汽车新动力技术的发展状况及应用前景

摘要:论述了传统内燃机在汽车动力应用方面遇到的挑战,探讨了先进内燃机技术、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车等的各种动力技术的发展状况及应用前景,并对各技术做了综合比较分析。　　

关键词:汽车;内燃机;混合动力;燃料电池；新动力技术　　

对于汽车动力,目前人们最关注的是环保和节能两个主题。环保方面主要涉及有害污染物及温室气体排放、振动与噪声等;节能方面主要关注能量转换效率,对汽车的主流动力———内燃机来说就是考察燃油里程数。1993年9月出台的美国新一代汽车合作计划(PNGV)要求在10 a内将家庭轿车的平均燃油效率提高到1994年的3倍,即在2004年使家庭轿车的燃油里程数达到34 km/L[1]。对内燃机来说,主要是提高热效率。对替代动力技术如燃料电池而言,就是化学能转换为电能的效率。近年来,全球气候变暖的问题日趋严峻,世界各国开始采取措施控制CO2的排放,但迄今为止并未取得明显进展,其根本原因在于热机效率很难提高。因此,降低CO2排放的根本出路是采用高效率的动力系统。另外,各国对汽车动力的排放法规要求日益严格。欧盟1999年通过的法规要求2008年采用先进后处理技术的轻型车用柴油机欧洲瞬态循环(ETC)测试中NOx排放要降低到2 g/(kW•h),CO降低到4 g/(kW•h),PM降低到0.03 g/(kW•h)[2]。如何满足日益严格的排放法规要求同时又要提高能量转换效率,是车用内燃机的生存压力,也是发展动力。21世纪对汽车动力的要求是高能量转换效率,接近零排放,当然这要以低成本、良好经济性、高可靠性和高功率密度为前提。

1　车用内燃机 的前景

车用内燃机是CO2排放的主要源头之一,占总排放量的1/3[3]。因此公众舆论普遍认为车用内燃机是导致全球气候变暖的主要因素,学术界及工程界开始努力寻求替代动力技术。由于传统内燃机的有害排放物如NOx,PM,CO,HC等对人类健康危害很大,加之能源短缺等问题,车用内燃机正面临着严峻的“生存危机”。针对这种局面,内燃机工程界正努力开发新型超低排放节能的车用内燃机,尽可能提高热效率并降低有害排放物及噪声。汽油机和柴油机是目前最主要的两种车用内燃机。汽油机尽管在采用了三元催化装置后排放污染很低,但燃油消耗始终是个大问题;柴油机的经济性要好于汽油机,但其NOx及PM排放问题一直都难以解决。可见,传统内燃机很难达到PNGV要求的。于是近年来对传统内燃机的革新技术纷纷涌现,其中最具代表性的有汽油直喷技术(GDI)、先进压燃直喷技术(CIDI)和均质充量压燃(HCCI)等3项技术。

1.1　汽油直喷(GDI)GDI技术早在20世纪30年代由德国最先开发,但由于当时控制手段欠缺而被摒弃。1996年日本Mitsubishi公司开发了GDI样机。该GDI样机与传统进气道喷射(PFI)汽油机相比燃油经济性提高了35 %[3]。GDI在低工况时采用压缩行程喷射,利用活塞顶的复杂形状形成分层充气,进行稀薄燃烧;在高工况时采用进气行程喷射,形成均匀混合气。GDI发动机的两种工作模式使得其在提高燃油经济性和降低排放上都取得收益,但GDI的研发中还面临很多问题。首先,这种发动机的供油系统要比PFI复杂得多,采用高压(喷油压力为4 MPa~13 MPa)共轨汽油喷射系统和涡流雾化喷嘴,其成本要大大高于PFI系统,GDI在燃油经济性上的收益能否抵偿其高成本就是关键问题;另外,GDI可能还要采用多段喷射,变涡流和滚流控制硬件,这样批量生产时能否保证系统可靠性不受系统复杂性的损害也是难点;再者,GDI控制系统的控制策略和算法是否能够满足发动机从晚喷、分层充气到早喷、均匀充气运转的顺利过渡,并达到目前的PFI发动机的驾驶性能也是技术难点[4]。

1.2　先进压燃直喷技术(CIDI)1997年,美国PNGV计划将先进CIDI发动机列为实现34 km/L燃油里程并用于轻型混合动力汽车的最有前景的技术之一。2000年,GM,Ford和Daim-ler—Chrysler公司的PNGV概念车都采用CIDI发动机。美国能源部重型车辆技术办公室(OHVT)计划在2004年将使用CIDI的轻型卡车的燃油经济性提高35 %,同时满足排放法规要求。CIDI在热效率上的优势勿庸置疑,其在应用和研发上的关键在于排放控制。由于柴油机扩散燃烧的特点,对NOx和PM实现机内控制非常难,对CIDI发动机排放控制的研发重点在于后处理系统。Cummins公司采用NOx吸收器以满足2004年研发目标;DDC公司采用尿素选择催化器控制NOx。对于PM的控制主要采用陶瓷过滤装置,该装置的研发热点是再生问题[5]。

1.3　均质充量压燃(HCCI)HCCI这项新的燃烧技术给内燃机在21世纪的继续发展带来了曙光。这项技术是汽油机与柴油机的杂交技术。20世纪80年代初,大连理工大学胡国栋教授创造性地提出了该思想,称之为柴油机热预混合燃烧方式[6,7],并进行了深入研究[8,9]。其主要内容是在压缩着火前将全部燃料喷入缸内,快速形成均质稀薄混合气,并将着火点控制在上止点后,从而实现较低缸内压力和温度下的快速燃烧,达到高效清洁的目的。这种燃烧方式的优点是多点同时着火,燃烧迅速(热效率高),燃烧温度低(NOx生成率低)。由于这种燃烧方式解决了降低NOx排放与提高经济性的折衷问题,成为高效清洁内燃机研究的热点。已有的研究报告表明,与传统柴油机相比,HC-CI燃烧的NOx排放降低了90 %~98 %,已经达到了测量极限,近似零排放(EZE);PM也显著降低[12]。由于热效率高,HCCI的经济性也明显好于传统内燃机。但HCCI燃烧方式也并非完美无缺,因为其要求稀薄混合气,其功率密度比传统内燃机小;由于采用压燃,预混合气的着火时间难于控制;另外,现有的HCCI样机普遍存在高负荷时燃烧变坏,排放变差,油耗高的问题。这些问题是HCCI燃烧方式在内燃机上实用化的主要障碍。针对这些问题,人们提出3种解决方案,即改变燃料供给方式,采用废气再循环(EGR)和增压,采用分段燃烧[12]。HCCI是一种很有发展潜力的燃烧方式,在排放和热效率方面都能达到PNGV的要求;由于省去了高压喷油系统及采用贵金属材料的后处理器,HCCI内燃机的初始成本与CIDI发动机相比有优势。所以美国能源部将HCCI认定为应给予长期研发支持的远期技术,并预计于2010年在轻型卡车上投入商业运营[13]。在替代动力技术成熟之前,以HCCI燃烧方式为代表的新型高效、清洁、节能内燃机在21世纪仍将是汽车动力的主流。

2　混合动力的发展前景

所谓混合动力汽车(HEV)即动力系统由原动机、发电机/电动机、储能设备等组成,HEV的动力系统一般有串联、并联或串并联混联3种形式。原动机通常采用内燃机,少数采用燃料电池。图1是采用内燃机为原动机的混合动力的两种系统布置形式。图1　混合动力系统布置形式串联方式是将内燃机加入到电动汽车(EV)中给电池组充电,驱动则完全由电池及电机完成,动力传送及控制都是电气方式的,并联式则是将内燃机和电池加入到传动系中,辅助传动系加速和回收制动能。串联式的好处在于排放近似为零,控制系统相对简单,对零件选择相对范围广;但对电池组的容量及效率要求很高。并联式则在降低油耗方面优势明显。从成本和总体性能考虑,采用高性能电池组的并联式HEV更有吸引力[14]。日本Honda公司开发出了排放低于世界上最严格的美国加州ULEV标准的HEV[15]。美国GM公司的Precept,Ford公司的Prodigy等均已上市。日本Toyota公司的Prius混合动力汽车已经批量生产。目前HEV的成本较内燃机汽车高,电池组能量密度不高,对轿车和轻型车而言,附加质量大,使整车质量增加。从HEV的研究发展看,这些缺点都将在近期内得以克服。尽管从价格上看,HEV要明显高于内燃机汽车,如Prius的价格高于同类型内燃机汽车的30 %~50 %,但形成批量生产之后,价格必然会下降到接近内燃机汽车。PNGV对HEV的电池组容量的要求是单位质量功率(充/放电)为1 kW/kg,按此要求电池组的质量为50 kg~100 kg;功率能量比大于20。从已有研究看,柱状电池的功率密度非常大;采用NiMH或Li—Ion材料的电池已经通过验证,NiMH已经投入使用,Li—Ion也即将投入使用[14]。附加质量大的问题对小轿车尤为突出,若不能很好地解决,则混合动力带来的经济 性就会被抵消掉。因此尽可能减小电池组、电机及其他附件的质量是小型HEV发展的关键。另外,对小轿车的整车进行改进设计,以减轻其自身质量也是有效措施,Honda公司的Insight就采用了这种办法,对于城市大型公交车来说,因为其自身质量大,附加质量不会带来太多的负面影响。因此,城市大型公交车的混合动力研究是最容易看到效益的。作为内燃机汽车与电动汽车的杂交技术,HEV综合了“双亲”的优点,并最大限度克服了它们的缺点;既具备传统内燃机能量储备多,运行里程远的优点,又能使内燃机运行在高效率、低油耗的区域内,避免怠速运转,并能回收制动能。HEV的研究为内燃机在21世纪的继续发展又提供了空间,以HCCI内燃机为原动机的HEV具有很强的生存能力和竞争力。

3　燃料电池的发展前景

由于具备高能量转换效率、零污染、低噪声的优势,燃料电池(FC)是最有前途的汽车替代动力之一。实际上,FC并非新技术,在航天领域早就得到应用,德国还以FC作潜艇动力。但由于成本高、运行条件要求苛刻等原因,FC一直不能在汽车动力上有所作为。近年来在环境污染和能源危机两大问题的驱动下,人们开始研究FC在汽车动力上的实用化。PNGV把FC作为PNGV汽车的高效低污染动力的研究目标[16]。2003年,美国又启动了Freedom-CAR计划,它实际上是PNGV计划的修订版,是美国为了摆脱对进口石油的依赖,决定采用的国家与企业长期合作开发研究以H2为燃料的低成本、高效、无污染FC汽车计划[17]。FC以可燃物质作为正级反应物质,以空气中的O2或纯O2作为负极的反应物,在两电极之间设置电解质进行燃料的氧化反应,产生电流,生成物为水。FC的有害排放只有少量的CO和挥发性有机化合物(VOC)。由于燃料电池汽车(FCV)的H2燃料是从其他燃料中提取并存储起来或在车内直接改质而来,FCV也不能避免间接或直接的温室气体排放。但FCV的温室气体排放量仍大大小于内燃机汽车(ICEV)的排放量。图2是FCV与ICEV在温室气体排放方面的比较[18]。图2　FCV与ICEV在温室气体排放方面的比较这里的温室气体排放是以燃料经济性为基准衡量的,其中的CO2排放成分也被折合到等效CO2排放之中。汽油改质型燃料电池汽车的CO2排放比ICEV低得多,其最佳情况下CO2排放的降低程度达33 %;H2燃料FCV的CO2排放可降低39 %。开发FCV存在的主要问题是:FC功率密度小,价格昂贵,整体性能竞争力仍不够。FCV必须克服质量、体积、额外费用等方面的技术限制,才能与ICEV竞争。这方面,世界各大汽车公司都有雄心勃勃的计划。德国的Daimler—Benz公司和它的合作伙伴Ballard公司于1998年制定计划,要在8 a内将FC系统的体积大大减小,使之能顺利装入Mer-cedes—Benz A级轿车中并不损害驾驶室空间及行李空间;通过大批量生产,使FC的成本降低到现有的柴油机水平。

4　结束语

采取HCCI燃烧方式的新型高效节能低污染内燃机能够满足严格的排放法规要求,为内燃机自身的继续发展赢得了空间与时间,以HCCI燃烧方式内燃机为原动机的混合动力系统将具有很强的竞争力。电动汽车(EV)不存在有害排放的问题,但对以火力发电为主的国家(如中国)来说,EV存在温室气体间接排放的问题,EV的好处仅限于改善城市空气质量及控制噪声污染,对整体大环境的改善意义不大。如采用核能、风能、太阳能等清洁方式发电,EV才可以说是真正意义上的清洁汽车。FC技术仍还不够成熟,尽管与内燃机相比有高效率和低排放的优势,但其目前的高成本、低经济性、低可靠性和低功率密度,使FC实现商业化还有很长的一段路要走。

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