书城科普读物低碳汽车
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第17章 汽车要低碳,设计要节能(2)

长期以来,国内电控燃油喷射供油系统的核心技术由跨国公司垄断,美国德尔福公司在中国市场针对中轻型车推广共轨技术,针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术;德国博世公司电喷系统技术已经由电控共轨发展到电控液力放大系统,在中国市场主推高压共轨系统;日本电装目前正在研发第三代、第四代共轨系统,它将针对中国市场需求研发并推广共轨系统。

由于研发滞后,我国车用柴油机行业在电控燃油喷射技术方面仍存在很大的差距。目前,国内相关企业正在努力改变这种状况。一汽集团无锡油泵油嘴研究所经过多年研制,成功开发出具有自主产权的电控共轨系统,成都威特公司联合清华大学于2004年成功研制出具有自主产权的电控单体泵系统,并于当年开始提供成套产品,这是国内目前批量生产电控柴油喷射系统的第一个厂家。2008年上海国际发动机及制造技术展览会上,成都威特公司展出了新研制的电控直列组合泵技术,它符合我国柴油发动机企业的实际情况及老机型的欧Ⅲ升级改造需要,满足了欧Ⅲ对喷油系统的最低要求,可靠性高,价格低,机械接口与P型泵相同,且安装方便,系统标定过程简单,是目前满足欧Ⅲ排放的低成本解决方案。

3.稀薄燃烧技术(HCCI)

在HCCI燃烧概念提出的最初,就有研究将柴油作为HCCI燃料,但效果较汽油差距很大。究其原因,一是柴油黏度大,挥发性差,形成预混合均质混合气困难;二是柴油作为高十六烷值燃料,容易发生低温自燃反应,均质预混合气的燃烧速率控制困难,易造成粗暴燃烧。但为满足日益严格的节能和环保的要求,高效低污染燃烧技术的新型柴油机的研究引入了新燃烧的概念,其中具有代表性的就是柴油HCCI燃烧方式。

在HCCI燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合,形成均质预混合气。混合气被活塞压缩并发生自燃,呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧状态,可同时保持较高的动力性和燃油经济性,从根本上消除了产生NOx的局部高温区和产生PM的过浓混合区。但目前还无法实现柴油机全工况的HCCI燃烧过程,从实用化角度出发,必然要采用双模式运行方案,即在中低负荷,采用HCCI燃烧方式,在高负荷,仍然采用传统的燃烧方式。

美国、日本、欧洲等国的主要汽车公司及核心研究机构都在开展柴油机HCCI燃烧的研究,均未能实现大规模商品化,只有少量的投入生产。在HCCI柴油机产业化技术的研究方面,今后一段时期内的工作将主要集中在燃烧技术的控制方面,包括燃烧诊断、燃烧模式切换和瞬态工况过渡。我国的天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室、清华大学等单位也在进行相关研究。

4.其他节能技术

除了以上柴油机节能技术,改进进排气系统、优化燃烧室设计等也具有很大的节能潜力,下面主要介绍柴油机多气门技术和缩口环形燃烧室。

(1)多气门技术在大、中、小型汽油轿车上,多气门技术已经作为成熟技术得到了应用,目前采用多气门技术的车型已占汽油机的85%,在柴油机上的应用更是国际学术界研究热点之一。多气门可增大柴油发动机的进气量,使柴油的燃烧更完全,排气更快、更彻底,从而提高柴油发动机的输出功率。国外大型柴油机的气门最多时已达到每缸5个、目前已开始在小型柴油机上应用,国内在这方面的研究尚不成熟。

(2)缩口环形燃烧室改变燃烧室形状,优化涡流形成,既有利于提高燃油经济性,也能降低排放。缩口燃烧室具有较大的气流强度和较合理的涡流分布,可以产生较高的缸内压力和温度,与直口燃烧室相比,在相同的进气涡流比和燃烧室口径下,燃油分布较多的燃烧室壁面和底部气流速度要高出50%左右,这对于促进油气混合、加速燃烧是十分有利的。

三、其他内燃机动力节能技术

当狄塞尔发明柴油机时,就曾在内燃机上试过使用气体燃料、酒精及植物油,最终由于成本和科技水平所限而不得不放弃。而当石油能源主宰人类动力系统百年以后,在其日近垂暮之年,人们不得不将目光再次回到原点,求解于天然气、醇醚燃料、生物质燃料。一个世纪的轮回后,当人们发现,即使是以现代的科技,将这些燃料用于内燃机依然困难重重,不能尽如人意。这让我们不得不钦佩先行者狄塞尔的智慧和勇气,另一方面,也让我们看到,人类的智慧,必将为自己点亮前行的光明。

1.天然气动力

在国际上,天然气汽车技术已相当成熟。2008年3月的日内瓦车展上,天然气能源的应用成为环保的主角,车展现场展出了数款天然气作为燃料的车型,奔驰天然气紧凑型运动旅行车B170NGT、通用汽车公司天然气SUV车型雪佛兰科帕奇、法国的PGO和德国的BRA共同开发的PGO Cevennes涡轮增压天然气跑车以及已经上市并得到瑞士用户广泛好评的大众途安2.0L和菲亚特Pandal.2L天然气汽车等。

与国外相比,当前我国天然气汽车在技术上存在较大的差距,制约我国天然气汽车发展的瓶颈同样也是关键零部件,如喷嘴、高精度减压器等。康明斯西港公司开发的柴油引燃、缸内直喷天然气发动机,具有和增压柴油机一样高的热效率,而我国在这方面还是空白。但我国也取得了一些研发成果,如我国已能开发、生产基于多点顺序喷射的单燃料LPG汽车,但生产的数量不多;在轻型车上能够进行采用闭环电控多点顺序喷射技术的天然气汽车的开发和生产,与国际水平相差不大;在重型天然气发动机方面,上柴、玉柴等企业能够生产满足国Ⅲ、国Ⅳ排放标准的增压中冷、稀薄燃烧天然气发动机,与国际水平相当;玉柴的YC6G220P-30LPG重型发动机,已应用在广州的公交车上。

日本、韩国等生产基于多点顺序喷射的单燃料汽车,其发动机及汽车整体布置均专为燃油LPG设计,故发动机可在最佳状态下工作,整车重量变化不大。而国内的天然气汽车基本上沿用原汽柴油汽车的底盘,使气瓶的安装产生困难。如出租车在行李箱安装气瓶后,放行李的空间就非常小了。

2.混合燃料动力

混合燃料动力区别于混合动力的发动机与电动机交替工作的方式,是将常规汽柴油与代用燃料混合的动力,以常规汽柴油为主,将各种代用燃料,包括醇醚燃料与汽柴油掺混,并对发动机进行适当设计,其将有可能成为主流燃料技术。由于混合燃料中的待用燃料可减少汽柴油消耗,因此发展混合内燃机也是缓解目前石油紧缺问题的有效手段之一。

在典型的混合燃料车型中,帕杰罗TR4Flex是一款可以使用汽油、乙醇以及它们的混合燃料的新型生物燃料FFV车型。该车可以在乙醇比率在0~100%的混合燃料的条件下变更发动机控制,同时改变为最适合的燃烧状态,变更一部分发动机零配件和燃料系统的工作数据,确保耐久性可靠性。Scorpion是基于本田AcuraTL-S改装的跑车,它的燃料是汽油和氢的混合,其中氢占30%~40%。其氢燃料是汽车本身分解水获得,所以只用加水,不用加氢(当然另外还需加汽油)。Scorpion的六十英里原地起步加速时间是3.5秒,动力可高达450马力。每加仑汽油可跑四十英里。

目前,我国成熟的混合燃料技术主要用在现有汽油车和柴油车上,如El0(90%汽油,10%燃料乙醇)和柴油与低比例生物柴油混合。与国外相比,还存在较大的差距。

3.氢燃料动力

氢燃料动力,不同于燃料电池汽车,是以储存的氢气直接作为传统发动机的燃料。宝马正是这个领域的开路先锋,其2008年发布的Hydrogen7即是氢燃料动力的代表作品。该车动力完全是由燃烧氢产生的,而不是氢燃料电池,氢燃料发动机基于宝马760i所装备的汽油机,拥有电子气门控制和双凸轮轴可变气门正时系统等技术亮点,并按照双模驱动进行了相应改进。在汽油模式下燃油直接喷射,氢燃料则通过集成在进气系统中的特殊管路供给。氢的燃烧速度比普通汽油快10倍,为充分利用这一潜能,Hydrogen7中的V-12发动机需要由电子气门和双凸轮轴可变气门正时系统来保证极为灵活的发动机管理系统,使气体循环和喷射节奏与氢/空气混合气的特殊特性完美匹配。Hydrogen7是迄今离我们最近的一款氢动力车,它清楚地证明了液氢完全可以用来作为汽车的一种能源。

马自达RX-8HydrogenRE型跑车是一款氢燃料概念汽车,它采用了马自达独有的转子发动机,由于转子发动机爆发性强,灵活高效,特别适合与氢燃料的结合。而且转子发动机使用氢燃料只需要很小的更改。以上两款氢燃料汽车目前都已达到了实用阶段,制约其量产的主要原因是成本和相关设施的普及。

高效低排放氢内燃机是国家“863”计划唯一立项的氢燃料重点项目,2007年6月,我国自主研制的第一台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功实现点火,它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术已经获得了突破性的进展。

4.涡轮蒸汽机动力

当前发动机的热效率只有40%左右,而另外的60%中被废气所带走的大部分能量有没有可利用的价值?2006年宝马公司给出了一个答案,那就是利用涡轮蒸汽机回收大部分发动机废气所带走的热能,作为发动机另一种“燃料”形式,提升发动机效能并降低油耗。其工作原理基于蒸汽机:在两个循环系统中,液体被加热成蒸汽用以驱动发动机,内燃机废气经过换热器成为能量源。这项技术使废气中80%以上热能得以回收利用。

在测试中,装有创新性辅助系统的宝马1.8L四缸发动机的油耗降低了15%,输出功率却增加了10kW,同时,转矩也增加了近20N·m。这些增加的功率和效率好比是“无中生有”,因为它们完全来源于废气和冷却液中浪费掉的热能,不增加任何的燃油消耗。这个研究项目符合宝马高效动力理念,即低排放、低油耗,而且驾驶动力更充沛,性能更出色。

四、汽车轻量化设计

在新能源路线迟迟不清晰的形势下,轻量化已经成为全球主流汽车企业“曲线救国”的必要方式。甚至有人认为:汽车轻量化将拯救全球汽车业。这是因为汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放都十分重要。研究显示,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车整备质量,每减少100kg,百千米油耗可降低0.3~0.6L;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%。

汽车车身约占汽车总重量的30%,空载情况下,约70%的油耗用在车身重量上。因此,车身变轻对于整车的燃油经济性、减少废气排放等都大有裨益。

1.实现汽车轻量化的措施

汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。

(1)从汽车结构设计阶段就开始“轻量化”

目前在国内外汽车轻量化技术发展中,首要措施是轻量化的结构设计,它已经融合到了汽车设计的前期,使轻质材料在汽车上的应用,包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等,与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化,实现对汽车零件的精简、整体化和轻质化;利用CAD/CAE/CAM一体化技术,可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计,对于采用轻质材料的零部件,还可以进行布局分析和运动干涉分析等,使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。

(2)车身轻量化设计首当其冲

全铝车身设计可以有效减轻车身重量。福特P2000采用冲压焊接制造的铝质车身骨架,整备质量仅906kg,比使用钢板轻135.6kg,市区百千米油耗减少22.8%。P2000也成为了当今最轻的中型轿车,比传统轿车减重约40%。该车所采用的黑色金属仅为222kg,而更多地采用铝、镁、钛等轻金属,车身用铝合金,底盘还采用了铝、钛管型钢材、聚酯、碳纤维及金属等复合材料,如钛质螺母、铸铝前车架、铝制动总泵、铝转向节、铝前制动盘。有几处用了镁,例如,发动机盖铰链、座椅底架、靠背框架、进气歧管等。

奥迪A8是大型豪华轿车,但它的整车质量仅相当于一辆中型轿车。奥迪A8铝合金框架支撑着全铝合金车身的创新技术被称为“ASF”——即奥迪空间框架技术,ASF车身结构由挤压的铝部件及压铸件组成。目前在市场上销售的奥迪A8与R8、TT Coupe与TT Roadster等车型都可以说是ASF铝合金轻量化车身结构的代言者。A8车身结构重量仅有218kg,而进一步采用镁铝合金结构的R8,其车身结构仅有210kg。其他新材料的应用还有如马自达RX-8传动轴采用高强度低重量的碳纤维材料,马自达的后备箱采用一体式并由高强度树脂做成,保证了强度并极大地降低了重量。