新能源發動機關鍵技術研究現狀及發展趨勢

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“加快生態文明體制改革，建設美麗中國”，表明了黨和國家將環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境治理現狀，盡管我國從2017年1月1日起，在全國范圍內執行國家第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，原因是新能源發動機技術不夠成熟，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能源種類，研制適合新型能源的發動機來替代已有的汽油發動機。

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

1 新能源發動機

1.1 電動機

電動機技術相對成熟，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、永磁電動機和開關磁阻電機3大類。因此，交流電動機的驅動原理是將蓄電池中的直流電轉變為交流電來驅動交流電動機工作，進而驅動汽車行駛。目前，永磁電動機多用于混合動力汽車、與油動發動機配合使用。而開關磁阻電機，工作過程中能產生較大的功率，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動。

1.2 氫氣發動機

氫氣可燃性好，燃燒速度快，燃燒產物無污染，同時儲量豐富，非常適合作為動力能源。因此，對氫氣動力發動機的研究一直是新能源發動機領域內的研究熱點。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。同時發動機本身也存在限制，氫氣發動機與傳統的油動發動機相似，都屬于點燃式發動機。可以通過對汽油機和柴油機進行改裝實現，目前可分為采用化油器、進氣噴射的預混式和缸內直噴式。預混式是通過噴射預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，容易發生回火和早燃現象。而缸內直噴式將氫氣直接噴入氣缸，不會產生回火，在低壓噴入時也容易發生早燃，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，但可以避免早燃現象。因此，高壓缸內直噴發動機可以通過熱效率補償等方式提高性能。

1.3 天然氣發動機

天然氣發動機與氫氣發動機相似，都是基于燃燒速度快，燃燒產物清潔的優點，以它作為燃料的動力機構。天然氣發動機主要分為2類：火花點火天然氣發動機和壓燃天然氣發動機。火花點火天然氣發動機又可以分為汽油-天然氣兩用燃料發動機和單燃料發動機。汽油天然氣兩用發動機用混合器式機械系統控制天然氣的供給，不足的是混合器會降低發動機的效率。而單燃料發動機專用于天然氣，采用電控進氣口多點順序噴射系統控制，具有專門的天然氣噴射器。壓燃天然氣發動機是混合器式或進氣口噴射式雙燃料發動機，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。但與氫氣發動機存在相似的問題，燃氣存儲困難，噴氣技術不夠成熟，導致發動機的效率低下，這是目前天然氣發動機的研究難點。

1.4 空氣動力發動機

空氣動力發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活塞運動，工作后的氣體完全無污染，仍可循環利用，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，空氣動力發動機的功率是通過調節進入氣缸內的氣體壓力和流量來調節。其控制難點則集中在配氣機構和氣缸的進氣量上。

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

1.5 混合動力組合機構

混合動力是指將電動機與輔助動力單元結合使用。輔助動力單元是一臺小型的燃料發動機，這樣的結合使用不僅充分發揮燃料發動機的動力性能，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動機和電動機的串聯、并聯和混聯方式實現。串聯混合動力發動機是將發動機與發電機串聯使用，通過發動機工作驅動發電機產生電力供給電動機工作，進而驅動汽車行駛。串聯結構簡單，在行駛過程中不受路況的影響，工作穩定，但對電池的性能有較高的要求。并聯式中電動機和發動機都與變速器相連，既可以獨立工作，也可共同驅動，因此結構相對復雜，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。而混聯式則發揮了串聯和并聯的優勢，混聯式中發動機輸出的功率一部分供給驅動系統，作為汽車動力的一部分，另一部分供給發電機發電使用，因此熱效率利用率最高，但結構更為復雜，控制難度最大。

2 新能源發動機性能比較

能源和環境壓力推動各國對新能源發動機技術的不斷改進和創新，因而開發出了氫氣發動機、天然氣發動機、電動發動機、空氣動力發動機和混合動力組合機構的發動機。電動機和混合動力組合機構已經生產并投入市場。電動汽車的優點在于電能利用率高，性能好，對環境污染小。但是由于電池技術的限制，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。混合動力發動機具有排放性能良好、動力性能佳和低油耗的優點，但結構復雜、控制難度大，成本高。

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

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

3 結語

針對環境污染嚴重的問題，發展新能源汽車是解決環境問題的必要手段。但目前新能源汽車還存在諸多問題：如電動機的電池技術不夠完善，電池儲能少，壽命短，氣體燃料的液化技術急需優化，氣動發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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