汽車節能減排技術研究及展望

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域中的重要一環。相對傳統的內燃機汽車而言，利用電動汽車來實現近距離運輸是一大發展趨勢。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，內燃機汽車仍將在公路運輸領域占據主要地位。

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

1 內燃機汽車節能減排技術發展趨勢

1.1 優化燃燒系統

為進一步降低燃油消耗，對車用內燃機采用均質燃燒和稀薄燃燒等技術可謂勢在必行。其目的是不斷降低發動機機內污染物排放，而并非僅僅依賴廢氣后處理系統來降低排放，因為采用此類外部系統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動機和壓燃式發動機的排放：

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

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

采用CAI 和HCCI 技術，可大幅降低顆粒物排放。與采用傳統高壓噴射的壓燃式發動機相比較，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、優化噴射以及采用可控制廢氣再循環系統等。

1.2 發動機小型化處理

將發動機進行小型化處理即減小發動機排量和整機重量。然而，尤其在尺寸較小的發動機上，采用過高的轉速會增加燃油消耗。將發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。

使用共軌噴油系統可使雙缸或三缸發動機實現進一步小型化。特別是在該類發動機運轉穩定性較差的起步階段，以此可使發動機在各種負荷范圍下以最優轉速進行運轉。采用電子控制技術可對發動機所有轉速范圍和所有環境條件下的運行起到優化保障作用。

1.3 發動機渦輪增壓技術

就車用內燃機的增壓技術而言，該技術早期是專門針對航空活塞式發動機而開發的，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使得調節增壓器的增壓壓力成為可能，目前該技術主要用于壓燃式發動機。

渦輪增壓點燃式發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動機與壓燃式發動機一樣地使用高增壓技術。此外仍有一些裝置可提升發動機性能，如用于靈活操縱增壓空氣的壓力調節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 發動機機械式增壓技術

渦輪增壓器只有在發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秒鐘內的增壓滯后是該技術的一大顯著劣勢。而采用機械增壓器則可有效改善發動機響應性，其并無顯著的增壓滯后現象，同時需要從發動機曲軸端引出的驅動裝置為其提供動力來源，機械增壓器的通常轉速可達2000～2400 r/min ，而渦輪增壓器通常會以更高的轉速運作。由于機械式增壓器的工作轉速更高，因而進氣溫度也相應更高，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重要。

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

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，此類結構會使發動機室內的溫度降低。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

在檢測到微粒過濾器堵塞時將純燃料噴入廢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在內的一個系統被稱為柴油機微粒氮降低(DPNR)系統，采用該系統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 排氣系統中的熱能回收與降噪處理

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

(1)減少發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。

上述幾項技術在過去多年來已經得到成功的開發，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

盡管在乘用車技術領域，采用混合動力技術是一大技術發展趨勢，但在不久的將來，純電動汽車技術將會得以逐步完善。然而，其具體的發展速度尚無法得以完全確定。近年來的技術發展經驗已經證明，新技術將會得以緩慢發展而并非以階躍的方式出現。相關技術領域包括蓄電池的成本、安全性和耐久性、新型材料和相關零件的匹配技術。

通常所言的混合動力技術是指內燃機與通常的電機共同使用來實現行駛。從理論上講，諸多原理對于混合動力技術是具有應用可能性的，上述混合動力系統可存儲和利用回收的制動能量。目前，可在車輛領域應用的存儲能量的方式包括飛輪、液壓系統、壓縮空氣等[4-6]，但時至今日，采用混合動力技術在商業上的廣泛應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。混合動力汽車用于大型城市時尤其能彰顯其技術優越性。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，污染物亦會引發多種疾病和環境污染現象。

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

3 電動汽車技術

3.1 純電動汽車技術

純電動汽車的驅動系統包含驅動電機、傳動系統、動力傳感器和電壓調節器，純電動汽車的主要特性取決于車載電池裝置的類型。

鋰離子電池結構緊湊，且具有較輕的重量，其耐久性約為10 年或600000 次充放電循環[7]。部分鋰離子電池的周圍布設有冷卻凝膠體，從而使其能量密度比傳統的蓄電池高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鉛酸蓄電池。

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

通常，采用有機電解質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在未來的車載電池技術發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過充電現象，同時防止高溫起步時損壞。

與內燃機為代表的傳統驅動系統不同，電驅系統需具有瞬時驅動功率和持續驅動功率兩種。瞬時驅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。依據推進系統的種類的不同，需對最大推進功率進行實時監控，并根據功率執行元件、電機和蓄電池的極限來調整最大功率。目前，世界范圍內，采用純電動推進的最早的商用車輛已經投放市場。

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

3.2 將純電動汽車作為能量存儲系統的技術方案

可再生能源的缺點是其產量較不穩定，以此常無法滿足工業建設或用戶的固定需求。風能發電和太陽能發電完全依賴于天候現象[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。

風能和太陽能發電裝置提供的額外電力可存儲在車載蓄電池內。以此可改善交流電網管理，并簡化電網穩定性的調節。

就目前而言，純電動汽車作為存儲系統的理念仍然是一個有關未來供電網絡的電能調節與存儲的發展方向，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

3.3.1 車載燃料電池

燃料電池作為一類電化學發電機，其技術功能與蓄電池類似，且有著運行效率高、排放低的技術優勢，正在逐步替代傳統蓄電池。近年來，世界范圍內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應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，通過水解反應利用水生產純氫需要較高的能量。通過氫化裂解從天然氣生產氫則會對環境造成污染。目前，提升氫產量的主流技術依然在處于研究開發過程中。

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仍需要數年之久的技術開發，才能逐步實現成本低廉，使用便捷，且足以批量銷售的程度。

根據當前的技術經驗，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、煤油或重油等傳統的化石燃料是較為困難的。替代燃料在一段時間內僅可在較小的市場領域內起到替代作用。

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鍵技術。從天然氣生產甲醇的效率約為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，并通過現有的基礎設施即可實現[15]。

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

4 結束語

不難預見，在未來的較長一段時間內，內燃機汽車以其較高的技術成熟度、可靠性及耐久性，在公路運輸領域將會長期占有一席之地。而純電動汽車由于目前依然具備動力性能較差、續航里程較短的技術劣勢，尚無法取代內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問題，在短期內不會作為主流車型。混合動力汽車則可被視作內燃機汽車過渡至純電動汽車及燃料電池汽車的替代車型，從今往后的數年間，公路運輸領域將會長期處于該過渡階段。