第九章汽车排放污染物净化方案及新能源汽车技术

对汽油车来说，其排放污染物主要有ＣＯ、ＨＣ和ＮＯｘ，对于二气门或多气门、非增压或增压发动机，均可采用闭环电控燃油喷射系统加三效催化转化器，使其同时净化ＣＯ、ＨＣ和ＮＯｘ，并能使净化效率较高，可达到欧Ⅱ排放标准。其方案示意图如图９￣１所示。要满足欧Ⅲ排放标准的要求，二气门、非增压汽油发动机可采用闭环电控燃油喷射系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，其方案示意图如图９￣２ａ)所示。对于多气门、增压汽油发动机则可采用闭环电控燃油喷射系统加低起燃温度的三效催化转化器或紧凑耦合型三效催化转化器，其方案示意图如图９￣２ｂ)所示。为了使发动机满足欧Ⅲ法规的要求，也可采用缸内直喷稀薄燃烧汽油机———ＧＤＩ发动机。ＧＤＩ发动机所采用的净化技术主要是降低ＨＣ和ＮＯｘ的排放量。该净化技术主要由以下四项技术构成:①采用二阶段燃烧，提前激活催化剂；②采用反应式排气管；③高ＥＧＲ率；④使用稀ＮＯｘ催化剂。三菱汽车公司的缸内直喷汽油机排放控制措施示意图如图９￣３所示。欧Ⅳ排放标准在冷起动和各工况的排放限值比欧Ⅲ更小，二气门和非增压汽油发动机难以满足，一般应在多气门增压汽油发动机的基础上采用综合控制的发动机管理系统加紧凑耦合型三效催化转化器或前置双催化转化器或三效催化转化器辅以强制加热，为进一步降低ＮＯｘ，可同时采用废气再循环，其方案示意图如图９￣４所示。欧Ⅴ排放标准的排放限值比欧Ⅳ更小，特别是在氮氧化物(ＮＯｘ

)以及非甲烷碳氢(ＮＭＨＣ)方面有更严格的限制。为达到欧Ⅴ的排放标准，一般在欧Ⅳ净化方案的基础之上采用可变气门正时技术(ＶＶＴ)，其典型的净化方案示意图如图９￣５所示。为达到欧Ⅱ排放标准，采用涡轮增压中冷和高压喷射减少微粒，有的采用电子控制喷油，有的仍用机械控制。典型的欧Ⅱ净化方案如图９￣６所示。为达到欧Ⅲ排放标准，柴油车需采用电子控制，喷油压力要更高，且每循环多次喷射。其技术方案应有高压共轨或泵喷嘴喷射系统；采用多气门和可变喷嘴涡轮增压中冷以进一步降低微粒的排放。采用微粒捕集技术和ＮＯｘ净化技术可进一步分别减少微粒和ＮＯｘ排放，典型的欧Ⅲ净化方案示意图如图９￣７所示。为满足欧Ⅳ排放标准，柴油车一般在欧Ⅲ净化方案的基础上，与多级中冷废气再循环、选择性催化还原、微粒捕集器等技术中的一种或多种相结合，再加上先进的电控技术，可有效降低ＮＯｘ和微粒，使柴油车达到欧Ⅳ排放标准。其典型的净化方案示意图如图９￣８所示。为了满足欧Ⅴ排放标准的要求，在欧Ⅳ净化方案的基础上，需要进一步对发动机燃烧进行优化，同时，由于更为严格的ＮＯｘ排放限值，单一排气后处理技术已不能满足要求，采用复合后处理技术能更为有效地降低柴油机排放(图９￣９)。一、混合动力汽车１.混合动力汽车发展概况２０世纪９０年代以来，世界各国对环保的呼声日益高涨，电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的发展。由于一般电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到人们的要求，所以若在十年内燃料电池技术没有重大突破，电动汽车将无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，“准绿色”的新型产品混合动力型汽车登上了历史舞台。所谓混合动力汽车(ＨＥＶ)，是将一种或多种的能量转换技术和一种或多种能量存储技术集合于一体。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些国家已经进入实用阶段。２０世纪９０年代起，我国开始电动汽车和混合动力汽车的研制，也取得了一定的进展。随着各国汽车排放法规的日趋严格，混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额将逐渐增大，成为近些年来重点发展的新型汽车。２.混合动力汽车的类型和控制策略１)串联式混合动力汽车这种系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成。串联式ＨＥＶ动力传动系的组成，如图９￣１０所示。２)并联式混合动力汽车并联式ＨＥＶ动力传动系的组成如图９￣１１所示。这种系统更接近传统意义上的燃油汽车，此系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。３)混联式混合动力汽车典型的混联式ＨＥＶ动力传动系布置方案简图如图９￣１２所示，在该系统上既装有电动机又装有发电机，具备了串、并联结构各自的特点。图９￣１２ａ)的开关式结构，通过离合器的结合与分离来实现串联分支与并联分支间的相互切换。图９￣１２ｂ)的分路式结构中，串联分支与并联分支都始终处于工作状态，而由行星齿轮传动在串联分支和并联分支间进行发动机输出能量的合理分配。３.混合动力汽车需要解决的关键技术问题和面临的挑战与机遇１)混合动力单元技术对混合动力单元的研究主要集中在三个方面:一是燃烧系统的优化，通过研究燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，探究ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ以及微粒的形成机理，从而改进燃烧系统；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统和过滤系统；三是代用燃料的研究。２)能量存储技术能量储存装置的研究应该包括以下内容:一是研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构；二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高使用寿命；三是电池的热能管理及剩余电量管理。３)汽车集成电力电子模块技术混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现，控制系统的开发是混合动力系统的最关键的技术创新。在混合动力汽车进入实用化的过程中，一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。该模块能够实现对整车的控制。二、纯电动汽车纯电动汽车(ＥＶ)又称为蓄电池电动汽车，是一种仅采用蓄电池作为储能动力源的汽车。电动汽车无排气尾管，在不考虑生产电池和电能的排放时，它属于零排放汽车。电池通过功率变换装置向电动机提供电能并驱动其运转，电动机经传动装置带动车轮旋转从而推动汽车运动。纯电动汽车主要由蓄电池、电池管理系统、驱动电动机和驱动系统、车身和底盘以及安全保护系统等构成。现代电动汽车驱动系统由三个主要的子系统组成:电动机驱动子系统、能量子系统和辅助子系统。如图９￣１３所示。１.纯电动汽车的驱动模式１)传统驱动模式传统驱动模式如图９￣１４ａ)所示，它由传统汽车的驱动模式演变而来，即由电动机代替发动机，仍采用燃油汽车的传动系统，由离合器、变速器、传动轴和驱动桥等构成。２)电动机驱动桥组合式驱动模式如图９￣１４ｂ)所示，在电动机端盖的输出轴处安装减速齿轮和差速器等，电动机、减速器、驱动桥的轴相互平行，一起组合成一个驱动整体。３)电动机驱动桥整体式驱动模式如图９￣１４ｃ)所示，整体式驱动系统有同轴式和双联式两种。同轴式驱动系统的电动机轴是一种特殊制造的空心轴，在电动机左端输出轴处的装置有减速齿轮和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴通过电动机的空心轴来带动。双联式驱动系统由左右两台永磁电动机直接通过半轴带动车轮，左右两台电动机由中间的电控差速器控制。４)轮毂电动机分散驱动模式如图９￣１４ｄ)所示，轮毂式电动机直接装在汽车车轮里，它主要有两种结构:一种是内定子外转子结构，其外转子直接安装在车轮的轮缘上。由于不通过机械减速，通常要求电动机为低速转矩电动机；另一种就是用一般的内转子外定子结构，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂通常与其齿圈相连，它能提供较大的减速比来放大其输出转矩。２.纯电动汽车能量总成控制技术能量管理系统具有以下几项功能:①优化系统的能量分配；②预测电动汽车电池的荷电状态和相应的续驶里程；③再生制动时，合理地调整再生能量；④提供最佳的驾驶模式:⑤根据车辆的行驶气候条件，调整其温度控制方式；⑥根据外部光照条件，自动调节电动汽车的灯光照明强度；⑦分析电源尤其是蓄电池的工作历史；⑧诊断电源错误的工作模式和有缺陷的部件。１)纯电动汽车能量管理策略传统纯电动汽车中，蓄电池作为唯一的能量源，承担着车辆的全部功率负荷，这种结构决定了只需设计简单的能量管理策略即可实现能量的分配。需要在结合目前已有的混合动力汽车能量管理策略研究成果的基础上，研究这类系统的能量优化管理策略。２)电动汽车动力电池ＳＯＣ估计方法

美国先进电池联合会在其«电动汽车电池实验手册»中定义ＳＯＣ为:在一定放电倍率下，电池剩余电量与相同条件下额定容量的比值。电池的ＳＯＣ估计方法有四个方面的作用:①根据电池的ＳＯＣ值，可以识别电池组中各电池间的性能差异，并依此进行均衡充电，以保持电池性能的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的；②避免电池出现过放电、过充电；③能量管理策略根据准确的ＳＯＣ值进行合理的能量分配，从而更有效地利用有限能量；④预测车辆的剩余行驶里程。三、燃料电池汽车１.燃料电池电动汽车驱动系统的基本结构燃料电池电动汽车动力系统的基本结构如图９￣１５所示。２.燃料电池电动汽车的驱动类型及其特点１)纯燃料电池驱动(ＰＦＣ)纯燃料电池电动汽车驱动系统结构如图９￣１６所示。２)燃料电池和辅助蓄电池联合驱动(ＦＣ＋Ｂ)燃料电池和辅助蓄电池联合驱动是一种比较流行的结构。该驱动结构如图９￣１７所示。３)燃料电池和超级电容联合驱动(ＦＣ＋Ｃ)这种驱动模式在燃料电池的基础上增加一个超级电容，其结构如图９￣１８所示。４)燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动(ＦＣ＋Ｂ＋Ｃ)在这种结构中，可以由燃料电池单独或与蓄电池共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等工况需求峰值功率时，蓄电池和超级电容可以单独或共同提供这部分功率，使能量分配更趋合理。系统结构如图９￣１９所示。３.燃料电池电动汽车能量管理系统１)车载三种能源的比较燃料电池作为主能源，持续输出功率大，但是由于输出特性偏软，故要通过ＤＣ/ＤＣ转化器转换为稳定的直流高压输出；镍氢电池作为主要的辅助能源，动力性好，能瞬间输出大电流，并且可以提供燃料电池起动所需能量；由于镍氢电池瞬间输出大电流能力有限，而且过大的放电电流会导致电池性能的大大恶化，尤其重要的是其充电电流过大会降低电池的寿命，故配置超级电容，其能量可以通过副ＤＣ/ＤＣ变换器控制，这样在大电流输出阶段，超级电容可以和镍氢电池一并输出大电流，更为关键的是在再生制动阶段，超级电容可以回收大电流，减小对镍氢电池的损害。２)动力总成控制系统燃料电池电动车动力总成控制系统结构如图９￣２０所示。３)能量管理策略多能源能量管理系统一方面要使三种能源在合适的工作模式下工作，同时还要实现整车能量效率的优化控制。根据镍氢电池ＳＯＣ值及汽车目前所处的运行模式可确定当前三种能源的工作状况。燃料电池的自身机理及辅助系统响应的滞后性决定了输出功率不适应频繁变化，故目前燃料电池车能量管理策略的核心是减弱燃料电池发动机的动态过程，延长其寿命。一、燃气汽车燃气汽车根据使用燃料及其使用形态不同可分为: