輔助動力單元結(jié)合使用。輔助動力單元是一臺小型的燃料發(fā)動機，這樣的結(jié)合使用不僅充分發(fā)揮燃料發(fā)動機的動力性能，還能達到減少尾氣排放、降低噪聲的目的。目前的混合動力通過燃料發(fā)動機和電動機的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)方式實現(xiàn)。串聯(lián)混合動力發(fā)動機是將發(fā)動機與發(fā)電機串聯(lián)使用，通過發(fā)動機工作驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力供給電動機工作，進而驅(qū)動汽車行駛。串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單，在行駛過程中不受路況的影響，工作穩(wěn)定，但對電池的性能有較高的要求。并聯(lián)式中電動機和發(fā)動機都與變速器相連，既可以獨立工作，也可共同驅(qū)動，因此結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，受路面狀況影響比較大，更適合城市和高速路上行駛，其能量利用率高。而混聯(lián)式則發(fā)揮了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)勢，混聯(lián)式中發(fā)動機輸出的功率一部分供給驅(qū)動系統(tǒng)，作為汽車動力的一部分，另一部分供給發(fā)電機發(fā)電使用，因此熱效率利用率最高，但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，控制難度最大。

2 新能源發(fā)動機性能比較

能源和環(huán)境壓力推動各國對新能源發(fā)動機技術(shù)的不斷改進和創(chuàng)新，因而開發(fā)出了氫氣發(fā)動機、天然氣發(fā)動機、電動發(fā)動機、空氣動力發(fā)動機和混合動力組合機構(gòu)的發(fā)動機。電動機和混合動力組合機構(gòu)已經(jīng)生產(chǎn)并投入市場。電動汽車的優(yōu)點在于電能利用率高，性能好，對環(huán)境污染小。但是由于電池技術(shù)的限制，導致電池價格貴，壽命短，同時電池的儲電量還不能滿足人們對行駛里程的要求。混合動力發(fā)動機具有排放性能良好、動力性能佳和低油耗的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大，成本高。

氫氣發(fā)動機與油動發(fā)動機結(jié)構(gòu)相似，對油動發(fā)動機較小的改動可以實現(xiàn)氫氣驅(qū)動的要求。改造后的氫氣發(fā)動機功率大、重量輕，但由于氫氣存貯困難，改造后的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生早燃和回火現(xiàn)象，限制了氫氣發(fā)動機的發(fā)展。天然氣抗爆性好，為提高天然氣發(fā)動機效率提供了可能，但噴氣技術(shù)有待提高，使用中仍存在一些問題，其中最為突出的是發(fā)動機功率下降、發(fā)動機腐蝕與早期磨損的問題。

空氣動力發(fā)動機主要依靠壓縮空氣膨脹做功，做功過程是吸熱過程，不需要像傳統(tǒng)內(nèi)燃機那樣進行水冷操作，排放物都是空氣，排放零污染。它的機械結(jié)構(gòu)也相對簡單輕便，制造成本低。但目前結(jié)構(gòu)上存在漏氣風險，氣密性不良，還需進一步研究。

3 結(jié)語

針對環(huán)境污染嚴重的問題，發(fā)展新能源汽車是解決環(huán)境問題的必要手段。但目前新能源汽車還存在諸多問題：如電動機的電池技術(shù)不夠完善，電池儲能少，壽命短，氣體燃料的液化技術(shù)急需優(yōu)化，氣動發(fā)動機的氣密性還需增強等問題。這些問題的解決，是普及新能源汽車的必要前提。

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