汽車節(jié)能減排技術(shù)研究及展望

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引 言

公路運輸是交通運輸領(lǐng)域中的重要一環(huán)。相對傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車而言，利用電動汽車來實現(xiàn)近距離運輸是一大發(fā)展趨勢。但考慮到成本等一系列問題，在不久的將來，無論對短途行駛還是對長途行駛，內(nèi)燃機汽車仍將在公路運輸領(lǐng)域占據(jù)主要地位。

盡管全球范圍的石油的價格依然在持續(xù)上漲，但是，尤其在中小型乘用車上，采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機的乘用車保有量依然會持續(xù)增長。

1 內(nèi)燃機汽車節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)

為進一步降低燃油消耗，對車用內(nèi)燃機采用均質(zhì)燃燒和稀薄燃燒等技術(shù)可謂勢在必行。其目的是不斷降低發(fā)動機機內(nèi)污染物排放，而并非僅僅依賴廢氣后處理系統(tǒng)來降低排放，因為采用此類外部系統(tǒng)會顯著增加燃油消耗[1]。目前可通過兩種方式來降低點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機的排放：

(1)在點燃式發(fā)動機中，燃燒過程類似于在燃燒室內(nèi)使用稀薄和均質(zhì)的燃油混合氣的先進的壓燃式發(fā)動機[2]。這項技術(shù)被稱作“可控自燃”(CAI)。

(2)在壓燃式發(fā)動機中，燃燒過程類似于使用高壓燃油噴射和高廢氣再循環(huán)率的先進的點燃式發(fā)動機。這項技術(shù)被稱作“均質(zhì)壓燃”(HCCI)[3]。

采用CAI 和HCCI 技術(shù)，可大幅降低顆粒物排放。與采用傳統(tǒng)高壓噴射的壓燃式發(fā)動機相比較，NOx排放量可降低4% ，而燃油耗則可降低5% 。其弊端則是在較低負荷時的CO 和HC 排放較高。改進的措施有改進燃燒室形狀、控制燃燒、優(yōu)化噴射以及采用可控制廢氣再循環(huán)系統(tǒng)等。

1.2 發(fā)動機小型化處理

將發(fā)動機進行小型化處理即減小發(fā)動機排量和整機重量。然而，尤其在尺寸較小的發(fā)動機上，采用過高的轉(zhuǎn)速會增加燃油消耗。將發(fā)動機進行小型化處理的車輛運行在最佳車速和檔位范圍并且不進行過于頻繁的制動和加速過程，以此可大幅降低燃油消耗和排放。

使用共軌噴油系統(tǒng)可使雙缸或三缸發(fā)動機實現(xiàn)進一步小型化。特別是在該類發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差的起步階段，以此可使發(fā)動機在各種負荷范圍下以最優(yōu)轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)。采用電子控制技術(shù)可對發(fā)動機所有轉(zhuǎn)速范圍和所有環(huán)境條件下的運行起到優(yōu)化保障作用。

1.3 發(fā)動機渦輪增壓技術(shù)

就車用內(nèi)燃機的增壓技術(shù)而言，該技術(shù)早期是專門針對航空活塞式發(fā)動機而開發(fā)的，其目的是針對高空飛行時的空氣密度的不斷降低以及發(fā)動機性能惡化等情況而進行的補償性措施。

可變幾何截面渦輪技術(shù)使得調(diào)節(jié)增壓器的增壓壓力成為可能，目前該技術(shù)主要用于壓燃式發(fā)動機。

渦輪增壓點燃式發(fā)動機的排氣溫度目前正在逐漸逼近先進材料的溫度極限。這些新材料可使點燃式發(fā)動機與壓燃式發(fā)動機一樣地使用高增壓技術(shù)。此外仍有一些裝置可提升發(fā)動機性能，如用于靈活操縱增壓空氣的壓力調(diào)節(jié)器以及額外使用采用電動增壓器的壓氣機，以此可向儲氣筒提供壓縮空氣。

1.4 發(fā)動機機械式增壓技術(shù)

渦輪增壓器只有在發(fā)動機排放出一定量的廢氣時方可開始運作。其在開始工作時的數(shù)秒鐘內(nèi)的增壓滯后是該技術(shù)的一大顯著劣勢。而采用機械增壓器則可有效改善發(fā)動機響應(yīng)性，其并無顯著的增壓滯后現(xiàn)象，同時需要從發(fā)動機曲軸端引出的驅(qū)動裝置為其提供動力來源，機械增壓器的通常轉(zhuǎn)速可達2000～2400 r/min ，而渦輪增壓器通常會以更高的轉(zhuǎn)速運作。由于機械式增壓器的工作轉(zhuǎn)速更高，因而進氣溫度也相應(yīng)更高，為此機械式增壓器及其進氣管部分均需采用耐高溫材料。為了在嚴苛的工作條件下以實行檢查與維護，對排放的檢測過程將變得愈發(fā)重要。

在過去的15 年中，由于采用全負荷和不斷優(yōu)化的增壓器技術(shù)，發(fā)動機性能提升了約15% 。然而，采用機械式增壓器同樣也有其技術(shù)劣勢，如燃油耗隨之提高和催化劑作用延遲現(xiàn)象等。與渦輪增壓系統(tǒng)相比，廢氣后處理系統(tǒng)的工作溫度升高，因而有可能導致催化劑出現(xiàn)過早老化等現(xiàn)象。

將渦輪增壓器與機械式增壓器組合使用所需要的安裝空間比配裝兩只渦輪增壓器更小，因為可將渦輪增壓器與機械式增壓器放置在兩個氣缸蓋之間。與采用兩只渦輪增壓器相比，此類結(jié)構(gòu)會使發(fā)動機室內(nèi)的溫度降低。降低的溫度和改善的空氣動力學部分地抵消了燃油消耗的提高。

1.5 DPNR技術(shù)

在檢測到微粒過濾器堵塞時將純?nèi)剂蠂娙霃U氣中會提高廢氣溫度，從而導致顆粒物燃燒以及氮氧化物的降低。其中包含廢氣再循環(huán)在內(nèi)的一個系統(tǒng)被稱為柴油機微粒氮降低(DPNR)系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)能消除催化劑下游的剩余CO、HC、NOx排放，其具有顯著改善排放的功效。

1.6 排氣系統(tǒng)中的熱能回收與降噪處理

排氣系統(tǒng)的主要任務(wù)是降低廢氣中的污染物濃度。依據(jù)發(fā)動機功率的不同，發(fā)動機的廢氣后處理系統(tǒng)不僅排出廢氣，同時還需回收能量。由發(fā)動機產(chǎn)生及來自排氣系統(tǒng)的空氣傳播的噪聲是有害的。廢氣后處理系統(tǒng)還需通過消聲器來降低噪聲。目前，提高廢氣后處理系統(tǒng)效率的基本方法有三種:

(1)減少發(fā)動機原始排放物中的顆粒物；

(2)將微粒過濾器與NOx還原催化劑組合；

(3)開發(fā)可以頻繁加熱和具有較好耐久性的微粒過濾器。

上述幾項技術(shù)在過去多年來已經(jīng)得到成功的開發(fā)，但是尤其在重型車輛和船舶上，為了利用部分廢氣能量來實現(xiàn)燃料的初步加熱，仍然需要進一步加大投資。

2 混合動力汽車技術(shù)

盡管在乘用車技術(shù)領(lǐng)域，采用混合動力技術(shù)是一大技術(shù)發(fā)展趨勢，但在不久的將來，純電動汽車技術(shù)將會得以逐步完善。然而，其具體的發(fā)展速度尚無法得以完全確定。近年來的技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗已經(jīng)證明，新技術(shù)將會得以緩慢發(fā)展而并非以階躍的方式出現(xiàn)。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域包括蓄電池的成本、安全性和耐久性、新型材料和相關(guān)零件的匹配技術(shù)。

通常所言的混合動力技術(shù)是指內(nèi)燃機與通常的電機共同使用來實現(xiàn)行駛。從理論上講，諸多原理對于混合動力技術(shù)是具有應(yīng)用可能性的，上述混合動力系統(tǒng)可存儲和利用回收的制動能量。目前，可在車輛領(lǐng)域應(yīng)用的存儲能量的方式包括飛輪、液壓系統(tǒng)、壓縮空氣等[4-6]，但時至今日，采用混合動力技術(shù)在商業(yè)上的廣泛應(yīng)用多用于中低端車輛。其主要的市場是日本和美國，而歐洲市場的銷量也在逐步增長。

混合動力汽車通常可分為微混合、輕度混合和重度混合等幾類?；旌蟿恿ζ囉糜诖笮统鞘袝r尤其能彰顯其技術(shù)優(yōu)越性。因為在大城市中的交通擁堵情況會導致大量時間和能源的浪費，污染物亦會引發(fā)多種疾病和環(huán)境污染現(xiàn)象。

由于需配備有兩套驅(qū)動部件系統(tǒng)，所以未來的混合動力汽車的成本仍然會比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車更昂貴，其生產(chǎn)和維護費用也相應(yīng)水漲船高。然而，未來混合動力汽車的舒適性會更加優(yōu)越并可一定程度上降低燃油耗。不可否認，在公路運輸領(lǐng)域內(nèi)，混合動力技術(shù)依然是一大重要發(fā)展趨勢。

3 電動汽車技術(shù)

3.1 純電動汽車技術(shù)

純電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)包含驅(qū)動電機、傳動系統(tǒng)、動力傳感器和電壓調(diào)節(jié)器，純電動汽車的主要特性取決于車載電池裝置的類型。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)緊湊，且具有較輕的重量，其耐久性約為10 年或600000 次充放電循環(huán)[7]。部分鋰離子電池的周圍布設(shè)有冷卻凝膠體，從而使其能量密度比傳統(tǒng)的蓄電池高25%～50%。就目前而言，鉛酸蓄電池已在道路車輛上得以廣泛應(yīng)用。而目前，以鋰離子電池為代表的新型電池正在逐步取代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池。

鋰離子技術(shù)的優(yōu)點是熱穩(wěn)定性好且容量大。然而，部分元件系統(tǒng)依然有待改進，如冷卻裝置、蓄電池管理系統(tǒng)和高電壓連接線路等。

通常，采用有機電解質(zhì)溶液的蓄電池是可燃的，一旦事故，會使駕乘人員面臨傷亡。因此，設(shè)計不可燃燒的新型蓄電池是勢在必行的。為此，不可燃的鋰聚合物技術(shù)在未來的車載電池技術(shù)發(fā)展趨勢中將具有重要意義。

為了保護蓄電池，防止機械沖擊，車載蓄電池通常采用纖維增強合成材料和具有加強層的金屬容器。電子控制單元能避免鋰離子電池出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，同時防止高溫起步時損壞。

與內(nèi)燃機為代表的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)不同，電驅(qū)系統(tǒng)需具有瞬時驅(qū)動功率和持續(xù)驅(qū)動功率兩種。瞬時驅(qū)動功率受最大功率的限制。而最大功率則受電機容許溫度限制。依據(jù)推進系統(tǒng)的種類的不同，需對最大推進功率進行實時監(jiān)控，并根據(jù)功率執(zhí)行元件、電機和蓄電池的極限來調(diào)整最大功率。目前，世界范圍內(nèi)，采用純電動推進的最早的商用車輛已經(jīng)投放市場。

但即便如此，當前的純電動汽車的最高行駛速度及續(xù)航里程依然不如內(nèi)燃機汽車。因此在今后的20～30 年內(nèi)，純電動汽車將無法全面替代內(nèi)燃機汽車。

3.2 將純電動汽車作為能量存儲系統(tǒng)的技術(shù)方案

可再生能源的缺點是其產(chǎn)量較不穩(wěn)定，以此常無法滿足工業(yè)建設(shè)或用戶的固定需求。風能發(fā)電和太陽能發(fā)電完全依賴于天候現(xiàn)象[8-11]，而能量消耗則取決于一天中的具體時間段。較為理想的情況是純電動汽車能夠存儲電能并充分利用可再生電能。

風能和太陽能發(fā)電裝置提供的額外電力可存儲在車載蓄電池內(nèi)。以此可改善交流電網(wǎng)管理，并簡化電網(wǎng)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。

就目前而言，純電動汽車作為存儲系統(tǒng)的理念仍然是一個有關(guān)未來供電網(wǎng)絡(luò)的電能調(diào)節(jié)與存儲的發(fā)展方向，盡管目前尚無定論，但依然充滿前景。

3.3 燃料電池汽車技術(shù)

3.3.1 車載燃料電池

燃料電池作為一類電化學發(fā)電機，其技術(shù)功能與蓄電池類似，且有著運行效率高、排放低的技術(shù)優(yōu)勢，正在逐步替代傳統(tǒng)蓄電池。近年來，世界范圍內(nèi)的可使用的燃料電池的功率范圍可從幾瓦至幾兆瓦。然而，燃料電池的成本依然需大幅度降低，方可能使其得到普及。除了車載動力裝置之外，當前針對燃料電池的技術(shù)應(yīng)用是將其用作航空器、航天器和潛艇的動力來源[12-13]。

3.3.2 用于燃料電池的氫

氫可作為發(fā)動機的替代燃料，亦可用于燃料電池的能量來源。氫燃料電池可利用氫和氧輸出電流[14]。

氫有兩個主要優(yōu)點。其比能量比汽油更高，且其燃燒后的生成物為水。然而，通過水解反應(yīng)利用水生產(chǎn)純氫需要較高的能量。通過氫化裂解從天然氣生產(chǎn)氫則會對環(huán)境造成污染。目前，提升氫產(chǎn)量的主流技術(shù)依然在處于研究開發(fā)過程中。

不僅如此，由于氫分子量較小，滲透性較強，所以針對氫的存儲較為困難且具有較高危險性。當前的車載燃料電池技術(shù)仍需要數(shù)年之久的技術(shù)開發(fā)，才能逐步實現(xiàn)成本低廉，使用便捷，且足以批量銷售的程度。

根據(jù)當前的技術(shù)經(jīng)驗，在今后長達十年之久的公路運輸中，以某一類代用燃料來替代如汽油、柴油、煤油或重油等傳統(tǒng)的化石燃料是較為困難的。替代燃料在一段時間內(nèi)僅可在較小的市場領(lǐng)域內(nèi)起到替代作用。

3.3.3 用于燃料電池的甲醇

甲醇的重整對于燃料電池而言是一項關(guān)鍵技術(shù)。從天然氣生產(chǎn)甲醇的效率約為65 %。甲醇是一種理化特性與汽油和柴油燃料相似的液體，并具有較高的能量密度，并通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施即可實現(xiàn)[15]。

甲醇的重整技術(shù)通常比將甲醇轉(zhuǎn)化成氫更難以實現(xiàn)，未來如果催化技術(shù)可得以進一步發(fā)展，該項工藝方可得以顯著改善[16]。

4 結(jié)束語

不難預(yù)見，在未來的較長一段時間內(nèi)，內(nèi)燃機汽車以其較高的技術(shù)成熟度、可靠性及耐久性，在公路運輸領(lǐng)域?qū)L期占有一席之地。而純電動汽車由于目前依然具備動力性能較差、續(xù)航里程較短的技術(shù)劣勢，尚無法取代內(nèi)燃機汽車的固有地位。燃料電池汽車目前依然面臨著成本高昂，氫燃料制取儲備困難等技術(shù)問題，在短期內(nèi)不會作為主流車型?；旌蟿恿ζ噭t可被視作內(nèi)燃機汽車過渡至純電動汽車及燃料電池汽車的替代車型，從今往后的數(shù)年間，公路運輸領(lǐng)域?qū)L期處于該過渡階段。