《車輛工程專業(yè)導論 第4版》 課件 第四章 認識車輛工程學科的前沿技術

26六月20241車輛工程專業(yè)導論（第4版）車輛工程專業(yè)導論第四章認識車輛工程學科前沿技術第四章認識車輛工程學科前沿技術隨著經濟與社會的發(fā)展，人們對汽車的使用性能和環(huán)保提出了更高的要求。汽車傳統(tǒng)的機械裝置已經無法滿足這些需求，以電子和信息技術為核心的汽車工業(yè)技術革新、技術發(fā)明層出不窮，新能源、新材料、電子技術、計算機技術與汽車融為一體的現(xiàn)代汽車技術應運而生。世界汽車技術的發(fā)展趨勢可以用“節(jié)能、環(huán)保、安全、智能”八個字來概括。本章主要介紹汽車節(jié)能、減排、安全、智能化、NVH、先進制造等新技術，以了解汽車工程學科的一些前沿問題。26六月20242車輛工程專業(yè)導論（第4版）本章主要講授內容：第一節(jié)汽車節(jié)能技術第二節(jié)汽車減排技術第三節(jié)汽車安全技術第四節(jié)汽車智能化技術第五節(jié)汽車NVH控制技術第六節(jié)汽車先進制造技術思考題26六月20243車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月20244第一節(jié)汽車節(jié)能技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）在全球氣候不斷惡化，能源危機日益加重的嚴峻形勢下，汽車節(jié)能技術的研究尤為重要，其中發(fā)動機節(jié)能技術、整車輕量化、新能源汽車是節(jié)能的重要途徑和手段。發(fā)動機節(jié)能技術是汽車節(jié)能的關鍵，其主要目的是提高發(fā)動機熱效率和發(fā)動機比功率。26六月20245一、發(fā)動機節(jié)能技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）（一）提高發(fā)動機熱效率的措施發(fā)動機熱效率是指發(fā)動機利用燃料熱能的有效程度，目前，一般汽油發(fā)動機的熱效率僅為30%左右。提高發(fā)動機熱效率就可以節(jié)能，其主要措施有：高壓縮比、稀薄燃燒技術（均質稀薄燃燒）、缸內直噴技術、進氣增壓（渦輪增壓，諧波增壓）、增壓中冷技術、可變配氣技術（可變氣門正時、可變氣門升程）、改善進排氣過程、改變混合氣在汽缸中的流動方式、改進點火配置、提高點火能量（如獨立點火）、優(yōu)化燃燒過程、電控噴射技術、高壓共軌技術、絕熱發(fā)動機技術等。26六月20246車輛工程專業(yè)導論（第4版）（二）提高發(fā)動機比功率升功率（kw/L）是指發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的功率。體現(xiàn)發(fā)動機品質高低主要是看動力性和經濟性，也就是說發(fā)動機要具有較好的功率、良好的加速性和較低的燃料消耗量。影響發(fā)動機功率和燃料消耗量的因素有很多，其中影響最大的因素有排量、壓縮比、配氣正時。26六月20247車輛工程專業(yè)導論（第4版）升功率表示了單位氣缸工作容積的利用率，升功率越大表示單位氣缸工作容積所發(fā)出的功率越大。那么，當發(fā)動機功率一定時，升功率越大發(fā)動機的重量利用率就越高，相對而言發(fā)動機就越小，材料也就越省。升功率的高低反映出發(fā)動機設計與制造的質量。升功率（N）大小主要決定于氣缸平均有效壓力（P）和轉速（n）的乘積，即N=P×n。提高升功率就要從提高氣缸壓力和轉速入手，因此提高升功率的具體措施也就有：26六月20248車輛工程專業(yè)導論（第4版）1.提高充氣量這是四沖程發(fā)動機增加熱量的首要條件，因為燃料燃燒需要空氣，燃料與空氣比較，后者更難以充入氣缸，所以就要改善換氣條件，減少進氣阻力增大氣門通道截面積，有些發(fā)動機就采用4氣門形式。當多氣門結構布置困難時，首先要滿足進氣門的需要，不管氣門布置形式怎么樣，都是進氣門數(shù)量等于或者大于排氣門數(shù)量。2.提高轉速以增加單位時間內的充氣量現(xiàn)在轎車的發(fā)動機一般都是高轉速發(fā)動機，每分鐘轉速在5000轉以上。26六月20249車輛工程專業(yè)導論（第4版）3.改善混合氣質量和燃燒過程采用電控燃油噴射系統(tǒng)，在所有工況下混合氣的質量盡可能達到最佳，空氣與燃油的混合地點從節(jié)氣門處移至噴油嘴處，燃油直接與吸入的空氣混合，從本質上改善了混合氣的均勻性，這樣在所有工況下都能夠使混合氣的質量盡可能達到最佳狀態(tài)。4.提高發(fā)動機機械效率增加有效功的輸出，減少機械損失主要是減少零件之間的摩擦，涉及到零件加工的精度、表面加工質量、潤滑質量、溫度控制及減少附件等。26六月202410車輛工程專業(yè)導論（第4版）隨著人們對汽車安全性，舒適性，環(huán)保性能要求的提高，汽車安裝空調，安全氣囊，隔熱隔音裝置，廢氣凈化裝置，衛(wèi)星導航系統(tǒng)等越來越普及，這無形中增加了汽車的質量、耗油量和耗材量。減輕汽車自重是節(jié)約能源的基本途徑之一。汽車輕量化是目前的前沿和熱點問題，已成為汽車優(yōu)化設計和選材的主要發(fā)展方向。26六月202411二、汽車輕量化節(jié)能技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）（二）汽車輕量化的途徑汽車輕量化的主要途徑包括使用輕質材料和結構的優(yōu)化設計，此外，先進成形工藝或焊接工藝的應用能帶來明顯的輕量化效果。一般全鋼結構白車身通過優(yōu)化設計可以減重7%左右，采用鋁合金的車身可以帶來30%～50%的輕量化效果，而想減輕更多的重量就只能求助于纖維復合材制。優(yōu)化結構的主要途徑是利用有限元和優(yōu)化設計方法進行結構分析和結構優(yōu)化設計，以減小零部件的質量和數(shù)量。而先進的加工工藝是為了應對材料和結構的變更，而提出新的工藝。26六月202412車輛工程專業(yè)導論（第4版）1.汽車材料輕質化采用輕質材料是汽車輕量化的主流。汽車上輕質材料主要有鋁合金、鎂合金、高強度鋼、復合材料等。（1）鋁合金。鋁的相對密度是2.70×103kg/m3，鋁的機械性能與其純度關系密切，純鋁軟、強度低，但與某些金屬組成鋁合金后，不僅在某種程度上保持鋁固有的特點，同時又顯著地提高了它的硬度和強度，使之幾乎可與軟鋼甚結構鋼相媲美。車用鋁材料皆以鋁合金的形式出現(xiàn)。鋁合金在汽車上的應用，最初主要是以鑄造的方法生產發(fā)動機及其零部件，隨后應用于輪轂等構件。以推出的全鋁空間框架式車身為其主要代表。26六月202413車輛工程專業(yè)導論（第4版）汽車鋁合金可分為鑄造鋁合金、變形鋁合金（含鍛造鋁合金）兩大類。當前汽車用鋁以鑄件為主，約占汽車用鋁量的80%。鑄造鋁合金主要用于制造離合器殼體、變速器殼體、后橋殼、轉向器殼體、搖臂蓋、正時齒輪殼體等殼體類零件和發(fā)動機部件，以及保險杠、輪輞、轉向節(jié)、液壓泵體、制動鉗、油缸及制動盤等非發(fā)動機結構件。而且今后有進一步擴大應用的趨勢。26六月202414車輛工程專業(yè)導論（第4版）變形鋁合金在汽車上主要用于制造保險杠、發(fā)動機罩、發(fā)動機體、車門、行李箱蓋等車身面板，車輪的輪輻、輪轂罩、車輪外飾罩、制動器總成的保護罩、消聲罩、防抱死制動系統(tǒng)、熱交換器、車身框架、座椅骨架、車廂底板等結構件以及儀表板等裝飾件。未來鋁合金材料發(fā)展包括滿足特定零部件使用要求的新合金開發(fā)，成形性能與焊接性能優(yōu)良的高強度鋁合金開發(fā)，開展對具有相同力學性能、不同物理性能（密度和彈性模量）的可行性研究，研究合金熱力學性能對零部件性能的影響，開發(fā)新型抗劃傷合金等。26六月202415車輛工程專業(yè)導論（第4版）（2）鎂合金。鎂是比鋁更輕的金屬材料，它可在鋁減重基礎上再減輕15%～20%。盡管鎂在當前汽車用材中所占的比例不到1%，但是在輕量化的驅動下，鎂材料技術開發(fā)的力度不斷加大，它已步入快速階段。近年來，很多種轎車鑄件開始采用鎂合金，以適應汽車輕量化的要求。這些鎂合金鑄件包括：離合器外殼、發(fā)動機罩殼、變速箱外殼、變速箱上蓋、發(fā)動機罩蓋、轉向盤、座椅支架、儀表盤框架、車門內板、輪輞、轉向支架、制動支架、氣門支架等，甚至還有缸蓋和缸體。有60多種零部件已采用或正在開發(fā)應用鎂合金。26六月202416車輛工程專業(yè)導論（第4版）（3）高強度鋼。高強度鋼是常規(guī)高強度鋼（屈服極限大于210MPa）、超高強度鋼（屈服極限大于550MPa）和先進高強度鋼（AHSS）的總稱。采用高強度鋼板，即可以減少汽車自身的質量，又可以提高汽車的安全性和可靠性。高強度鋼材使用對象分為兩部分，一部分是汽車車身、減振及車輪用部件，另一部分是底盤和排氣系統(tǒng)。如需要具備防碰撞功能的零件，汽車門內防撞梁，汽車前后保險杠防撞板，車身A、柱B柱，發(fā)動機支撐梁，儀表板支架，門檻加強板，汽車座椅骨架等車身部件；車輪輪輻和輪輞高強度鋼板；高強度彈簧、高碳傳動軸管、高強度發(fā)動機螺栓等。汽車結構件用各種特殊鋼強度一般都達到1000MPa，如汽車轉向節(jié)、轉向扭桿等。26六月202417車輛工程專業(yè)導論（第4版）（4）塑料。塑料應用于汽車始于19世紀60年代，主要用于汽車的內飾件上，例如車內頂棚、儀表板、轉向盤、車門內板、座椅和扶手等，目的是實現(xiàn)汽車內飾柔軟化，使乘客有安全舒適感。到了20世紀70年代，能源危機促使汽車制造業(yè)開始大量采用塑料，以減輕汽車自重，降低油耗。20世紀80年代以后，汽車零部件的塑料化得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了塑料覆蓋件、塑料功能件和結構件。塑料在汽車中的應用遍及所有總成，業(yè)內習慣將他們分成內裝飾件、外裝件和功能件（其他結構件），汽車用塑料制品如圖4-1所示。表4-1列出了目前汽車中主要塑料零部件所用的材料，其中，主要車用塑料材料有PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE。26六月202418車輛工程專業(yè)導論（第4版）

圖4-1汽車用塑料制品26六月202419

車輛工程專業(yè)導論（第4版）表4-1目前汽車的主要塑料零部件所用材料26六月202420應用部位零部件主要品種外裝件保險杠及面飾、車身板、照明系統(tǒng)、裝飾件（鏡座、門把手、側面飾條）PTO、PC、聚酯、PP、PUR、PA、SMC、PUR-RIM、熱塑性塑料、PC、丙烯酸樹脂、PA、PC、PS、ASA-AES、PVC、PP、聚酯、PUR內裝件內飾件、儀表板、轉向輪、空氣導管、其他（座椅、車頂蒙里、門內板等）發(fā)泡PUR（用于減振）、PVC為基纖維、ABS、ABS/PC合金、PC、PP、改性PPE、PVC、SMA、PUR、PVC、混合PUR-RIM、ABS、PP、SMA、GMT、ABS、PC/ABS、PVC電氣零件盒、開關插座、接頭、燈光系統(tǒng)、電路板、導線高耐熱聚苯乙烯、PP、聚酯、PA、聚酯、乙酰樹脂（開關）、PPS、PBT、再生PET、PA、PPA、PVC傳動系統(tǒng)軸承、CV接頭、U型接頭PA、乙酰樹脂燃料系統(tǒng)燃油箱、燃油管HDPE、PA底盤懸掛系統(tǒng)、制動器乙酰樹脂、PA、PP芳香族聚酯胺纖維（制動摩擦片）發(fā)動機進氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)聚酯、PA、PP（空氣清潔系統(tǒng)）、PA（進氣歧管）、PA（散熱器）、PPS（水泵）車輛工程專業(yè)導論（第4版）（5）復合材料。復合材料是指將兩種或兩種以上物理性質和化學性質不同的物質結合起來而制得的一種多相固體材料。復合材料具有質量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點。復合材料基于這些優(yōu)良性能，在現(xiàn)在的車身制造中得到了越來越廣泛的應用，特別是纖維增強材料應用最廣、用量最大。在車身制造中應用較多的纖維增強材料主要有：玻璃纖維增強材料、碳纖維增強材料和高彈性機體材料等。其中尤以玻璃纖維增強材料應用最為廣泛。26六月202421車輛工程專業(yè)導論（第4版）與碳纖維增強材料相比，雖然碳纖維增強材料的力學性質更加穩(wěn)定，但其價格昂貴，使得碳纖維增強材料只是用于極少數(shù)的頂級乘用車或賽車上，而玻璃纖維增強材料的應用卻較為普遍。玻璃纖維增強復合材料中應用最廣泛的是玻纖增強塑料；這也就是通常所說的玻璃鋼，它是以不飽和聚酯為基體，以玻璃纖維及其制品增強的一種復合材料，可以代替鋼板來制造車身大型覆蓋件。26六月202422車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.零部件優(yōu)化設計在輕量化材料應用的過程中，零部件設計技術也得到相應發(fā)展，主要表現(xiàn)在新的選材與設計理念的出現(xiàn)，面向新材料的零部件設計方法和規(guī)范的制定等。3.零部件制造技術針對新材料的應用，國外開發(fā)出了一系列先進的零部件加工技術與設備，其中有很多已進入工業(yè)化的應用。他們主要包括各種先進的成型技術、連接技術和表面處理技術。在成型技術方面，采用激光拼焊、液壓成型、氣體熱成型、電磁成型、半固態(tài)鑄造等技術，均可減少零件數(shù)量和材料消耗，降低整車重量。26六月202423車輛工程專業(yè)導論（第4版）在連接技術方面，采用激光焊接鉚接與自沖鉚接粘結及復合連接等技術，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉚接、電阻電焊，可以提高連接質量，工藝性好也降低了自重。在表面處理技術方面，采用微弧氧化、金屬鋁涂層、含氟協(xié)合涂層、氣相沉積、離子注入等方法，可使鎂合金表面處理理想，以提高鎂合金零部件的使用，從未減輕車重。

26六月202424車輛工程專業(yè)導論（第4版）作為一次能源的地下石油，其貯藏量隨開采量的不斷增長而逐漸減少，油價不斷攀升，石油資源枯竭之日亦為期不遠，石油汽車將面臨饑餓和死亡。為此，科學家不斷研究開發(fā)新能源汽車，如混合動力汽車、電動汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車、燃氣汽車、代用燃料汽車等。新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常

規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。新能源汽車包括混合動力汽車、電動汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車、燃氣汽車、代用燃料汽車等。26六月202425三、新能源汽車車輛工程專業(yè)導論（第4版）（一）混合動力汽車1.混合動力汽車的特點

混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle，HEV）是在一輛汽車上同時配備電力驅動系統(tǒng)和輔助動力單元（AuxiliaryPowerUnit，APU），其中APU是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅動的發(fā)電機組，目前HEV所采用的原動機一般為柴油機、汽油機或燃汽輪機。汽車在不同位置或不同工況下使用不同的驅動方式。26六月202426車輛工程專業(yè)導論（第4版）例如：城市內行駛使用——電能源，蓄電池驅動；城間行駛使用——內燃機驅動。混合動力汽車的燃油經濟性可以達到3倍于傳統(tǒng)中型汽車，即每升燃油可行駛34km，折合3L/100km?；旌蟿恿ζ嚰饶馨l(fā)揮電驅動汽車在城市里運行時低排放、低噪聲的優(yōu)點，同時又能保留內燃機汽車能長距離運行的優(yōu)點，還可以利用驅動系統(tǒng)中的電機回收汽車制動能量。當汽車起動和爬坡時可以利用電機的輔助轉矩，使汽車配置的內燃機排量減小。當汽車在城市內處于低速運行時，可完全依靠電機運行。在長途運輸過程中可利用內燃機為電驅動系統(tǒng)中的蓄電池充電。26六月202427車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.混合動力汽車的類型HEV有三種類型：串聯(lián)式，并聯(lián)式和混聯(lián)式。（1）串聯(lián)式HEV。由發(fā)動機帶動發(fā)電機，電能在控制器的調節(jié)下帶動電動機運轉，以驅動車輪。發(fā)動機始終在熱效率高而排放較低的單一最佳工況下運轉，單一工況運轉也便于排氣后處理裝置始終保持高凈化率。低負荷運轉時，發(fā)動機發(fā)出的功率超過驅動車輛的需要，多余的電能向蓄電池充電；而高負荷運轉時，除發(fā)電機發(fā)出的電能外，電池組可提供額外的電能。但最高輸出功率要受到電機功率的限制，如圖所示。串聯(lián)圖4-2a串聯(lián)式式混合動力車適于城區(qū)運行的車輛，如公交汽車等。26六月202428車輛工程專業(yè)導論（第4版）（2）并聯(lián)式HEV。發(fā)動機和電動機可以分別獨立地向汽車的驅動系統(tǒng)提供動力，而需要大功率時可以共同提供動力，改進了串聯(lián)系統(tǒng)最大功率不足的缺陷，如圖4-2b所示。并聯(lián)式混合動力車比較適合于經常在郊區(qū)和高速公路上行駛的車輛。26六月202429圖4-2b并聯(lián)式車輛工程專業(yè)導論（第4版）（3）混聯(lián)式HEV。通過一種行星齒輪系統(tǒng)組成的動力分配裝置，將整個系統(tǒng)耦合在一起，根據(jù)行駛工況靈活采取串聯(lián)方式或并聯(lián)方式，以達到熱效率最高、排氣污染最低的效果。一般控制策略為：起步或低負荷行駛時，由電池電能驅動；勻速行駛時由發(fā)動機提供動力；加速行駛時，發(fā)動機與電池共同提供動力；停車或滑行時，發(fā)動機帶動發(fā)電機向電池充電；制動和減速時通過能量回收系統(tǒng)向電池充電。串并聯(lián)靈活驅動方式兼有串聯(lián)和并聯(lián)的特點，但控制系統(tǒng)最復雜。26六月202430圖4-2c混聯(lián)式車輛工程專業(yè)導論（第4版）4）插電式混合動力汽車。又稱為外接充電式混合動力汽車，是指汽車的驅動力由驅動電機及發(fā)動機同時或單獨供給，并且可由外部提供電能進行充電，純電動模式下續(xù)駛里程符合我國相關標準規(guī)定的汽車。

26六月202431車輛工程專業(yè)導論（第4版）（二）電動汽車電動汽車是指以電力驅動的車輛。電力可以從高架電線網(wǎng)上獲取，如無軌電車、有軌電車，也可以從移動電源（蓄電池）獲取。本文主要是指從蓄電池獲取電能，在道路上行駛的電動汽車，俗稱純電動汽車或蓄電池電動汽車。1.電動汽車與燃油汽車的區(qū)別兩者的主要區(qū)別是在能源、動力、速度控制、傳動等方面，見表4-226六月202432車輛工程專業(yè)導論（第4版）表4-2電動汽車與燃油汽車的主要區(qū)別26六月202433名稱燃油汽車電動汽車能源系統(tǒng)汽油或柴油燃料電池或蓄電池動力系統(tǒng)發(fā)動機電動機速度控制系統(tǒng)變速器離合器調速控制器傳動系統(tǒng)變速器離合器傳動軸傳動軸驅動橋車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.電動汽車的結構原理電動汽車的能量傳遞如圖4-3所示。圖4-3電動汽車的能量傳遞26六月202434車輛工程專業(yè)導論（第4版）當汽車行駛時，由蓄電池輸出電能（電流）通過控制器驅動電動機運轉，電動機輸出的轉矩經傳動系統(tǒng)帶動車輪前進或后退。電動汽車續(xù)駛里程與蓄電池容量有關，蓄電池容量受諸多因素限制。要提高一次充電續(xù)駛里程，必須盡可能地節(jié)省蓄電池的能量。電動汽車主要由電力驅動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)3部分組成。（1）電力驅動系統(tǒng)。主要包括電子控制器、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和車輪等。它的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉化為電能充入蓄電池。26六月202435車輛工程專業(yè)導論（第4版）（2）電源系統(tǒng)。主要包括電源、能量管理系統(tǒng)和充電機等。它的功用是向電動機提供驅動電能、監(jiān)測電源使用情況以及控制充電機向蓄電池充電。（3）輔助系統(tǒng)。主要包括輔助動力源、空調器、動力轉向系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、刮水器、收音機以及照明和除霜裝置等。輔助系統(tǒng)除輔助動力源外，其余的依據(jù)車型不同而不同。3.電動汽車的關鍵技術主要關鍵技術有：電動汽車及控制技術、電池及管理技術、整車控制技術、整車輕量化技術、充電技術等。26六月202436車輛工程專業(yè)導論（第4版）（三）燃料電池汽車采用燃料電池作為電源的電動汽車稱為燃料電池汽車。燃料電池汽車一般以質子交換膜燃料電池作為車載能量源。（1）燃料電池汽車的類型1）按燃料特點不同分。可分為直接燃料電池汽車和重整燃料電池汽車。直接燃料電池汽車的燃料主要是氫氣。直接燃料電池汽車排放無污染，被認為是最理想的汽車，但存在氫的制取和存儲困難等問題。重整燃料電池汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。其結構比氫燃料電池汽車復雜得多。26六月202437車輛工程專業(yè)導論（第4版）2）按燃料氫的存儲方式不同分?？煞譃閴嚎s氫燃料電池汽車、液氫燃料電池汽車和合金（碳納米管）吸附氫燃料電池汽車。3）按“多電源”的配置不同分。可分為純燃料電池驅動（PFC）的燃料電池汽車，燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動（FC+B）的燃料電池汽車，燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動（FC+C）的燃料電池汽車以及燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅動（FC+B+C）的燃料電池汽車，如圖4-5所示。26六月202438車輛工程專業(yè)導論（第4版）（2）燃料電池汽車的基本組成燃料電池汽車主要由貯氫罐、燃料電池組、電機控制系統(tǒng)、驅動電機、超級電容或輔助蓄電池及熱交換器等部件組成，如圖4-4所示。26六月202439圖4-4燃料電池汽車的基本組成a）布置示意圖b）實物圖

a)

b)車輛工程專業(yè)導論（第4版）（3）燃料電池汽車的工作原理作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學反應，產生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋（或后橋）等行走機械結構工作，從而驅動汽車前進，如圖4-5所示。26六月202440圖4-5燃料電池汽車的工作原理車輛工程專業(yè)導論（第4版）燃料電池汽車是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池。通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能動力。燃料電池雖然稱電池但不是電池，而是相當于一臺氫燃料發(fā)電機。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。燃料電池的反應結果會產生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產品主要產生水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車。燃料電池汽車的氫燃料能通過幾種途徑得到。有些汽車直接攜帶著純氫燃料，另外一些汽車有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉化為富氫氣體。單個的燃料電池必須結合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足汽車使用的要求。26六月202441車輛工程專業(yè)導論（第4版）（4）燃料電池汽車的特點與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車的優(yōu)點是：節(jié)能、轉換效率高、不需要石油燃料且穩(wěn)定性和可靠性高于內燃機；零排放或近似零排放；汽車的性能接近內燃機方式驅動的汽車水平；減少了機油泄漏帶來的水污染；降低了溫室氣體的排放；提高了燃油經濟性；提高了發(fā)動機燃燒效率；結構簡單、運行平穩(wěn)、無噪聲。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車的缺點是：燃料種類單一；要求高質量的密封；造價太高；需要配備輔助電池系統(tǒng)。（5）燃料電池汽車的關鍵技術燃料電池汽車的關鍵技術主要有包括燃料電池技術、電機技術、控制器技術，這3項技術也是一直制約燃料電池汽車大規(guī)模進入市場的關鍵因素。26六月202442車輛工程專業(yè)導論（第4版）（四）太陽能汽車太陽能汽車是利用太陽能電池將太陽能轉換成電能，并利用該電能作為能源驅動行駛的汽車，是電動汽車的一種。1.太陽能汽車的特點太陽能汽車的能源來自太陽，是真正的綠色能源汽車，其特點如下：（1）節(jié)約能源。（2）能源利用率高：太陽能汽車很少通過齒輪機構傳遞能量，可以防止能量損耗。同時又通過驅動電動機的能量利用率又非常高。（3）減少環(huán)境污染：太陽能汽車消耗的能量是電能，不產生廢氣。（4）靈活、操控性好：由于太陽能汽車中很多部件都是電子部件，所以可以保證很好的操作性。26六月202443車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月2024442.太陽能汽車的工作原理太陽能車的基本原理（圖4-6）：首先車身表面的太陽能電池鑲嵌板把太阻能轉化為電能，此電能通過峰值功率跟蹤器給負荷供給能量。從峰值功率跟蹤器出來的電能給電動機的速度控制裝置及蓄電池供電，使電動機驅動。一般情況下，電動機轉矩通過側鏈等傳動機構和減速機構傳到車輪上，使車輪轉動。圖4-6太陽能汽車基本工作原理與外形車輛工程專業(yè)導論（第4版）3.太陽能汽車的關鍵技術太陽能電動車的應用技術涉及光電、電機、電子、控制、汽車工程、機械、化學等各個方面。作為電動車密不可分的一部分，其應用關鍵技術可以歸納為五個主要方面：光電技術、車體技術、電力驅動技術、儲能電池技術和能量管理系統(tǒng)技術。26六月202445車輛工程專業(yè)導論（第4版）（五）代用燃料汽車1.代用燃料的種類所謂代用燃料是指能夠取代或部分取代目前內燃機傳統(tǒng)燃料（汽油、柴油、煤油）的燃料。能作為內燃機實際使用的代用燃料要求發(fā)動機本身不應做大的改動即能利用，應有足夠的資源，加工、運輸、使用和保管比較方便且安全可靠，使用代用燃料的發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性、耐久性和可靠性不應降低。代用燃料很廣泛，可分為氣體代用燃料和液體代用燃料。氣體代用燃料主要有：天然氣、液化石油氣、氫氣等。液體代用燃料主要有：乙醇、甲醇、二甲醚、生物柴油等。26六月202446車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月2024472.天然氣汽車按照所使用天然氣燃料狀態(tài)的不同，天然氣汽車可以分為壓縮天然氣（CNG）汽車和液化天然氣（LNG）汽車。目前世界上使用較多的是壓縮天然氣汽車。按照燃料使用狀況的不同，天然氣汽車可分為專用燃料天然氣汽車、兩用燃料天然氣汽和雙燃料天然氣汽車。天然氣汽車與普通燃油汽車相比，在結構上主要增加了燃氣供給系統(tǒng)。天然氣供給系統(tǒng)由儲氣部件供氣部件控制部件和燃料轉換部件組成。天然氣汽車的關鍵技術有：加氣站技術、發(fā)動機技術、氣瓶技術、混合控制技術。圖4-7天然汽車車輛工程專業(yè)導論（第4版）3.液化石油氣汽車以液化石油氣為燃料的汽車稱為液化石油氣汽車。液化石油氣汽車與燃油汽車相比，其特性見表4-3。表4-3液化石油氣汽車特性比較26六月202448優(yōu)點缺點減少污染汽車動力性有所下降有較好的抗爆性低溫啟動性能變差低溫起動性好續(xù)駛里程較短經濟性好汽車以雙燃料方式并存時，整車成本較高安全性好補給液化石油氣不方便車輛工程專業(yè)導論（第4版）4.氫氣汽車氫能汽車是以氫為主要能量作為移動的汽車，氫燃料汽車是在傳統(tǒng)內燃機的基礎上加以修改后可以直接用氫為燃料燃燒，產生動力。氫燃料燃燒產物只有H2O和NOx，不會產生顆粒、積炭等，從而大大減少了發(fā)動機的磨損，減輕了潤滑油被污染的程度，可以認為氫是發(fā)動機最清潔的燃料，氫燃料汽車不污染環(huán)境，是一種環(huán)境友好的綠色交通工具。缺點是氫燃燒效率低，大約只有38%，且由于氫燃料熱值高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌椭鸱秶鷮挼?，氫燃料發(fā)動機容易出現(xiàn)早燃、回火、敲缸、負荷高以及NOx排放偏高等情況。26六月202449車輛工程專業(yè)導論（第4版）5.甲醇汽車甲醇燃料汽車是指利用甲醇燃料做能源驅動的汽車。甲醇作為燃料在汽車上的應用主要有摻燒和純甲醇替代兩種。摻燒是指將甲醇以不同的比例（如M10、M15、M30等）摻入汽油中，作為發(fā)動機的燃料，一般稱為甲醇汽油；純甲醇替代是指將高比例甲醇（如M85、M100）直接用作汽車燃料。26六月202450車輛工程專業(yè)導論（第4版）甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里，用甲醇燃料助溶劑復配的M系列混合燃料。目前我國市場上使用的甲醇汽油主要有M5、M15、M50、M85以及M100等。甲醇作為車用燃料有如下優(yōu)點：（1）辛烷值高，能顯著提高燃料的混合辛烷值，增強抗爆性能，可以提高發(fā)動機的壓縮比，從而提高發(fā)動機的功率。（2）甲醇是高含氧量物質，它在氣缸內完全燃燒時所需要的過量空氣系數(shù)可以遠遠小于燃用汽油時所要求的值，燃燒更為充分。（3）揮發(fā)性好于與空氣的混合。26六月202451車輛工程專業(yè)導論（第4版）（4）可顯著降低尾氣排放。（5）在高油價、低甲醇價格情況下，經濟上甲醇燃料占有很大優(yōu)勢。（6）靈活性高，經改裝后的甲醇燃料汽車，可燃用甲醇，也可燃用汽油及兩者任意比例的混合物，不受油品和加油站的限制。（7）使用方便，對于現(xiàn)有的汽油車，無需任何改動裝置，既可以使用汽油，也可以使用低比例甲醇汽油。26六月202452車輛工程專業(yè)導論（第4版）6.乙醇汽車乙醇汽車是指使用車用乙醇汽油作為主要的動力燃料的機動車。乙醇燃料已成為國際上普遍公認可降低環(huán)境污染和取代化石燃料的主要資源。為此，世界上一些知名的汽車巨頭紛紛把目光投向乙醇汽車的研發(fā)和推廣上。車用乙醇汽油是指在汽油組分油中，按體積比加入一定比例（中國暫按10%）的變性燃料乙醇混配而成的一種新型清潔車用燃料。26六月202453車輛工程專業(yè)導論（第4版）乙醇汽油的特性和優(yōu)點：首先能增加汽油中的氧含量，使燃燒更充分，徹底有效地降低了尾氣中有害物質的排放；第二，有效提高汽油的標號，使發(fā)動機運行平穩(wěn)；第三，有效消除火花塞、氣門、活塞頂部及排氣管、消聲器部位積炭的形成，可以延長主要部件的使用壽命。巴西環(huán)境部發(fā)布了一項研究報告，宣稱使用乙醇作燃料驅動汽車產生的有害污染物并不比普通汽油少。26六月202454車輛工程專業(yè)導論（第4版）7.二甲醚汽車二甲醚汽車是指使用二甲醚作為動力燃料的機動車。二甲醚作為環(huán)保、清潔、安全的新型替代能源，已經得到國際社會的公認。二甲醚是汽車發(fā)動機，特別是柴油發(fā)動機燃料的理想替代品。二甲醚汽車具有節(jié)能環(huán)保安全性高燃燒效率高等優(yōu)點。針對我國自然條件和“富煤、少油、有氣”的能源資源特色，發(fā)展?jié)崈裟茉炊酌?，對于我國經濟發(fā)展、環(huán)境保護平衡具有重大戰(zhàn)略意義。26六月202455車輛工程專業(yè)導論（第4版）8.生物柴油汽車生物柴油汽車是指以生物柴油作為動力的一種新型新能源柴油車。柴油作為一種重要的石油鏈煉制產品，在各國燃料結構中占有較高的份額，以成為重要的動力燃料。隨著世界范圍內車輛柴油化趨勢的加快，未來柴油的需求量會愈來愈大，而石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識的提高，大大促進了世界各國加快柴油替代燃料的開發(fā)步伐。由于生物柴油燃燒時排放的二氧化碳遠低于該植物生長過程中所吸收的二氧化碳，從而改善由于二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害于人類的重大環(huán)境問題。因而，生物柴油是一種綠色柴油。生物柴油以其優(yōu)越的環(huán)保性能受到了各國的重視。26六月202456車輛工程專業(yè)導論（第4版）生物柴油車具有優(yōu)良的環(huán)保特性、較好的低溫發(fā)動機啟動性能、較好的潤滑性能、較好的安全性能、良好的燃料性能、可再生性能等優(yōu)點。因此，生物柴油汽車是今年汽車節(jié)能環(huán)保發(fā)展的主要方向之一。26六月202457車輛工程專業(yè)導論（第4版）第二節(jié)汽車減排技術26六月202458車輛工程專業(yè)導論（第4版）我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市化進程的加快，汽車保有量的急劇增加，我國的大部分城市的霧霾天氣增多，PM2.5值攀升，環(huán)境污染日趨嚴重，汽車是造成環(huán)境污染的主要因素之一。為此，汽車減排是目前熱點問題之一，人們提出了許多防治汽車尾氣污染的控制措施。為了治理環(huán)境污染，各國根據(jù)大氣環(huán)境污染的具體情況，制定有關環(huán)境保護的法律與大氣污染治理目標，對各種污染源的排放提出控制要求，針對不同類型的機動車制定出不同的排放標準，這些標準是要求強制性執(zhí)行的，因而也稱為排放法規(guī)。26六月202459一、汽車減排的強制性標準車輛工程專業(yè)導論（第4版）排放法規(guī)由一系列各種污染物的限值組成，還包括檢測、認證和強制執(zhí)行的方法，其每一部分內容互相聯(lián)系，互相一致。當今世界上主要有三種排放法規(guī)體系，即美國、歐洲和日本的排放法規(guī)體系。這些汽車排放法規(guī)已成為汽車設計與制造的準則、汽車強制性認證的主要依據(jù)和汽車產品國際貿易的保障。與國外先進國家相比，我國汽車尾氣排放法規(guī)起步較晚、水平較低，根據(jù)我國的實際情況，從八十年代初期開始采取了先易后難分階段實施的具體方案，其具體實施至今主要分為六個階段。26六月202460車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月202461車輛工程專業(yè)導論（第4版）第一階段：GB18352.1-2001《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(I)》，等效采用歐盟93/59/EC指令，參照采用98/77/EC指令部分技術內容，等同于歐1標準，從2001年4月16日發(fā)布并實施國Ⅰ標準。第二階段：GB18352.2—2001《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(Ⅱ)》，等效采用歐盟96⑽69/EC指令，參照采用98⑽77⑽EC指令部分技術內容，等同于歐2標準，從2004年7月1日起實施國Ⅱ標準。第三階段：GB18352.3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》，國Ⅲ部分等同于歐3標準，于2007年7月1日實施國Ⅲ標準。26六月202462車輛工程專業(yè)導論（第4版）第四階段：GB18352.3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》，國Ⅳ部分等同于歐4標準，從2015年1月1日起全國統(tǒng)一實施國Ⅳ排放標準。第五階段：2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》（GB18352.5-2013）。從2017年1月1日起，全國機動車將全面實施國Ⅴ排放標準。第六階段：2016年發(fā)布了第六階段（國Ⅵ）的排放標準GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，相比國Ⅴ排放標準，其限值加嚴了30%~50%。自2019年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合國Ⅵa標準限值要求。自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合國Ⅵb標準限值要求。在歐洲，2000年起開始實施歐3標準，2005年起開始實施歐4標準，2009年起開始實施歐5標準，2014年起開始實施歐6標準，歐7標準實施時間還未確定。26六月202463車輛工程專業(yè)導論（第4版）降低汽油發(fā)動機排放主要從機內凈化與機外凈化方面進行。（一）汽油機機內凈化技術降低汽油發(fā)動機排放的關鍵是從汽油機內部解決，其主要技術有：電子控制汽油噴射技術、電控點火系統(tǒng)、可變氣門正時技術、可變長度進氣歧管、廢氣再循環(huán)技術、進氣增壓技術、均質充量壓燃技術、多氣門技術、缸內直噴技術、可變壓縮比、停缸技術、OBD診斷技術等。26六月202464二、汽油機排放控制技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月2024651.電子控制汽油噴射技術電子控制汽油噴射系統(tǒng)采用多種傳感器，將發(fā)動機的負荷、轉速、吸入空氣量、冷卻水溫、排放狀態(tài)、燃燒狀況等轉換成電信號，并輸入到電子控制單元。電子控制單元按給定程序和標準數(shù)據(jù)，對這些電信號進行轉換后，發(fā)出相應的指令（電信號）驅動噴油器。噴油器開閉時刻、次數(shù)及時間等受到嚴格控制，從而使發(fā)動機獲得能夠適應各種工況的最佳混合氣。圖4-8電子控制汽油噴射系統(tǒng)車輛工程專業(yè)導論（第4版）電子控制汽油噴射系統(tǒng)節(jié)能減排的基本原理：（1）用ECU來控制每循環(huán)的噴油量和噴油時刻，可按各種工況的要求用ECU來控制每循環(huán)的噴油量和噴油時刻，對燃油量進行校正，其廢氣排放指標比化油器汽油機好得多。（2）每缸采用單獨噴油器供油，這樣，可提高各缸空燃比的均勻性和噴油量的精確性。（3）燃油霧化特性是由噴油器的特性決定的，與汽油機的轉速無關。因此，起動時仍能保持良好的霧化特性，起動性能良好，且起動時HC排放量少。26六月202466車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.電控點火系統(tǒng)在汽油機中，點火系統(tǒng)的任務是提供足夠能量的電火花適時的點燃燃燒室內的混合氣。點火系統(tǒng)的性能，如點火正時和點火能量對汽油機的燃燒有很重要的影響，從而影響發(fā)動機的性能和排放。為使汽油機高效節(jié)能、動力強勁、排放低，要求點火可靠、正時優(yōu)化。現(xiàn)代發(fā)動機上普遍采用高能點火系統(tǒng)，其點火電壓已高達30～40kV，火花塞間隙已達l～1.5mm，能保證可靠點火，增大火花強度，延長火花持續(xù)時間，從而改善了混合氣燃燒過程，降低了HC排放。26六月202467車輛工程專業(yè)導論（第4版）電控點火系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動機轉速發(fā)動機負荷以及節(jié)氣門開度冷卻液溫度進氣溫度爆燃等信號可對點火提前角進行優(yōu)化計算以實現(xiàn)精準控制，從而可有效降低發(fā)動機的燃油消耗率和有害排放物。26六月202468車輛工程專業(yè)導論（第4版）3.可變氣門正時技術傳統(tǒng)發(fā)動機的配氣相位和升程是固定的，不能使各種工況下都得到最佳的配氣正時?？勺儦忾T定時技術（VariableValveTiming，VVT）指的是發(fā)動機氣門升程和配氣相位定時可以根據(jù)發(fā)動機工況作實時的調節(jié)。VVT技術可分為3種：可變相位技術、可變升程技術以及可變相位和升程技術。代表性的VVT技術是本田公司的VTEC、豐田公司的VVT-i以及寶馬公司的Valvetronic技術。這一技術使發(fā)動機設計師無需再在低速轉矩與高速功率之間作抉擇，實時的氣門定時調整使得同時顧及低速轉矩與高速功率成為可能。26六月202469車輛工程專業(yè)導論（第4版）連續(xù)可變氣門定時技術加上先進的發(fā)動機控制策略，可以巧妙地實現(xiàn)可變壓縮比。在大負荷時，發(fā)動機容易發(fā)生自燃引起的爆燃，通過推遲進氣門關閉的時間來達到降低有效壓縮比的目的，從而避免爆燃。在中小負荷時，爆燃不再是個問題，可以通過調整氣門關閉時間達到提高有效壓縮比的目的，從而使發(fā)動機在中小負荷時有優(yōu)異的熱效率?？勺儦忾T技術也可使汽油機排放品質達到更好的水平。發(fā)動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動機的轉矩和功率可以得到進一步的提高。它的特點是在大幅提高了燃油的經濟效益的同時增加發(fā)動機的功率，但對油品的要求十分苛刻。幾種可變氣門正時技術如圖4-11所示。26六月202470車輛工程專業(yè)導論（第4版）

（a）本田VTEC（b）豐田VVT-i（c）寶馬Valvetronic圖4-9幾種可變氣門正時技術26六月202471

車輛工程專業(yè)導論（第4版）4.可變長度進氣歧管發(fā)動機的進氣道是連接進氣門和進氣總管的，進氣歧管設計的形狀也能直接影響發(fā)動機的性能。圖4-10所示為可變長度進氣歧管?？勺冮L度進氣歧管的工作原理是：隨著進氣門的開啟和關閉，在進氣管內會產生壓波動，形成吸氣波和壓力波，并以聲速傳播，進氣管的長度必須根據(jù)發(fā)動機轉速而調整，以保證最高壓力波在進氣門關閉以前到達進氣門，從而提高進氣量。發(fā)動機電腦根據(jù)轉速信號，控制驅動馬達來調整歧管開度，從而改變歧管長度。根據(jù)發(fā)動機轉速調整進氣歧管長度，低速時使用長進氣歧管來提高進氣量，增大轉矩，高速時，使用短進氣歧管來提高進氣量，提高發(fā)動機功率。26六月202472車輛工程專業(yè)導論（第4版）圖4-10可變長度進氣歧管26六月202473車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月2024745.廢氣再循環(huán)技術廢氣再循環(huán)技術是控制氮氧化合物排放的主要措施，它將汽油機排出的一部分廢氣重新引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)，與混合氣一起再進入汽缸燃燒。廢氣混入的多少用EGR率表示，其定義如下：

NOx是在高溫和富氧條件下N2和O2發(fā)生化學反應的產物。燃燒溫度和氧濃度越高，持續(xù)時間越長，NOx的生成物也越多。圖4-11廢氣再循環(huán)系統(tǒng)車輛工程專業(yè)導論（第4版）一方面廢氣對新氣的稀釋作用意味著降低了氧濃度；另一方面，考慮到除怠速外的其他工況下的CO、HC和NOx濃度均小于1%，廢氣中的主要成分為N2、CO2，和H2O，而且三原子氣體的比熱較高，從而提高了混合氣的比熱容，加熱這種經過廢氣稀釋后的混合氣所需要的熱量也隨之增大，在燃料燃燒放出的熱量不變的情況下最高燃燒溫度可以降低。從而可使NOx在燃燒過程中的生成受到抑制，明顯的降低NOx的排放。廢氣再循環(huán)系統(tǒng)如圖4-11所示。26六月202475車輛工程專業(yè)導論（第4版）

6.進氣增壓技術在汽油機中，燃料所供能量中有20%～45%是由排氣帶走的，對于非增壓汽油機可取上述百分比范圍的低限值，對高增壓汽油機可取高限值。例如，一臺平均有效壓力為1.8MPa的高增壓中速四沖程汽油機，燃料中將近47%的能量傳給活塞做功，約10%的能量通過汽缸壁散失掉，約43%的能量隨排氣流出汽缸。增壓技術的作用就在于利用這部分排氣能量，使它轉換為壓縮空氣的有效功以增加汽油機的充氣量。增壓對提高汽油機功率和改善其燃油經濟性及排放都有積極意義。26六月202476車輛工程專業(yè)導論（第4版）所謂增壓，就是利用增壓器將空氣或可燃混合氣預先進行壓縮，再送入汽油機汽缸的過程。增壓后，雖然汽缸的工作容積不變，但每循環(huán)進入汽缸的新鮮空氣或混合氣充量密度增大，使實際混合氣充量增加，因此不僅可使燃料燃燒更加充分，還可增加每循環(huán)的燃料添加量，從而達到提高汽油機功率和經濟性，改善排放性能的目的。增壓比是指增壓后氣體壓力與增壓前氣體壓力之比。汽油機增壓通常有機械增壓、廢氣增壓、氣波增壓、復合增壓等類型。26六月202477（a）機械增壓（b）渦輪增壓（c）氣波增壓（d）復合增壓圖4-12汽油機增壓方式車輛工程專業(yè)導論（第4版）7.均質充量壓燃技術（HCCI）均質充量壓縮燃燒（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）是一種全新的內燃機燃燒概念，既不同于柴油機（非均質充量壓縮點燃），又不同于汽油機（均質充量火花點燃），是一種火花點燃式發(fā)動機和壓縮點燃式發(fā)動機概念的混合體。26六月202478車輛工程專業(yè)導論（第4版）HCCI是一種預混合燃燒和低溫燃燒相結合的新型燃燒方式：在進氣過程形成均質的混合氣，當壓縮到上止點附近時均質混合氣自燃著火。由于不受燃油和氧化物分離面處混合比的限制，也沒有點火式燃燒的局部高溫反應區(qū)，使得N2和微粒（PM）排放很低，而且具有較高的熱效率。HCCI汽油機與傳統(tǒng)汽油機、柴油機的比較如圖4-15所示。26六月202479車輛工程專業(yè)導論（第4版）8.多氣門技術以前的汽油機每個氣缸只有兩個氣門（進、排氣門各一個），如果每個氣缸多于兩個氣門，就稱為多氣門汽油機（圖4-14）。圖4-14多氣門技術26六月202480車輛工程專業(yè)導論（第4版）采用多氣門汽油機的節(jié)能減排機理是：（1）擴大進、排氣門的總流通截面積，增大汽油機的進、排氣量，降低泵氣損失，使汽油機的燃燒更徹底，功率提高。（2）可實現(xiàn)關閉部分通道，形成與汽油機轉速相適應的進氣滾流強度，拓寬汽油機的高效工作轉速范圍。低速運轉時采用上述方法，可使進氣滾流強度比高速時更強，提高了低速時的混合氣質量，使燃燒更充分，功率也得到提升。26六月202481車輛工程專業(yè)導論（第4版）（3）氣門增多，則氣門變小變輕，不但允許氣門以更快的速度開啟和關閉，增大了氣門開啟的時間斷面值，而且使相鄰氣門之間被浪費的燃燒室面積大為減少，從而增加了燃燒室表面積利用率，氣門流通總面積增加。（4）由于多氣門改善了進氣能力，因此進、排氣重疊角可以減小，從而有效降低了小負荷工況時的排放，再者，多氣門排氣阻力小，進氣量大，掃除缸內廢氣效果提升。采用多氣門技術，不僅能夠有效降低汽油機的主要排放物，并且有效提升動力性和燃油經濟性，因此多氣門技術目前已被廣泛應用。26六月202482車輛工程專業(yè)導論（第4版）9.缸內直噴技術（GDI）開發(fā)車用具有汽油機優(yōu)點同時具有柴油機部分負荷高燃油經濟性優(yōu)點的發(fā)動機是主要的研究目標。以缸內直噴汽油機（GasolineDirectInjection，GDI）為代表的新型混合氣形成模式的研究和應用，極大地提高了汽油機的燃油經濟性，有效地控制NOx和HC的排放。直噴式發(fā)動機（缸內噴注式汽油發(fā)動機）與一般汽油發(fā)動機的主要區(qū)別在于汽油噴射的位置。26六月202483車輛工程專業(yè)導論（第4版）GDI裝置引進了柴油機直接將柴油噴入缸內的理念直接在缸內噴射汽油，利用缸內氣體流動與空氣混合組織形成分層燃燒（圖4-15）。汽油直噴入缸內有利于汽油的霧化，使汽油和空氣更好地混合，燃燒更為完全。另外進氣管道中沒有狹窄的喉管，空氣流動的阻力小，充氣性能好，因此輸出的功率也較大。噴油嘴噴油后大部分油霧都集中在活塞的凹坑中，靠進氣系統(tǒng)形成渦流帶動油霧在缸內形成混合氣，與周圍的稀區(qū)形成分層氣體，雖然混合比達到40:1，但高壓旋轉噴射器噴射出霧狀汽油，在壓縮沖程后期的點火前夕，被氣體的縱渦流融合成球狀霧化體，形成一種以火花塞為中心，由濃到稀的層狀混合氣狀態(tài)，聚集在火花塞周圍的混合氣很濃厚，很容易點火燃燒。26六月202484車輛工程專業(yè)導論（第4版）

圖4-15缸內直噴技術（GDI）26六月202485車輛工程專業(yè)導論（第4版）10.可變壓縮比壓縮比是氣缸總容積與燃燒室容積的比值，其表示活塞由下止點運動到上止點時氣缸內氣體被壓縮的程度，是衡量發(fā)動機性能的重要參數(shù)，是影響發(fā)動機效率最重要的因素之一。一般來說，壓縮比越高，發(fā)動機的性能就越好。對于傳統(tǒng)的發(fā)動機，一經設計好其壓縮比是固定不變的，因為燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數(shù)?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機的壓縮比汽油機一般為8～12，柴油機一般為12～22。26六月202486車輛工程專業(yè)導論（第4版）可變壓縮比（VCR）技術主要是針對增壓發(fā)動機的一種技術。固定的壓縮比不能充分發(fā)揮發(fā)動機的性能，事實上在小負荷、低轉速運轉時，發(fā)動機的熱效率低，相應地綜合性能比較差，這時可以用較大的壓縮比；而在大負荷、高轉速運轉時，若壓縮比過高，則很容易發(fā)生爆燃并產生很大的熱負荷和機械負荷，這時可以用較小的壓縮比。隨著負荷的變化連續(xù)調節(jié)壓縮比，可以最大限度地挖掘發(fā)動機的潛力，使其在整個工況區(qū)域內有效提高熱效率，進而提高發(fā)動機的綜合性能。26六月202487車輛工程專業(yè)導論（第4版）可變壓縮比的目的在于提高增壓發(fā)動機的燃油經濟性。在增壓發(fā)動機中，為了防止爆燃，其壓縮比低于自然吸氣式發(fā)動機。在增壓壓力低時熱效率降低，使燃油經濟性下降。特別在渦輪增壓發(fā)動機中由于增壓度上升緩慢，在低壓縮比條件下轉矩上升也很緩慢，形成所謂的增壓滯后現(xiàn)象。也就是說發(fā)動機在低速時，增壓作用滯后，要等到發(fā)動機加速至一定轉速后增壓系統(tǒng)才起到作用。為了解決這個問題，可變壓縮比是重要方法。就是說在增壓壓力低的低負荷工況使壓縮比提高到與自然吸氣式發(fā)動機壓縮比相同或超過；另一方面，在高增壓的高負荷工況下適當降低壓縮比。換言之，隨著負荷的變化連續(xù)調節(jié)壓縮比，以便能夠從低負荷到高負荷的整個工況范圍內有效提高熱效率。26六月202488車輛工程專業(yè)導論（第4版）由壓縮比的定義可知，要想使壓縮比有所變化，就必須從怎樣改變燃燒室容積和工作容積方面入手。發(fā)動機的燃燒室由活塞頂、氣缸和氣缸蓋3部分構成，迄今為止出現(xiàn)的一些可變壓縮比實現(xiàn)方案都是圍繞這3個元素而行的。通常采用的手段大致為下面3種：①通過改變氣缸蓋的結構來實現(xiàn)；②通過改變缸體結構來實現(xiàn)；③通過改變活塞及曲柄連桿機構來實現(xiàn)。幾種可變壓縮比技術如圖4-16所示。26六月202489（a）汽缸作推移（b）改變汽缸蓋的幾何形狀（c）改變活塞的幾何形狀（d）偏心的連桿支承（e）偏心的曲軸支圖4-16幾種可變壓縮比技術承車輛工程專業(yè)導論（第4版）11.停缸技術發(fā)動機部分負荷時，切斷部分汽缸的供油而使工作汽缸的負荷提高，以改善發(fā)動機性能的技術稱為停缸技術。26六月202490車輛工程專業(yè)導論（第4版）由于停缸工況下發(fā)動機的泵氣損失功減少，同時發(fā)動機的機械摩擦損失功也減少，從而可明顯提高發(fā)動機的燃油經濟性，這是停缸節(jié)油的主要原因。實現(xiàn)停缸的方法有3種：①僅僅停止供油（簡稱斷油）；②停止氣門運動和斷油（簡稱停閥機）；③斷油的同時引入工作缸的廢氣到不作功的汽缸內（斷油回流），停缸技術原理如圖4-17所示。26六月202491（a）部分負荷（b）大負荷圖4-17停缸技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）12.OBD診斷技術OBD診斷技術是全面達到國3、國4、國5、國6汽車排放標準的一種技術措施，并不能簡單地理解為發(fā)動機或汽車故障在線診斷技術和方法。OBD實質性能就是全面監(jiān)測汽車運行的排放污染物，主要目的是使汽車的檢測、維護和管理融為一體，以滿足環(huán)境保護的要求。OBD系統(tǒng)可監(jiān)測車輛多個系統(tǒng)和部件，包括發(fā)動機、三元催化轉換器、顆粒捕集器、氧傳感器、排放控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）等，確保車輛始終處于良好的技術狀況。26六月202492車輛工程專業(yè)導論（第4版）（二）汽油機后處理凈化技術隨著對發(fā)動機排放要求的日趨嚴格，改善發(fā)動機工作過程的難度越來越大，能統(tǒng)籌兼顧動力性、經濟性和排放性能的發(fā)動機將越來越復雜，成本也急劇上升。因此，世界各國都先后開發(fā)廢氣后處理凈化技術，在不影響或少影響發(fā)動機其他性能的同時，在排氣系統(tǒng)中安裝各種凈化裝置，采用物理的和化學的方法降低排氣中的污染物最終向大氣環(huán)境的排放。汽油機后處理凈化技術主要有三效催化轉化技術、稀燃催化技術、熱反應器、二次空氣噴射等。26六月202493車輛工程專業(yè)導論（第4版）1.三效催化轉化技術三效催化轉化器是目前應用最多的汽油機廢氣后處理凈化技術。當汽油機工作時，廢氣經排氣管進入催化器，其中氮氧化物與廢氣中的一氧化碳、氫氣等還原性氣體在催化作用下分解成氮氣和氧氣；而碳氫化合物和一氧化碳在催化作用下充分氧化，生成二氧化碳和水蒸氣，如圖4-20所示。三效催化轉化器的載體一般采用蜂窩結構，蜂窩表而有涂層和活性組分，與廢氣的接觸表面積非常大，所以其凈化效率高，當發(fā)動機的空燃比在理論空燃比附近時，三效催化器可將90%的碳氫化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同時凈化，因此這種催化器被稱為三效催化轉化器。目前，電子控制汽油噴射加三效催化轉化器已成為國內外汽油車排放控制技術的主流。26六月202494車輛工程專業(yè)導論（第4版）（a）單芯三元催化轉化器（b）雙芯三元催化轉化器圖4-18三效催化轉換器26六月202495車輛工程專業(yè)導論（第4版）三效催化轉化器與發(fā)動機以及汽車有一個非常重要的優(yōu)化匹配問題。催化器性能再好，如果系統(tǒng)不能給它提供一個合適的工作條件（如空燃比、溫度及空速等），催化器就不能高效地凈化排氣污染物。反之，催化器在設計時，也應根據(jù)具體車型原始排放水平的不同、要滿足的排放法規(guī)的不同、對動力性和經濟性等指標的要求不同等條件來確定設計方案。26六月202496車輛工程專業(yè)導論（第4版）催化器的匹配主要包括以下幾個方面：（1）催化器與發(fā)動機特性的匹配；（2）催化器與電控燃油噴射系統(tǒng)的匹配；（3）催化器與排氣系統(tǒng)的匹配；（4）催化器與燃料及潤滑油的匹配；（5）催化器與整車設計的匹配。催化器的匹配是一項交叉于汽車、材料和化學等不同領域的涉及范圍很廣的技術。26六月202497車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.稀燃催化技術稀薄燃燒技術是降低CO排放的有效手段。所謂稀薄燃燒指發(fā)動機在空燃比大于化學計量比的條件下運行，其排放尾氣與普通發(fā)動機有相似的化學成分，但其中還原性及氧化性氣體的相對含量不同于普通發(fā)動機的尾氣，因而其排放尾氣的凈化處理技術有明顯區(qū)別。采用稀薄燃燒技術，可提高燃料的利用率，從而提高燃料的經濟性，減少CO2、C0排放濃度，在一定空燃比范圍內，HC和NOx也有所減少，但O2的濃度卻明顯升高，導致NOx的轉化效率會大大降低，在這種富氧條件下，催化還原其中的NOx是稀燃催化技術的關鍵所在。針對稀燃催化技術研究較多的是Pt-Rh氧化還原催化劑、Pt-Pd-Rh三效催化劑、全Pd催化劑和后來采用的催化劑涂層等，但空燃比的操作窗口太窄，要求燃油中S含量較低，因此難以廣泛應用。26六月202498車輛工程專業(yè)導論（第4版）日前，在稀薄燃燒汽油機排放的尾氣凈化技術中，被廣泛研究的是吸附還原催化技術。吸附還原催化技術對NOx的轉化效率可達70%～90%，其最佳工作溫度在150℃～450℃之間，并已在缸內直噴汽油機中得到了應用。NOx吸附還原催化器主要安裝在缸內直噴發(fā)動機的排氣管上，當發(fā)動機稀薄燃燒時，將NOx氧化，并與堿土金屬發(fā)生化學反應，生成氮化物，并被吸附在吸附劑上。26六月202499車輛工程專業(yè)導論（第4版）當發(fā)動機處于濃燃時，吸附在催化器吸附劑上的氮化物被脫附，在排氣管中上的還原劑HC、CO、H2的作用下，被還原為無害的氮氣N2。NOx吸附還原催化器的工作原理如圖4-21所示。圖4-19NOx吸附還原催化器的工作原理26六月2024100車輛工程專業(yè)導論（第4版）吸附還原催化器的吸附能力是有限的，當催化器在稀燃工況下連續(xù)運行時，吸附量將達到飽和，不能繼續(xù)起作用。因此必須交替采用稀-濃混合氣。為了精確控制NOx吸附的稀燃階段和NOx還原的濃燃階段，可以在催化器后安裝氧傳感器，檢測NOx還原過程是否結束，從而使NOx排放和燃油經濟性都達到最優(yōu)。26六月2024101車輛工程專業(yè)導論（第4版）3.熱反應器汽油機工作過程中的不完全燃燒產物CO和HC在排氣過程中可以繼續(xù)氧化，但必須有足夠的空氣和溫度以保證其高的氧化速率，熱反應器為此提供必要的溫度條件。在排氣道出口處安裝用耐熱材料制造的熱反應器，使尾氣中未燃的碳氫化合物和一氧化碳在熱反應器中保持高溫并停留一段時間，使之得到充分氧化從而降低其排放量。26六月2024102車輛工程專業(yè)導論（第4版）26六月2024103熱反應器一般采用耐熱耐腐蝕的不銹鋼制成，其結構見圖4-20。熱反應器由殼體、外筒和內筒三層構成，中間加保溫層，使內部保持高溫。熱反應器安裝在排氣總管出口處，由于有較大的容積和絕熱保溫部分，反應器內部的溫度可高達600～1000℃。同時在緊靠排氣門處噴入空氣（即二次空氣），以保證CO和HC氧化反應的進行。圖4-20熱反應器的結構車輛工程專業(yè)導論（第4版）4.二次空氣噴射空氣噴射就是將新鮮空氣噴射到排氣門的后面，使尾氣中的HC化合物和CO在排氣管內與空氣混合，繼續(xù)進行氧化的方法，又稱二次空氣法。當噴射的新鮮空氣與尾氣結合時，空氣中的氧和HC化合物反應生成水，并成蒸氣狀；而氧和CO反應生成CO2，如圖4-21所示。26六月2024104圖4-21二次空氣噴射技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）柴油機排放控制技術也包括機內凈化技術和后處理凈化技術。（一）柴油機機內凈化技術相對于汽油機而言，柴油機由于過量空氣系數(shù)比較大，一氧化碳（CO）和碳氫化合物（HC）排放量要低得多，但普通的燃油供給系統(tǒng)使柴油機具有致癌作用的微粒排放量比汽油機大幾十倍甚至更多。因此，控制柴油機排放物的重點，就在于降低柴油機的NO、和微粒（包括碳煙）排放。26六月2024105三、柴油機排放控制技術車輛工程專業(yè)導論（第4版）1.主要機內凈化措施降低柴油機NOx排放和微粒排放之間往往存在著矛盾。一般有利于降低柴油機NOx的技術都有使微粒排放增加的趨勢，而減少微粒排放的措施，又可能將使NOx排放升高。盡管如此，近年來，柴油機排放控制技術還是取得了很大的進展，研制出了一些低排放、高燃油經濟性的柴油機，這些機型不用任何后處理裝置即可以達到較高的排放法規(guī)要求，顯示出柴油機機內凈化技術的巨大潛力。表4-4給出了降低柴油機NOx和微粒排放的相關技術措施26六月2024106車輛工程專業(yè)導論（第4版）表4-4降低柴油機NOx和微粒排放的相關技術措施26六月2024107技術對策實施方法主要控制對象燃燒室設計設計參數(shù)優(yōu)化，新型燃燒方式NOx、微粒噴油規(guī)律改進預噴射，多段噴射NOx進排氣系統(tǒng)可變進氣渦流，多氣門微粒增壓技術增壓，增壓中冷，可變幾何參數(shù)增壓微粒廢氣再循環(huán)EGR，中冷EGRNOx高壓噴射電控高壓油泵，共軌系統(tǒng)，泵油嘴微粒均質壓燃技術HCCINOx、微粒車輛工程專業(yè)導論（第4版）需要指出的是，每一種技術措施在降低某種排放成分時，往往效果有限，過度使用則會帶來另一種排放成分增加或動力性、經濟性的惡化，因而在工程實際中常常是幾種技術措施同時并用。在柴油機機內凈化措施中，進氣控制、排氣控制、增壓技術、廢氣再循環(huán)技術、均質壓縮技術（HCCI）均與汽油機相似。26六月2024108車輛工程專業(yè)導論（第4版）（二）柴油機后處理凈化技術1.微粒凈化處理技術柴油機排放污染物主要是微粒和NOx，其中，微粒排放是汽油機的30～80倍，僅靠機內凈化技術很難使柴油機的微粒排放滿足新的排放法規(guī)，所以，必須采用微粒后處理技術。目前，柴油機微粒后處理凈化技術主要有：微粒捕集技術、靜電分離、溶液清洗、等離子凈化、離心分離袋式過濾等。26六月2024109車輛工程專業(yè)導論（第4版）（1）微粒捕集器法。是采用過濾材料對排氣進行過濾捕集。即微粒捕集器法，其主要采用蜂窩陶瓷、陶瓷纖維編織物和金屬編織物等作為過濾材料。當排氣通過微粒捕集器時，過濾體將排氣中微粒捕集于過濾體內，達到凈化排氣的目的（圖4-22）。26六月2024110車輛工程專業(yè)導論（第4版）圖4-22帶再生燃燒器的微粒捕集器微粒捕集器的關鍵技術是過濾材料的選擇與過濾體的再生，其中又以后者尤為重要。由于柴油機排氣中的微粒絕大部分為可燃物，因此定期將捕集的微粒燒掉看來是最簡單可行的辦法。再生系統(tǒng)根據(jù)原理和再生能量來源的不同可分為主動再生系統(tǒng)與被動再生系統(tǒng)兩大類。26六月2024111車輛工程專業(yè)導論（第4版）根據(jù)柴油機的使用特點和使用工況合理選擇再生技術，對于微粒捕集器的安全有效再生具有重要的意義。主動再生系統(tǒng)是通過外加能量將氣流溫度提高到微粒的起燃溫度使捕集的微粒燃燒，達到再生過濾體的目的，主動再生系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)視微粒在過濾器內的沉積量和產生的背壓，當排氣背壓超過預定的限值時就啟動再生系統(tǒng)。根據(jù)外加能量的方式，這些系統(tǒng)主要有：噴油助燃再生系統(tǒng)，電加熱再生系統(tǒng)、微波加熱再生系統(tǒng)、紅外加熱再生系統(tǒng)以及反吹再生系統(tǒng)。26六月2024112車輛工程專業(yè)導論（第4版）被動再生系統(tǒng)利用柴油機排氣自身的能量使微粒燃燒，達到再生微粒捕集器的效果。一方面可通過改變柴油機的運行工況提高排氣溫度達到微粒的起燃溫度使微粒燃燒；另一方面可以利用化學催化的方法降低微粒的反應活化能，使微粒在正常的排氣溫度下燃燒。（2）等離子凈化技術。柴油機排氣中的有害成分經過等離子反應器，發(fā)生復雜的化學反應，其中NO很容易被氧化成NO2，NO2的強氧化性能在柴油機正常排氣溫度下將微粒氧化。此外，通過添加劑或催化劑等方式可提高微粒凈化的效率，降低能耗。等離子凈化技術具有結構簡單、不影響柴油機運行性能以及在捕集微粒的同時降低NOx等優(yōu)勢，是柴油機后處理研究發(fā)展的新方向。26六月2024113車輛工程專業(yè)導論（第4版）（3）靜電分離凈化技術。靜電分離技術是指利用靜電力吸附排氣中的懸浮微粒，從而達到捕集微粒的目的。雖然柴油機排氣微粒整體上呈電中性，但是85%左右的微粒都為帶電粒子，每個帶電粒子有l(wèi)～5個基本正電荷或負電荷。柴油機排氣微粒的電阻率在106～108Ω·cm數(shù)量級內變化，適合利用電場對排氣微粒進行靜電吸附，達到微粒凈化的目的。在排氣通道中建立高壓強電場，排氣流過電場時，帶電粒子分別被異性電極吸附。靜電捕集技術的主要問題是設備體積大、結構復雜、成本高，且氣流流速對靜電捕集效率的影響較大。26六月2024114車輛工程專業(yè)導論（第4版）（4）溶液清洗凈化技術。溶液清洗技術是讓排氣通過水或油來清洗微粒。這種方法簡單，適合于固定的排氣設備。瑞典研究人員曾嘗試將車用柴油機的排氣管做成文氏管，利用喉管處的負壓將水分吸入排氣中，稀釋和清洗排氣中的微粒和NOx，取得了一定的成果。26六月2024115車輛工程專業(yè)導論（第4版）（5）離心分離凈化技術。離心分離技術是將排氣引入旋風分離器中，利用微粒離心力，將微粒從氣流中分離出來。目前比較有效的分離形式有軸流直流式和渦流式。軸流直流式柴油機排氣旋流凈化器是采用軸流直流式旋流子作分離器件，當氣流通過分離室時，微粒沿徑向由筒體軸線處移動到筒體內壁，與筒體內壁碰撞粘附而被捕集。渦流式的除塵機理是：使具有很高壓力和速度的排氣沿切向進入渦流室，當氣流在其中高速旋轉時，離心力使其中粒徑較大的微粒分離出來，同時高速旋轉的氣流還可以形成一定的真空度，使發(fā)動機的排氣更加順暢。由于柴油機微粒很小，直徑大多在1μm以下，離心分離技術只能分離微粒的5%～10%，效果較差，但是這種方法可與其他方法一起使用。26六月2024116車輛工程專業(yè)導論（第4版）（6）袋式過濾凈化技術。袋式過濾器是一種利用纖維作為過濾介質，將排氣中的微粒過濾出來的凈化設備。濾布做成袋形，其結構簡單、工作可靠、成本低、過濾效率高，對半徑大于0.1μm的微粒，過濾效率達90%以上，被認為是一種有效的柴油機微粒凈化裝置。袋式過濾技術的主要缺點在于：結構不夠緊湊，需停車采用手動清灰，使用不便，影響車輛機動性。若能夠采用兩組袋濾器輪流工作并加以電控，則可在不影響車輛正常運行的情況下實現(xiàn)自動清灰的連續(xù)操作，又可縮短清灰周期，允許通過較大的廢氣流量。此設想的實現(xiàn)尚需合理設計以保證工作的可靠性，同時減少其體積，以利于安裝在汽車上。26六月2024117車輛工程專業(yè)導論（第4版）2.NOx的凈化處理技術由于三效催化轉換器不適于在柴油機上降低NOx的含量，所以，降低柴油機NOx排放的后處理凈化技術主要有：選擇性催化還原、選擇性非催化還原、吸附催化還原、等離子輔助催化還原等技術。26六月2024118車輛工程專業(yè)導論（第4版）（1）選擇性催化還原凈化技術。選擇性催化還原也叫SCR（SelectiveCatalyticReduction）方法。SCR轉化器的催化作用具有很強的選擇性：