基于节能减排目标的新型车用动力装置研究与展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

近年来，为了实现节能减排的重要目标，除了传统内燃机之外， 用于汽车的动力装置成为了业界的重要关注点，针对新型车用动力装置的开发过程已得以广泛推行。

以汪克尔发动机为例，在20 世纪60 年代中期，业界普遍认为该类发动机可以充分满足多方面要求。 该类发动机运行平稳、结构紧凑，因此，即便装在重型车辆上也能满足当时全新的正面碰撞安全要求。 后来，美国颁布了排放标准，很快发现，除油耗高外，汪克尔发动机的燃烧室使未燃碳氢化合物排放同样较高。 因此，推广该类发动机的计划被迫放弃。 由此可知，找到可用于替代传统内燃机的新型动力装置，并将其逐步推广，依然任重道远。

1 新型动力装置的类型

表1 对几类动力装置进行了比较，随后将逐个仔细讨论。 从表中的对比可以看出，考虑到需要在轿车实际使用中印证技术性能和可靠性， 除表中所列的条件外，似乎只有经改制燃用酒精、植物油或氢的内燃机具备相应的优点[1，2]。 若考虑其他种类的发动机，高温燃气轮机和电力驱动更具优势[3-5]。 首先在市场上出现的电力驱动可能是内燃机和电动机的混合动力系统，纯电力驱动会晚些出现。

表1 新型动力装置与传统内燃机的比较

2 燃用酒精和氢燃料的新型发动机

通常而言， 酒精燃料可以从矿物能源或生物质中获取。酒精燃料之所以能在活塞式发动机上使用，是由于其点火性能良好，热值高，比功率大。 但是其容易损害橡胶和合成材料，这在设计供油系统时必须加以考虑。酒精冷起动性能差，因此需要掺入15%的汽油以便于起动。德国早在20 世纪70 年代即已对“M15”混合燃料开展了相关试验，该类燃料由15%甲醇及85%汽油组成。甲醇可从当地的煤资源中提炼， 该项目的目的是减轻德国当地对石油进口的依赖。 在该项目的研究中， 有数百辆采用M15燃料的汽车行驶了数年。在目前的一些研究中，部分新型发动机能交替燃用酒精和汽油， 以及视燃料来源情况燃用两者按任意比例混合的燃料。 就是这样一种可用多种燃料的汽车， 需要一个传感器来测定油箱中汽油与酒精的混合比， 一个电子控制装置可用来在整个工况范围内调节喷油和点火。 迄今为止的所有酒精发动机工作方式与汽油机类似。 然而也可采用类似于柴油机的系统来燃用甲醇和乙醇，整机压缩比可高达21。 这种系统是在直喷式柴油机燃烧系统的基础上加装外部点火装置。 这一概念对于在一些地区消除臭氧的形成将有特别的意义。

就氢燃料而言， 戴姆勒·奔驰公司和宝马公司最近几年研制的试验车表明， 汽油机经改制后很适于燃用氢燃料，即可将氢燃料中所含的化学能转化为机械能。 混合气形成和燃料供给需要特殊的方法。与目前的连续燃油喷射过程类似，气态氢燃料被喷射到进气门处。 因为气态燃料容积较大，所以需使用多孔喷嘴。 若氢燃料的贮存状态为液态，则还必须配备一个蒸发装置。 由于氢燃料的点燃范围很宽（在空气中的浓度从5%～75%都可进行参与燃烧），因此在浓混合气和稀混合气的条件下都可参与燃烧。从安全考虑，更倾向于稀薄燃烧。 但这样会影响功率输出。

另一个在轿车中用氢作为燃料的方案是采用燃料电池和电动机。 在燃料电池中，氢与氧在相对较低的80～90℃温度下参与反应，反应产物是水。 这一过程在没有氧化氮形成的情况下即可输出可用的电能。 将氢转化为电能的效率在50%～60%之间。 因为现代电机的工作效率较高，因此这种燃料电池——电机系统的综合效率比目前传统汽车的动力系统更高。其缺点是造价过高，且质量较大。该系统的总质量是同功率汽油机的10 倍。 如果成本和质量问题得以解决，燃料电池将会成为另一种较为现实的轿车驱动系统。

3 燃用菜油的新型发动机

从表1 可以看出，在所有可再生的能量载体中，菜油是一种最为合适的燃料。其可作为柴油机的燃料，只需要控制燃料的某些特性并对柴油机进行局部改造。 除热值以外，菜油的相关特性均不如柴油，而且运动粘度明显高于柴油。为了使菜油的性能更接近柴油，可以考虑对其进行化学改良（酯化）。通过酯化，可以将菜油的三甘氨酸转化为类似于柴油的分子结构 （即菜油-甲基酯）， 不过菜油-甲基酯的生产成本较高，用纯菜油或菜油与柴油的混合物作为燃料仍有一些困难。例如，因为粘度太高冷起动很困难，智能采取其他的冷起动方式和暖机措施。另一项问题是燃烧室内喷油嘴和进气门上的积炭仍需解决。 喷油泵等部件的腐蚀和磨损也是目前关注的问题。 尽管存在这些问题，使用半精炼菜油看来是较为可行的，只是要求其磷脂、其他伴生物质和酸类含量较低。

4 车用高温燃气轮机

燃气轮机也可以用作车辆的动力系统。 事实上，燃气轮机可以燃用上述所有代用燃料，目前，普遍使用的发动机必须经历相应的燃料化学转换过程，而对于燃气轮机而言并不需要， 甚至煤尘也可被用作于车用燃气轮机的燃料。 通过对燃料准备方面进行简化，将使车辆从一次能源到运行期间的整个能量转化过程的综合效率得到改善。迄今为止，在燃气轮机方面的研究表明，在大功率应用范围（超过150kW）， 燃气轮机的质量比增压柴油机质量更小，结构更紧凑。而且，至少对双级燃气轮机来说，其起动扭矩更大。 当将功率小于100kW 的微型燃气轮机用于轿车时，其即使与汽油机相比，燃气轮机的低排放、可用多种燃料以及运行平稳等特点也使其有着较好的应用前景。尽管有着诸多优点，燃气轮机还需要将其比油耗降到与内燃机相当的水平，才有可能在车辆上得以广泛应用。 在设计车用燃气轮机时，还必须考虑车辆行驶的特殊要求。

双轴式燃气轮机设计的特点是有一个单独的动力涡轮，其前部是燃气发生器，此外还有一个压缩机和压缩机涡轮。这种设计可满足车辆起动所需的转矩储备。可以看出，动力涡轮的导向叶片是可以进行调节的。 在运行中，这些导向叶片可用于改变动力涡轮的进气口， 从而改变流量，使得在允许的最高涡轮进气温度下，可根据需要输出不同的功率，从而确保最佳燃料经济性。在车辆加速过程中，临时开启由叶片控制的进气口，可使燃气轮机的反应时间缩短。当车辆进行制动时，导向叶片会被调至相反方向，因此燃气的压力会在涡轮上形成制动力矩。实现低燃料消耗的前提是提高工作温度， 更重要的一点是应使用热交换器。在设计过程中，通常配备有一个带旋转回热装置的热交换器，该回热装置可用于储存废气热量，用于加热进入的压缩空气。通过这一办法，减少了燃烧过程的燃料消耗，并进一步改善热效率，但对涡轮进气温度的提升通常是有限的。目前对于超级金属合金材料而言，通常会限制了其温度的提升。温度再高则需要对涡轮叶片进行冷却。目前看来，除非采用极其复杂和昂贵的设计方案，否则冷却系统往往并不适用，因为车用燃气轮机叶片尺寸通常较小。 为解决这一问题，目前正在进行的几个研究项目都在开发由耐热陶瓷制成的零部件。其目标是将叶片所能承受的进气温度进一步提高。 全新的陶瓷材料，如氮化硅和碳化硅，在这样的高温下强度比超级金属合金更高。

最困难的是开发可靠的和经济上可行的陶瓷涡轮转子。其技术难点是工作温度较高，同时由强离心力产生的机械应力也非常高。 目前有几家公司正在开发高温燃气涡轮。 福特和伽略特（Garrett）联合开发的AGT101 涡轮。作为由美国政府资助的研究项目的一个子项， 这种涡轮正在作进一步改进，并已应用于轿车上。与上文所介绍的型式不同，这种涡轮采用单轴设计型式，压气机入口处的叶片可用于调适这种设计型式的传动装置， 并与无级变速传动系统类似。

5 电力驱动系统

在20 世纪初，电动汽车即已登上历史舞台。 但由于铅酸电池储能容量小，行驶距离有限，并且尺寸和重量过大，因此在当时逐步让位于内燃机汽车。通过对新型电池开展研发，使电动汽车技术水平得以突飞猛进。

以改进型钠硫（Na-S）电池为例，大众曾在一辆试验用“捷达”轿车上首次应用这种电池。 对于长距离行驶而言，可只靠内燃机来驱动，电力系统仍作为起动机和交流发电机使用。目前，各种电池的性能仍有进一步提升的空间。考虑到当前节能减排的目标，电动汽车及燃料电池汽车有着较好的应用前景。

6 结束语

考虑到经济性、排放等相关问题，燃气轮机与汪克尔发动机在汽车领域的应用目前尚未得到推广。 就目前而言，除了传统内燃机之外，新型车用动力装置主要可分为采用代用燃料的新型发动机，以及包括纯电动汽车、燃料电池汽车等在内的各类电动汽车。为此，为实现节能环保的重要可持续发展目标， 针对车用新型动力装置的研发依然势在必行。