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第12章 新型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機收藏
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第12章 新型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機
內容提要
1.電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)、分類(lèi)、基本結構與工作原理
2.壓縮天然氣汽車(chē)和液化石油氣汽車(chē)的特點(diǎn)、基本結構與工作原理
3.太陽(yáng)能汽車(chē)的基本結構與工作原理
4.直接噴射式汽油機的結構與工作特點(diǎn) |
12.1 電動(dòng)汽車(chē)
電動(dòng)汽車(chē)是依靠電能驅動(dòng)的車(chē)輛，而電能在驅動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中基本不排放有害氣體，對環(huán)境不會(huì )造成污染。因此，電動(dòng)汽車(chē)就成為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)選擇。
12.1.1 電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)
1873年在英國出現了第一輛電動(dòng)汽車(chē)，由于早期一些技術(shù)問(wèn)題難以解決，而內燃機汽車(chē)日趨成熟，電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)便趨于低潮。直到1973年能源危機以后，很多國家為了開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)以及保護環(huán)境，實(shí)現汽車(chē)零排放的要求，又重新開(kāi)始重視電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)，在一些國家掀起了研究電動(dòng)汽車(chē)的熱潮。與傳統的燃油動(dòng)力汽車(chē)相比較，電動(dòng)汽車(chē)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。
1.能廣泛地利用各種能源 電動(dòng)汽車(chē)使用的能源，不僅可以用傳統的汽油、柴油等礦物燃料發(fā)電，也可以用取之不竭的太陽(yáng)能、水力能等多種能源發(fā)電，還可以利用旋轉零件轉動(dòng)或制動(dòng)時(shí)慣性能量發(fā)電，可以廣泛地利用各種能源。
2. 能量的利用率高 傳統汽車(chē)使用汽油、柴油作燃料，將原油提煉成汽油、柴油，并經(jīng)過(guò)運輸、分配等環(huán)節，大概要消耗掉30%的原油具有的能量。所采用的內燃機的有效效率一般為30～40%，機械效率為75%，因此輸出軸只能獲得18%左右原始燃料的可利用能量。內燃機在低負荷及部分負荷時(shí)，由于混合氣霧化質(zhì)量差，燃燒不完善，平均能量利用率只有15%左右，可利用的能量更低。而電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)火力發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電、輸配電、充電、電機等設備使用能量損失，**終大約可獲20%原始燃料的有用能量。如果利用太陽(yáng)能、水能、原子能等發(fā)電，則利用率會(huì )高一些。如果采用將化學(xué)能轉變?yōu)殡娔艿娜剂想姵?，則電池能量利用率可達50%左右。因此，使用電動(dòng)汽車(chē)可以節約大量的能源。
3. 電動(dòng)汽車(chē)是零排放汽車(chē) 由于電動(dòng)汽車(chē)是依靠電驅動(dòng)，所以電動(dòng)汽車(chē)本身不會(huì )產(chǎn)生有害氣體排放，是零排放車(chē)輛，這對改善空氣質(zhì)量保護環(huán)境具有重要意義。
依據電動(dòng)汽車(chē)電能來(lái)源不同，仍會(huì )有間接污染。若采用燃煤生產(chǎn)的電力，電廠(chǎng)可建在遠郊區或人煙稀少的地區，集中控制和處理CO2等有害物也較容易。如采用太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等發(fā)電，則對環(huán)境無(wú)害。采用混合動(dòng)力時(shí)，因為內燃機不是經(jīng)常使用，排量也較小，因此排放到大氣中的有害物比傳統汽車(chē)少得多。電動(dòng)汽車(chē)如果采用鉛酸或鎳鎘電池時(shí)，有毒的鉛、鎘會(huì )污染環(huán)境，需進(jìn)行處理。如采用燃料電池時(shí)，由于其產(chǎn)物是電能和水，故不會(huì )對環(huán)境造成危害。
4. 結構簡(jiǎn)單和維修使用方便 電動(dòng)汽車(chē)在結構上比傳統燃油汽車(chē)簡(jiǎn)單，運動(dòng)部件減少，大大降低了日常維修保養量，駕駛操作更為方便，維修簡(jiǎn)單。
目前，電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)還不如傳統燃油汽車(chē)技術(shù)那樣成熟完善，動(dòng)力電池壽命短，一次充電后的有效行程短，價(jià)格較貴。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電動(dòng)汽車(chē)的推廣與普及，電動(dòng)汽車(chē)存在的技術(shù)難題會(huì )逐步得到解決。
12.1.2 電動(dòng)汽車(chē)的類(lèi)型
根據所使用的基本動(dòng)力能源不同，電動(dòng)汽車(chē)大致可分為三類(lèi)：蓄電池電動(dòng)汽車(chē)Electric Vehicle（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)Hybrid Electric Vehicle（HEV）、燃料電池汽車(chē)Fuel Cell Electric Vehicle（FCEV）。
1. 蓄電池電動(dòng)汽車(chē)（EV） 是指利用蓄電池作為動(dòng)力，用電動(dòng)機驅動(dòng)的汽車(chē)。不包括無(wú)軌電車(chē)及在車(chē)站、碼頭或廠(chǎng)內使用的電動(dòng)叉車(chē)和普通的電瓶車(chē)。
蓄電池電動(dòng)汽車(chē)與普通汽車(chē)的主要區別是動(dòng)力源的改變，EV用蓄電池—電動(dòng)機系統，取代了內燃機汽車(chē)的汽油機、柴油機。
2. 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV） 燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應將燃料的化學(xué)能直接轉變?yōu)殡娔艿母咝拾l(fā)電裝置。燃料電池汽車(chē)是利用燃料電池組作為動(dòng)力源的汽車(chē)，它同內燃機相似，只要不斷地供給燃料，燃料電池就能不斷地把燃料氧化的化學(xué)能轉換為電能，解決了蓄電池一次充電續駛里程短的問(wèn)題，成為21世紀電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展方向。
**早的FCEV是燃料電池大客車(chē)，燃料電池的輔助裝置的質(zhì)量重，體積大，因此在早期的FCEV上，燃料電池組的輔助裝置占據了大客車(chē)很大的裝載空間，幾乎沒(méi)有乘客乘坐的空間，給FCEV的總布置帶來(lái)了很大的困難。經(jīng)過(guò)多國的汽車(chē)公司和燃料電池公司的努力，燃料電池的小型化得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)成功地應用到各類(lèi)型的FCEV上。
3. 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV） 它是介于內燃機汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)之間的一種車(chē)型，它使用兩種以上動(dòng)力源，能按照不同的道路交通條件，進(jìn)行動(dòng)力源組合或轉換，發(fā)揮**佳的動(dòng)力效率，達到高效、節能、環(huán)保的目的。輔助動(dòng)力可以采用燃燒某種燃料的原動(dòng)機或動(dòng)力發(fā)電機組。HEV在排放、節能等方面接近EV、FCEV，動(dòng)力性、續駛里程與傳統燃料汽車(chē)相當，是現階段取代傳統燃料汽車(chē)**理想的車(chē)輛。目前各大汽車(chē)公司推出的電動(dòng)汽車(chē)大部分是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，美國通用GM EV1型混和動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)使用汽油作為燃料，燃油經(jīng)濟性指標達到21.1km/L，其排放已經(jīng)降低到1/10 ULEV（超低排放車(chē)輛）的水平。HEV將在21世紀的運載車(chē)輛中占有重要的地位。
12.1.3 蓄電池電動(dòng)汽車(chē)的基本結構與工作原理
1.基本結構 蓄電池電動(dòng)汽車(chē)主要由電池組、控制系統、驅動(dòng)系統及安全保護系統等組成（圖12－1）。
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圖12-2 交流異步電動(dòng)機的控制系統 |
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圖12-1 蓄電池電動(dòng)汽車(chē)結構組成 |
（2）控制系統 其主要作用是對動(dòng)力電池組進(jìn)行管理和對電動(dòng)機的控制。
1）對動(dòng)力電池組的管理包括對動(dòng)力電池組的充電與放電時(shí)的電流、電壓、放電深度、再生制動(dòng)反饋的電流、（汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，利用電動(dòng)機旋轉零件轉動(dòng)或制動(dòng)的慣性能量發(fā)電，經(jīng)逆變器變交流為直流，對電磁組充電的電流）、電池的自放電率、電池溫度等進(jìn)行控制。因為個(gè)別的蓄電池性能變化后，影響到整個(gè)動(dòng)力電池組的性能，用蓄電池管理系統來(lái)對整個(gè)動(dòng)力電池組和動(dòng)力電池組中的每一單體電池進(jìn)行監控，保持各個(gè)電池間的一致性，還要建立動(dòng)力電池組的維護系統，來(lái)保證EV的正常運行。
2）對電動(dòng)機的控制包括對電動(dòng)機輸出功率、轉矩和轉速的控制，對于不同型式的電動(dòng)機，控制系統的結構也有所不同。圖12－2是對交流異步電動(dòng)機的控制系統圖。它主要由逆變器和中央控制器等部分組成，電池組輸出的直流電，經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱?dòng)機，電動(dòng)機輸出的轉矩經(jīng)汽車(chē)傳動(dòng)系驅動(dòng)車(chē)輪，中央控制器根據電動(dòng)汽車(chē)工況的變化，對這一轉變過(guò)程實(shí)行控制。
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圖12-3 雙電動(dòng)機驅動(dòng)系統
1-左半軸 2-左驅動(dòng)電動(dòng)機 3-電控差速器 4-右驅動(dòng)電動(dòng)機 5-右半軸
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EV的驅動(dòng)系統有集中驅動(dòng)系統和輪轂驅動(dòng)系統兩大類(lèi)。
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圖12-4 輪轂驅動(dòng)系統
1-輪胎 2-永久磁鐵 3-制動(dòng)盤(pán) 4-襯套 5-輪軸 6-電動(dòng)機線(xiàn)圈繞組
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左右兩個(gè)永磁電動(dòng)機直接通過(guò)半軸帶動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng)，左右兩個(gè)電動(dòng)機由中央控制器的電控差速模塊控制，形成機電一體化的差速器。
2）輪轂驅動(dòng)系統改變了內燃機汽車(chē)傳統的驅動(dòng)方式，每個(gè)車(chē)輪都是由獨立的電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)（圖12－4）。電動(dòng)機可以布置在兩個(gè)前輪、兩個(gè)后輪或四個(gè)車(chē)輪的輪轂中，成為前輪驅動(dòng)、后輪驅動(dòng)或四輪驅動(dòng)的EV。
（4）安全保護系統 EV的動(dòng)力電池組具有96～312V的高壓直流電，人觸電時(shí)會(huì )造成生命危險，因此必須設置安全保護系統。另外在撞車(chē)、翻車(chē)或線(xiàn)路發(fā)生短路時(shí)，應有應急處理裝置，因此EV必須配備電氣裝置的故障自檢系統和故障報警系統，在電氣系統發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)控制EV不能起動(dòng)等，及時(shí)防止故障的發(fā)生。
2. EV的工作原理 在EV中保存了加速踏板、制動(dòng)踏板和各種操縱手柄等，在電動(dòng)汽車(chē)工作時(shí)，傳感器將加速踏板、制動(dòng)踏板機械位移的行程量轉換為電信號，輸入中央控制器（圖12－2）。經(jīng)中央控制器處理后發(fā)出驅動(dòng)信號，控制逆變器的工作狀態(tài)，從而達到對電動(dòng)汽車(chē)工況的控制。
當汽車(chē)行駛時(shí)，電池組輸出的直流電經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱?dòng)機，電動(dòng)機輸出的轉矩經(jīng)傳動(dòng)系統驅動(dòng)車(chē)輪。當汽車(chē)減速時(shí)，車(chē)輪帶動(dòng)電動(dòng)機轉動(dòng)，通過(guò)矢量控制使感應電動(dòng)機成為交流發(fā)電機產(chǎn)生電流，再經(jīng)逆變器將交流電變?yōu)橹绷麟娤蛐铍姵亟M充電（制動(dòng)再生能量）。同時(shí)，EV控制系統通過(guò)各種傳感器、電流檢測器對動(dòng)力電池組－逆變器－驅動(dòng)電動(dòng)機系統進(jìn)行監控并及時(shí)反饋信息和報警，并通過(guò)電流表、電壓表、電功率表、轉速表和溫度表等儀表進(jìn)行顯示。
12.1.4 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的基本結構與工作原理
HEV的基本結構是在EV和FCEV的基礎上增加一套輔助動(dòng)力系統——動(dòng)力發(fā)電機組或某種原動(dòng)機。原動(dòng)機可以是內燃機、燃氣輪機等熱機。
按發(fā)動(dòng)機和電動(dòng)機的耦合方式不同，可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)（SHEV）、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）、混聯(lián)式（串、并聯(lián)式）混合動(dòng)力汽車(chē)（PSHEV）三種形式。
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圖12-5 串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) |
在車(chē)輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽滿(mǎn)狀態(tài)，其能量輸出可以滿(mǎn)足車(chē)輛要求，輔助動(dòng)力系統不需要工作，蓄電池組輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗?dòng)電動(dòng)機，驅動(dòng)電動(dòng)機輸出的轉矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸及驅動(dòng)橋驅動(dòng)車(chē)輪。
蓄電池組電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統起動(dòng)，為驅動(dòng)系統提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。
當車(chē)輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統與蓄電池組同時(shí)為驅動(dòng)系統提供能量，發(fā)動(dòng)機－發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?，和電池組輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗?dòng)電動(dòng)機。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機工作在一個(gè)相對穩定的工況，使其排放得到改善。
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圖12-6 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的組成
1-發(fā)動(dòng)機 2-電動(dòng)/發(fā)電機 3-機械傳動(dòng)系統 4-驅動(dòng)電動(dòng)機 5-逆變器 6-蓄電池組 |
圖12－6是一種電動(dòng)機的動(dòng)力在驅動(dòng)輪處進(jìn)行組合的驅動(dòng)輪動(dòng)力組合式PHEV，其驅動(dòng)模式為：
1）以發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)為基本驅動(dòng)模式，獨立驅動(dòng)后驅動(dòng)輪；
2）驅動(dòng)電動(dòng)機為輔助驅動(dòng)模式，能獨立驅動(dòng)前驅動(dòng)輪；
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圖12-7 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)
1-發(fā)動(dòng)機 2-電動(dòng)/發(fā)電機 3-變速器或減速器 4-驅動(dòng)橋 5-逆變器 6-驅動(dòng)電動(dòng)機
7-蓄電池組 |
3. 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的結構特點(diǎn) PSHEV是綜合SHEV和PHEV結構特點(diǎn)組成的，由發(fā)動(dòng)機、電動(dòng)/發(fā)電機和驅動(dòng)電動(dòng)機三大動(dòng)力總成組成。電動(dòng)機的動(dòng)力要與車(chē)輛驅動(dòng)系統相組合，可以在變速器（包括驅動(dòng)橋）處進(jìn)行組合，也可以在驅動(dòng)輪處進(jìn)行組合。
圖12－7是一種發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力與驅動(dòng)電動(dòng)機的動(dòng)力在驅動(dòng)輪處進(jìn)行組合的方式，其驅動(dòng)模式為：
1）以發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)為基本驅動(dòng)模式，帶動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機，并獨立驅動(dòng)后驅動(dòng)輪；
2）以驅動(dòng)電動(dòng)機為輔助驅動(dòng)模式，能獨立驅動(dòng)前驅動(dòng)輪；
3）在混合驅動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的后輪動(dòng)力與驅動(dòng)電動(dòng)機驅動(dòng)的前輪動(dòng)力進(jìn)行組合，成為混合四輪驅動(dòng)模式。
12.1.5 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的基本結構與工作原理
采用燃料電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)稱(chēng)為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）。
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圖12-8 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的組成 |
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圖12-9 燃料電池的基本結構
a）燃料電池本體結構 b）燃料電池組
1-負極集流體加強肋 2-隔離板、集流板 3-正極集流體加強肋 4-空氣通道 5-正極 6-電解質(zhì)基體 7-負極 8-燃料氣體通道 9-負極集流體加強肋 10-隔離板、集流板 |
單體燃料電池主要由電解質(zhì)、燃料電極、隔離板、空氣電極和集流板等組成（圖12-9）。正、負極板采用活性炭制成，置于電解質(zhì)溶液中。
燃料電池工作時(shí)，外界不斷供給負極氫氣，供給正極空氣（圖12-10），在催化劑（鉑、多孔石墨等）作用下，產(chǎn)生如下反應：
負極
正極
負極經(jīng)催化劑作用，氫原子中的電子被分離出來(lái)，在正極吸引下，在外電路形成電流，失去電子的氫離子，在正極與氧及電子結合為水，氧可從空氣中獲得，只要不斷地供給氫氣和帶走水，燃料電池就可不斷供給電能。
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圖12-10 燃料電池的工作原理
1-多孔質(zhì)燃料夾層 2-氫電極 3-負載 4-氧電極 5-多孔質(zhì)空氣夾層 |
（2）燃料電池控制系統 用于控制燃料電池的反應過(guò)程（起動(dòng)、反應、輸出電能的調整、停止等），一般用燃料電池管理系統模塊對燃料電池狀態(tài)進(jìn)行監控和檢查。
（3）驅動(dòng)系統 燃料電池的電流需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的大功率動(dòng)力DC/DC轉換器，將燃料電池產(chǎn)生的直流電轉換為穩壓的直流電流，然后經(jīng)過(guò)逆變器轉換為交流電輸送給驅動(dòng)電動(dòng)機，驅動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng)。
（4）輔助動(dòng)力系統 通常在FCEV上還要裝配一個(gè)蓄電池組作為輔助電源，其作用：①用于FCEV快速起動(dòng)；②用于儲存FCEV在再生制動(dòng)時(shí)反饋的電能；③為電動(dòng)汽車(chē)控制系統、照明系統等電氣設備提供低壓電源。
2. 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的工作原理（圖12-8） 由燃料箱不斷地供給燃料，燃料電池把燃料氧化的化學(xué)能轉換為電能，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗?dòng)電動(dòng)機，經(jīng)傳動(dòng)系統驅動(dòng)車(chē)輪。
在電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始行駛時(shí)，蓄電池組處于電量飽滿(mǎn)狀態(tài)，其能量輸出可以滿(mǎn)足汽車(chē)起動(dòng)要求，由其為驅動(dòng)系統提供能量，并對燃料電池進(jìn)行預熱，燃料電池動(dòng)力系統不需要工作；當氫氣供給足夠時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統起動(dòng)，由燃料電池動(dòng)力系統為驅動(dòng)系統提供能量，當車(chē)輛能量需求較大時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統與蓄電池組同時(shí)為驅動(dòng)系統提供能量；當車(chē)輛能量需求較小時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統為驅動(dòng)系統提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。
燃料電池若采用甲醇或汽油等作為燃料時(shí)，需要通過(guò)重整器進(jìn)行重整，一般需要10min以上才能產(chǎn)生足夠的氫氣，比內燃機的起動(dòng)時(shí)間長(cháng)得多，因此在汽車(chē)剛起動(dòng)時(shí)，由蓄電池組來(lái)提供電能，同時(shí)預熱燃料電池。
3.燃料電池汽車(chē)的分類(lèi) 按氫氣供給方式，燃料電池汽車(chē)分為改質(zhì)型和非改質(zhì)型兩種。
（1）改質(zhì)型 其車(chē)載液體燃料（甲醇或汽油等），需利用車(chē)載改質(zhì)裝置制造氫氣，再供給燃料電池。優(yōu)點(diǎn)是可使用多種燃料，缺點(diǎn)是結構復雜，體積龐大。
（2）非改質(zhì)型 由車(chē)載氫氣直接供應燃料電池。車(chē)輛構造簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕。主要問(wèn)題是車(chē)輛續駛里程短，氫燃料的補給設施費用高。
12.2 燃氣汽車(chē)
以燃氣為燃料的汽車(chē)稱(chēng)為燃氣汽車(chē)。目前常用的燃氣汽車(chē)有壓縮天然氣汽車(chē)（CNGV）和液化石油氣汽車(chē)（LPGV），它們分別以壓縮天然氣和液化石油氣為燃料。
12.2.1 CNGV和LPGV的特點(diǎn)
1.LNGV和LPGV的優(yōu)點(diǎn)
（1）有害氣體排放低 天然氣和液化石油氣在常溫下為氣態(tài)，容易與空氣混合形成均勻的可燃混合氣，燃燒完全，可以大幅度減少CO、HC和微粒的排放。另外，天然氣和液化石油氣的火焰溫度低，因此NOx的排放量也相應減少。
（2）熱效率高 天然氣辛烷值高達130，液化石油氣的辛烷值也在100左右，因此，燃用天然氣或液化石油氣可提高發(fā)動(dòng)機的壓縮比，從而獲得較高的發(fā)動(dòng)機熱效率。
（3）冷起動(dòng)性和低溫運轉性能良好 在暖機期間無(wú)需加濃混合氣。
（4）可以燃用稀混合氣 其燃燒界限寬，稀燃特性?xún)?yōu)越，可以減少NOx的生成和改善燃料經(jīng)濟性。
（5）延長(cháng)潤滑油更換周期 因其不稀釋潤滑油，可以延長(cháng)潤滑油更換周期和發(fā)動(dòng)機使用壽命。
2.LNGV和LPGV的缺點(diǎn)
（1）儲運性能差 因為天然氣在常溫、常壓下是氣體，所以體積大，儲運性能差。目前廣泛采用將天然氣壓縮到20MPa高壓或將石油氣壓縮到1.6MPa，充入車(chē)用氣瓶?jì)葍\的辦法，這些氣瓶既增加了汽車(chē)自重，又減少了載貨空間。
（2）一次充氣的續駛里程短。
（3）動(dòng)力性能下降 CNG（壓縮天然氣）或LPG（液化石油氣）均呈氣態(tài)進(jìn)入氣缸，使發(fā)動(dòng)機充氣系數降低；另外，與汽油或柴油相比，CNG或LPG的理論混合氣熱值小，因此，燃用CNG或LPG將使發(fā)動(dòng)機功率下降。
12.2.2 CNGV和LPGV的基本結構與原理
CNGV或LPGV的發(fā)動(dòng)機，多數是在原汽油機或柴油機的基礎上改裝而成，其總體結構與化油器式汽油機基本相同，只是燃料供給系統有所不同，因此這里只討論CNG和LPG供給系統。
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圖12-12 儲液罐
1-液面觀(guān)察窗 2-液面計 3-氣體輸出閥 4-液體輸出閥 5-燃料加注閥 6-燃料加注口 7-閥門(mén)室蓋 8-后行李箱
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圖12-11 LPG供給系統
1-混合器 2-燃料控制電磁閥 3-儲液罐 4-調節器
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（1）儲液罐 是一般高壓容器。轎車(chē)的儲液罐安裝在后行李箱內（圖12－12）。
在燃料加注閥5上設有過(guò)量安全裝置，當加注燃料至規定液面高度時(shí)，安全裝置自動(dòng)關(guān)閉，以防止燃料加注過(guò)量，為保證安全，規定燃料加注極限為儲液罐容量的85%。
液體輸出閥4具有自動(dòng)限流功能，當輸出流量超過(guò)規定值或壓差超過(guò)50kPa時(shí)，輸出閥將會(huì )自動(dòng)關(guān)閉。
（2）燃料控制電磁閥（圖12－13） 其功用是：當發(fā)動(dòng)機停止工作時(shí)自動(dòng)切斷燃料供給，而發(fā)動(dòng)機工作時(shí)電磁閥打開(kāi)，并可根據溫度的變化自動(dòng)實(shí)現氣體或液體的切換。
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圖12-14 調節器
1-主控制閥臂 2-壓力平衡膜片 3-主控制閥 4-鎖止膜片 5-次級氣室膜片 6-起動(dòng)電磁閥 7-次級氣室 8-次級氣室控制閥 9-燃料切換閥 10-怠速調整螺釘 11-初級氣室 12-水道 13-初級氣室膜片 14-U型卡
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圖12-13 燃料控制電磁閥
1-水溫開(kāi)關(guān) 2-液體輸出電磁閥 3-氣體輸出電磁閥 4-濾清器 5-儲液罐 |
（3）調節器（圖12－14） 其功用是對輸送給混合器的燃料進(jìn)行減壓和計量。它主要由初級氣室11和次級氣室7組成。發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，來(lái)自燃料控制電磁閥的燃料經(jīng)主控制閥3、初級氣室11、次級氣室7供給混合器。
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圖12-15 初級氣室工作原理
1-主控制閥 2-主控制閥臂 3-推桿 4-壓力平衡膜片 |
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圖12-16 次級氣室工作原理
1-鎖止膜片 2-真空氣室 3-彈簧 4-次級氣室控制閥 5-控制閥臂 |
（4）混合器（圖12－17） 其功用是使調節器輸送來(lái)的氣態(tài)燃料與空氣混合，并送往氣缸。
怠速空氣調節螺釘1與節氣門(mén)開(kāi)度調節螺釘配合，用來(lái)調節發(fā)動(dòng)機怠速。燃料主量孔調節螺釘4用來(lái)調節主供給裝置的燃料供給量，一般是在季節或使用環(huán)境變化時(shí)調節。在調節器內，由于主控制閥和次級氣室控制閥的節流減壓作用，使次級氣室內的燃料壓力等于甚至小于大氣壓力，這樣可保證混合器主供給裝置的燃料供給量隨節氣門(mén)開(kāi)度而變化。當節氣門(mén)開(kāi)度增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量增加，同時(shí)主噴嘴處的真空度增加，主供給
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圖12-17 混合器
1-怠速空氣調節螺釘 2-怠速空氣量孔 3-主噴嘴 4-燃料主量孔調節螺釘 5-彈簧 6-空燃比調節器膜片 7-加濃閥 8-主腔節氣門(mén) 9-副腔節氣門(mén)
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圖12-18 CNG供給系統的基本組成
1-車(chē)用氣瓶 2-連通閥 3-充氣閥 4-CNG高壓管路 5-輸出閥 6-預熱閥 7-混合器 8-CNG低壓管路 9-計量器 10-調節器 11-濾清器 12-低壓表 13-高壓表 14-真空軟管 15-截止閥 |
圖12－18所示，CNG儲存于容量為50L的車(chē)用氣瓶1內，壓力為20MPa。通過(guò)每個(gè)氣瓶上的連通閥2及高壓管路4將各氣瓶連通。CNG從**后一個(gè)氣瓶上的輸出閥5流出，經(jīng)預熱器4、截止閥15及濾清器11進(jìn)入調節器10。在調節器內，CNG的壓力下降到大氣壓力。低壓的CNG經(jīng)計量器9和CNG低壓管路8進(jìn)入混合器7，在混合器中與空氣混合后進(jìn)入氣缸。
調節器部分包括高壓調節和低壓調節，它的作用是：①將氣瓶中CNG的壓力由20MPa降低至0.1MPa左右；②在發(fā)動(dòng)機停止工作時(shí)，自動(dòng)停止CNG的輸出；③當發(fā)動(dòng)機運行工況急劇變化時(shí)，能保證向發(fā)動(dòng)機正常供氣。
CNG供給系統的調節器及混合器的結構及工作原理與LPG供給系統的調節器及混合器基本相同。
12.3太陽(yáng)能汽車(chē)
太陽(yáng)能汽車(chē)是將太陽(yáng)能轉化為電能的汽車(chē)。太陽(yáng)能是取之不盡、價(jià)格低廉、零污染的理想能源，缺點(diǎn)是要依賴(lài)天氣，且能量轉換效率低，造價(jià)高。
12.3.1 太陽(yáng)能汽車(chē)的基本組成
它主要由太陽(yáng)能電池組、自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤系統、驅動(dòng)系統、控制器等組成。
1.太陽(yáng)能電池組 它是太陽(yáng)能汽車(chē)的核心，由一定數量的單體電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池方陣。
太陽(yáng)能單體電池由半導體材料制成，當太陽(yáng)光照射在該半導體材料時(shí)，半導體的電子-空穴對被激發(fā)，形成“勢壘”，也就是p-n結（圖12-19）。
由于勢壘的存在，在p型層產(chǎn)生的電子向n型層移動(dòng)而帶正電，而在n型層產(chǎn)生的空穴向p型層移動(dòng)而帶負電，于是在半導體元件的兩端產(chǎn)生p型層為正的電壓，即形成了太陽(yáng)能電池。
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圖12-20 太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能電池板 |
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圖12-19 太陽(yáng)能電池的工作原理 |
3.驅動(dòng)系統 太陽(yáng)能汽車(chē)采用的驅動(dòng)電動(dòng)機主要有交流異步電動(dòng)機、永磁電動(dòng)機、直流電動(dòng)機，其驅動(dòng)系統與EV基本相同（參見(jiàn)12.1.3）。
4. 控制器主要實(shí)現對太陽(yáng)能電磁組進(jìn)行管理和對電動(dòng)機的控制，其作用與EV控制系統相同（參見(jiàn)12.1.3）。
12.3.2 太陽(yáng)能汽車(chē)的工作原理
太陽(yáng)能汽車(chē)由太陽(yáng)能電池板在向日自動(dòng)跟蹤器的控制下始終正對太陽(yáng)，接受太陽(yáng)光，并轉換成電能，向電動(dòng)機供電，再由電動(dòng)機驅動(dòng)汽車(chē)行駛，它實(shí)際上是一種電動(dòng)汽車(chē)，其工作原理與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)(SHEV)基本相同。
由于太陽(yáng)能電池的能量較小，而且受天氣的影響，在陰天、下雨時(shí)，太陽(yáng)能電池的轉換效率降低或停止，所以太陽(yáng)能汽車(chē)往往與蓄電池組共同組成太陽(yáng)能混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。當太陽(yáng)強烈，轉換為電能充足時(shí)，由太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉換為電能后，通過(guò)充電器向動(dòng)力電池組充電，也可以由太陽(yáng)能電池板直接提供電能，通過(guò)電流變換器將電流輸送到驅動(dòng)電動(dòng)機，驅動(dòng)汽車(chē)行駛，其驅動(dòng)模式相當于串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（SHEV）。一般采用智能控制系統來(lái)控制其運行。當太陽(yáng)較弱或陰天，則靠蓄電池組對外供電。
12.4 直接噴射式汽油機
汽油機缸內直接噴射（Gasoline Direct Injection，簡(jiǎn)稱(chēng)GDI）技術(shù)的出現使發(fā)動(dòng)機技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，它可能在21世紀取代傳統的汽油機缸外噴射，成為理想的燃燒方式。
12.4.1 GDI發(fā)動(dòng)機的結構特點(diǎn)
GDI發(fā)動(dòng)機也是電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機的一種，普通的電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機是把汽油噴射到進(jìn)氣管或進(jìn)氣支管內，而GDI發(fā)動(dòng)機是把汽油直接噴射到氣缸內（圖12－21）。
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圖12-21 GDI發(fā)動(dòng)機
1-直立式進(jìn)氣管道 2-排氣凸輪軸 3-搖臂 4-氣門(mén)彈簧 5-排氣管道 6-排氣門(mén) 7-彎曲頂面活塞 8-火花塞 9-高壓旋流噴油器 10-進(jìn)氣門(mén) 11-進(jìn)氣凸輪軸 12-高壓汽油泵 |
1. 直立的進(jìn)氣管道 傳統發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣管道一般采用水平布置，而GDI發(fā)動(dòng)機采用直立式的進(jìn)氣管道，進(jìn)氣阻力更小，提高了充氣效率，與普通發(fā)動(dòng)機相比功率和扭矩提高10%左右。有的GDI發(fā)動(dòng)機還采用帶渦流閥（SCV）的螺旋進(jìn)氣管道，利用進(jìn)氣渦流使火花塞附近的混合氣濃度高于其它部分的混合氣濃度，形成分層可燃混合氣（濃度梯度），實(shí)現分層燃燒，降低了**高燃燒溫度，減少NOx的排放量，使發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放性能得到提高。
2. 高壓汽油泵 普通電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機的噴射壓力為0.3～0.4MPa，而GDI發(fā)動(dòng)機采用高壓汽油泵，其噴射壓力可達5MPa。高壓噴射提高了霧化質(zhì)量，微小汽油油滴瞬時(shí)蒸發(fā)，彌補了因向缸內直接噴射而造成的混合氣形成時(shí)間短、空間小的缺陷，保證了混合氣的質(zhì)量。
3. 高壓旋流噴油器 它被安裝在氣缸上，直接向氣缸噴油，每缸一個(gè)旋流噴油器，高壓汽油泵輸出的高壓汽油供給高壓旋流噴油器，噴出旋流油霧，可使霧化的汽油在燃燒室內分布更合理，對縮短混合氣形成時(shí)間更為有利。此外，噴油器的噴射方式可根據燃燒方式調節。
4. 彎曲頂面活塞 GDI發(fā)動(dòng)機采用獨特的彎曲頂面活塞，使噴油器噴出的油霧形成縱向渦流，并有較多的油霧停留在火花塞附近，保證在火花塞附近的混合氣有較高的濃度，以便將混合氣點(diǎn)燃實(shí)現分層燃燒?；鸹ㄈ浇幕旌蠚獗稽c(diǎn)燃后，再利用渦流使火焰迅速傳播，即使是很稀的混合氣，也能保證火焰的正常傳播。
12.4.2 GDI發(fā)動(dòng)機的工作特點(diǎn)
1. 汽油直接噴射到氣缸內，汽油噴射的位置、時(shí)刻、數量可控。使GDI發(fā)動(dòng)機在點(diǎn)火的瞬時(shí)，火花塞電極周?chē)植繀^域的混合氣較濃（空燃比為12～13.5），便于發(fā)動(dòng)機起動(dòng)和著(zhù)火燃燒。大部分區域的混合氣較稀，而且在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比的混合氣，使燃燒室中混合氣濃度有組織形成各種層次，有利于渦流使火焰迅速傳播，這樣極稀的混合氣也能被火焰傳播而穩定燃燒，從而實(shí)現稀薄燃燒和分層燃燒。
2. 能根據發(fā)動(dòng)機不同的工況下，采用不同的燃燒方式：
（1）超稀混合氣燃燒方式 小負荷工況采用超稀混合氣燃燒方式。在壓縮行程后期將汽油噴入氣缸，并利用彎曲頂面活塞形成的擠壓渦流，在火花塞附近形成較濃的混合氣層，但在整個(gè)氣缸內的混合氣為超稀混合氣，空燃比為25～40。
（2）稀混合氣燃燒方式 中等負荷工況采用稀混合氣燃燒方式。在進(jìn)氣行程將汽油噴入氣缸，整個(gè)氣缸內的混合氣為稀混合氣，空燃比為20～25。
（3）濃混合氣燃燒方式 大負荷工況采用濃混合氣燃燒方式。在進(jìn)氣行程噴入氣缸，并利用壓縮行程產(chǎn)生的擠氣渦流形成均勻的混合氣，但整個(gè)氣缸內的混合氣為濃混合氣，空燃比約為12.5，比理論混合氣（空燃比為14.7）稍濃。
綜上所述，由于GDI發(fā)動(dòng)機采取了稀薄燃燒和分層燃燒等技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機的燃料經(jīng)濟性和排放性能大幅度提高，一般油耗可降低35%～40%，CO和HC的排放量減少30%左右，NOx的排放量減少95%左右。由于GDI發(fā)動(dòng)機充氣效率提高，使發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性提高10%左右。GDI發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火系統采用微機控制，利用爆燃傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制，能有效地消除爆燃現象。GDI發(fā)動(dòng)機的不足之處，由于采用稀薄燃燒，使得傳統的三元催化轉換器的轉換效率大大降低，甚至不能發(fā)揮
作用，必須使用專(zhuān)門(mén)研制的催化轉換器。
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本章小結
1.電動(dòng)汽車(chē)是依靠電能驅動(dòng)的車(chē)輛，它具有零排放的極大優(yōu)點(diǎn)。按其使用的動(dòng)力源可分為三類(lèi)：蓄電池電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。
2.蓄電池電動(dòng)汽車(chē)主要由電池組、控制系統和驅動(dòng)系統等組成，其中控制系統與使用的驅動(dòng)電機的形式有關(guān)。電池組輸出的直流電經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱?dòng)機，電動(dòng)機輸出的轉矩經(jīng)傳動(dòng)系統驅動(dòng)車(chē)輪。
3.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是將電力驅動(dòng)與輔助動(dòng)力驅動(dòng)結合起來(lái)，充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢及二者相結合產(chǎn)生的優(yōu)勢的車(chē)輛，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)按其能量耦合方式的不同可分為：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種方式。
4.燃料電池汽車(chē)是應用燃料電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)，按氫氣供給方式，燃料電池汽車(chē)分為兩種：非改質(zhì)型、改質(zhì)型。燃料電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗?dòng)電動(dòng)機，驅動(dòng)電動(dòng)機輸出的轉矩經(jīng)傳動(dòng)系統驅動(dòng)車(chē)輪。
5.以壓縮天然氣和液化石油氣為燃料的汽車(chē)，稱(chēng)為壓縮天然氣汽車(chē)（CNGV）和液化石油氣汽車(chē)（LPGV），它們是一種低污染汽車(chē)。其基本結構除燃料供給系統與化油器式汽油機的汽車(chē)有所區別，其余基本相同。CNG和LPG供給系統主要有儲液（氣）罐、調節器、混合器等組成。
6.太陽(yáng)能汽車(chē)是將太陽(yáng)能轉化為電能的汽車(chē)，由太陽(yáng)能電池組成供電系統，向電動(dòng)機供電，電動(dòng)機驅動(dòng)汽車(chē)行駛。太陽(yáng)能汽車(chē)由太陽(yáng)能電池、蓄電池組、電動(dòng)機、控制器和自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤系統等。太陽(yáng)能汽車(chē)一般與蓄電池共同組成太陽(yáng)能混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。
7.GDI發(fā)動(dòng)機是把汽油直接噴射到氣缸內。與普通的電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機相比，其結構的主要特點(diǎn)是：①采用直立的進(jìn)氣管道，②采用高壓汽油泵，③采用高壓旋流噴油器，④采用彎曲頂面活塞。它實(shí)現了混合氣的稀薄燃燒和分層燃燒。 |
【復習思考題】
1.名詞解釋?zhuān)篍V、HEV、FCEV、CNGV、LPGV、燃料電池、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能汽車(chē)、直噴式汽油機、稀薄燃燒。
2.為什么要發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)？目前內燃機汽車(chē)存在那些不可克服的缺陷？
3.試述蓄電池電動(dòng)汽車(chē)的基本組成及工作原理。
4.試述混和動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的工作原理。
5.試述燃料電池的基本結構與工作原理。
6.試述燃料電池汽車(chē)的分類(lèi)、基本結構與工作原理。
7.你對電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展前景如何認識？
8.試述CNGV、LPGV優(yōu)缺點(diǎn)，對發(fā)展燃氣汽車(chē)如何認識？
9.試述CNG、LPG供給系統的基本組成。
10.試述太陽(yáng)能汽車(chē)的基本結構與工作原理。
11.試述汽油直噴式汽油機的結構特點(diǎn)和工作特點(diǎn)。
【補充閱讀材料】
世界FCEV的發(fā)展現狀
l 1987年，美國在大客車(chē)上實(shí)驗采用磷酸燃料電池（PAFC）
l 1991年，美國采用甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PENFC）
l 1992年，美國能源政策法（EPACT）強調要開(kāi)發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)（FCEV）
l 1993年，戴姆勒-奔馳汽車(chē)公司推出了NecarⅠ～Necar Ⅳ等系列FCEV
l 2000年3月，美國通用汽車(chē)公司推出了燃料電池的歐寶面包車(chē)
l 2000年，戴姆勒-克萊斯勒汽車(chē)公司又推出了Necar V系列FCEV
l 2000年，寶馬汽車(chē)公司與德?tīng)柛９竞献鏖_(kāi)發(fā)車(chē)用固體氧化物燃料電池（IFC），并配置7種系列轎車(chē)
l 2000年，加拿大Ballard燃料電池公司**新燃料電池Mark900型面市
l 2000年，日本本田汽車(chē)公司新開(kāi)發(fā)的FCX-V3型4座燃料電池電動(dòng)汽車(chē)
l 通用汽車(chē)公司宣布在2004年生產(chǎn)燃料電池的商品車(chē)
發(fā)表于 @ 2008年06月06日 07:30:00 |點(diǎn)擊數（）
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