汽车节能减排技术研究及展望

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引 言

公路运输是交通运输领域中的重要一环。相对传统的内燃机汽车而言，利用电动汽车来实现近距离运输是一大发展趋势。但考虑到成本等一系列问题，在不久的将来，无论对短途行驶还是对长途行驶，内燃机汽车仍将在公路运输领域占据主要地位。

尽管全球范围的石油的价格依然在持续上涨，但是，尤其在中小型乘用车上，采用传统内燃机的乘用车保有量依然会持续增长。

1 内燃机汽车节能减排技术发展趋势

1.1 优化燃烧系统

为进一步降低燃油消耗，对车用内燃机采用均质燃烧和稀薄燃烧等技术可谓势在必行。其目的是不断降低发动机机内污染物排放，而并非仅仅依赖废气后处理系统来降低排放，因为采用此类外部系统会显著增加燃油消耗[1]。目前可通过两种方式来降低点燃式发动机和压燃式发动机的排放：

(1)在点燃式发动机中，燃烧过程类似于在燃烧室内使用稀薄和均质的燃油混合气的先进的压燃式发动机[2]。这项技术被称作“可控自燃”(CAI)。

(2)在压燃式发动机中，燃烧过程类似于使用高压燃油喷射和高废气再循环率的先进的点燃式发动机。这项技术被称作“均质压燃”(HCCI)[3]。

采用CAI 和HCCI 技术，可大幅降低颗粒物排放。与采用传统高压喷射的压燃式发动机相比较，NOx排放量可降低4% ，而燃油耗则可降低5% 。其弊端则是在较低负荷时的CO 和HC 排放较高。改进的措施有改进燃烧室形状、控制燃烧、优化喷射以及采用可控制废气再循环系统等。

1.2 发动机小型化处理

将发动机进行小型化处理即减小发动机排量和整机重量。然而，尤其在尺寸较小的发动机上，采用过高的转速会增加燃油消耗。将发动机进行小型化处理的车辆运行在最佳车速和档位范围并且不进行过于频繁的制动和加速过程，以此可大幅降低燃油消耗和排放。

使用共轨喷油系统可使双缸或三缸发动机实现进一步小型化。特别是在该类发动机运转稳定性较差的起步阶段，以此可使发动机在各种负荷范围下以最优转速进行运转。采用电子控制技术可对发动机所有转速范围和所有环境条件下的运行起到优化保障作用。

1.3 发动机涡轮增压技术

就车用内燃机的增压技术而言，该技术早期是专门针对航空活塞式发动机而开发的，其目的是针对高空飞行时的空气密度的不断降低以及发动机性能恶化等情况而进行的补偿性措施。

可变几何截面涡轮技术使得调节增压器的增压压力成为可能，目前该技术主要用于压燃式发动机。

涡轮增压点燃式发动机的排气温度目前正在逐渐逼近先进材料的温度极限。这些新材料可使点燃式发动机与压燃式发动机一样地使用高增压技术。此外仍有一些装置可提升发动机性能，如用于灵活操纵增压空气的压力调节器以及额外使用采用电动增压器的压气机，以此可向储气筒提供压缩空气。

1.4 发动机机械式增压技术

涡轮增压器只有在发动机排放出一定量的废气时方可开始运作。其在开始工作时的数秒钟内的增压滞后是该技术的一大显著劣势。而采用机械增压器则可有效改善发动机响应性，其并无显著的增压滞后现象，同时需要从发动机曲轴端引出的驱动装置为其提供动力来源，机械增压器的通常转速可达2000～2400 r/min ，而涡轮增压器通常会以更高的转速运作。由于机械式增压器的工作转速更高，因而进气温度也相应更高，为此机械式增压器及其进气管部分均需采用耐高温材料。为了在严苛的工作条件下以实行检查与维护，对排放的检测过程将变得愈发重要。

在过去的15 年中，由于采用全负荷和不断优化的增压器技术，发动机性能提升了约15% 。然而，采用机械式增压器同样也有其技术劣势，如燃油耗随之提高和催化剂作用延迟现象等。与涡轮增压系统相比，废气后处理系统的工作温度升高，因而有可能导致催化剂出现过早老化等现象。

将涡轮增压器与机械式增压器组合使用所需要的安装空间比配装两只涡轮增压器更小，因为可将涡轮增压器与机械式增压器放置在两个气缸盖之间。与采用两只涡轮增压器相比，此类结构会使发动机室内的温度降低。降低的温度和改善的空气动力学部分地抵消了燃油消耗的提高。

1.5 DPNR技术

在检测到微粒过滤器堵塞时将纯燃料喷入废气中会提高废气温度，从而导致颗粒物燃烧以及氮氧化物的降低。其中包含废气再循环在内的一个系统被称为柴油机微粒氮降低(DPNR)系统，采用该系统能消除催化剂下游的剩余CO、HC、NOx排放，其具有显著改善排放的功效。

1.6 排气系统中的热能回收与降噪处理

排气系统的主要任务是降低废气中的污染物浓度。依据发动机功率的不同，发动机的废气后处理系统不仅排出废气，同时还需回收能量。由发动机产生及来自排气系统的空气传播的噪声是有害的。废气后处理系统还需通过消声器来降低噪声。目前，提高废气后处理系统效率的基本方法有三种:

(1)减少发动机原始排放物中的颗粒物；

(2)将微粒过滤器与NOx还原催化剂组合；

(3)开发可以频繁加热和具有较好耐久性的微粒过滤器。

上述几项技术在过去多年来已经得到成功的开发，但是尤其在重型车辆和船舶上，为了利用部分废气能量来实现燃料的初步加热，仍然需要进一步加大投资。

2 混合动力汽车技术

尽管在乘用车技术领域，采用混合动力技术是一大技术发展趋势，但在不久的将来，纯电动汽车技术将会得以逐步完善。然而，其具体的发展速度尚无法得以完全确定。近年来的技术发展经验已经证明，新技术将会得以缓慢发展而并非以阶跃的方式出现。相关技术领域包括蓄电池的成本、安全性和耐久性、新型材料和相关零件的匹配技术。

通常所言的混合动力技术是指内燃机与通常的电机共同使用来实现行驶。从理论上讲，诸多原理对于混合动力技术是具有应用可能性的，上述混合动力系统可存储和利用回收的制动能量。目前，可在车辆领域应用的存储能量的方式包括飞轮、液压系统、压缩空气等[4-6]，但时至今日，采用混合动力技术在商业上的广泛应用多用于中低端车辆。其主要的市场是日本和美国，而欧洲市场的销量也在逐步增长。

混合动力汽车通常可分为微混合、轻度混合和重度混合等几类。混合动力汽车用于大型城市时尤其能彰显其技术优越性。因为在大城市中的交通拥堵情况会导致大量时间和能源的浪费，污染物亦会引发多种疾病和环境污染现象。

由于需配备有两套驱动部件系统，所以未来的混合动力汽车的成本仍然会比传统内燃机汽车更昂贵，其生产和维护费用也相应水涨船高。然而，未来混合动力汽车的舒适性会更加优越并可一定程度上降低燃油耗。不可否认，在公路运输领域内，混合动力技术依然是一大重要发展趋势。

3 电动汽车技术

3.1 纯电动汽车技术

纯电动汽车的驱动系统包含驱动电机、传动系统、动力传感器和电压调节器，纯电动汽车的主要特性取决于车载电池装置的类型。

锂离子电池结构紧凑，且具有较轻的重量，其耐久性约为10 年或600000 次充放电循环[7]。部分锂离子电池的周围布设有冷却凝胶体，从而使其能量密度比传统的蓄电池高25%～50%。就目前而言，铅酸蓄电池已在道路车辆上得以广泛应用。而目前，以锂离子电池为代表的新型电池正在逐步取代传统铅酸蓄电池。

锂离子技术的优点是热稳定性好且容量大。然而，部分元件系统依然有待改进，如冷却装置、蓄电池管理系统和高电压连接线路等。

通常，采用有机电解质溶液的蓄电池是可燃的，一旦事故，会使驾乘人员面临伤亡。因此，设计不可燃烧的新型蓄电池是势在必行的。为此，不可燃的锂聚合物技术在未来的车载电池技术发展趋势中将具有重要意义。

为了保护蓄电池，防止机械冲击，车载蓄电池通常采用纤维增强合成材料和具有加强层的金属容器。电子控制单元能避免锂离子电池出现过充电现象，同时防止高温起步时损坏。

与内燃机为代表的传统驱动系统不同，电驱系统需具有瞬时驱动功率和持续驱动功率两种。瞬时驱动功率受最大功率的限制。而最大功率则受电机容许温度限制。依据推进系统的种类的不同，需对最大推进功率进行实时监控，并根据功率执行元件、电机和蓄电池的极限来调整最大功率。目前，世界范围内，采用纯电动推进的最早的商用车辆已经投放市场。

但即便如此，当前的纯电动汽车的最高行驶速度及续航里程依然不如内燃机汽车。因此在今后的20～30 年内，纯电动汽车将无法全面替代内燃机汽车。

3.2 将纯电动汽车作为能量存储系统的技术方案

可再生能源的缺点是其产量较不稳定，以此常无法满足工业建设或用户的固定需求。风能发电和太阳能发电完全依赖于天候现象[8-11]，而能量消耗则取决于一天中的具体时间段。较为理想的情况是纯电动汽车能够存储电能并充分利用可再生电能。

风能和太阳能发电装置提供的额外电力可存储在车载蓄电池内。以此可改善交流电网管理，并简化电网稳定性的调节。

就目前而言，纯电动汽车作为存储系统的理念仍然是一个有关未来供电网络的电能调节与存储的发展方向，尽管目前尚无定论，但依然充满前景。

3.3 燃料电池汽车技术

3.3.1 车载燃料电池

燃料电池作为一类电化学发电机，其技术功能与蓄电池类似，且有着运行效率高、排放低的技术优势，正在逐步替代传统蓄电池。近年来，世界范围内的可使用的燃料电池的功率范围可从几瓦至几兆瓦。然而，燃料电池的成本依然需大幅度降低，方可能使其得到普及。除了车载动力装置之外，当前针对燃料电池的技术应用是将其用作航空器、航天器和潜艇的动力来源[12-13]。

3.3.2 用于燃料电池的氢

氢可作为发动机的替代燃料，亦可用于燃料电池的能量来源。氢燃料电池可利用氢和氧输出电流[14]。

氢有两个主要优点。其比能量比汽油更高，且其燃烧后的生成物为水。然而，通过水解反应利用水生产纯氢需要较高的能量。通过氢化裂解从天然气生产氢则会对环境造成污染。目前，提升氢产量的主流技术依然在处于研究开发过程中。

不仅如此，由于氢分子量较小，渗透性较强，所以针对氢的存储较为困难且具有较高危险性。当前的车载燃料电池技术仍需要数年之久的技术开发，才能逐步实现成本低廉，使用便捷，且足以批量销售的程度。

根据当前的技术经验，在今后长达十年之久的公路运输中，以某一类代用燃料来替代如汽油、柴油、煤油或重油等传统的化石燃料是较为困难的。替代燃料在一段时间内仅可在较小的市场领域内起到替代作用。

3.3.3 用于燃料电池的甲醇

甲醇的重整对于燃料电池而言是一项关键技术。从天然气生产甲醇的效率约为65 %。甲醇是一种理化特性与汽油和柴油燃料相似的液体，并具有较高的能量密度，并通过现有的基础设施即可实现[15]。

甲醇的重整技术通常比将甲醇转化成氢更难以实现，未来如果催化技术可得以进一步发展，该项工艺方可得以显著改善[16]。

4 结束语

不难预见，在未来的较长一段时间内，内燃机汽车以其较高的技术成熟度、可靠性及耐久性，在公路运输领域将会长期占有一席之地。而纯电动汽车由于目前依然具备动力性能较差、续航里程较短的技术劣势，尚无法取代内燃机汽车的固有地位。燃料电池汽车目前依然面临着成本高昂，氢燃料制取储备困难等技术问题，在短期内不会作为主流车型。混合动力汽车则可被视作内燃机汽车过渡至纯电动汽车及燃料电池汽车的替代车型，从今往后的数年间，公路运输领域将会长期处于该过渡阶段。