汽车动力系统发展与节能技术

2022-07-05刘志翔

时代汽车 2022年13期

刘志翔

江苏大学江苏省镇江市 212013

汽车不仅带来了巨大的经济效益，推动了社会发展，也产生了大量的尾气排放与空气污染。随着中国对环境问题的越发强调，汽车的环保与节能问题也日益得到更多人重视。世界各国亦引进了更加严格的废气排放与燃油经济性指标。因此，传统燃油汽车正向着新能源化方向快速发展。其中标志性的混合动力汽车，纯电动汽车已经广泛应用于市场。从排放的角度来看，电动汽车可以大大降低排放，减少空气污染。从节能的角度来看，电动汽车可使得能源利用更加多元化与高效化。最终达成无污染交通的目标。

但是，传统燃油车有着技术成熟，成本低廉的优点；新能源汽车也有着充电设备成本高，维护费用昂贵的缺点。目前的电池技术受制于化学材料的限制，电池单位质量的能量密度仍无法与汽油相比。因此，未来十年，必然是传统燃油汽车与新能源汽车并肩发展的阶段。

1 发动机节能技术

发动机产生排放污染的主要原因，是汽油燃烧不充分导致的。尽管发动机有着燃烧不充分，工作特性不完备的缺点但发动机由于其较高的功率密度，合理的燃油经济性，以及在一个世纪用来累积的丰富生产与使用经验。仍然是目前应用最广泛的汽车动力源。

为最高程度上充分燃烧汽油，提高发动机效率。目前各大汽车厂商都研发出许多技术，用以提高燃油利用率。发动机的燃烧效率与排放污染是密切相关的。2019年以来国内陆续执行最新排放指标国Ⅵ，国Ⅵ指标也对发动机提出了更高的要求。因此，进一步提高发动机燃烧效率势在必行。目前提高发动机燃油经济性的主要途径为：

（1）提高汽油发动机热效率与机械传动效率。（2）多使用柴油发动机。（3）对发动机增压化。（4）广泛使用电子计算机控制技术。

其中，电子计算机控制技术作为目前使用最广泛，最先进的发动机技术。有着广泛的研究与应用前景。

1.1 电控汽油喷射技术

电控汽油喷射技术是指燃油通过电控液压泵，在一定压力下将燃油直接喷射进气缸内。燃油具有较好的雾化效果，喷油量能够得到精准的控制。因此，发动机内燃油与空气混合比例好，燃烧更充分。并且，通过微机单元监控发动机工况，可在怠速，加速，恒速等不同驾驶条件下准确的计算出所需燃油量。使得发动机在任何工况下均处于最佳的工作状态。

电控汽油喷射技术最早于1957年由美国Bendix 公司发明，并首次安装在克莱斯勒牌豪华汽车上。1967年博世公司研发了机电混合式汽油喷射系统，于70年代开始量产，并且首次在美国加利福尼亚州达到了废气排放法规的要求。开创了电控汽油喷射技术的新时代。1980年，通用公司首先研发了一种节流阀体喷射技术。进一步降低了成本。

目前我国也有许多公司具有较高的电控汽油喷射研发，制造能力。例如欧德克斯，上海伊捷燃油，成都威特电喷等等。

1.2 可变进气系统

可变进气系统是为了改变发动机在不同工况下，进气量不同的问题所开发的技术。一般采用电子阀门，动态提高进气压力与进气效率，从而改善发动机中、低速性能。可变进气系统可以根据车辆特性、驾驶者踩踏油门的幅度和发动机不同转速的扭力需求，控制空气室内阀门的启闭，调整进气歧管路径的长短，低转速用长进气歧管，保证空气密度，维持低转的动力输出效率；高转用短进气歧管，加速空气进入汽缸的速度，增强进气气流的流动惯性，保证高转下的进气量，以此来兼顾各段转速发动机的表现，保证最佳的发动机进气效率。使用这套系统的装置后，发动机进气气流的流动惯性和进气效率都有所加强。

可变进气系统分为两类：多气门分别工作系统和可变进气道系统。

多气门分别工作系统，是在进气管内设置一控制阀，利用控制阀的开闭，实现低速，高速不同进气量的控制。

可变进气道系统的第一种，是双进气道系统。此系统是每个进气歧管都有两个进气通道。根据发动机工作转速高低，负载大小，由旋转阀控制空气经过哪一个通道流进气缸。此种双进气管道系统可以有效增加发动机所有工况下的转矩。可变进气道系统的的第二种，也即理想状态，是无极可变进气歧管。其原理仍是进气歧管长度与歧管截面能够随着发动机工况连续的改变。

1.3 柴油发动机电控共轨喷射技术

柴油机的电控喷射系统是通过检测柴油机转速与加速踏板位置，从而计算出喷油量。柴油机的电控喷射系统与汽油发动机类似，由传感器，微机单元，高压泵（执行机构）三部分组成。

因为传统电控喷射系统，喷射压力取决于柴油机转速，低转速时会导致油液压力过低。所以共轨喷射技术是在传统电子喷射的基础上，将油液压力的产生与喷射过程分离开。是对电控喷射的进一步升级。高压油泵将柴油输送至公共油管，通过对公共油管内的油压进行控制，使得油压与柴油机转速无关。由车载微机控制喷油器的喷射量。共轨式喷油系统的共轨油道内为高压燃油，喷油压力仅取决于共轨油道内的燃油压力，采用高速电磁阀可实现喷油量、喷油压力的准确控制。例如日本电装公司开发的 ECD-U2 电控高压共轨式喷油系统，最高喷油压力可达到120MPa。德国博世公司在九十年代所开发的电控高压共轨式喷油系统，最大喷油压力可达140MPa。

2 混合动力汽车

车辆电动化的过程从开始的HEV 式混合动力、到现今的纯电动车辆，随着技术不断进步，燃油功率占比逐步减少，电动功率占比逐步增加。其结构形式也越发多变。例如，可采用电机，发动机进行混合动力驱动，或不采用变速器，使用分布式电机分别驱动前后轴；更可以不采用差速器，用轮毂电机直接驱动车轮。车辆的驱动结构一般可分为单个动力源与多个动力源两种形式，单个动力源即为传统发动机燃油车辆，多个动力源目前技术最成熟的为混合动力汽车。

所谓混合动力，就是将燃油发动机和电动机同时安装在一辆汽车上。电动机和发动机相比，有着更加清洁，效率高的特点。将电力驱动与燃油驱动两种驱动方式进行结合，充分发挥了二者的优势。同时在电池技术尚未达到今天这个程度的时候，平衡了电动车续航里程过少与燃油车排放过高的两个问题。

混合动力最大的优势即在于动力系统的灵活性，不同于发动机，变速箱等机械部件的刚性机械连接。混合动力汽车动力系统结构非常灵活。根据发动机和电动机的功率比的不同，可分为里程延长型，双模式型和动力辅助型。而根据动力源的数量，以及结构形式的不同，可以分为串联型，并联型以及混联型。

串联型动力系统较为简单，即发动机带动发电机发电，电能供给电动机驱动车轮。并联型是发动机与电动机分别独立驱动车轮，可以达成发动机独立驱动，电力独立驱动和混合驱动三种模式。混联型综合了串联型和并联型的优点，且通过电力与液压等方式，将双动力在一定条件下进行耦合。从而最大程度实现对能量的利用。

例如日本丰田汽车公司的Prius THS-Ⅱ混动系统，详见图1。Prius 是典型的混联型动力系统。Prius 同时具备电池、发动机、发电机、电机四个部件，发动机与发电机之间有一行星齿轮组，将发动机动力一部分分流至发电机用以给电池或电机供电，一部分通过齿轮传递至车轮。因此，Prius 混合动力系统可以完成多种动力间的自由转换，其目的在于时刻保持发动机和电机均处于最优效率的工作状态，以此达到减少耗能的目的。并且，由于各部件可以有效实现动力耦合，使得总动力系统高度集成。减少了系统总质量。

图1 Prius混动系统总成

3 纯电动力汽车

纯电动力汽车发展历史悠久，1834年美国人托马斯.达尔波特就制作出一台纯电动三轮汽车。1832—1838年苏格兰人罗伯特安德森制作出电驱动马车。1900年前后，电动汽车进入了第一次发展黄金时期。可随着内燃机的快速发展，电动车的马力与续航都远远不及燃油车，因此在20 世纪中期陷入发展瓶颈。这随着石油使用，带来了更多的环境问题。1995年前后，电动汽车又进入了新的发展周期，直至现在。

随着锂电池的发展，纯电动汽车的续航里程短的问题得到了显著解决。纯电动汽车在近几年得到了长足的发展。国外以特斯拉为首的Model 系列纯电动汽车。国内以比亚迪，北汽新能源等为首的电动汽车。正在掀起一阵阵造车浪潮。促进了我国电动汽车行业的发展。

纯电动汽车与传统汽车的最大差别，就是舍弃了化石燃料，全部由电池对整车实施供能。有三种类型的电池可用于电动车辆，镍基电池、铅酸电池和锂离子电池。

铅酸电池相较于其他两种电池成本最低，但能量密度不如锂离子电池。镍基电池一般指镍镉电池或镍氢电池，镍基电池有着良好的使用寿命，由于镉元素对环境有害，因此镍氢电池应用更广泛。镍氢电池多用于混合动力汽车。锂离子电池具有最高的能量密度，因此是现今应用最广泛的电池。例如磷酸铁锂电池，三元锂电池等。虽然锂离子电池价格高昂，但更长的使用寿命和能量密度抵消了成本高昂的缺点。但是，锂离子电池需要相对复杂的保护系统来防止电池短路以及过热。因此现在锂电池汽车都会配置电池管理系统用来保护电池，增加电池寿命。

纯电动汽车的动力系统可简单分为单电机型和多电机型两种。单电机型是使用一个电机驱动车轮，车轮与电极之间仍采用机械进行连接。多电机型是在整车上布置多个电机，用以驱动车轮。代表性的有双电机型和使用轮毂电机的四电机型。双电机型动力系统是分离前后驱动桥，分别用一个电机驱动前驱动桥和后驱动桥。当然，这种驱动结构的控制方法也更为复杂，如果控制系统设计不合理，易使得前后轮转速不一致，造成不正常的轮胎磨损。例如特斯拉Model 系列即使用双电机分别驱动前轴和后轴，采用牵引力耦合式驱动车轮，如图2 所示。动力在轮胎处实现了功率的耦合。此结构形式可在四轮驱动和前轮驱动间自由切换，使得电机时刻保持在峰值功率区间。

图2 牵引力耦合式动力结构

4 燃料电池汽车

虽然电池给汽车带来了混合动力等新型动力总成。正如文章开头所提及的，电池的能量密度相比汽油仍然相去甚远。且为了增加汽车续航里程，电池组的大小也是与日俱增。因此，电动汽车的最终发展目标，是实现燃料电池的车载化。燃料电池是将适宜的燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的一种装置。有多种燃料电池形式，例如聚合物电解膜燃料电池，固体氧化物燃料电池，磷酸燃料电池，碱性燃料电池等等。目前对于车辆来说，聚合物电解膜燃料电池是最有希望的，因为该燃料电池的能量密度高，且寿命长。目前也开发了将甲醇中的化学能直接转化为电能的燃料电池。通常来说，燃料电池的催化剂是氧气。燃料与催化剂都可以直接车载储存，用以代替沉重的电池组。而且电池组在使用寿命完毕后，会有着严重的回收问题，这也是目前纯电动汽车的一个担忧。

燃料电池汽车的动力系统与电动汽车类似，从结构上来说，没有特别不同的地方。仅仅是将电池组改换为储料罐和燃料电池本身。因此，将纯电动汽车改装为燃料电池汽车是较为方便的。

从节能的角度考虑，燃料电池的理论效率为83%，并且可以通过串联或者并联构成更大型的电池堆。用以满足不同需求的车辆。因此燃料电池被认为是很有希望的内燃机替代品。评估燃料电池对环境的影响时，不能仅从车辆的直接排放进行考虑。因为纯电动车辆产生的直接排放为零，但是制备燃料，或者说制备电池这个过程本身，产生的排放也必须计算在内。