汽車動力系統發展與節能技術

劉志翔

江蘇大學 江蘇省鎮江市 212013

汽車不僅帶來了巨大的經濟效益，推動了社會發展，也產生了大量的尾氣排放與空氣污染。隨著中國對環境問題的越發強調，汽車的環保與節能問題也日益得到更多人重視。世界各國亦引進了更加嚴格的廢氣排放與燃油經濟性指標。因此，傳統燃油汽車正向著新能源化方向快速發展。其中標志性的混合動力汽車，純電動汽車已經廣泛應用于市場。從排放的角度來看，電動汽車可以大大降低排放，減少空氣污染。從節能的角度來看，電動汽車可使得能源利用更加多元化與高效化。最終達成無污染交通的目標。

但是，傳統燃油車有著技術成熟，成本低廉的優點；新能源汽車也有著充電設備成本高，維護費用昂貴的缺點。目前的電池技術受制于化學材料的限制，電池單位質量的能量密度仍無法與汽油相比。因此，未來十年，必然是傳統燃油汽車與新能源汽車并肩發展的階段。

1 發動機節能技術

發動機產生排放污染的主要原因，是汽油燃燒不充分導致的。盡管發動機有著燃燒不充分，工作特性不完備的缺點但發動機由于其較高的功率密度，合理的燃油經濟性，以及在一個世紀用來累積的豐富生產與使用經驗。仍然是目前應用最廣泛的汽車動力源。

為最高程度上充分燃燒汽油，提高發動機效率。目前各大汽車廠商都研發出許多技術，用以提高燃油利用率。發動機的燃燒效率與排放污染是密切相關的。2019年以來國內陸續執行最新排放指標國Ⅵ，國Ⅵ指標也對發動機提出了更高的要求。因此，進一步提高發動機燃燒效率勢在必行。目前提高發動機燃油經濟性的主要途徑為：

（1）提高汽油發動機熱效率與機械傳動效率。（2）多使用柴油發動機。（3）對發動機增壓化。（4）廣泛使用電子計算機控制技術。

其中，電子計算機控制技術作為目前使用最廣泛，最先進的發動機技術。有著廣泛的研究與應用前景。

1.1 電控汽油噴射技術

電控汽油噴射技術是指燃油通過電控液壓泵，在一定壓力下將燃油直接噴射進氣缸內。燃油具有較好的霧化效果，噴油量能夠得到精準的控制。因此，發動機內燃油與空氣混合比例好，燃燒更充分。并且，通過微機單元監控發動機工況，可在怠速，加速，恒速等不同駕駛條件下準確的計算出所需燃油量。使得發動機在任何工況下均處于最佳的工作狀態。

電控汽油噴射技術最早于1957年由美國Bendix 公司發明，并首次安裝在克萊斯勒牌豪華汽車上。1967年博世公司研發了機電混合式汽油噴射系統，于70年代開始量產，并且首次在美國加利福尼亞州達到了廢氣排放法規的要求。開創了電控汽油噴射技術的新時代。1980年，通用公司首先研發了一種節流閥體噴射技術。進一步降低了成本。

目前我國也有許多公司具有較高的電控汽油噴射研發，制造能力。例如歐德克斯，上海伊捷燃油，成都威特電噴等等。

1.2 可變進氣系統

可變進氣系統是為了改變發動機在不同工況下，進氣量不同的問題所開發的技術。一般采用電子閥門，動態提高進氣壓力與進氣效率，從而改善發動機中、低速性能。可變進氣系統可以根據車輛特性、駕駛者踩踏油門的幅度和發動機不同轉速的扭力需求，控制空氣室內閥門的啟閉，調整進氣歧管路徑的長短，低轉速用長進氣歧管，保證空氣密度，維持低轉的動力輸出效率；高轉用短進氣歧管，加速空氣進入汽缸的速度，增強進氣氣流的流動慣性，保證高轉下的進氣量，以此來兼顧各段轉速發動機的表現，保證最佳的發動機進氣效率。使用這套系統的裝置后，發動機進氣氣流的流動慣性和進氣效率都有所加強。

可變進氣系統分為兩類：多氣門分別工作系統和可變進氣道系統。

多氣門分別工作系統，是在進氣管內設置一控制閥，利用控制閥的開閉，實現低速，高速不同進氣量的控制。

可變進氣道系統的第一種，是雙進氣道系統。此系統是每個進氣歧管都有兩個進氣通道。根據發動機工作轉速高低，負載大小，由旋轉閥控制空氣經過哪一個通道流進氣缸。此種雙進氣管道系統可以有效增加發動機所有工況下的轉矩。可變進氣道系統的的第二種，也即理想狀態，是無極可變進氣歧管。其原理仍是進氣歧管長度與歧管截面能夠隨著發動機工況連續的改變。

1.3 柴油發動機電控共軌噴射技術

柴油機的電控噴射系統是通過檢測柴油機轉速與加速踏板位置，從而計算出噴油量。柴油機的電控噴射系統與汽油發動機類似，由傳感器，微機單元，高壓泵（執行機構）三部分組成。

因為傳統電控噴射系統，噴射壓力取決于柴油機轉速，低轉速時會導致油液壓力過低。所以共軌噴射技術是在傳統電子噴射的基礎上，將油液壓力的產生與噴射過程分離開。是對電控噴射的進一步升級。高壓油泵將柴油輸送至公共油管，通過對公共油管內的油壓進行控制，使得油壓與柴油機轉速無關。由車載微機控制噴油器的噴射量。共軌式噴油系統的共軌油道內為高壓燃油，噴油壓力僅取決于共軌油道內的燃油壓力，采用高速電磁閥可實現噴油量、噴油壓力的準確控制。例如日本電裝公司開發的 ECD-U2 電控高壓共軌式噴油系統，最高噴油壓力可達到120MPa。德國博世公司在九十年代所開發的電控高壓共軌式噴油系統，最大噴油壓力可達140MPa。

2 混合動力汽車

車輛電動化的過程從開始的HEV 式混合動力、到現今的純電動車輛，隨著技術不斷進步，燃油功率占比逐步減少，電動功率占比逐步增加。其結構形式也越發多變。例如，可采用電機，發動機進行混合動力驅動，或不采用變速器，使用分布式電機分別驅動前后軸；更可以不采用差速器，用輪轂電機直接驅動車輪。車輛的驅動結構一般可分為單個動力源與多個動力源兩種形式，單個動力源即為傳統發動機燃油車輛，多個動力源目前技術最成熟的為混合動力汽車。

所謂混合動力，就是將燃油發動機和電動機同時安裝在一輛汽車上。電動機和發動機相比，有著更加清潔，效率高的特點。將電力驅動與燃油驅動兩種驅動方式進行結合，充分發揮了二者的優勢。同時在電池技術尚未達到今天這個程度的時候，平衡了電動車續航里程過少與燃油車排放過高的兩個問題。

混合動力最大的優勢即在于動力系統的靈活性，不同于發動機，變速箱等機械部件的剛性機械連接。混合動力汽車動力系統結構非常靈活。根據發動機和電動機的功率比的不同，可分為里程延長型，雙模式型和動力輔助型。而根據動力源的數量，以及結構形式的不同，可以分為串聯型，并聯型以及混聯型。

串聯型動力系統較為簡單，即發動機帶動發電機發電，電能供給電動機驅動車輪。并聯型是發動機與電動機分別獨立驅動車輪，可以達成發動機獨立驅動，電力獨立驅動和混合驅動三種模式。混聯型綜合了串聯型和并聯型的優點，且通過電力與液壓等方式，將雙動力在一定條件下進行耦合。從而最大程度實現對能量的利用。

例如日本豐田汽車公司的Prius THS-Ⅱ混動系統，詳見圖1。Prius 是典型的混聯型動力系統。Prius 同時具備電池、發動機、發電機、電機四個部件，發動機與發電機之間有一行星齒輪組，將發動機動力一部分分流至發電機用以給電池或電機供電，一部分通過齒輪傳遞至車輪。因此，Prius 混合動力系統可以完成多種動力間的自由轉換，其目的在于時刻保持發動機和電機均處于最優效率的工作狀態，以此達到減少耗能的目的。并且，由于各部件可以有效實現動力耦合，使得總動力系統高度集成。減少了系統總質量。

圖1 Prius混動系統總成

3 純電動力汽車

純電動力汽車發展歷史悠久，1834年美國人托馬斯.達爾波特就制作出一臺純電動三輪汽車。1832—1838年蘇格蘭人羅伯特安德森制作出電驅動馬車。1900年前后，電動汽車進入了第一次發展黃金時期。可隨著內燃機的快速發展，電動車的馬力與續航都遠遠不及燃油車，因此在20 世紀中期陷入發展瓶頸。這隨著石油使用，帶來了更多的環境問題。1995年前后，電動汽車又進入了新的發展周期，直至現在。

隨著鋰電池的發展，純電動汽車的續航里程短的問題得到了顯著解決。純電動汽車在近幾年得到了長足的發展。國外以特斯拉為首的Model 系列純電動汽車。國內以比亞迪，北汽新能源等為首的電動汽車。正在掀起一陣陣造車浪潮。促進了我國電動汽車行業的發展。

純電動汽車與傳統汽車的最大差別，就是舍棄了化石燃料，全部由電池對整車實施供能。有三種類型的電池可用于電動車輛，鎳基電池、鉛酸電池和鋰離子電池。

鉛酸電池相較于其他兩種電池成本最低，但能量密度不如鋰離子電池。鎳基電池一般指鎳鎘電池或鎳氫電池，鎳基電池有著良好的使用壽命，由于鎘元素對環境有害，因此鎳氫電池應用更廣泛。鎳氫電池多用于混合動力汽車。鋰離子電池具有最高的能量密度，因此是現今應用最廣泛的電池。例如磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池等。雖然鋰離子電池價格高昂，但更長的使用壽命和能量密度抵消了成本高昂的缺點。但是，鋰離子電池需要相對復雜的保護系統來防止電池短路以及過熱。因此現在鋰電池汽車都會配置電池管理系統用來保護電池，增加電池壽命。

純電動汽車的動力系統可簡單分為單電機型和多電機型兩種。單電機型是使用一個電機驅動車輪，車輪與電極之間仍采用機械進行連接。多電機型是在整車上布置多個電機，用以驅動車輪。代表性的有雙電機型和使用輪轂電機的四電機型。雙電機型動力系統是分離前后驅動橋，分別用一個電機驅動前驅動橋和后驅動橋。當然，這種驅動結構的控制方法也更為復雜，如果控制系統設計不合理，易使得前后輪轉速不一致，造成不正常的輪胎磨損。例如特斯拉Model 系列即使用雙電機分別驅動前軸和后軸，采用牽引力耦合式驅動車輪，如圖2 所示。動力在輪胎處實現了功率的耦合。此結構形式可在四輪驅動和前輪驅動間自由切換，使得電機時刻保持在峰值功率區間。

圖2 牽引力耦合式動力結構

4 燃料電池汽車

雖然電池給汽車帶來了混合動力等新型動力總成。正如文章開頭所提及的，電池的能量密度相比汽油仍然相去甚遠。且為了增加汽車續航里程，電池組的大小也是與日俱增。因此，電動汽車的最終發展目標，是實現燃料電池的車載化。燃料電池是將適宜的燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的一種裝置。有多種燃料電池形式，例如聚合物電解膜燃料電池，固體氧化物燃料電池，磷酸燃料電池，堿性燃料電池等等。目前對于車輛來說，聚合物電解膜燃料電池是最有希望的，因為該燃料電池的能量密度高，且壽命長。目前也開發了將甲醇中的化學能直接轉化為電能的燃料電池。通常來說，燃料電池的催化劑是氧氣。燃料與催化劑都可以直接車載儲存，用以代替沉重的電池組。而且電池組在使用壽命完畢后，會有著嚴重的回收問題，這也是目前純電動汽車的一個擔憂。

燃料電池汽車的動力系統與電動汽車類似，從結構上來說，沒有特別不同的地方。僅僅是將電池組改換為儲料罐和燃料電池本身。因此，將純電動汽車改裝為燃料電池汽車是較為方便的。

從節能的角度考慮，燃料電池的理論效率為83%，并且可以通過串聯或者并聯構成更大型的電池堆。用以滿足不同需求的車輛。因此燃料電池被認為是很有希望的內燃機替代品。評估燃料電池對環境的影響時，不能僅從車輛的直接排放進行考慮。因為純電動車輛產生的直接排放為零，但是制備燃料，或者說制備電池這個過程本身，產生的排放也必須計算在內。

5 結語

汽車發展已逾百年，動力系統經歷了從內燃機到混合動力，直至如今純電動汽車的數次技術革命。未來隨著世界各國對環境的進一步要求，更加會刺激汽車發展新技術用以減少排放，或尋找新的動力裝置加以替代。我國正在積極向著綠色能源，零排放的目標不斷進步。各汽車企業也將不斷創新，推動我國成為世界第一的汽車制造強國。