第11章 新型汽车发动机

教学目标与要求理解电动汽车的特点、分类、基本结构与工作原理理解燃气汽车的特点、分类、基本结构与工作原理理解太阳能汽车的特点、工作原理与基本结构理解直接喷射式汽油机的特点、工作原理与基本结构111.1电动汽车

11.1.1电动汽车的特点

1.电动汽车能广泛地利用各种能源

2.能量的利用率高，节约能源3.电动汽车是零排放汽车

4.结构简单和维修使用方便

211.1.2电动汽车的类型根据所使用的基本动力能源不同，电动汽车大致可分为三类：蓄电池电动汽车ElectricVehicle（EV）、混合动力电动汽车HybridElectricVehicle（HEV）、燃料电池汽车FuelCellElectricVehicle（FCEV）。

3蓄电池电动汽车（EV）

蓄电池电动汽车是指利用蓄电池作为动力、在市区街道或城间公路上行驶的用电动机驱动的汽车，不包括无轨电车及在车站、码头或厂内使用的电动叉车和普通的电瓶车。

4混合动力电动汽车（HEV）

混合动力电动汽车是将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。

5燃料电池电动汽车（FCEV）

采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车。611.1.3蓄电池电动汽车的基本结构与工作原理

1.EV的基本结构

蓄电池电动汽车的结构方框图如图所示。与普通燃油汽车相比较，蓄电池电动汽车主要由电池组、控制系统、驱动系统及安全保护系统等组成。

7电池组

电池组是蓄电池电动汽车的能源，电池性能的优劣直接影响蓄电池电动汽车的行驶性能。目前在EV上，一般以各种不同的蓄电池组成动力电池组，用周期性的充电来补充电能。动力电池组是EV的关键装备，它储存的电能、质量和体积，对EV的性能起决定性影响，是目前制约EV发展的瓶颈。8电池组9电池组目前电动汽车广泛应用的电池有：1、铅酸蓄电池2、镍-氢蓄电池3、镍-镉蓄电池10电池组的结构电池组若干单体电池组成，每个单体电池都是由正极板、负极板、装在正极板和负极板之间的隔板、电解质和正负接线柱组成

11控制系统EV的控制系统主要是对于动力电池组的管理和对电动机的控制。

图示是交流异步电动机的控制系统。

12驱动系统

EV的驱动系统有集中驱动系统和轮毂驱动系统两大驱动系统。13集中驱动系统

由两个永磁电动机组成的双电动机驱动系统左半轴左驱动电动机电控差速器右驱动电动机右半轴14轮毂驱动系统

1—轮胎2—永久磁铁3—制动盘4—衬套5—轮轴6—电动机线圈绕组15安全保护系统

EV的动力电池组具有96～312V的高压直流电，人身触电时会造成致命的危险。因此必须设置安全保护系统，确保人员安全。另外在撞车、翻车或线路发生短路时，应有应急处理装置，因此EV必须配备电气装置的故障自检系统和故障报警系统，在电气系统发生故障时自动控制EV不能起动等，及时防止故障的发生。

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2.EV的工作原理电动汽车的工作状态经各种传感器检测后转化为电信号，并把这些电信号送入中央控制器，经中央控制器处理后发出驱动信号，控制逆变器的工作状态，从而达到对电动汽车工况的控制。1711.1.4混合动力电动汽车的基本结构与工作原理

在电动汽车的能源系统中，目前还没有一种能源能够使电动汽车的性能完全与燃油汽车相匹敌，其主要原因在于这些能源系统不能提供足够高的比能量和比功率。为了解决这个问题，人们在电动汽车上加入辅助动力单元。这就构成了目前所说的混合动力电动汽车。

18HEV的基本结构

混和动力电动汽车是在蓄电池电动汽车的基础上加入辅助动力单元组成，其基本结构包括电池组、辅助动力系统、控制系统、驱动系统及安全保护系统。电池组、控制系统、驱动系统及安全保护系统基本与蓄电池电动汽车相同。辅助动力系统实际上是一个动力发电机组或某种原动机。原动机可以是内燃机、燃气轮机等热机。

19混和动力电动汽车的分类

串联式混合动力汽车SeriesHybridElectricVehicle（SHEV）

并联式混合动力汽车ParallelHybridElectricVehicle（PHEV）

混联式（串、并联式）混合动力汽车SplitHybridElectricVehicle（PSHEV）

20串联式混合动力汽车的结构与原理21

并联式混合动力汽车的特点

并联式混和动力汽车的结构简图1-发动机2-电动/发电机3-机械传动系统4-驱动电动机5-逆变器6-蓄电池组

22混联式混合动力汽车的特点

混联式混和动力汽车的结构简图1-发动机2-电动/发电机3-变速器或减速器4-驱动桥5-逆变器6-驱动电动机7-蓄电池组

2311.1.5燃料电池电动汽车的基本结构与工作原理1.燃料电池电动汽车的基本组成

2.燃料电池电动汽车的工作原理

3.燃料电池汽车的分类

241.燃料电池电动汽车的基本组成(1)燃料电池组（2）燃料电池控制系统

（3）驱动系统

（4）辅助动力系统25燃料电池组燃料电池（Fuelcell）是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它平时将燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂（如氧气）分别作为电池两极的活性物质保存在电池的本体之外，当使用时连续通入电池体内，使电池发电。

26（1）燃料电池的基本结构

燃料电池的基本结构

a）燃料电池本体结构b）燃料电池组

27（2）燃料电池的工作原理

多孔质燃料夹层氢电极负载氧电极多孔质空气夹层28质子交换膜燃料电池工作示意图292.燃料电池电动汽车的工作原理（1）在电动汽车开始行驶时，蓄电池组为驱动系统提供能量，并对燃料电池进行预热，燃料电池动力系统不需要工作（2）当氢气供给足够时，燃料电池动力系统起动，由燃料电池动力系统为驱动系统提供能量

30（3）当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量（4）当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。

313.燃料电池汽车的分类按氢气供给方式，燃料电池汽车分为改质型和非改质型两种。（1）改质型其车载液体燃料（甲醇或汽油等），需利用车载改质装置制造氢气，再供给燃料电池。优点是可使用多种燃料，缺点是结构复杂，体积庞大。（2）非改质型由车载氢气直接供应燃料电池。车辆构造简单，体积小，质量轻。主要问题是车辆续驶里程短，氢燃料的补给设施费用高。32宝马745h燃料电池轿车33我国电动汽车的研发状况在电动汽车的研究开发和产业化与国外处于相近的起跑线。同济大学研制的燃料电池轿车“超越二号”最高时速达118公里，续驶里程为168公里。超越一号、二号34清华大学燃料电池城市客车35合资生产丰田公司在2004年9月与一汽签署合作协议，2005年在长春开始生产其技术已经非常成熟的、世界上销量最好的混合动力轿车Prius（先驱）。362004年10月30日，上汽集团和通用汽车联合宣布，双方于05年开始，进行为期两年的燃料电池车示范运行项目。其技术平台与通用汽车于2002年推出的“氢动三号”相同，代表了当今最先进的燃料电池研发水平。37政策推动2009年2月5日，财政部和科技部联合出台了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》,明确未来三年在我国13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作后，对混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车，每辆车补贴5-60万元。3811.2燃气汽车

以燃气为燃料的汽车称为燃气汽车。目前常用的燃气汽车有压缩天然气汽车（CNGV）和液化石油气汽车（LPGV），它们分别以压缩天然气和液化石油气为燃料。3911.2.1CNGV和LPGV的特点1、CNGV和LPGV的主要优点：

（1）有害气体排放低

（2）热效率高

（3）冷起动性和低温运转性能良好

（4）可以燃用稀混合气（5）延长润滑油更换周期2、LNGV和LPGV的缺点是：（1）储运性能差（2）一次充气的续驶里程短。（3）动力性能下降4011.2.2CNGV和LPGV的基本结构与原理CNGV或LPGV的发动机，多数是在原汽油机或柴油机的基础上改装而成，其总体结构与化油器式汽油机基本相同，只是燃料供给系统有所不同。

41燃气汽车42

1.LPG供给系统混合器燃料控制电磁阀储液罐调节器43储液罐

液面观察窗液面计气体输出阀液体输出阀燃料加注阀燃料加注口阀门室盖44燃料控制电磁阀

燃料控制电磁阀的功用是：当发动机停止工作时自动切断燃料供给，而发动机工作时电磁阀打开，并可根据温度的变化自动实现气体或液体的切换。

水温开关电磁阀滤清器储液罐45调节器调节器的功用是对输送给混合器的燃料进行减压和计量。其结构主要由初级气室和次级气室组成。发动机工作时，来自燃料控制电磁阀的燃料经主控制阀、初级气室、次级气室供给混合器。

主控制阀臂压力平衡膜片锁止膜片起动电磁阀次级气室控制阀燃料切换阀怠速调整螺钉水道初级气室膜片U型卡次级气室膜片主控制阀46初级气室工作原理由储液罐经燃料控制电磁阀输送来的燃料经主控制阀1减压气化后进入初级气室，当初级气室内的压力达到一定值时，压力平衡膜片4被推向右移，并带动推杆3、主控制阀臂2使主控制阀1关闭；而初级气室内压力下降时，平衡膜片向左移动，主控制阀打开，使燃料继续进入初级气室。

主控制阀

主控制阀臂

推杆

压力平衡膜片

47

次级气室工作原理由初级气室来的燃料经次级气室控制阀4进入次级气室，控制阀4的开闭受锁止膜片1控制。锁止膜片1的左侧与进气管相通，当发动机停止工作时，锁止膜片1在其弹簧3作用下移到右侧极限位置，并通过控制阀臂5使次级气室控制阀4完全关闭；发动机工作时，进气管真空度将锁止膜片1吸向左移，使控制阀4打开，燃料进入次级气室并输送至混合器。

锁止膜片

真空气室

弹簧

次级气室控制阀

控制阀臂

48混合器

混合器的功用是：使调节器输送来的气态燃料与空气混合，并送往气缸。怠速空气调节螺钉怠速空气量孔燃料主量孔调节螺钉弹簧空燃比调节器膜片加浓阀主腔节气门副腔节气门主喷嘴492.CNG供给系统

CNG燃料供给系统与LPG燃料系统相近。只是系统的压力较高，可达20MPa，因此对储气罐及管路阀门等的要求很高。系统高压检测压力要达到25～30MPa，所以调压器部分相对复杂，分高压调节器和低压调节器。高压调节器使CNG压力降到0.25MPa左右，低压调压器再使气体压力调整到0.097～0.098MPa。其余部分与LPG燃料供给系统相同。

50CNG供给系统的基本组成车用气瓶连通阀充气阀CNG高压管路输出阀预热阀混合器滤清器低压表高压表真空软管截止阀调节器计量器CNG低压管路5111.3太阳能汽车

利用太阳能产生动力的方法不外乎两种：一种是将太阳的辐射能转变为热能，然后将热能转变为机械能；另一种方法是利用太阳能电池直接将太阳的辐射能转变为电能。目前，已经制造出来的太阳能汽车就是利用后一种方法。太阳能汽车是由太阳能电池组成供电系统，向电动机供电，电动机驱动汽车行驶。它实际上是一种电动汽车。

52国际太阳能汽车赛53太阳能汽车5411.3.1太阳能汽车的基本组成

1.太阳能电池组：它是太阳能汽车的核心，由一定数量的单体电池串联或并联组成电池方阵。2.向日自动跟踪器：向日跟踪器的作用就是保持太阳电池板正对着太阳，最大限度提高太阳电池板接受太阳辐射能的能力。

3.驱动系统：太阳能汽车采用的驱动电动机主要有交流异步电动机、永磁电动机、直流电动机，其驱动系统与EV基本相同

4.控制器：主要实现对太阳能电磁组进行管理和对电动机的控制，其作用与EV控制系统相同55太阳能电池的工作原理

太阳光照射在用半导体材料制成的太阳电池上，半导体的电子-空穴对被激发，形成p-n结，在p型层产生的电子向n型层移动，而在n型层产生的空穴向p型层移动。即形成了太阳能电池。

56a）太阳能电池的结构b）太阳能电池板太阳能电池的结构和太阳能电池板5711.3.2太阳能汽车的工作原理太阳能汽车由太阳能电池板在向日自动跟踪器的控制下始终正对太阳，接受太阳光，并转换成电能，向电动机供电，再由电动机驱动汽车行驶，它实际上是一种电动汽车，其工作原理与串联式混合动力汽车(SHEV)基本相同。

58由于太阳能电池的能量较小，而且受天气的影响，在阴天、下雨时，太阳能电池的转换效率降低或停止，有些太阳能汽车要与蓄电池共同组成太阳能混合动力电动汽车。太阳能混合动力电动汽车由太阳能电池板将太阳能转换为电能后，通过充电器向动力电池组充电，也可以由太阳能电池板直接提供电能，这种方式的效率最高，然后通过电流变换器将电流输送到驱动电动机，带动驱动系统驱动汽车行驶，其驱动模式相当于串联式混合动力电动汽车（SHEV）。

5911.4直接喷射式汽油机

汽油机缸内直接喷射（GasolineDirectInjection，简称GDI）技术的出现使发动机技术进入了一个崭新的时代，它可能在21世纪取代传统的汽油机缸外喷射，成为理想的燃烧方式。60奥迪直接喷射式汽油机汽车6111.4.1GDI发动机的结构特点1-直立式进气管道2-排气凸轮轴3-摇臂4-气门弹簧5-排气管道6-排气门7-弯曲顶面活塞8-火花塞9-高压旋流喷油器10-进气门11-进气凸轮轴12-高压汽油泵621.直立的进气管道

GDI发动机采用直立式的进气管道，进气阻力更小，提高了充气效率，与普通发动机相比功率和扭矩提高10%左右。有的GDI发动机还采用带涡流阀（SCV）的螺旋进气管道，利用进气涡流使火花塞附近的混合气浓度高于其它部分的混合气浓度，形成分层可燃混合气（浓度梯度），实现分层燃烧，降低了最高燃烧温度，减少NOx的排放量，使发动机的动力性、经济性和排放性能得到提高。

632.高压汽油泵

普通电控汽油喷射发动机的喷射压力为0.3～0.4MPa，而GDI发动机采用高压汽油泵，其喷射压力可达5MPa。高压喷射提高了雾化质量，微小汽油油滴瞬时蒸发，弥补了因向缸内直接喷射而造成的混合气形成时间短、空间小的缺陷，保证了混合气的质量。

643.高压旋流喷油器高压汽油泵输出的高压汽油供给高压旋流喷油器，喷出旋流油雾，可使雾化的汽油在燃烧室内分布更合理，对缩短混合气形成时间更为有利。此外，喷油器的喷射方式可根据燃烧方式调节。

654.弯曲顶面活塞GDI发动机采用独特的弯曲顶面活塞，使喷油器喷出的油雾形成纵向涡流，并有较多的油雾停留在火花塞附近，保证在火花塞附近的混合气有较高的浓度，以便将混合气点燃实现分层燃烧。火花塞附近的混合气被点燃后，再利用涡流使火焰迅速传播，即使是很稀的混合气，也能保证火焰的正常传播。

6611.4.2GDI发动机的工作特点1.汽油直接喷射到气缸内，汽油喷射的位置、时刻、数量可控。使GDI发动机在点火的瞬时，火花塞电极周围局部区域的混合气较浓（空燃比为12～13.5），便于发动机起动和着火燃烧。大部分区域的混合气较稀，而且在浓稀之间，有从浓到稀的各种空燃比的混合气，使燃烧室中混合气浓度有组织形成各种层次，有利于涡流使火焰迅速传播，这样极稀的混合气也能被火焰传播而稳定燃烧，从而实现稀薄燃烧和分层燃烧。67

2.能根据发动机不同的工况下，采用不同的燃烧方式

（1）超稀混合气燃烧方式

（2）稀混合气燃烧方式

（3）浓混合气燃烧方式

68德国宝马直接喷射发动机分3次喷射燃料，节油10%。6911.5代用燃料汽车1．醇燃料特点醇燃料是指甲醇和乙醇等燃料。与汽油相比，醇类燃料由于燃烧充分，有害气体排放较少，属于清洁能源。11.5.1醇燃料汽车702.汽车醇燃料供给系结构原理现代原汽油机改用醇燃料时，大部分使用喷油器向进气道或汽缸内喷入醇燃料；柴油机使用醇燃料时还是用原高压油泵及喷油器向缸内供给醇燃料。汽车醇燃料供给系的主要部件是油箱、喷油泵、喷油器等.71醇燃料汽车燃油喷油器723．灵活燃料汽车醇燃料根据发动机需要，按一定比例混合，或与汽油配成混合燃料，使用这种燃料的汽车就称灵活燃料汽车（FlexibleFuelVehicle——FFV）7311.5.2氢燃料汽车使用气态氢或液态氢作为燃料的汽车称为氢燃料汽车。1.使用气态氢燃料的汽车（1）缸外混合（2）缸内混合742.使用液态氢的汽车7511.5.3其它生物燃料1.桉树油燃料

桉树油可以用作汽油机的燃料。在二冲程汽油机上掺烧40%以下的桉树油，其功率及比油耗与原汽油机基本一样；如果掺烧60%以上的桉树油，则要加大供油量；全部使用桉树油时，则低温起动困难。随着掺烧桉树油量的增大，排气中NOX、HC及CO有所降低，桉树油的胶质较多，氧化稳定性差，对供油系零件及发动机寿命有一定影响。762.松节油燃料松节油的辛烷值较高，十六烷值较低，较适合作汽油机的燃料。掺烧25%(容积比)的松节油的试验结果表明，最大功率与用纯汽油时相当，比油耗在高负荷时比纯汽油时低，其余工况则高于纯汽油。排气中