Chapter9-车用发动机发展趋势

第九章车用发动机发展趋势当今世界，为了保护环境，节约能源并减少温室气体CO2的排放，人们不断地探索和改进车用动力的解决方案，主要包括：一寻找新的动力机械来取代内燃机。二改善内燃机的自身性能。三优化内燃机的使用性能。第一节电控技术的发展•车用发动机的性能调控与优化经历了机械控制、机—液控制和电子（或电—液）控制三个阶段。•利用电子控制装置（ECU）实时调控发动机的特性参数是一项极大的技术飞跃。如今，汽油机的电控燃油喷射和电控点火以及柴油机的电控燃油喷射技术已经通用或正逐步推广，应用越来越多。1、微控制器性能的发展微控制器也叫单片机，其性能的发展制约着发动机、整车控制效果，这是因为发动机实时调控和性能优化需要大量的信息处理，因此，微机速度、字长和内存容量的飞速增长才使得发动机电子控制系统愈加完善。例如电控燃油喷射系统由单点喷射（TBI）和多点同时喷射（MFI）到多点分组喷射再到多点顺序喷射（SFI）。2、电子控制单元（ECU）功能的扩展电子控制单元由单一的发动机集中控制，发展到包括自动变速器和动力总成集中控制（PCM），再发展到整车集中控制（VCM）。一、电控技术在汽油机应用的功能扩展3、汽油机电子管理系统一个集控制点火、喷油、怠速、排放和故障诊断等功能于一体的汽油机集中控制系统一般具有以下功能：1）系统监测：监测系统部件。2）部件保护：防止关键部件的损坏（如三元催化转化器）3）应急反应：设定故障忽略或“跛行回家”工作模式。4）信息储存：存储故障发生时刻的有关信息。5）超标限制：有害排放物超过标准时警报。6）信息读取：可在维修站利用检测设备读取故障信息。柴油机电控燃油喷射技术的难度在于柴油机是高雅缸内喷射，要求在毫秒级的时间内完成喷油定时、喷油率及喷油压力等精确控制。喷油系统的控制方式，归纳分为脉动式电控喷油系统、脉动+时间控制式喷油系统和共轨式喷油系统三类。1、脉动式电控喷油系统脉动式电控喷油系统如直列喷油泵、P型泵、分配泵等。这类泵的原有的油量及供油规律控制靠柱塞螺旋槽（分配泵为油量控制套筒）、机械调速器和泵油凸轮。喷油定时靠机械式喷油提前器（分配泵为液压自动提前器）它们的供油方式都是脉动的。二、电控技术在柴油机上的发展（1）电控直列泵（2）电控分配泵2、脉动+时间控制式喷油系统3、共轨喷油系统共轨喷油系统的优点：1）喷油压力与发动机转速无确定关系，只取决于共轨腔中按要求调整的压力，因而彻底解决了传统喷油泵高、低速时喷油压力差别过大，性能难于兼顾的固有矛盾。2）根本解决了传统喷油泵脉动供油时输出的峰值转矩过大，凸轮轴瞬间转速变化太快，不能稳定控制小喷油量的矛盾，使预喷射成为可能。3）由于共轨腔压力可任意调节，再加上可灵活控制电磁阀升程，于是能实现喷油压力和喷油率的柔性控制。4、柴油机电子管理中心功能：（1）目标喷油量控制（2）目标喷油定时控制（3）油量喷油定时的补偿控制（4）冷起动及怠速稳定性控制（5）过渡性能与烟度控制（6）喷油规律与喷油压力的控制（7）其他参数及性能的控制第二节燃烧技术的发展传统意义上认为，汽油机一般采用预混合燃烧，受不正常燃烧的限制，器压缩比不能提高，效率低；柴油机通常采用预混合同时燃烧扩散燃烧方式，可采用高压缩比，有较高的效率。但从排放的角度看，柴油机最难以解决的问题是高的PM和NOx排放，它被认为是柴油机扩散燃烧方式的痼疾，因此，应用传统的内燃机燃烧方式，不论是火花点火或压缩着火，都因为气缸内温度分布不均匀，存在局部的高温区域，排放物的生成均不可避免。近年来，柴油机与汽油机固有的燃烧方式的区别已经被打破。在缸内直喷式汽油机的部分工况中已经采用了稀燃，从而使汽油机的热效率以及排放性能得到大幅度提高。一、柴油机的预混合燃烧（HCCI）1、HCCI燃烧特性实现HCCI燃烧的最大困难是实现对着火始点和燃烧率随发动机工况变化的控制。HCCI燃烧放热分为两个阶段，第一阶段是低温化学动力反应，产生冷焰（和）或蓝焰，然后经一段滞后的时间进入第二阶段主放热阶段。HCCI燃烧方式循环变动很小。HCCI燃烧方式的排放明显改善。NOx排放比常规柴油机的减少90%~98%。由于HCCI没有扩散燃烧，也没有过浓区存在，因此PM和Smoke的排放均较低，但由于稀混合气和高EGR率，使燃烧温度低，HC和CO排放较高。2、HCCI实现方法主要方法有：采用喷雾范围大、油粒细而均匀的燃油喷雾，以快速形成均匀的混合气浓度场；想方设法大幅度延长着火延迟期，以便在着火前使燃油有充分的蒸发混合时间；控制前期燃烧速度，以抑制NOx生成和高温裂解产生的碳烟。（1）丰田UNIBUS燃烧方式（2）日产MK燃烧方式。3、HCCI技术难点1）在发动机全工况范围内控制着火定时2）在发动机全工况范围内控制燃烧率，尤其是高负荷运行时燃烧率的控制。3）把HCCI向高负荷扩展。4）改善冷起动和瞬态响应特性。5）发展排放控制系统，降低HC和CO排放。6）发展发动机的控制策略和系统以及研制相应的传感器。7）开发合适的燃料。8）保证多缸机各缸的均匀性。第三节燃料电池由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。燃料电池的发明早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到负极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在正极，这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％。燃料电池的种类•直接甲醇燃料电池•氢氧燃料电池•固体氧化物燃料电池直接甲醇燃料电池•直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。图为世界最小的甲醇燃料电池。氢氧燃料电池在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能＋2H2O2H2＋O2）与氢氧燃料电池技术（2H2＋O2H2O＋电能）相结合，氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。其工作原理如图所示。神力公司燃料电池车神力公司燃料电池发动机所采用的技术路线，不同于国际知名的大公司如加拿大巴拉德公司(BallardPowerSystems)、美国通用汽车公司(GM)等的高压运行技术，自主开发了常压运行的燃料电池技术，系统更为简单，安全性、可靠性高，且拥有自主知识产权，已申请中国、美国专利102项。第四节混合动力驱动技术混合动力汽车与纯电动汽车相比的优点：1）可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点。2）辅助动力单元（APU）的选用使汽车的续驶里程和动力性能可以达到内燃机汽车的水平。3）由于其排放量小且主要工作在最佳工况点附近，大大减少了汽车变工况时的排放，再由于可回收制动能量，可使混合动力汽车成为较低排放并节能的汽车。4）在一些对汽车排放严格限制的地区，混合电动汽车可以关闭APU，由纯电力驱动，暂时成为零排放的电动汽车。混合动力汽车混合动力汽车(HEV)，是将一种或多种的能量转换技术(如发动机、燃料电池、发电机、电机)和一种或多种能量存储技术(如燃料、电池、超级电容器、飞轮)集合于一体的汽车。丰田混合动力车PriusHEV既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又利用了电动机无污染、低噪声的长处，二者取长补短，汽车的热效率得以提高，废气排放得到改善。混合动力汽车发展概况国产混合动力车混合动力汽车在发达国家已日益成熟，有些国家已经进入实用阶段。1997年10月，全球首辆商业性混合动力型汽车“PRIUS”由日本丰田公司研制成功。随后，其它汽车公司也推出了相应的混合动力汽车产品。九十年代起，我国开始电动汽车和混合动力汽车的研制，也取得了一定的进展。随着排放法规日趋严格，混合动力汽车性能日益提高及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额将逐渐增大，已成为本世纪头20年重点发展的新型汽车。混合动力汽车控制策略先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电力驱动和辅助动力单元(AuxiliaryPowerUnit，APU)合用到一辆汽车上。一方面，发动机始终在最佳工作点上驱动发电机或直接驱动汽车，排放少、效率高；另一方面，蓄电池又可得到发电机的不断补充充电，在减小蓄电池容量和体积的同时提高了汽车最高速度，加大了续驶里程，延长了蓄电池的使用寿命。混合动力汽车类型根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类串联式混合动力汽车并联式混合动力汽车混联式混合动力汽车混合动力汽车需要解决的关键技术问题混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的高效发动机。需要解决的关键技术问题主要有：混合动力单元技术从目前的研究表明，直喷式柴油机将是首选的混合动力单元。混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车上，发动机又被称为混合动力单元。混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。混合动力车系统示意图能量存储技术目前用于混合动力汽车的能量存储装置主要还是高能蓄电池，镍氢电池和锂离子电池的技术也较成熟。未来能量存储装置的研究应该包括：电池内部的连接、检测、监控和电池设计制造方面的改进，降低制造成本，改善电池性能，提高电池使用寿命。能量存储装置也称之为载荷调节装置，其目的是通过它的调节作用来提高燃油经济性和减少排放。汽车集成电力电子模块技术混合动力汽车的控制系统的开发是混合动力系统最关键的技术创新，其目的是要实现发动机与电动机的最优耦合功率分配比。该系统要具备高功率密度、低耗损的开关、电容和电感等器件；要求控制装置采用功率密度高、散热性能好的可高速运行的半导体芯片。混合动力汽车发展前景混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃油经济性和减少排放的目的，因而极具发展前景。在美、日、欧下一代汽车开发计划中，混合动力