劉志翔

江蘇大學(xué) 江蘇省鎮(zhèn)江市 212013

汽車(chē)不僅帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展，也產(chǎn)生了大量的尾氣排放與空氣污染。隨著中國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的越發(fā)強(qiáng)調(diào)，汽車(chē)的環(huán)保與節(jié)能問(wèn)題也日益得到更多人重視。世界各國(guó)亦引進(jìn)了更加嚴(yán)格的廢氣排放與燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。因此，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)正向著新能源化方向快速發(fā)展。其中標(biāo)志性的混合動(dòng)力汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)。從排放的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)可以大大降低排放，減少空氣污染。從節(jié)能的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)可使得能源利用更加多元化與高效化。最終達(dá)成無(wú)污染交通的目標(biāo)。

但是，傳統(tǒng)燃油車(chē)有著技術(shù)成熟，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)；新能源汽車(chē)也有著充電設(shè)備成本高，維護(hù)費(fèi)用昂貴的缺點(diǎn)。目前的電池技術(shù)受制于化學(xué)材料的限制，電池單位質(zhì)量的能量密度仍無(wú)法與汽油相比。因此，未來(lái)十年，必然是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)與新能源汽車(chē)并肩發(fā)展的階段。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生排放污染的主要原因，是汽油燃燒不充分導(dǎo)致的。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)有著燃燒不充分，工作特性不完備的缺點(diǎn)但發(fā)動(dòng)機(jī)由于其較高的功率密度，合理的燃油經(jīng)濟(jì)性，以及在一個(gè)世紀(jì)用來(lái)累積的豐富生產(chǎn)與使用經(jīng)驗(yàn)。仍然是目前應(yīng)用最廣泛的汽車(chē)動(dòng)力源。

為最高程度上充分燃燒汽油，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。目前各大汽車(chē)廠商都研發(fā)出許多技術(shù)，用以提高燃油利用率。發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率與排放污染是密切相關(guān)的。2019年以來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)執(zhí)行最新排放指標(biāo)國(guó)Ⅵ，國(guó)Ⅵ指標(biāo)也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求。因此，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率勢(shì)在必行。目前提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的主要途徑為：

（1）提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與機(jī)械傳動(dòng)效率。（2）多使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓化。（4）廣泛使用電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

其中，電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)作為目前使用最廣泛，最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。有著廣泛的研究與應(yīng)用前景。

1.1 電控汽油噴射技術(shù)

電控汽油噴射技術(shù)是指燃油通過(guò)電控液壓泵，在一定壓力下將燃油直接噴射進(jìn)氣缸內(nèi)。燃油具有較好的霧化效果，噴油量能夠得到精準(zhǔn)的控制。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油與空氣混合比例好，燃燒更充分。并且，通過(guò)微機(jī)單元監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工況，可在怠速，加速，恒速等不同駕駛條件下準(zhǔn)確的計(jì)算出所需燃油量。使得發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下均處于最佳的工作狀態(tài)。

電控汽油噴射技術(shù)最早于1957年由美國(guó)Bendix 公司發(fā)明，并首次安裝在克萊斯勒牌豪華汽車(chē)上。1967年博世公司研發(fā)了機(jī)電混合式汽油噴射系統(tǒng)，于70年代開(kāi)始量產(chǎn)，并且首次在美國(guó)加利福尼亞州達(dá)到了廢氣排放法規(guī)的要求。開(kāi)創(chuàng)了電控汽油噴射技術(shù)的新時(shí)代。1980年，通用公司首先研發(fā)了一種節(jié)流閥體噴射技術(shù)。進(jìn)一步降低了成本。

目前我國(guó)也有許多公司具有較高的電控汽油噴射研發(fā)，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(jìn)氣系統(tǒng)

可變進(jìn)氣系統(tǒng)是為了改變發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，進(jìn)氣量不同的問(wèn)題所開(kāi)發(fā)的技術(shù)。一般采用電子閥門(mén)，動(dòng)態(tài)提高進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣效率，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)中、低速性能。可變進(jìn)氣系統(tǒng)可以根據(jù)車(chē)輛特性、駕駛者踩踏油門(mén)的幅度和發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速的扭力需求，控制空氣室內(nèi)閥門(mén)的啟閉，調(diào)整進(jìn)氣歧管路徑的長(zhǎng)短，低轉(zhuǎn)速用長(zhǎng)進(jìn)氣歧管，保證空氣密度，維持低轉(zhuǎn)的動(dòng)力輸出效率；高轉(zhuǎn)用短進(jìn)氣歧管，加速空氣進(jìn)入汽缸的速度，增強(qiáng)進(jìn)氣氣流的流動(dòng)慣性，保證高轉(zhuǎn)下的進(jìn)氣量，以此來(lái)兼顧各段轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)，保證最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率。使用這套系統(tǒng)的裝置后，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流的流動(dòng)慣性和進(jìn)氣效率都有所加強(qiáng)。

可變進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩類：多氣門(mén)分別工作系統(tǒng)和可變進(jìn)氣道系統(tǒng)。

多氣門(mén)分別工作系統(tǒng)，是在進(jìn)氣管內(nèi)設(shè)置一控制閥，利用控制閥的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)低速，高速不同進(jìn)氣量的控制。

可變進(jìn)氣道系統(tǒng)的第一種，是雙進(jìn)氣道系統(tǒng)。此系統(tǒng)是每個(gè)進(jìn)氣歧管都有兩個(gè)進(jìn)氣通道。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速高低，負(fù)載大小，由旋轉(zhuǎn)閥控制空氣經(jīng)過(guò)哪一個(gè)通道流進(jìn)氣缸。此種雙進(jìn)氣管道系統(tǒng)可以有效增加發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況下的轉(zhuǎn)矩。可變進(jìn)氣道系統(tǒng)的的第二種，也即理想狀態(tài)，是無(wú)極可變進(jìn)氣歧管。其原理仍是進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度與歧管截面能夠隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況連續(xù)的改變。

1.3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控共軌噴射技術(shù)

柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與加速踏板位置，從而計(jì)算出噴油量。柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)類似，由傳感器，微機(jī)單元，高壓泵（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）三部分組成。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)電控噴射系統(tǒng)，噴射壓力取決于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)導(dǎo)致油液壓力過(guò)低。所以共軌噴射技術(shù)是在傳統(tǒng)電子噴射的基礎(chǔ)上，將油液壓力的產(chǎn)生與噴射過(guò)程分離開(kāi)。是對(duì)電控噴射的進(jìn)一步升級(jí)。高壓油泵將柴油輸送至公共油管，通過(guò)對(duì)公共油管內(nèi)的油壓進(jìn)行控制，使得油壓與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。由車(chē)載微機(jī)控制噴油器的噴射量。共軌式噴油系統(tǒng)的共軌油道內(nèi)為高壓燃油，噴油壓力僅取決于共軌油道內(nèi)的燃油壓力，采用高速電磁閥可實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油壓力的準(zhǔn)確控制。例如日本電裝公司開(kāi)發(fā)的 ECD-U2 電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)，最高噴油壓力可達(dá)到120MPa。德國(guó)博世公司在九十年代所開(kāi)發(fā)的電控高壓共軌式噴油系統(tǒng)，最大噴油壓力可達(dá)140MPa。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)

車(chē)輛電動(dòng)化的過(guò)程從開(kāi)始的HEV 式混合動(dòng)力、到現(xiàn)今的純電動(dòng)車(chē)輛，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，燃油功率占比逐步減少，電動(dòng)功率占比逐步增加。其結(jié)構(gòu)形式也越發(fā)多變。例如，可采用電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，或不采用變速器，使用分布式電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后軸；更可以不采用差速器，用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)一般可分為單個(gè)動(dòng)力源與多個(gè)動(dòng)力源兩種形式，單個(gè)動(dòng)力源即為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油車(chē)輛，多個(gè)動(dòng)力源目前技術(shù)最成熟的為混合動(dòng)力汽車(chē)。

所謂混合動(dòng)力，就是將燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)安裝在一輛汽車(chē)上。電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相比，有著更加清潔，效率高的特點(diǎn)。將電力驅(qū)動(dòng)與燃油驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在電池技術(shù)尚未達(dá)到今天這個(gè)程度的時(shí)候，平衡了電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程過(guò)少與燃油車(chē)排放過(guò)高的兩個(gè)問(wèn)題。

混合動(dòng)力最大的優(yōu)勢(shì)即在于動(dòng)力系統(tǒng)的靈活性，不同于發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱等機(jī)械部件的剛性機(jī)械連接?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常靈活。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率比的不同，可分為里程延長(zhǎng)型，雙模式型和動(dòng)力輔助型。而根據(jù)動(dòng)力源的數(shù)量，以及結(jié)構(gòu)形式的不同，可以分為串聯(lián)型，并聯(lián)型以及混聯(lián)型。

串聯(lián)型動(dòng)力系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，即發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。并聯(lián)型是發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，可以達(dá)成發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，電力獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)三種模式?；炻?lián)型綜合了串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)電力與液壓等方式，將雙動(dòng)力在一定條件下進(jìn)行耦合。從而最大程度實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的利用。

例如日本豐田汽車(chē)公司的Prius THS-Ⅱ混動(dòng)系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖1。Prius 是典型的混聯(lián)型動(dòng)力系統(tǒng)。Prius 同時(shí)具備電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)四個(gè)部件，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間有一行星齒輪組，將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力一部分分流至發(fā)電機(jī)用以給電池或電機(jī)供電，一部分通過(guò)齒輪傳遞至車(chē)輪。因此，Prius 混合動(dòng)力系統(tǒng)可以完成多種動(dòng)力間的自由轉(zhuǎn)換，其目的在于時(shí)刻保持發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)均處于最優(yōu)效率的工作狀態(tài)，以此達(dá)到減少耗能的目的。并且，由于各部件可以有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合，使得總動(dòng)力系統(tǒng)高度集成。減少了系統(tǒng)總質(zhì)量。

圖1 Prius混動(dòng)系統(tǒng)總成

3 純電動(dòng)力汽車(chē)

純電動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展歷史悠久，1834年美國(guó)人托馬斯.達(dá)爾波特就制作出一臺(tái)純電動(dòng)三輪汽車(chē)。1832—1838年蘇格蘭人羅伯特安德森制作出電驅(qū)動(dòng)馬車(chē)。1900年前后，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入了第一次發(fā)展黃金時(shí)期?？呻S著內(nèi)燃機(jī)的快速發(fā)展，電動(dòng)車(chē)的馬力與續(xù)航都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及燃油車(chē)，因此在20 世紀(jì)中期陷入發(fā)展瓶頸。這隨著石油使用，帶來(lái)了更多的環(huán)境問(wèn)題。1995年前后，電動(dòng)汽車(chē)又進(jìn)入了新的發(fā)展周期，直至現(xiàn)在。

隨著鋰電池的發(fā)展，純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程短的問(wèn)題得到了顯著解決。純電動(dòng)汽車(chē)在近幾年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)外以特斯拉為首的Model 系列純電動(dòng)汽車(chē)。國(guó)內(nèi)以比亞迪，北汽新能源等為首的電動(dòng)汽車(chē)。正在掀起一陣陣造車(chē)?yán)顺薄４龠M(jìn)了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的最大差別，就是舍棄了化石燃料，全部由電池對(duì)整車(chē)實(shí)施供能。有三種類型的電池可用于電動(dòng)車(chē)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(duì)環(huán)境有害，因此鎳氫電池應(yīng)用更廣泛。鎳氫電池多用于混合動(dòng)力汽車(chē)。鋰離子電池具有最高的能量密度，因此是現(xiàn)今應(yīng)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(jià)格高昂，但更長(zhǎng)的使用壽命和能量密度抵消了成本高昂的缺點(diǎn)。但是，鋰離子電池需要相對(duì)復(fù)雜的保護(hù)系統(tǒng)來(lái)防止電池短路以及過(guò)熱。因此現(xiàn)在鋰電池汽車(chē)都會(huì)配置電池管理系統(tǒng)用來(lái)保護(hù)電池，增加電池壽命。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)可簡(jiǎn)單分為單電機(jī)型和多電機(jī)型兩種。單電機(jī)型是使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，車(chē)輪與電極之間仍采用機(jī)械進(jìn)行連接。多電機(jī)型是在整車(chē)上布置多個(gè)電機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。代表性的有雙電機(jī)型和使用輪轂電機(jī)的四電機(jī)型。雙電機(jī)型動(dòng)力系統(tǒng)是分離前后驅(qū)動(dòng)橋，分別用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)橋和后驅(qū)動(dòng)橋。當(dāng)然，這種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制方法也更為復(fù)雜，如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，易使得前后輪轉(zhuǎn)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(jī)分別驅(qū)動(dòng)前軸和后軸，采用牽引力耦合式驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，如圖2 所示。動(dòng)力在輪胎處實(shí)現(xiàn)了功率的耦合。此結(jié)構(gòu)形式可在四輪驅(qū)動(dòng)和前輪驅(qū)動(dòng)間自由切換，使得電機(jī)時(shí)刻保持在峰值功率區(qū)間。

圖2 牽引力耦合式動(dòng)力結(jié)構(gòu)

4 燃料電池汽車(chē)

雖然電池給汽車(chē)帶來(lái)了混合動(dòng)力等新型動(dòng)力總成。正如文章開(kāi)頭所提及的，電池的能量密度相比汽油仍然相去甚遠(yuǎn)。且為了增加汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，電池組的大小也是與日俱增。因此，電動(dòng)汽車(chē)的最終發(fā)展目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)燃料電池的車(chē)載化。燃料電池是將適宜的燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)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(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，聚合物電解膜燃料電池是最有希望的，因?yàn)樵撊剂想姵氐哪芰棵芏雀?，且壽命長(zhǎng)。目前也開(kāi)發(fā)了將甲醇中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池。通常來(lái)說(shuō)，燃料電池的催化劑是氧氣。燃料與催化劑都可以直接車(chē)載儲(chǔ)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(huì)有著嚴(yán)重的回收問(wèn)題，這也是目前純電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)擔(dān)憂。

燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)與電動(dòng)汽車(chē)類似，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，沒(méi)有特別不同的地方。僅僅是將電池組改換為儲(chǔ)料罐和燃料電池本身。因此，將純電動(dòng)汽車(chē)改裝為燃料電池汽車(chē)是較為方便的。

從節(jié)能的角度考慮，燃料電池的理論效率為83%，并且可以通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成更大型的電池堆。用以滿足不同需求的車(chē)輛。因此燃料電池被認(rèn)為是很有希望的內(nèi)燃機(jī)替代品。評(píng)估燃料電池對(duì)環(huán)境的影響時(shí)，不能僅從車(chē)輛的直接排放進(jìn)行考慮。因?yàn)榧冸妱?dòng)車(chē)輛產(chǎn)生的直接排放為零，但是制備燃料，或者說(shuō)制備電池這個(gè)過(guò)程本身，產(chǎn)生的排放也必須計(jì)算在內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)發(fā)展已逾百年，動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)歷了從內(nèi)燃機(jī)到混合動(dòng)力，直至如今純電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)次技術(shù)革命。未來(lái)隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境的進(jìn)一步要求，更加會(huì)刺激汽車(chē)發(fā)展新技術(shù)用以減少排放，或?qū)ふ倚碌膭?dòng)力裝置加以替代。我國(guó)正在積極向著綠色能源，零排放的目標(biāo)不斷進(jìn)步。各汽車(chē)企業(yè)也將不斷創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)成為世界第一的汽車(chē)制造強(qiáng)國(guó)。