基于節能減排目標的新型車用動力裝置研究與展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

近年來，為了實現節能減排的重要目標，除了傳統內燃機之外， 用于汽車的動力裝置成為了業界的重要關注點，針對新型車用動力裝置的開發過程已得以廣泛推行。

以汪克爾發動機為例，在20 世紀60 年代中期，業界普遍認為該類發動機可以充分滿足多方面要求。 該類發動機運行平穩、結構緊湊，因此，即便裝在重型車輛上也能滿足當時全新的正面碰撞安全要求。 后來，美國頒布了排放標準，很快發現，除油耗高外，汪克爾發動機的燃燒室使未燃碳氫化合物排放同樣較高。 因此，推廣該類發動機的計劃被迫放棄。 由此可知，找到可用于替代傳統內燃機的新型動力裝置，并將其逐步推廣，依然任重道遠。

1 新型動力裝置的類型

表1 對幾類動力裝置進行了比較，隨后將逐個仔細討論。 從表中的對比可以看出，考慮到需要在轎車實際使用中印證技術性能和可靠性， 除表中所列的條件外，似乎只有經改制燃用酒精、植物油或氫的內燃機具備相應的優點[1，2]。 若考慮其他種類的發動機，高溫燃氣輪機和電力驅動更具優勢[3-5]。 首先在市場上出現的電力驅動可能是內燃機和電動機的混合動力系統，純電力驅動會晚些出現。

表1 新型動力裝置與傳統內燃機的比較

2 燃用酒精和氫燃料的新型發動機

通常而言， 酒精燃料可以從礦物能源或生物質中獲取。酒精燃料之所以能在活塞式發動機上使用，是由于其點火性能良好，熱值高，比功率大。 但是其容易損害橡膠和合成材料，這在設計供油系統時必須加以考慮。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70 年代即已對“M15”混合燃料開展了相關試驗，該類燃料由15%甲醇及85%汽油組成。甲醇可從當地的煤資源中提煉， 該項目的目的是減輕德國當地對石油進口的依賴。 在該項目的研究中， 有數百輛采用M15燃料的汽車行駛了數年。在目前的一些研究中，部分新型發動機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調節噴油和點火。 迄今為止的所有酒精發動機工作方式與汽油機類似。 然而也可采用類似于柴油機的系統來燃用甲醇和乙醇，整機壓縮比可高達21。 這種系統是在直噴式柴油機燃燒系統的基礎上加裝外部點火裝置。 這一概念對于在一些地區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車表明， 汽油機經改制后很適于燃用氫燃料，即可將氫燃料中所含的化學能轉化為機械能。 混合氣形成和燃料供給需要特殊的方法。與目前的連續燃油噴射過程類似，氣態氫燃料被噴射到進氣門處。 因為氣態燃料容積較大，所以需使用多孔噴嘴。 若氫燃料的貯存狀態為液態，則還必須配備一個蒸發裝置。 由于氫燃料的點燃范圍很寬（在空氣中的濃度從5%～75%都可進行參與燃燒），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。 在燃料電池中，氫與氧在相對較低的80～90℃溫度下參與反應，反應產物是水。 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。 將氫轉化為電能的效率在50%～60%之間。 因為現代電機的工作效率較高，因此這種燃料電池——電機系統的綜合效率比目前傳統汽車的動力系統更高。其缺點是造價過高，且質量較大。該系統的總質量是同功率汽油機的10 倍。 如果成本和質量問題得以解決，燃料電池將會成為另一種較為現實的轎車驅動系統。

3 燃用菜油的新型發動機

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。其可作為柴油機的燃料，只需要控制燃料的某些特性并對柴油機進行局部改造。 除熱值以外，菜油的相關特性均不如柴油，而且運動粘度明顯高于柴油。為了使菜油的性能更接近柴油，可以考慮對其進行化學改良（酯化）。通過酯化，可以將菜油的三甘氨酸轉化為類似于柴油的分子結構 （即菜油-甲基酯）， 不過菜油-甲基酯的生產成本較高，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，因為粘度太高冷起動很困難，智能采取其他的冷起動方式和暖機措施。另一項問題是燃燒室內噴油嘴和進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、其他伴生物質和酸類含量較低。

4 車用高溫燃氣輪機

燃氣輪機也可以用作車輛的動力系統。 事實上，燃氣輪機可以燃用上述所有代用燃料，目前，普遍使用的發動機必須經歷相應的燃料化學轉換過程，而對于燃氣輪機而言并不需要， 甚至煤塵也可被用作于車用燃氣輪機的燃料。 通過對燃料準備方面進行簡化，將使車輛從一次能源到運行期間的整個能量轉化過程的綜合效率得到改善。迄今為止，在燃氣輪機方面的研究表明，在大功率應用范圍（超過150kW）， 燃氣輪機的質量比增壓柴油機質量更小，結構更緊湊。而且，至少對雙級燃氣輪機來說，其起動扭矩更大。 當將功率小于100kW 的微型燃氣輪機用于轎車時，其即使與汽油機相比，燃氣輪機的低排放、可用多種燃料以及運行平穩等特點也使其有著較好的應用前景。盡管有著諸多優點，燃氣輪機還需要將其比油耗降到與內燃機相當的水平，才有可能在車輛上得以廣泛應用。 在設計車用燃氣輪機時，還必須考慮車輛行駛的特殊要求。

雙軸式燃氣輪機設計的特點是有一個單獨的動力渦輪，其前部是燃氣發生器，此外還有一個壓縮機和壓縮機渦輪。這種設計可滿足車輛起動所需的轉矩儲備。可以看出，動力渦輪的導向葉片是可以進行調節的。 在運行中，這些導向葉片可用于改變動力渦輪的進氣口， 從而改變流量，使得在允許的最高渦輪進氣溫度下，可根據需要輸出不同的功率，從而確保最佳燃料經濟性。在車輛加速過程中，臨時開啟由葉片控制的進氣口，可使燃氣輪機的反應時間縮短。當車輛進行制動時，導向葉片會被調至相反方向，因此燃氣的壓力會在渦輪上形成制動力矩。實現低燃料消耗的前提是提高工作溫度， 更重要的一點是應使用熱交換器。在設計過程中，通常配備有一個帶旋轉回熱裝置的熱交換器，該回熱裝置可用于儲存廢氣熱量，用于加熱進入的壓縮空氣。通過這一辦法，減少了燃燒過程的燃料消耗，并進一步改善熱效率，但對渦輪進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行冷卻。目前看來，除非采用極其復雜和昂貴的設計方案，否則冷卻系統往往并不適用，因為車用燃氣輪機葉片尺寸通常較小。 為解決這一問題，目前正在進行的幾個研究項目都在開發由耐熱陶瓷制成的零部件。其目標是將葉片所能承受的進氣溫度進一步提高。 全新的陶瓷材料，如氮化硅和碳化硅，在這樣的高溫下強度比超級金屬合金更高。

最困難的是開發可靠的和經濟上可行的陶瓷渦輪轉子。其技術難點是工作溫度較高，同時由強離心力產生的機械應力也非常高。 目前有幾家公司正在開發高溫燃氣渦輪。 福特和伽略特（Garrett）聯合開發的AGT101 渦輪。作為由美國政府資助的研究項目的一個子項， 這種渦輪正在作進一步改進，并已應用于轎車上。與上文所介紹的型式不同，這種渦輪采用單軸設計型式，壓氣機入口處的葉片可用于調適這種設計型式的傳動裝置， 并與無級變速傳動系統類似。

5 電力驅動系統

在20 世紀初，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，因此在當時逐步讓位于內燃機汽車。通過對新型電池開展研發，使電動汽車技術水平得以突飛猛進。

以改進型鈉硫（Na-S）電池為例，大眾曾在一輛試驗用“捷達”轎車上首次應用這種電池。 對于長距離行駛而言，可只靠內燃機來驅動，電力系統仍作為起動機和交流發電機使用。目前，各種電池的性能仍有進一步提升的空間。考慮到當前節能減排的目標，電動汽車及燃料電池汽車有著較好的應用前景。

6 結束語

考慮到經濟性、排放等相關問題，燃氣輪機與汪克爾發動機在汽車領域的應用目前尚未得到推廣。 就目前而言，除了傳統內燃機之外，新型車用動力裝置主要可分為采用代用燃料的新型發動機，以及包括純電動汽車、燃料電池汽車等在內的各類電動汽車。為此，為實現節能環保的重要可持續發展目標， 針對車用新型動力裝置的研發依然勢在必行。