汽车尾气机内控制

摘要 现代城市空气主要污染就是汽车尾气污染，汽车排放的尾气主要由CO2，HC，NOX组成，CO2是主要的温室气体，HC和NOX会造成光化学污染，影响人的身体健康，而且NOX还是酸雨的主要成分。因此世界各个国家，都在积极地利用科技手段和其他方法，来降低汽车尾气所造成的大气污染。在科技手段方面，人们已经意识到不能只通过末端治理的方法来控制污染，而应该从源头控制，所以科研工作者积极地通过对发动机的改造，来实现对汽车尾气污染的治理。这些改造主要有三个方面，第一个方面是改变发动机燃烧方式；第二个方面是引入电子电路和传感器技术，实现发动机精确燃烧；第三方面在汽车上加装辅助设备，达到节能减排的目的。 关键词：汽车尾气污染 发动机 节能 减排 Abstract In the modern city, the pollution of automobile exhaust, the pollution is mainly composed of CO2, HC, NOX, CO2 is the main greenhouse gas, HC and NOX are result of the photochemistry pollution, and affect person's health, moreover NOX is principal constituent of acid rain the. In the world , every country is positively to use the technical method and other methods, reduces the pollution. In the aspect of technical method, the people already realized that cannot only think the terminal method to control pollution, but should from the source, therefore the scientific researcher through to the transformation of the engine, positively to achieve to reduse pollution. These transformations have three aspects, the first, changes the engine way of combustion; The second, introduces the technology of electronic circuit and the sensor, to reach the engine to burn precisely; The third, installs the supporting facility on the automobile, to achieve the goal of energy-saving and ejection-decreasing. Keyword: the pollution of automobile exhaust engine energy-saving ejection-decreasing 引言 我国大中城市大气污染中有60%以上是由汽车摩托车尾气中的CO、NOx及烃类所造成的。据研究，目前大气中38.5%的一氧化碳(CO)、21.7%的碳氢化合物(HC)、87.6%的氮氧化物(NOx)、11.7%的二氧化碳(CO2)、6.2%的二氧化硫(SO2)、32%的微粒物(PM)来自汽车废气排放。而城市大气中，61%的CO、87%的HC、55%的NOx来自汽车废气排放[1]。而汽车尾气中的CO2所形成的温室效应是导致全球气候变暖的重要原因[2]。现在世界各国都对发动机的排放制定了严格的标准，我国也对各类车用发动机的排放制定了国家标准。因此，必须找到适当的途径降低发动机的污染物排放量，以求满足日益严格的排放要求。 1燃油汽车在环保方面的发展 1.1汽油发动机的发展 汽油发动机经济性能和污染物排放的改造总体上是围绕着改变空燃比和压缩比这两个重要的汽车参数而进行的，加之利用自动化和传感器技术使汽车能精确控制这两个参数来实现。 发动机的排气成分是燃烧的组成元素C及H和空气中的O2及N2在高温高压下燃烧所生成的，主要成分是CO2、CO、H20、02、H2和N2，微量成分主要有NO以及未燃烧的燃料成分HC。这些成分受到空燃比的影响，图1为不同空燃比时测定的发动机排气成分的实例。空燃比指空气质量与燃油质量之比，从图上看出在理论值为14.7∶1附近污染物排放较少，不过一般实际值都控制比理论值大。实际空燃比偏大于理论空燃比，这样氧气充足，燃料燃烧越完全，但要控制在一个较合理的范围内。 压缩比就是汽缸内活塞的最大行程容积与最小行程容积的比值，例如压缩比为10的发动机就是将可燃混合汽压缩为原来体积的1／10。在发动机的结构参数中，压缩比与排放关系比较大，而且这一参数的影响遵循下列两点原则：1、在上止点时燃烧室的面容比F／V越大、进入活塞的间隙的混合气越多，排气氧化不多时HC的排出量增大；2、若使由燃烧室壁面散失的热量减少、残留气体减少，则NO的排放增大。根据图2所示，可以看出压缩比ε对HC及NO排放的具体影响。当空燃比在14.6时，ε增大后，F／V增加，HC的排放含量变大。NO的排放受两方面影响，一是压缩比升高后，燃烧温度上升导致NO增多，另一方面是热效率提高和F／V增加使NO减少。一般来说在发动机的其他设计不变的情况下，压缩比越高的车功率越大，效率越高，燃油经济性方面和环保方面也会好一些。但压缩比也不可能无限制地提高，应该在一个合理范围内，否则会损伤发动机。 简单的说，汽油发动机的发展，首先是化油器式发动机，它是通过化油器进行油气混合控制，再将可燃混合气输入发动机；再到歧管喷射式发动机，它是通过控制进气管上的进气阀（油门），油路控制较少，来达到控制空燃比和压缩比目的；目前最先进的是直喷式汽油发动机，它是通过喷油装置控制汽缸中的燃油量，来实现精确控制空燃比和压缩比，使发动机能得到良好的经济和动力效果，达到较高的环保要求。不过现在全世界行驶的汽车中，以上介绍的三种发动机都在大量使用，因此以下本文将较详细介绍这三种发动机原理，从而比较出这三种发动机在环保和节能方面的特点。 1.1.1化油器式发动机在环境保护方面的发展 化油器式发动机除了发动机，最主要的部件就是化油器。化油器会根据发动机在不同情况下的需要，将汽油气化，并与空气按一定比例混合成可燃混合气。及时适量进入气缸。大气压力会从高压扩散到低压。当引擎的活塞处于抽空状态时，活塞内会形成一个低压。同时这个低压也会引起化油器里的低压。因为在引擎和化油器外面的压力比较高，空气将会冲进化油器并且进入引擎直到压力被均衡。通过化油器流动的空气将会带动燃料，燃料将会与空气混合。化油器最主要的部分就是喉管，汽油在真空度的作用下从喷管出油口喷出，因为喉管咽喉处的空气流速是汽油流速的25倍，因此喷管喷出的油流即被高速的空气流冲散，形成大小不等的雾状耘粒，即“雾化”。初步雾化的油粒与空气混合成“混合气”，经节气门、进气管道和进气门进入气缸的燃烧室。 发展到今天，就形成了有多种辅助装置的化油器，主要有怠速、加浓、加速、启动等装置。目前4缸发动机常见的化油器是双腔分动式化油器，它有两个喉管，按照发动机不同工况分别或同时工作。6缸发动机常见的化油器是双腔并动式化油器，它实际上是两个单腔化油器并在一起，每一个腔体负责一半数目的气缸的混合气供气。还有多腔化油器，装配在功率较大的发动机上。 化油器式发动机由于汽油跟空气是在化油器内混合，那么他们只能均匀的混合在一起，所以必须达到理论空燃比才能获得较好的动力性和经济性，但由于喷油嘴离燃烧室有一定的距离，汽油同空气的混合情况受进气气流和气门开关的影响较大，并且微小的油颗粒会吸附在管道壁上，这就的理论空燃比很难达到，而且传统的化油器式多缸汽油机更难保证混合气在量和质(燃料的成分、添加剂的多少)上分配的均匀。下面以化油器式六缸汽油机为例予以说明。在6缸直列式发动机上，化油器通常被设置在进气歧管上的3号和4号气缸之间见图3。化油器输出的空气—燃料混合气通过进气歧管进入气缸盖内的各缸的进气道及气缸。（（作者吴昌将））在理想情况下，提供给每一个气缸的应该是具有同样空燃比的、相同质量的混合气。然而，进气歧管的设计和制造，会影响到到达不同气缸的混合气的空燃比以及混合气的质量，使某些气缸得到是较其他气缸浓的混合气，图3示出了这种现象发生时的情况。这些都是化油器式发动机无法解决的问题。 1.1.2歧管喷射式发动机在环境保护方面的发展 歧管喷射式发动机除了发动机，最主要的部件就是节流阀体机构。新鲜空气自进气道、空气滤清器一路往引擎前进，下一个会碰到的就是节流阀，也就是俗称的（油门）。这是整个引擎，唯一由驾驶人所控制的机构，在化油器引擎中，这个任务则由化油器担任；而在喷射供油引擎中，节流阀体取代了化油器。在采用了歧管喷射供油系统后，燃油直接在进气门前由喷射器射入歧管内，节流阀体便少了使燃油与空气混合的任务。 进气歧管位于节气门与引擎进气门之间，之所以称为（歧管），是因为空气进入节气门后，经过歧管缓冲后，空气流道就在此分歧了，对应引擎汽缸的数量，将混合油气分别导入各汽缸中。以自然进气引擎来说，由于进气歧管位于节气门之后，所以当引擎油门开度小时，汽缸内无法吸到足量的空气，就会造成歧管真空度高；而当引擎油门开度大时，进气歧管内的真空度就会变小。因此，喷射供油引擎都会在进气歧管上装设一个压力计，供给ECU判定引擎负荷，而给予适量的喷油。 不过歧管喷射式发动机也与化油器式发动机一样会导致各缸空燃比不同的缺点。歧管喷射式发动机由歧管喷射的燃料不能完全蒸发．它们将在混合气中结成小粒(液态汽油的小微粒)比燃料蒸气重一些．并且不能像已蒸发了的燃料那样，容易地转过进气通道的拐角。因此，这些燃料微粘仅会在完全笔直的进气通道线路上连续运动，直到碰撞在进气歧管的壁面上。图4示，第V号气缸进气门开启的情况，混合气将会朝这个方向流动并进入这个气缸。已经蒸发了的燃料和空气转过弯角进入第V号气缸，而燃油小微粒则由于惯性仍然继续运动，直到碰撞别进气歧管的壁面上(如图4左部所示)：当第Ⅵ号气缸的进气门开启，混合气亦会充进Ⅵ号气缸，可是，当混合气通过液态汽油的积洼地方时，混合气要带起一部分燃料并携其进入气缸，这就使得第Ⅵ号气缸内的混合气浓度变浓。即第Ⅵ号气缸内空燃比改变了,从而燃烧与排气都会随之改变。所以歧管喷射式发动机的空燃比的改变主要是随进气歧管通道形状、发动机转速、经过这些通道的空气速度的变化，亦即受发动机的转速和行气门开度的影响。若要发动机无过多污染地工作，空气及燃料充入时的均匀分配是非常重要的。 目前的发展，歧管喷射式发动机为了能精确控制油气混合，许多新推出的车型已采用了电子控制的节气门，即电喷技术。 1.1.3传统发动机的发展概述与稀燃发动机的提出 以上所介绍的化油器式和歧管喷射式汽油机都属于传统的汽油机。目前这一类汽车还在广泛使用，虽然随着发动机技术和自动化技术的发展，使它们在经济动力和环保节能方面得到了长足的进步，但是由于发动机本身的燃烧方式之一根本技术没有发生改变，所以它们都存在无法逾越的自身技术劣势。传统汽油机为了降低汽车排放污染，主要采用的就是闭环化学计量比电控系统加三元催化转化器之一主流技术。闭环化学当量比电控系统就是利用闭环电子控制系统将汽油机汽缸中的空燃比精确控制在14.7左右，使之燃烧过后的废气各成分的比例达到三元催化转化器可以理想工作条件，但这种方法最致命的缺点就是以牺牲燃油经济性为前提的。传统的汽油机采用均质预混合方式工作，其空燃比被限制在以化学计量比为中心的一个狭窄范围内．其本身具有以下缺点：1、为了保证点火所要求的空燃比．只能用进气管节流方式对混合气充量进行调节，即所谓量调节，由于节流会引起较大的泵气损失，造成低负荷的燃油经济性较差；2、由于缸内充满了均质的容易着火和燃烧的混合气．容易产生爆震，因此不能采用高压缩比，使热效率较低；3、浓混合气的比热容比较低，使热效率降低。4、在化学计量比附近燃烧，排放特别是NO排放较高。因此，这类汽油机有害气体排放量较高。 正是因为传统汽油机这些缺点，而且随着近年来对节能和降低温室气体CO2排放量的重视，对汽油机的要求已逐渐变为降低排放和节约能源两者同时兼顾。因此，曾在80年代为了降低排放而风行一时的汽油机稀形燃烧问题被再次提出。所谓稀薄燃烧汽油机是一个范围很广的概念，只要a＞17，就可以称为稀薄燃烧汽油机。为叙述方便，在此将稀燃汽油机分为两类，一类是非直喷式汽油机，包括化油器式歧管喷射式汽油机，即使采取一些特殊技术措施，一般只能在a＜25的范围内工作。而另一类是缸内直喷式汽油机，可在a=25—50范围内稳定工作。 特别是从1996年开始，日本三菱公司、丰田公司和日产公司相继推出了空燃比可达40—50的缸内直喷式汽油机，在保持良好的低排放特性的同时，燃油经济性较传统汽油机改善20％—30％，更引起了国内外对稀燃汽油机的关注。 1.1.4缸内直喷发动机的发展 通过采用高湍流和高能点火等技术，传统汽油机的稳定燃烧界限及空燃比a可超过17。但随a继续增大，由于这种均质的混合气逐渐难以点燃并且燃烧速度也减慢，会造成燃烧不稳定和HC排放回升。为了提高稀燃界限，可采用分层充气燃烧，以保证能在a＞20的条件下火花塞周围形成易于着火的浓混合气，而在周边区域是较稀混合气或空气。如图5所示，这种分层燃烧的汽油机可稳定工作在a=20—25范围内，燃油耗率降低13％左右。NOx也有显著降低。 随a的进一步提高，单靠分层充气燃烧已不能保证稳定着火，因为浓混合气区域难以维持很长时间。这样，一种类似柴油机扩散燃烧的汽油机缸内直喷式燃烧方式产生了。在空燃比很稀时，可在接近点火的时刻才开始喷油，即压缩过程喷油，加上组织合理的混合气运动，使火花塞周围的浓混合气来不及变稀就被点燃了。显然这只能用缸内直接喷射方式才能实现。目前己商品化的缸内直喷式汽油机可在a=25—50范围内稳定工作，加之进气阻力的进步减小，燃油耗率较传统汽油机可改善20％以上。 近年来，国外各大汽车厂商都在积极研究开发缸内直喷汽油机技术（GDI）。其中日本三菱公司于1996年应用传统涡旋式喷油器和逆向滚流技术，成功地开发了第一套商业用GDI系统[3]。德国大众公司于2000年向市场投放了FSI型缸内直喷汽油机[4]；2001年标志-雪铁龙公司开发了HPI缸内直喷系统[5]，丰田公司推出D—4型直喷式火花点火发动机[6]。 比较著名的三菱缸内喷注汽油机（GDI），可令混合比达到40:1。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的上方吸气的独特方式产生强大的下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强在气缸内形成纵向涡旋转流。在高压旋转喷注器的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。 这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形成较浓的层状混和状态。这种混合状态虽从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。 大众的缸内直喷式汽油发动机FSI（Fuel Stratified Injection），采用类似于柴油发动机的供油技术，通过一个活塞泵提供所需的100bar（1bar=1.02个大气压=100kpa）以上的压力，将汽油提供给位于汽缸内的电磁喷射器。然后通过电脑控制喷射器将燃料在最恰当的时间直接注入燃烧室，通过对燃烧室内部形状的设计，让混合气能产生较强的涡流使空气和汽油充分混合。然后使火花塞周围区域能有较浓的混合气，其他周边区域有较稀的混合气，保证了在顺利点火的情况下尽可能的实现稀薄燃烧。这就是分层燃烧的精髓所在[7]。 FSI发动机与常规的歧管喷射的发动机相比，其燃油供给系统的主要区别是在原有基础上增加了高压泵等零部件。图6较详细的介绍了FSI发动机燃油供给系统[1]。与传统发动机相比，降低15%的燃油消耗意味着发动机的经济性提高了15%，这是FSI的各项技术不断改进的综合成果。而在西门子公司配件商VDO(施瓦尔巴赫)董事克劳斯·埃格尔看来，汽油直喷式发动在节省燃油方面还有更大的潜力空间，在未来有望节省燃油20%甚至更多。 缸内直喷式汽油发动机实现稀燃的关键技术归纳起来有以下三个主要方面：1、提高压缩比，采用紧凑型燃烧室，通过进气口位置改进使缸内形成较强的空气运动旋流，提高气流速度；将火花塞置于燃烧室中央，缩短点火距离；提高压缩比至13：1左右，促使燃烧速度加快。2、分层燃烧，如果稀燃技术的混合比达到25：1以上，按照常规是无法点燃的，因此必须采用由浓至稀的分层燃烧方式。通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12：1左右，外层逐渐稀薄。浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。实际过程可以参看图7，为了提高燃烧的稳定性，降低氮氧化物（NOx），现在采用燃油喷射定时与分段喷射技术，即将喷油分成两个阶段，进气初期喷油，燃油首先进入缸内下部随后在缸内均匀分布，进气后期喷油，浓混合气在缸内上部聚集在火花塞四周被点燃，实现分层燃烧。3、高能点火，高能点火和宽间隙火花塞有利于火核形成，火焰传播距离缩短，燃烧速度增快，稀燃极限大。有些稀燃发动机采用双火花塞或者多极火花塞装置来达到上述目的。 目前较先进的缸内直喷式汽油发动机还有另一大特点，可以采用两种不同的注油模式，即分层注油模式和均匀注油模式。在节气门半开的状态下，分层注油可以充分发挥燃料的效率。直喷式汽油发动机技术之所以能够实现分层注油，是因为它可以控制燃烧室内的注油过程，这是提高发动机经济性的最重要的条件。由于分层注油模式的燃烧只发生在火花塞附近，所以气缸壁上的热损耗是很少的，热效率就提高了。吸入的空气通过直接喷入燃烧室而冷却下来，降低了爆震的可能性，又可以提高压缩比，这就提高了压缩终了的压力，从而使热效率进一步得到提高。在变速器转速恢复到低于发动机转速的过程中，气缸壁上不会沉积燃油，燃油基本上被完全转化成可用能量。 缸内直喷式汽油发动机在节能和环保方面的优势非常明显。在节能方面，随着空燃比的增加，发动机油耗明显下降，这主要来自几个方面的原因：首先是采用稀薄混合气燃烧时循环热效率提高。汽油机的实际循环接近于定容加热循环，定容加热循环的指示热效率与压缩比和绝热指数的关系可以看到，提高工质的绝热指数和压缩比有利于指示热效率的提高。随着空燃比的提高，空气所占的量增加，因此工质的绝热指数逐渐接近于空气的绝热指数，理论上，在空燃比达到无限大时，热效率达到最大值。另外，由于稀燃混合气燃烧温度低，燃烧产物的离解损失减小，并且降低了与气缸壁面的传热，也使热效率得以提高。由于稀燃发动机一般不受到高负荷时的爆燃极限的限制，可以采用较高压缩比，有利于热效率的提高。当采用稀薄混合气燃烧时，由于进入缸内空气的量增加，减小了泵吸损失，这对汽油机部分负荷经济性的改善是很明显的，同时也可以采用变质调节，不用节气门或是小节流，会大大较小泵吸损失，特别有利于改进部分负荷性能。在环保方面，随着空燃比的增加，由于采用稀的混合气使燃烧温度降低，NOx的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于HC和CO的氧化，因此，HC和CO的排放也减小。然而，随着空燃比增加到一定程度，由于燃烧速度的降低可能会使燃烧不完全，HC的排放会迅速增加。如果能合理地设计紧凑的燃烧室，并组织好空气运动使燃烧在短时间内完成，那么三种排放都可以大大减少。 当然缸内直喷式汽油发动机也是有不足之处的。根据稀燃发动机运转状态，在分层稀薄燃烧到均质理论空燃比燃烧过程中，空燃比连续变化。因此，三效催化转化器不能够净化排放气体中的NOx。这是因为三效催化转化器要利用排气中的HC或CO进行NOx还原反应的缘故。在稀薄燃烧中，在排放气体中残留很多氧气，不能进行NOx还原反应。为了使NOx吸储型催化剂获得高效功能，其温度必须保持在250-500℃范围内。当超过这一温度范围发动机会自动转换到均质理论空燃比燃烧，并通过三效催化转化器进行废气处理。然而这又与燃油经济性下降相关，为此，必须增加废气冷却装置。 利用这种冷却装置，排放气体通过NOx吸储型催化转化而被冷却，由于稀薄燃烧的范围宽，催化转化器的寿命也延长。然而，NOx吸储型催化转化器会受到硫侵蚀而中毒，所以必须把汽油中的含硫量尽量降低到最少。但是，如前所述，含硫低的汽油不是到处能供应的。大众汽车公司采取的措施是，把催化剂反应温度提高到650°以上，从而把附着在催化剂上的硫通过燃烧而加以消除。在高速行驶时，能够保持这样高的催化剂温度，但是，在城市内行驶时则催化剂温度下降，就不能烧除附着在催化剂的硫。为此，通过NOx传感器监视硫附着在催化剂上的程度，根据监测情况提高排放气体的温度。作为其措施，一般采用点火正时延迟，尽管这样做会引起燃油经济性恶化，但是为了净化处理NOx，这是不得已而为之。另外，直喷式发动机的喷油器安装在燃烧室上的，汽油直接喷注到汽缸当中去，油路必须具备比缸内更高的压力才能把汽油有效的喷注到汽缸当中去。燃油管道内的压力提高以后，管道的各个接头的密封处的强度也要随之提高。这样，对喷油器的设计和制造也提出了更高的要求。而且由于喷油器是直接安装在燃烧室上的，那么必须需要喷油器有耐高温的能力。此外，直喷发动机的压缩比很高，达到了惊人的11.5，在这种情况下对油的标号和油质要求就很严格。就目前中国的情况来说，必须使用98号的高清洁度汽油。 1.2燃油汽车发动机辅助部件的发展 1.2.1涡轮增压技术 发动机工作的两个要素：空气和燃油。无论怎样设计发动机，都要围绕着这两个要素做文章。想要提高发动机的功率和扭力，无非是提高发动机的供油量和进气量。增加供油量很容易，但是增加进气量就难了。因为，空气有特定的物理特性，仅仅靠自然吸气能力是有限的。于是，曾经在柴油发动机上大获成功的废气涡轮增压技术被移植到汽油机上。涡轮增压汽油发动机油然而生。 涡轮增压简称Turbo，如果在轿车尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机。涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。它是利用发动机排出的高温高压的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率了。涡轮增压的最大优点是它可在不增加发动机排量的基础上，大幅度提高发动机的功率和扭矩。一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40％甚至更多。小排量，大功率，代表着当前发动机技术的最高水平。最重要的是，此种发动机的最大扭力可以从1750-4600转之间保持210的最大值，即发动机扭力曲线呈现平台结构，这是汽车发动机设计的最高目标，发动机的最大扭力区间极大，使得驾驶感觉任何时速段，动力源源不绝，用之不竭。这是世上任何一款自然吸气发动机都无法达到的高度。 目前汽车增压发动机主要有4大类：一、机械增压系统(Supercharger)：装置在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。二、废气涡轮增压系统：利用发动机排出的废气达到增压目的。增压器与发动机无任何机械联系，压气机由内燃机废气驱动的涡轮来带动。一般增压压力可达180～200kPa，或300 kPa左右，需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。国内轿车1998年开始在排量1．8的奥迪200上运用，以后又有奥迪A6的1．8T、奥迪A41．8T，直至帕萨特1．8T、宝来1．8T。三、复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，大功率柴油机上用的较多。复合增压系统发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，但结构过于复杂。四、气波增压系统：利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大；但尺寸大、笨重和噪声大。 随着科技的进步，涡轮增压器已经变得部件更少、体积更小、转速更高，空气压缩比更优。今天在欧洲，涡轮增压器已经占到了50%，涡轮增压发动机已经成为提高动力性能的主流方向。随着新的耐高温材料、新的平衡技术和微量润滑油轴承系统及全新电子控制的使用，涡轮增压器对于今后的汽车还同样起着重要的作用。 1.2.2曲轴箱强制通风技术 PCV是Positive Crankcase Ventilation(曲轴箱强制通风)的缩写。它的作用是防止窜气进入大气，同时防止机油变质。当发动机作功燃烧过程的末端，一些未燃混合气在高压力下从活塞环漏入曲轴箱内，业内将这种泄漏称为“窜气”。这些窜气会从曲轴箱内逸入大气中造成污染。这些窜入的混合气不被排除，还会稀释曲轴箱内的机油，使机油变质造成发动机机件过早磨损。 PCV装置主要由通气软管、PCV阀组成。通气软管一条一般接通空气滤清器至气门室盖，另一条接通PCV阀至进气歧管。PCV阀由柱塞式阀门和弹簧构成，位于进气歧管的一侧，进气歧管的真空度决定了PCV阀的开闭及开启的程度，而PCV阀的开闭及开启的程度又决定了窜气混合气被重新吸入进气歧管参加燃烧的数量。 换句话说，当发动机常速或转速比较慢时，气流量小，窜气也少，PCV阀开度较小甚至关闭，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较少甚至没有。当发动机加速或转速比较高时，气流量大，窜气也大，PCV阀开度较大，因而被强制吸入燃烧的窜气也比较多。 1.2.3燃料蒸发排放控制系统 燃料蒸发排放控制系统主要由活性碳罐贮存装置、燃油蒸发净化控制装置和燃油箱燃油蒸发控制装置组成。 汽油是一种易挥发的物体，在常温下燃油箱经常充满蒸气，燃料蒸发排放控制系统的作用是将蒸气引入燃烧并防止挥发到大气中.这个过程起重要作用是活性碳罐贮存装置，因为活性碳有吸附功能。当汽车运行或熄火时，燃油箱的汽油蒸气通过管路进入活性碳罐的上部，新鲜空气则从活性碳罐下部进入活性碳罐。发动机熄火后，汽油蒸气与新鲜空气在罐内混合并贮存在活性碳罐中，当发动机启动后，装在活性碳罐与进气歧管之间的燃油蒸发净化装置的电磁阀门打开，活性碳罐内的汽油蒸气被吸入进气歧管参加燃烧。现代发动机中的燃料蒸发排放控制系统已实现电子控制，电磁阀是由车载计算机控制的。 1.2.3排气再循环系统 燃烧温度越高，N02产生越多，在最适合于燃烧的点火时期点火及最经济的空燃比时，产生的NO最多。为了减少NO排放，应该考虑不利于燃烧的空燃比及点火时期，可是这样又容易发生不完全燃烧，增加HC及CO排放，还使发动机的功率下阵。可以较好地解决这一矛盾的技术称为排气再循环(Exhaust Gas Recirculation)，简写为EGR。EGR可将车辆发动机排放有害物质氯氧化合物控制在最低程度。 EGR只使发动机排出气体的一部分重新进入进气系统，引入不活性气体(主要是CO2)到燃烧室，增加燃烧室内气体的热容量，使最高燃烧温度下降，可抑制NO的生成。采用EGR时，由于燃烧温度下降，故冷却损失减少。比热比增大还可使进气压力上升。泵气损失减少．故采用合适的点火时间可改善热效率。但是EGR量过大时，会使燃烧速度变缓，燃烧变动增大。采用EGR的发动机可使用较小空燃比，适当提前点火、增强缸内的气体流动。 发动机氮氧化物的产生主要与燃烧温度的高低、混合气中氧气的多少以及燃烧产物在高温中停留的时间长短有关。在发动机处于怠速及小负荷运行时，NOx的排放量可达到规定的范围内，因为此时发动机的温度不高。当车辆由怠速加速到正常行驶速度期间，或车速在50-120km/h的时候，往往NO的排放量较高，必须对NO的排放量进行控制。 排气再循环装置(EGR)使少量的废气与空气燃油混合气混合在一起(循环废气占全部废气的比例要小于20%)，由于废气呈“惰性”，不参加化学反应，使进入每个气缸的混合气被“稀释”，从而降低发动机内部燃烧的瞬间高温，起到减少NO生成的作用。废气的“惰性”是指废气中几乎不含氧、是不可燃烧的气体。另外．从排气歧管进入进气歧管参加循环的废气有一定的温度，使进气歧管中的空气燃油混合气受热膨胀，使吸入发动机每个气缸的可燃混合气减少，以致点火燃烧时不能产生有利于NOx生成的高温，这也使NOx排放量降低。 为了消除EGR对动力性和经济性的负面影响，往往同时采用一些快速燃烧和稳定燃烧的措施，如加强缸内混合气湍流强度，加大点火能量等。采用增强进气涡流和双火花塞点火措施后，随EGR率的提高，燃油消耗率其至比不加EGR时略有改善，稳定燃烧界限明显扩大。采用EGR反而使燃油消耗率略有改善的原因是由于燃烧温度降低使散热损失减小，以及进气节流损失下降。 2主要新型动力汽车的发展 2.1替代燃料汽车 目前石油危机加剧，汽车制造商都在积极的寻找替代汽油的燃料，研制替代燃料发动机。现在技术较成熟的替代燃料汽车有四大种类，分别是液化石油气(LPG) 汽车、压缩天然气(CHG) 汽车、乙醇汽车、甲醇汽车。替代燃料汽车在总体具有以下优点：一、解决了汽车完全依靠汽油燃料的局面，可以缓解石油危机；二、排放污染物较汽油发动机，有了大幅度的减少，减少了有毒有害气体的排放，有利于环境保护。三、结构改造简单，特别是在进行汽油发动机改造为替代燃料发动机时，技术成熟，结构改造简单，这些替代燃料与汽油最大区别是辛烷值，因此替代燃料发动机的核心技术主要改造压缩比。这些优点使替代燃料汽车现在备受青睐，发展前景看好。下面具体的介绍四种主要替代燃料汽车的特点。 2.1.1液化石油气(LPG)汽车[9] 液化石油气是多种气体不同比例的混合物，主要成分是丙烷和丁烷，还有一定比例的丁烯、异丁烯和少量乙烷，含量最低的是丙烯。液化石油气会因产地、季节的不同，组分及比例有所不同。部分国家的液化石油气汽车开发情况见表1。 表1 液化石油气汽车发展概况 时间 国家 开发机构 车型 研究开发状况 50年代 美国、荷兰、意大利 LPG 相继应用，迅速推广 1962 日本 丰田汽车公司等 出租车 日本较早应用 80年代 前苏联、马来西亚、南美各国，中国 LPG车辆（LPGV） 多用于公共交通 技术趋于成熟， 普遍推广 1996年 美国 通用汽车公司 液态丙烷改装车 正在研制 近几年 日本、澳大利亚、韩国、中国 LPG车辆（LPGV）， 成为出租车主力车型 技术发展很快 2007年 德国 宝马汽车公司 液化石油气（LPG）版宝马1系 研发工程被称为V300+，该车最高时速超过300公里 LPG有许多CNG相似的优点，如能量密度高、高辛烷值等，而它突出的优点是容易转运和装车使用，这使得它成为目前应用最广泛的车用气体燃料。其缺点主要有：燃料的储存较为复杂，一般只能利用80％的存储空间；燃料需进行再加工，使成本增高。而且由于受燃料供应量的限制，使得进一步大面积推广应用也比较困难。 LPG汽车在排放方面与天然气汽车相似，由于燃料含贪低，CO2排放比汽油车和柴油车都要低。在点燃式发动机上使用LPG燃料，几乎没有颗粒物排放，CO排放很低，HC排放水平属于中等，但在加气过程中会产生较多的LPG排放。与同等技术的汽油车相比，LPG汽车尾气排放的非甲烷碳氢化合物和一氧化碳都较低，NOx排放水平与汽油车相近，但可以通过采用三效催化剂来净化。 LPG汽车比CNG的环境效益要逊色一些，主要是由于燃料中碳氢组分的特点(含烯烃成分较高)，其排放的碳氢组分通常具有更高的臭氧反应活性，另外CO的排放量也要高一些。 2.1.2压缩天然气(CHG)汽车[10] 天然气中包含85％—99％的甲烷，作为汽油车的燃料有诸多优越之处，如低排放、低价格、储量丰富、无需加工、高辛烷值等多方面，但需进行压缩后使用(称为CNG)。在阿根廷、加拿大、意大利、新西兰、俄罗斯和美国等许多国家，天然气在一次能源结构中均占有重要地位，作为车用燃料，也显示了巨大的市场潜力。部分国家的天然气汽车开发情况见表2。 表2 天然气汽车发展概况 时间 国家 开发机构 车型 研究开发状态 1984 日本 丰田汽车公司 汽油/天然气混合燃料 开始商用车的研究 1991 日本 丰田汽车公司 CNG轿车 开展CNG专用轿车的研究 1996 意大利 菲亚特汽车公司 BRAVA（车型名称） 研制新型汽缸，提高能量密度（单位体积能量），重点研究发动机及降低排气污染技术 1997 美国 通用汽车公司 汽油/天然气两用燃料车 （VORTEC牌卡车） 已完成认证，满足安全和排放要求，将在北美销售 2007 中国 天津夏利汽车公司 夏利CNG／汽油两用燃料车 生产1000多辆，承担天津部分出租车承运业务 2008 中国 中国神龙汽车公司 东风雪铁龙新爱丽舍CNG双燃料车 9月12日上市销售 由于天然气的主要成分是甲烷，天然气汽车尾气中排放的非甲烷碳氢化合物比汽油车要低，而甲烷的排放量则相对要高。对于采用同样的排放控制技术类型的汽车，如果只是使用的燃料不同，其尾气排放水平相比的大致情况是：天然气汽车的非甲烷碳氢排放比汽油车低90％，而甲烷排放则高出9倍；天然气汽车的CO排放水平约为汽油车的20％—80％：而NOx的排放情况差异最大，不同类型的车辆测试结果完全不同，天然气汽车最低时为汽油车的40％，大多数情况下二者基本相同。 但是，天然气汽车排放的有毒有害物质如苯、1，3—丁二烯等则远比汽油车低，而且在使用过程中基本没有蒸发排放，冷启动过浓问题、运行损失和加油排放也可忽略。内于燃料含碳比汽油少，天然气汽车排放的C02也要少。如果发动机采用较高的压缩比(与柴油机接近，因为天然气的辛烷位很高，研究法辛烷值RON超过120)的话，天然气汽车的燃料效率可与柴油机抗衡，从而更有利于减少二氧化碳排放。装备现代化的电子燃料控制系统和三效催化转化器的轻型天然气汽车，其尾气排放比最严格的加州超低排放车(ULEV)标准还要低75％。这称得上是真正的清洁燃料汽车。 影响到天然气汽车推广使用的主要因素，是燃料供应网络欠缺，续行里程较短，以及储气罐相对较更等问题，因此目前只在少数国家商业应用。 2.1.3乙醇及乙醇混合燃料车 乙醇的来源多为经各种谷物、纤维生物质发酵和化工各成。添加乙醇可以有效地提高汽油的辛烷值以提高抗爆性，如含22％乙醉的汽油可以完全代替含铅汽油的作用。乙醇燃料汽车排放的未燃烧乙醇、乙醛(比汽油车高12倍)和甲醛要比汽油车高，但是这些排放污染物可以通过催化剂进行有效削减。 与汽油车相比，乙醇燃料车排放的CO和NOx分别要低20％—30％和15％左右。乙醇燃料车排放的苯、1，3—丁二烯和颗粒物也要低很多，蒸发排放部分也比汽油车低。但在环境温度很低时，有可能出启动困难而造成较高的冷启动排放。纯乙醇燃料的排放物的臭氧生成趋势与新配方汽油相近，比汽油和柴油低，但高于LPG、CNG和甲醇燃料。 乙醇及乙醇混合燃料车的发展概况见表3。由于受到成本和资源等的影响，乙醇燃料车主要在巴西得到了一定程度的实际应用。 表3 乙醇及乙醇混合燃料车发展概况 时间年 国家 开发机构 车型 研究开发状况 1979年 巴西 德国大众汽车公司 乙醇汽车 进口61万辆 1996年 巴西，美国 巴西公司/通用汽车公司 乙醇灵活燃料车 以制造，营运多年 2000年 中国 奇瑞汽车公司 A5乙醇汽车 研发阶段 2007年 巴西 巴西公司 乙醇灵活燃料车 乙醇汽车占市场份额80% 2.1.4甲醇及甲醇混合燃料车 甲醇的理化性质近似汽油，可部分或全部代替汽油或柴油在汽车中应用。而且，生产甲醇有广泛而丰富的原料(煤、天然气等)来源，又易于储存，所以许多国家进行了研究开发。目前，在技术和成本方面，甲醇汽车己达到了实用阶段见表4。 表3 甲醇及甲醇混合燃料车发展概况 时间 国家 开发机构 车型 研究开发状况 1993年 日本，美国 日本石油产业活动中心，美国能源研究中心 共同研发，使之能成为安全抗暴的液体燃料 1995年 美国加州 M85甲醇燃料车 12700辆甲醇车投入使用 1996年 日本 本田汽车公司 汽油/甲醇自由混合双燃料车 已完成可确保与汽油车相同耐久可靠 2000年 中国，德国 大众汽车公司与中国山西省科技厅 M100甲醇燃料车 中国第一辆甲醇燃料车 2008年 中国 奇瑞汽车公司 甲醇燃料车 批量生产 纯的甲醇燃料(M100)在排放方面的优势尚带有一定的不确定性，但M85甲醇混合燃料确实有一些优点。由于甲醇中不含硫和复杂的有机物，与汽油相比有两方面的优势：生成臭氧的活性很低，排放一些有毒有害空气污染物(如苯和芳香烃)低得多。但是，甲醛的排放量却高达汽油车的5倍之多，由于甲醛有毒而且可能有致癌作用，这就成为甲醇燃料汽车的主要缺点。 由于甲醇混合燃料的冷启动效困难，也会导致过量的未燃烧HC和CO排放。近期的研究还发现，由于甲醛的光化学反应活性强，基本抵消了甲醇燃料在臭氧方面的排放效益。M85混合燃料虽然只产生较少的甲醛和l，3—丁二烯，但乙醛排放比较高，接近乙醇—汽油混合燃料的排放水平。总之，甲醇燃料车受到经济因素的制约，加之环境效益和在材料磨损方面的不确定性，较少在实际中大面积地推广应用。 2.2电动汽车[13][14][15] 电动汽车由蓄电池、电动机、功率转换器、控制器、充电器等组成。蓄电池是电动汽车的动力源。功率转换器和电动机是将蓄电池的电能转换成机械能来驱动电动汽车行驶。控制器是控制电动机的电压和电流，使电动汽车以不同的速度行驶。充电器的功能是对蓄电池进行彻底的充电，并应能快速、高效地在规定时间内对蓄电池充满电，还需对自放电进行补偿而不影响蓄电池的能力和寿命。电动汽车拥有以下特点：一、无污染，噪声低，电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称。当然使用电动汽车并非绝对无污染，例如使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染。蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作燃料时会产生CO、SO2、粉尘等。但它的污染较内燃机的废气要轻得多。二、能源效率高，多样化，电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。三、结构简单，使用维修方便，电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。 2.2.1燃料电池电动汽车 初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不方便、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想发展电动汽车必须在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年代，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的0.16kW/kg，提高到2000年的0.47kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车发展的希望。燃料电池汽车(Fuel Cell—Powered E1ectric Vehicles)实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。使用氢气动力的燃料电池的工作原理：从汽油中提取氢气，然后把氢气输送到燃料电池装置。氢气在燃料电池中与氧气发生反应，产生电力，从而驱动电动机运转，成为汽车前进的动力。燃料电池的发展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在研究攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的革命。 2.2.2混合动力汽车 混合动力汽车也称为复合动力汽车。混合动力汽车是兼顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。也就是说，可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多，虽然比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要容易实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。不过现在，混合动力汽车的成本还是居高不下，加上其他的一些问题，推广起来还有很大难度。 混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式——并联和混联(串联与并联混合)。在并联形式中，电动机与蓄电池都控制在最小范围内，有利于控制成本和质量；而混联的形式。比较接近电动车，所以燃油经济性较好。 但电动电动汽车也存在一些劣势，如燃料电池汽车的劣势，如一、由于生产燃料电池，需要大量的铂制造铂催化剂，而我国是一个贫铂国家，甚至世界的铂的储量也很低，所以这也是限制燃料电池汽车发展的重要因素；二、如果燃料电池汽车大量使用，就要解决汽车加氢的问题，而氢气的制备和存储技术尚不完善，氢气如果泄露，还会破坏臭氧层。混合动力汽车的劣势，如一、目前此种汽车经济使用范围小。在交通密集的大城市内收效明显，在高速公路上收效不明显；二、它只能做到减油不代油，还是不能完全解决石油短缺危机和环保“零排放”；三，该种车型结构复杂，价格高，特别是在用车和在产车改造时改动大，进展慢。 这些劣势限制了电动汽车的发展，但是从资源的角度和现在发展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的发展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会逐渐解决。因此目前电动汽车在解决实际问题的技术的研制和开发发展较快。业内人士估计到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1％左右。 参考文献 [1] http://www.baidu.com/ [2]张禾丰，酒精(醇类)作为汽车燃料的现状及应用前景[]J，《汽车情报》，2002年第15期 [3]UK Patent Application 8927668. 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