第九章汽車排放污染物凈化方案及新能源汽車技術(shù)

對汽油車來說，其排放污染物主要有ＣＯ、ＨＣ和ＮＯｘ，對于二氣門或多氣門、非增壓或增壓發(fā)動機，均可采用閉環(huán)電控燃油噴射系統(tǒng)加三效催化轉(zhuǎn)化器，使其同時凈化ＣＯ、ＨＣ和ＮＯｘ，并能使凈化效率較高，可達到歐Ⅱ排放標準。其方案示意圖如圖９￣１所示。要滿足歐Ⅲ排放標準的要求，二氣門、非增壓汽油發(fā)動機可采用閉環(huán)電控燃油噴射系統(tǒng)加緊湊耦合型三效催化轉(zhuǎn)化器或前置雙催化轉(zhuǎn)化器或三效催化轉(zhuǎn)化器輔以強制加熱，其方案示意圖如圖９￣２ａ)所示。對于多氣門、增壓汽油發(fā)動機則可采用閉環(huán)電控燃油噴射系統(tǒng)加低起燃溫度的三效催化轉(zhuǎn)化器或緊湊耦合型三效催化轉(zhuǎn)化器，其方案示意圖如圖９￣２ｂ)所示。為了使發(fā)動機滿足歐Ⅲ法規(guī)的要求，也可采用缸內(nèi)直噴稀薄燃燒汽油機———ＧＤＩ發(fā)動機。ＧＤＩ發(fā)動機所采用的凈化技術(shù)主要是降低ＨＣ和ＮＯｘ的排放量。該凈化技術(shù)主要由以下四項技術(shù)構(gòu)成:①采用二階段燃燒，提前激活催化劑；②采用反應(yīng)式排氣管；③高ＥＧＲ率；④使用?。危希呋瘎Ｈ馄嚬镜母變?nèi)直噴汽油機排放控制措施示意圖如圖９￣３所示。歐Ⅳ排放標準在冷起動和各工況的排放限值比歐Ⅲ更小，二氣門和非增壓汽油發(fā)動機難以滿足，一般應(yīng)在多氣門增壓汽油發(fā)動機的基礎(chǔ)上采用綜合控制的發(fā)動機管理系統(tǒng)加緊湊耦合型三效催化轉(zhuǎn)化器或前置雙催化轉(zhuǎn)化器或三效催化轉(zhuǎn)化器輔以強制加熱，為進一步降低ＮＯｘ，可同時采用廢氣再循環(huán)，其方案示意圖如圖９￣４所示。歐Ⅴ排放標準的排放限值比歐Ⅳ更小，特別是在氮氧化物(ＮＯｘ

)以及非甲烷碳氫(ＮＭＨＣ)方面有更嚴格的限制。為達到歐Ⅴ的排放標準，一般在歐Ⅳ凈化方案的基礎(chǔ)之上采用可變氣門正時技術(shù)(ＶＶＴ)，其典型的凈化方案示意圖如圖９￣５所示。為達到歐Ⅱ排放標準，采用渦輪增壓中冷和高壓噴射減少微粒，有的采用電子控制噴油，有的仍用機械控制。典型的歐Ⅱ凈化方案如圖９￣６所示。為達到歐Ⅲ排放標準，柴油車需采用電子控制，噴油壓力要更高，且每循環(huán)多次噴射。其技術(shù)方案應(yīng)有高壓共軌或泵噴嘴噴射系統(tǒng)；采用多氣門和可變噴嘴渦輪增壓中冷以進一步降低微粒的排放。采用微粒捕集技術(shù)和ＮＯｘ凈化技術(shù)可進一步分別減少微粒和ＮＯｘ排放，典型的歐Ⅲ凈化方案示意圖如圖９￣７所示。為滿足歐Ⅳ排放標準，柴油車一般在歐Ⅲ凈化方案的基礎(chǔ)上，與多級中冷廢氣再循環(huán)、選擇性催化還原、微粒捕集器等技術(shù)中的一種或多種相結(jié)合，再加上先進的電控技術(shù)，可有效降低ＮＯｘ和微粒，使柴油車達到歐Ⅳ排放標準。其典型的凈化方案示意圖如圖９￣８所示。為了滿足歐Ⅴ排放標準的要求，在歐Ⅳ凈化方案的基礎(chǔ)上，需要進一步對發(fā)動機燃燒進行優(yōu)化，同時，由于更為嚴格的ＮＯｘ排放限值，單一排氣后處理技術(shù)已不能滿足要求，采用復(fù)合后處理技術(shù)能更為有效地降低柴油機排放(圖９￣９)。一、混合動力汽車１.混合動力汽車發(fā)展概況２０世紀９０年代以來，世界各國對環(huán)保的呼聲日益高漲，電動汽車脫穎而出。雖然人們普遍認為未來是電動汽車的天下，但是目前的電池技術(shù)問題阻礙了電動汽車的發(fā)展。由于一般電池的能量密度與汽油相差極大，遠未達到人們的要求，所以若在十年內(nèi)燃料電池技術(shù)沒有重大突破，電動汽車將無法取代燃油發(fā)動機汽車。在這種情況下，“準綠色”的新型產(chǎn)品混合動力型汽車登上了歷史舞臺。所謂混合動力汽車(ＨＥＶ)，是將一種或多種的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和一種或多種能量存儲技術(shù)集合于一體?；旌蟿恿ζ囋诎l(fā)達國家已經(jīng)日益成熟，有些國家已經(jīng)進入實用階段。２０世紀９０年代起，我國開始電動汽車和混合動力汽車的研制，也取得了一定的進展。隨著各國汽車排放法規(guī)的日趨嚴格，混合動力汽車性能的日益提高以及其成本的不斷降低，混合動力汽車的市場份額將逐漸增大，成為近些年來重點發(fā)展的新型汽車。２.混合動力汽車的類型和控制策略１)串聯(lián)式混合動力汽車這種系統(tǒng)更接近于電動汽車，它由燃油發(fā)動機、發(fā)電機、電池和電動機等動力裝置以串聯(lián)方式連接組成。串聯(lián)式ＨＥＶ動力傳動系的組成，如圖９￣１０所示。２)并聯(lián)式混合動力汽車并聯(lián)式ＨＥＶ動力傳動系的組成如圖９￣１１所示。這種系統(tǒng)更接近傳統(tǒng)意義上的燃油汽車，此系統(tǒng)的發(fā)動機和電動機是并列連接到驅(qū)動橋上的。３)混聯(lián)式混合動力汽車典型的混聯(lián)式ＨＥＶ動力傳動系布置方案簡圖如圖９￣１２所示，在該系統(tǒng)上既裝有電動機又裝有發(fā)電機，具備了串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)各自的特點。圖９￣１２ａ)的開關(guān)式結(jié)構(gòu)，通過離合器的結(jié)合與分離來實現(xiàn)串聯(lián)分支與并聯(lián)分支間的相互切換。圖９￣１２ｂ)的分路式結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)分支與并聯(lián)分支都始終處于工作狀態(tài)，而由行星齒輪傳動在串聯(lián)分支和并聯(lián)分支間進行發(fā)動機輸出能量的合理分配。３.混合動力汽車需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和面臨的挑戰(zhàn)與機遇１)混合動力單元技術(shù)對混合動力單元的研究主要集中在三個方面:一是燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化，通過研究燃料與空氣混合物的點燃和燃燒的過程，探究ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ以及微粒的形成機理，從而改進燃燒系統(tǒng)；二是尾氣處理技術(shù)，主要研究高效的尾氣催化系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)；三是代用燃料的研究。２)能量存儲技術(shù)能量儲存裝置的研究應(yīng)該包括以下內(nèi)容:一是研究電池內(nèi)部的連接、檢測、監(jiān)控以及便于將整個電池子系統(tǒng)安裝在汽車上的支撐機構(gòu)；二是電池設(shè)計和制造方面的改進，降低制造成本，改善電池的性能和提高使用壽命；三是電池的熱能管理及剩余電量管理。３)汽車集成電力電子模塊技術(shù)混合動力系統(tǒng)的精確運轉(zhuǎn)依賴于優(yōu)化控制的實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的開發(fā)是混合動力系統(tǒng)的最關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。在混合動力汽車進入實用化的過程中，一個關(guān)鍵性的部件是汽車集成電力電子模塊。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對整車的控制。二、純電動汽車純電動汽車(ＥＶ)又稱為蓄電池電動汽車，是一種僅采用蓄電池作為儲能動力源的汽車。電動汽車無排氣尾管，在不考慮生產(chǎn)電池和電能的排放時，它屬于零排放汽車。電池通過功率變換裝置向電動機提供電能并驅(qū)動其運轉(zhuǎn)，電動機經(jīng)傳動裝置帶動車輪旋轉(zhuǎn)從而推動汽車運動。純電動汽車主要由蓄電池、電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動電動機和驅(qū)動系統(tǒng)、車身和底盤以及安全保護系統(tǒng)等構(gòu)成。現(xiàn)代電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)由三個主要的子系統(tǒng)組成:電動機驅(qū)動子系統(tǒng)、能量子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。如圖９￣１３所示。１.純電動汽車的驅(qū)動模式１)傳統(tǒng)驅(qū)動模式傳統(tǒng)驅(qū)動模式如圖９￣１４ａ)所示，它由傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動模式演變而來，即由電動機代替發(fā)動機，仍采用燃油汽車的傳動系統(tǒng)，由離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等構(gòu)成。２)電動機驅(qū)動橋組合式驅(qū)動模式如圖９￣１４ｂ)所示，在電動機端蓋的輸出軸處安裝減速齒輪和差速器等，電動機、減速器、驅(qū)動橋的軸相互平行，一起組合成一個驅(qū)動整體。３)電動機驅(qū)動橋整體式驅(qū)動模式如圖９￣１４ｃ)所示，整體式驅(qū)動系統(tǒng)有同軸式和雙聯(lián)式兩種。同軸式驅(qū)動系統(tǒng)的電動機軸是一種特殊制造的空心軸，在電動機左端輸出軸處的裝置有減速齒輪和差速器，再由差速器帶動左右半軸，左半軸直接帶動，而右半軸通過電動機的空心軸來帶動。雙聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)由左右兩臺永磁電動機直接通過半軸帶動車輪，左右兩臺電動機由中間的電控差速器控制。４)輪轂電動機分散驅(qū)動模式如圖９￣１４ｄ)所示，輪轂式電動機直接裝在汽車車輪里，它主要有兩種結(jié)構(gòu):一種是內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其外轉(zhuǎn)子直接安裝在車輪的輪緣上。由于不通過機械減速，通常要求電動機為低速轉(zhuǎn)矩電動機；另一種就是用一般的內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子作為輸出軸與固定減速比的行星齒輪變速器的太陽輪相連，而車輪輪轂通常與其齒圈相連，它能提供較大的減速比來放大其輸出轉(zhuǎn)矩。２.純電動汽車能量總成控制技術(shù)能量管理系統(tǒng)具有以下幾項功能:①優(yōu)化系統(tǒng)的能量分配；②預(yù)測電動汽車電池的荷電狀態(tài)和相應(yīng)的續(xù)駛里程；③再生制動時，合理地調(diào)整再生能量；④提供最佳的駕駛模式:⑤根據(jù)車輛的行駛氣候條件，調(diào)整其溫度控制方式；⑥根據(jù)外部光照條件，自動調(diào)節(jié)電動汽車的燈光照明強度；⑦分析電源尤其是蓄電池的工作歷史；⑧診斷電源錯誤的工作模式和有缺陷的部件。１)純電動汽車能量管理策略傳統(tǒng)純電動汽車中，蓄電池作為唯一的能量源，承擔著車輛的全部功率負荷，這種結(jié)構(gòu)決定了只需設(shè)計簡單的能量管理策略即可實現(xiàn)能量的分配。需要在結(jié)合目前已有的混合動力汽車能量管理策略研究成果的基礎(chǔ)上，研究這類系統(tǒng)的能量優(yōu)化管理策略。２)電動汽車動力電池ＳＯＣ估計方法

美國先進電池聯(lián)合會在其?電動汽車電池實驗手冊?中定義ＳＯＣ為:在一定放電倍率下，電池剩余電量與相同條件下額定容量的比值。電池的ＳＯＣ估計方法有四個方面的作用:①根據(jù)電池的ＳＯＣ值，可以識別電池組中各電池間的性能差異，并依此進行均衡充電，以保持電池性能的均勻性，最終達到延長電池壽命的目的；②避免電池出現(xiàn)過放電、過充電；③能量管理策略根據(jù)準確的ＳＯＣ值進行合理的能量分配，從而更有效地利用有限能量；④預(yù)測車輛的剩余行駛里程。三、燃料電池汽車１.燃料電池電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖９￣１５所示。２.燃料電池電動汽車的驅(qū)動類型及其特點１)純?nèi)剂想姵仳?qū)動(ＰＦＣ)純?nèi)剂想姵仉妱悠囼?qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖９￣１６所示。２)燃料電池和輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(ＦＣ＋Ｂ)燃料電池和輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動是一種比較流行的結(jié)構(gòu)。該驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖９￣１７所示。３)燃料電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(ＦＣ＋Ｃ)這種驅(qū)動模式在燃料電池的基礎(chǔ)上增加一個超級電容，其結(jié)構(gòu)如圖９￣１８所示。４)燃料電池加輔助電池加超級電容聯(lián)合驅(qū)動(ＦＣ＋Ｂ＋Ｃ)在這種結(jié)構(gòu)中，可以由燃料電池單獨或與蓄電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動、爬坡和加速等工況需求峰值功率時，蓄電池和超級電容可以單獨或共同提供這部分功率，使能量分配更趨合理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖９￣１９所示。３.燃料電池電動汽車能量管理系統(tǒng)１)車載三種能源的比較燃料電池作為主能源，持續(xù)輸出功率大，但是由于輸出特性偏軟，故要通過ＤＣ/ＤＣ轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流高壓輸出；鎳氫電池作為主要的輔助能源，動力性好，能瞬間輸出大電流，并且可以提供燃料電池起動所需能量；由于鎳氫電池瞬間輸出大電流能力有限，而且過大的放電電流會導(dǎo)致電池性能的大大惡化，尤其重要的是其充電電流過大會降低電池的壽命，故配置超級電容，其能量可以通過副ＤＣ/ＤＣ變換器控制，這樣在大電流輸出階段，超級電容可以和鎳氫電池一并輸出大電流，更為關(guān)鍵的是在再生制動階段，超級電容可以回收大電流，減小對鎳氫電池的損害。２)動力總成控制系統(tǒng)燃料電池電動車動力總成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖９￣２０所示。３)能量管理策略多能源能量管理系統(tǒng)一方面要使三種能源在合適的工作模式下工作，同時還要實現(xiàn)整車能量效率的優(yōu)化控制。根據(jù)鎳氫電池ＳＯＣ值及汽車目前所處的運行模式可確定當前三種能源的工作狀況。燃料電池的自身機理及輔助系統(tǒng)響應(yīng)的滯后性決定了輸出功率不適應(yīng)頻繁變化，故目前燃料電池車能量管理策略的核心是減弱燃料電池發(fā)動機的動態(tài)過程，延長其壽命。一、燃氣汽車燃氣汽車根據(jù)使用燃料及其使用形態(tài)不同可分為: