基于節(jié)能減排目標(biāo)的新型車用動力裝置研究與展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

近年來，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要目標(biāo)，除了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)之外， 用于汽車的動力裝置成為了業(yè)界的重要關(guān)注點(diǎn)，針對新型車用動力裝置的開發(fā)過程已得以廣泛推行。

以汪克爾發(fā)動機(jī)為例，在20 世紀(jì)60 年代中期，業(yè)界普遍認(rèn)為該類發(fā)動機(jī)可以充分滿足多方面要求。 該類發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊，因此，即便裝在重型車輛上也能滿足當(dāng)時全新的正面碰撞安全要求。 后來，美國頒布了排放標(biāo)準(zhǔn)，很快發(fā)現(xiàn)，除油耗高外，汪克爾發(fā)動機(jī)的燃燒室使未燃碳?xì)浠衔锱欧磐瑯虞^高。 因此，推廣該類發(fā)動機(jī)的計(jì)劃被迫放棄。 由此可知，找到可用于替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的新型動力裝置，并將其逐步推廣，依然任重道遠(yuǎn)。

1 新型動力裝置的類型

表1 對幾類動力裝置進(jìn)行了比較，隨后將逐個仔細(xì)討論。 從表中的對比可以看出，考慮到需要在轎車實(shí)際使用中印證技術(shù)性能和可靠性， 除表中所列的條件外，似乎只有經(jīng)改制燃用酒精、植物油或氫的內(nèi)燃機(jī)具備相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)[1，2]。 若考慮其他種類的發(fā)動機(jī)，高溫燃?xì)廨啓C(jī)和電力驅(qū)動更具優(yōu)勢[3-5]。 首先在市場上出現(xiàn)的電力驅(qū)動可能是內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的混合動力系統(tǒng)，純電力驅(qū)動會晚些出現(xiàn)。

表1 新型動力裝置與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的比較

2 燃用酒精和氫燃料的新型發(fā)動機(jī)

通常而言， 酒精燃料可以從礦物能源或生物質(zhì)中獲取。酒精燃料之所以能在活塞式發(fā)動機(jī)上使用，是由于其點(diǎn)火性能良好，熱值高，比功率大。 但是其容易損害橡膠和合成材料，這在設(shè)計(jì)供油系統(tǒng)時必須加以考慮。酒精冷起動性能差，因此需要摻入15%的汽油以便于起動。德國早在20 世紀(jì)70 年代即已對“M15”混合燃料開展了相關(guān)試驗(yàn)，該類燃料由15%甲醇及85%汽油組成。甲醇可從當(dāng)?shù)氐拿嘿Y源中提煉， 該項(xiàng)目的目的是減輕德國當(dāng)?shù)貙κ瓦M(jìn)口的依賴。 在該項(xiàng)目的研究中， 有數(shù)百輛采用M15燃料的汽車行駛了數(shù)年。在目前的一些研究中，部分新型發(fā)動機(jī)能交替燃用酒精和汽油， 以及視燃料來源情況燃用兩者按任意比例混合的燃料。 就是這樣一種可用多種燃料的汽車， 需要一個傳感器來測定油箱中汽油與酒精的混合比， 一個電子控制裝置可用來在整個工況范圍內(nèi)調(diào)節(jié)噴油和點(diǎn)火。 迄今為止的所有酒精發(fā)動機(jī)工作方式與汽油機(jī)類似。 然而也可采用類似于柴油機(jī)的系統(tǒng)來燃用甲醇和乙醇，整機(jī)壓縮比可高達(dá)21。 這種系統(tǒng)是在直噴式柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝外部點(diǎn)火裝置。 這一概念對于在一些地區(qū)消除臭氧的形成將有特別的意義。

就氫燃料而言， 戴姆勒·奔馳公司和寶馬公司最近幾年研制的試驗(yàn)車表明， 汽油機(jī)經(jīng)改制后很適于燃用氫燃料，即可將氫燃料中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 混合氣形成和燃料供給需要特殊的方法。與目前的連續(xù)燃油噴射過程類似，氣態(tài)氫燃料被噴射到進(jìn)氣門處。 因?yàn)闅鈶B(tài)燃料容積較大，所以需使用多孔噴嘴。 若氫燃料的貯存狀態(tài)為液態(tài)，則還必須配備一個蒸發(fā)裝置。 由于氫燃料的點(diǎn)燃范圍很寬（在空氣中的濃度從5%～75%都可進(jìn)行參與燃燒），因此在濃混合氣和稀混合氣的條件下都可參與燃燒。從安全考慮，更傾向于稀薄燃燒。 但這樣會影響功率輸出。

另一個在轎車中用氫作為燃料的方案是采用燃料電池和電動機(jī)。 在燃料電池中，氫與氧在相對較低的80～90℃溫度下參與反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是水。 這一過程在沒有氧化氮形成的情況下即可輸出可用的電能。 將氫轉(zhuǎn)化為電能的效率在50%～60%之間。 因?yàn)楝F(xiàn)代電機(jī)的工作效率較高，因此這種燃料電池——電機(jī)系統(tǒng)的綜合效率比目前傳統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)更高。其缺點(diǎn)是造價過高，且質(zhì)量較大。該系統(tǒng)的總質(zhì)量是同功率汽油機(jī)的10 倍。 如果成本和質(zhì)量問題得以解決，燃料電池將會成為另一種較為現(xiàn)實(shí)的轎車驅(qū)動系統(tǒng)。

3 燃用菜油的新型發(fā)動機(jī)

從表1 可以看出，在所有可再生的能量載體中，菜油是一種最為合適的燃料。其可作為柴油機(jī)的燃料，只需要控制燃料的某些特性并對柴油機(jī)進(jìn)行局部改造。 除熱值以外，菜油的相關(guān)特性均不如柴油，而且運(yùn)動粘度明顯高于柴油。為了使菜油的性能更接近柴油，可以考慮對其進(jìn)行化學(xué)改良（酯化）。通過酯化，可以將菜油的三甘氨酸轉(zhuǎn)化為類似于柴油的分子結(jié)構(gòu) （即菜油-甲基酯）， 不過菜油-甲基酯的生產(chǎn)成本較高，用純菜油或菜油與柴油的混合物作為燃料仍有一些困難。例如，因?yàn)檎扯忍呃淦饎雍芾щy，智能采取其他的冷起動方式和暖機(jī)措施。另一項(xiàng)問題是燃燒室內(nèi)噴油嘴和進(jìn)氣門上的積炭仍需解決。 噴油泵等部件的腐蝕和磨損也是目前關(guān)注的問題。 盡管存在這些問題，使用半精煉菜油看來是較為可行的，只是要求其磷脂、其他伴生物質(zhì)和酸類含量較低。

4 車用高溫燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)也可以用作車輛的動力系統(tǒng)。 事實(shí)上，燃?xì)廨啓C(jī)可以燃用上述所有代用燃料，目前，普遍使用的發(fā)動機(jī)必須經(jīng)歷相應(yīng)的燃料化學(xué)轉(zhuǎn)換過程，而對于燃?xì)廨啓C(jī)而言并不需要， 甚至煤塵也可被用作于車用燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。 通過對燃料準(zhǔn)備方面進(jìn)行簡化，將使車輛從一次能源到運(yùn)行期間的整個能量轉(zhuǎn)化過程的綜合效率得到改善。迄今為止，在燃?xì)廨啓C(jī)方面的研究表明，在大功率應(yīng)用范圍（超過150kW）， 燃?xì)廨啓C(jī)的質(zhì)量比增壓柴油機(jī)質(zhì)量更小，結(jié)構(gòu)更緊湊。而且，至少對雙級燃?xì)廨啓C(jī)來說，其起動扭矩更大。 當(dāng)將功率小于100kW 的微型燃?xì)廨啓C(jī)用于轎車時，其即使與汽油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)的低排放、可用多種燃料以及運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)也使其有著較好的應(yīng)用前景。盡管有著諸多優(yōu)點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)還需要將其比油耗降到與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)乃剑庞锌赡茉谲囕v上得以廣泛應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)車用燃?xì)廨啓C(jī)時，還必須考慮車輛行駛的特殊要求。

雙軸式燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是有一個單獨(dú)的動力渦輪，其前部是燃?xì)獍l(fā)生器，此外還有一個壓縮機(jī)和壓縮機(jī)渦輪。這種設(shè)計(jì)可滿足車輛起動所需的轉(zhuǎn)矩儲備?？梢钥闯?，動力渦輪的導(dǎo)向葉片是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 在運(yùn)行中，這些導(dǎo)向葉片可用于改變動力渦輪的進(jìn)氣口， 從而改變流量，使得在允許的最高渦輪進(jìn)氣溫度下，可根據(jù)需要輸出不同的功率，從而確保最佳燃料經(jīng)濟(jì)性。在車輛加速過程中，臨時開啟由葉片控制的進(jìn)氣口，可使燃?xì)廨啓C(jī)的反應(yīng)時間縮短。當(dāng)車輛進(jìn)行制動時，導(dǎo)向葉片會被調(diào)至相反方向，因此燃?xì)獾膲毫跍u輪上形成制動力矩。實(shí)現(xiàn)低燃料消耗的前提是提高工作溫度， 更重要的一點(diǎn)是應(yīng)使用熱交換器。在設(shè)計(jì)過程中，通常配備有一個帶旋轉(zhuǎn)回?zé)嵫b置的熱交換器，該回?zé)嵫b置可用于儲存廢氣熱量，用于加熱進(jìn)入的壓縮空氣。通過這一辦法，減少了燃燒過程的燃料消耗，并進(jìn)一步改善熱效率，但對渦輪進(jìn)氣溫度的提升通常是有限的。目前對于超級金屬合金材料而言，通常會限制了其溫度的提升。溫度再高則需要對渦輪葉片進(jìn)行冷卻。目前看來，除非采用極其復(fù)雜和昂貴的設(shè)計(jì)方案，否則冷卻系統(tǒng)往往并不適用，因?yàn)檐囉萌細(xì)廨啓C(jī)葉片尺寸通常較小。 為解決這一問題，目前正在進(jìn)行的幾個研究項(xiàng)目都在開發(fā)由耐熱陶瓷制成的零部件。其目標(biāo)是將葉片所能承受的進(jìn)氣溫度進(jìn)一步提高。 全新的陶瓷材料，如氮化硅和碳化硅，在這樣的高溫下強(qiáng)度比超級金屬合金更高。

最困難的是開發(fā)可靠的和經(jīng)濟(jì)上可行的陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子。其技術(shù)難點(diǎn)是工作溫度較高，同時由強(qiáng)離心力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力也非常高。 目前有幾家公司正在開發(fā)高溫燃?xì)鉁u輪。 福特和伽略特（Garrett）聯(lián)合開發(fā)的AGT101 渦輪。作為由美國政府資助的研究項(xiàng)目的一個子項(xiàng)， 這種渦輪正在作進(jìn)一步改進(jìn)，并已應(yīng)用于轎車上。與上文所介紹的型式不同，這種渦輪采用單軸設(shè)計(jì)型式，壓氣機(jī)入口處的葉片可用于調(diào)適這種設(shè)計(jì)型式的傳動裝置， 并與無級變速傳動系統(tǒng)類似。

5 電力驅(qū)動系統(tǒng)

在20 世紀(jì)初，電動汽車即已登上歷史舞臺。 但由于鉛酸電池儲能容量小，行駛距離有限，并且尺寸和重量過大，因此在當(dāng)時逐步讓位于內(nèi)燃機(jī)汽車。通過對新型電池開展研發(fā)，使電動汽車技術(shù)水平得以突飛猛進(jìn)。

以改進(jìn)型鈉硫（Na-S）電池為例，大眾曾在一輛試驗(yàn)用“捷達(dá)”轎車上首次應(yīng)用這種電池。 對于長距離行駛而言，可只靠內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動，電力系統(tǒng)仍作為起動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)使用。目前，各種電池的性能仍有進(jìn)一步提升的空間?？紤]到當(dāng)前節(jié)能減排的目標(biāo)，電動汽車及燃料電池汽車有著較好的應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語

考慮到經(jīng)濟(jì)性、排放等相關(guān)問題，燃?xì)廨啓C(jī)與汪克爾發(fā)動機(jī)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚未得到推廣。 就目前而言，除了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)之外，新型車用動力裝置主要可分為采用代用燃料的新型發(fā)動機(jī)，以及包括純電動汽車、燃料電池汽車等在內(nèi)的各類電動汽車。為此，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)， 針對車用新型動力裝置的研發(fā)依然勢在必行。