《车辆工程专业导论 第4版》 课件 第四章 认识车辆工程学科的前沿技术

26六月20241车辆工程专业导论（第4版）车辆工程专业导论第四章认识车辆工程学科前沿技术第四章认识车辆工程学科前沿技术随着经济与社会的发展，人们对汽车的使用性能和环保提出了更高的要求。汽车传统的机械装置已经无法满足这些需求，以电子和信息技术为核心的汽车工业技术革新、技术发明层出不穷，新能源、新材料、电子技术、计算机技术与汽车融为一体的现代汽车技术应运而生。世界汽车技术的发展趋势可以用“节能、环保、安全、智能”八个字来概括。本章主要介绍汽车节能、减排、安全、智能化、NVH、先进制造等新技术，以了解汽车工程学科的一些前沿问题。26六月20242车辆工程专业导论（第4版）本章主要讲授内容：第一节汽车节能技术第二节汽车减排技术第三节汽车安全技术第四节汽车智能化技术第五节汽车NVH控制技术第六节汽车先进制造技术思考题26六月20243车辆工程专业导论（第4版）26六月20244第一节汽车节能技术车辆工程专业导论（第4版）在全球气候不断恶化，能源危机日益加重的严峻形势下，汽车节能技术的研究尤为重要，其中发动机节能技术、整车轻量化、新能源汽车是节能的重要途径和手段。发动机节能技术是汽车节能的关键，其主要目的是提高发动机热效率和发动机比功率。26六月20245一、发动机节能技术车辆工程专业导论（第4版）（一）提高发动机热效率的措施发动机热效率是指发动机利用燃料热能的有效程度，目前，一般汽油发动机的热效率仅为30%左右。提高发动机热效率就可以节能，其主要措施有：高压缩比、稀薄燃烧技术（均质稀薄燃烧）、缸内直喷技术、进气增压（涡轮增压，谐波增压）、增压中冷技术、可变配气技术（可变气门正时、可变气门升程）、改善进排气过程、改变混合气在汽缸中的流动方式、改进点火配置、提高点火能量（如独立点火）、优化燃烧过程、电控喷射技术、高压共轨技术、绝热发动机技术等。26六月20246车辆工程专业导论（第4版）（二）提高发动机比功率升功率（kw/L）是指发动机每升气缸工作容积所发出的功率。体现发动机品质高低主要是看动力性和经济性，也就是说发动机要具有较好的功率、良好的加速性和较低的燃料消耗量。影响发动机功率和燃料消耗量的因素有很多，其中影响最大的因素有排量、压缩比、配气正时。26六月20247车辆工程专业导论（第4版）升功率表示了单位气缸工作容积的利用率，升功率越大表示单位气缸工作容积所发出的功率越大。那么，当发动机功率一定时，升功率越大发动机的重量利用率就越高，相对而言发动机就越小，材料也就越省。升功率的高低反映出发动机设计与制造的质量。升功率（N）大小主要决定于气缸平均有效压力（P）和转速（n）的乘积，即N=P×n。提高升功率就要从提高气缸压力和转速入手，因此提高升功率的具体措施也就有：26六月20248车辆工程专业导论（第4版）1.提高充气量这是四冲程发动机增加热量的首要条件，因为燃料燃烧需要空气，燃料与空气比较，后者更难以充入气缸，所以就要改善换气条件，减少进气阻力增大气门通道截面积，有些发动机就采用4气门形式。当多气门结构布置困难时，首先要满足进气门的需要，不管气门布置形式怎么样，都是进气门数量等于或者大于排气门数量。2.提高转速以增加单位时间内的充气量现在轿车的发动机一般都是高转速发动机，每分钟转速在5000转以上。26六月20249车辆工程专业导论（第4版）3.改善混合气质量和燃烧过程采用电控燃油喷射系统，在所有工况下混合气的质量尽可能达到最佳，空气与燃油的混合地点从节气门处移至喷油嘴处，燃油直接与吸入的空气混合，从本质上改善了混合气的均匀性，这样在所有工况下都能够使混合气的质量尽可能达到最佳状态。4.提高发动机机械效率增加有效功的输出，减少机械损失主要是减少零件之间的摩擦，涉及到零件加工的精度、表面加工质量、润滑质量、温度控制及减少附件等。26六月202410车辆工程专业导论（第4版）随着人们对汽车安全性，舒适性，环保性能要求的提高，汽车安装空调，安全气囊，隔热隔音装置，废气净化装置，卫星导航系统等越来越普及，这无形中增加了汽车的质量、耗油量和耗材量。减轻汽车自重是节约能源的基本途径之一。汽车轻量化是目前的前沿和热点问题，已成为汽车优化设计和选材的主要发展方向。26六月202411二、汽车轻量化节能技术车辆工程专业导论（第4版）（二）汽车轻量化的途径汽车轻量化的主要途径包括使用轻质材料和结构的优化设计，此外，先进成形工艺或焊接工艺的应用能带来明显的轻量化效果。一般全钢结构白车身通过优化设计可以减重7%左右，采用铝合金的车身可以带来30%～50%的轻量化效果，而想减轻更多的重量就只能求助于纤维复合材制。优化结构的主要途径是利用有限元和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减小零部件的质量和数量。而先进的加工工艺是为了应对材料和结构的变更，而提出新的工艺。26六月202412车辆工程专业导论（第4版）1.汽车材料轻质化采用轻质材料是汽车轻量化的主流。汽车上轻质材料主要有铝合金、镁合金、高强度钢、复合材料等。（1）铝合金。铝的相对密度是2.70×103kg/m3，铝的机械性能与其纯度关系密切，纯铝软、强度低，但与某些金属组成铝合金后，不仅在某种程度上保持铝固有的特点，同时又显著地提高了它的硬度和强度，使之几乎可与软钢甚结构钢相媲美。车用铝材料皆以铝合金的形式出现。铝合金在汽车上的应用，最初主要是以铸造的方法生产发动机及其零部件，随后应用于轮毂等构件。以推出的全铝空间框架式车身为其主要代表。26六月202413车辆工程专业导论（第4版）汽车铝合金可分为铸造铝合金、变形铝合金（含锻造铝合金）两大类。当前汽车用铝以铸件为主，约占汽车用铝量的80%。铸造铝合金主要用于制造离合器壳体、变速器壳体、后桥壳、转向器壳体、摇臂盖、正时齿轮壳体等壳体类零件和发动机部件，以及保险杠、轮辋、转向节、液压泵体、制动钳、油缸及制动盘等非发动机结构件。而且今后有进一步扩大应用的趋势。26六月202414车辆工程专业导论（第4版）变形铝合金在汽车上主要用于制造保险杠、发动机罩、发动机体、车门、行李箱盖等车身面板，车轮的轮辐、轮毂罩、车轮外饰罩、制动器总成的保护罩、消声罩、防抱死制动系统、热交换器、车身框架、座椅骨架、车厢底板等结构件以及仪表板等装饰件。未来铝合金材料发展包括满足特定零部件使用要求的新合金开发，成形性能与焊接性能优良的高强度铝合金开发，开展对具有相同力学性能、不同物理性能（密度和弹性模量）的可行性研究，研究合金热力学性能对零部件性能的影响，开发新型抗划伤合金等。26六月202415车辆工程专业导论（第4版）（2）镁合金。镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减重基础上再减轻15%～20%。尽管镁在当前汽车用材中所占的比例不到1%，但是在轻量化的驱动下，镁材料技术开发的力度不断加大，它已步入快速阶段。近年来，很多种轿车铸件开始采用镁合金，以适应汽车轻量化的要求。这些镁合金铸件包括：离合器外壳、发动机罩壳、变速箱外壳、变速箱上盖、发动机罩盖、转向盘、座椅支架、仪表盘框架、车门内板、轮辋、转向支架、制动支架、气门支架等，甚至还有缸盖和缸体。有60多种零部件已采用或正在开发应用镁合金。26六月202416车辆工程专业导论（第4版）（3）高强度钢。高强度钢是常规高强度钢（屈服极限大于210MPa）、超高强度钢（屈服极限大于550MPa）和先进高强度钢（AHSS）的总称。采用高强度钢板，即可以减少汽车自身的质量，又可以提高汽车的安全性和可靠性。高强度钢材使用对象分为两部分，一部分是汽车车身、减振及车轮用部件，另一部分是底盘和排气系统。如需要具备防碰撞功能的零件，汽车门内防撞梁，汽车前后保险杠防撞板，车身A、柱B柱，发动机支撑梁，仪表板支架，门槛加强板，汽车座椅骨架等车身部件；车轮轮辐和轮辋高强度钢板；高强度弹簧、高碳传动轴管、高强度发动机螺栓等。汽车结构件用各种特殊钢强度一般都达到1000MPa，如汽车转向节、转向扭杆等。26六月202417车辆工程专业导论（第4版）（4）塑料。塑料应用于汽车始于19世纪60年代，主要用于汽车的内饰件上，例如车内顶棚、仪表板、转向盘、车门内板、座椅和扶手等，目的是实现汽车内饰柔软化，使乘客有安全舒适感。到了20世纪70年代，能源危机促使汽车制造业开始大量采用塑料，以减轻汽车自重，降低油耗。20世纪80年代以后，汽车零部件的塑料化得到迅速发展，出现了塑料覆盖件、塑料功能件和结构件。塑料在汽车中的应用遍及所有总成，业内习惯将他们分成内装饰件、外装件和功能件（其他结构件），汽车用塑料制品如图4-1所示。表4-1列出了目前汽车中主要塑料零部件所用的材料，其中，主要车用塑料材料有PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE。26六月202418车辆工程专业导论（第4版）

图4-1汽车用塑料制品26六月202419

车辆工程专业导论（第4版）表4-1目前汽车的主要塑料零部件所用材料26六月202420应用部位零部件主要品种外装件保险杠及面饰、车身板、照明系统、装饰件（镜座、门把手、侧面饰条）PTO、PC、聚酯、PP、PUR、PA、SMC、PUR-RIM、热塑性塑料、PC、丙烯酸树脂、PA、PC、PS、ASA-AES、PVC、PP、聚酯、PUR内装件内饰件、仪表板、转向轮、空气导管、其他（座椅、车顶蒙里、门内板等）发泡PUR（用于减振）、PVC为基纤维、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电气零件盒、开关插座、接头、灯光系统、电路板、导线高耐热聚苯乙烯、PP、聚酯、PA、聚酯、乙酰树脂（开关）、PPS、PBT、再生PET、PA、PPA、PVC传动系统轴承、CV接头、U型接头PA、乙酰树脂燃料系统燃油箱、燃油管HDPE、PA底盘悬挂系统、制动器乙酰树脂、PA、PP芳香族聚酯胺纤维（制动摩擦片）发动机进气系统、供油系统、冷却系统聚酯、PA、PP（空气清洁系统）、PA（进气歧管）、PA（散热器）、PPS（水泵）车辆工程专业导论（第4版）（5）复合材料。复合材料是指将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。复合材料具有质量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。复合材料基于这些优良性能，在现在的车身制造中得到了越来越广泛的应用，特别是纤维增强材料应用最广、用量最大。在车身制造中应用较多的纤维增强材料主要有：玻璃纤维增强材料、碳纤维增强材料和高弹性机体材料等。其中尤以玻璃纤维增强材料应用最为广泛。26六月202421车辆工程专业导论（第4版）与碳纤维增强材料相比，虽然碳纤维增强材料的力学性质更加稳定，但其价格昂贵，使得碳纤维增强材料只是用于极少数的顶级乘用车或赛车上，而玻璃纤维增强材料的应用却较为普遍。玻璃纤维增强复合材料中应用最广泛的是玻纤增强塑料；这也就是通常所说的玻璃钢，它是以不饱和聚酯为基体，以玻璃纤维及其制品增强的一种复合材料，可以代替钢板来制造车身大型覆盖件。26六月202422车辆工程专业导论（第4版）2.零部件优化设计在轻量化材料应用的过程中，零部件设计技术也得到相应发展，主要表现在新的选材与设计理念的出现，面向新材料的零部件设计方法和规范的制定等。3.零部件制造技术针对新材料的应用，国外开发出了一系列先进的零部件加工技术与设备，其中有很多已进入工业化的应用。他们主要包括各种先进的成型技术、连接技术和表面处理技术。在成型技术方面，采用激光拼焊、液压成型、气体热成型、电磁成型、半固态铸造等技术，均可减少零件数量和材料消耗，降低整车重量。26六月202423车辆工程专业导论（第4版）在连接技术方面，采用激光焊接铆接与自冲铆接粘结及复合连接等技术，代替传统的铆接、电阻电焊，可以提高连接质量，工艺性好也降低了自重。在表面处理技术方面，采用微弧氧化、金属铝涂层、含氟协合涂层、气相沉积、离子注入等方法，可使镁合金表面处理理想，以提高镁合金零部件的使用，从未减轻车重。

26六月202424车辆工程专业导论（第4版）作为一次能源的地下石油，其贮藏量随开采量的不断增长而逐渐减少，油价不断攀升，石油资源枯竭之日亦为期不远，石油汽车将面临饥饿和死亡。为此，科学家不断研究开发新能源汽车，如混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、燃气汽车、代用燃料汽车等。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常

规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、燃气汽车、代用燃料汽车等。26六月202425三、新能源汽车车辆工程专业导论（第4版）（一）混合动力汽车1.混合动力汽车的特点

混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle，HEV）是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元（AuxiliaryPowerUnit，APU），其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。汽车在不同位置或不同工况下使用不同的驱动方式。26六月202426车辆工程专业导论（第4版）例如：城市内行驶使用——电能源，蓄电池驱动；城间行驶使用——内燃机驱动。混合动力汽车的燃油经济性可以达到3倍于传统中型汽车，即每升燃油可行驶34km，折合3L/100km。混合动力汽车既能发挥电驱动汽车在城市里运行时低排放、低噪声的优点，同时又能保留内燃机汽车能长距离运行的优点，还可以利用驱动系统中的电机回收汽车制动能量。当汽车起动和爬坡时可以利用电机的辅助转矩，使汽车配置的内燃机排量减小。当汽车在城市内处于低速运行时，可完全依靠电机运行。在长途运输过程中可利用内燃机为电驱动系统中的蓄电池充电。26六月202427车辆工程专业导论（第4版）2.混合动力汽车的类型HEV有三种类型：串联式，并联式和混联式。（1）串联式HEV。由发动机带动发电机，电能在控制器的调节下带动电动机运转，以驱动车轮。发动机始终在热效率高而排放较低的单一最佳工况下运转，单一工况运转也便于排气后处理装置始终保持高净化率。低负荷运转时，发动机发出的功率超过驱动车辆的需要，多余的电能向蓄电池充电；而高负荷运转时，除发电机发出的电能外，电池组可提供额外的电能。但最高输出功率要受到电机功率的限制，如图所示。串联图4-2a串联式式混合动力车适于城区运行的车辆，如公交汽车等。26六月202428车辆工程专业导论（第4版）（2）并联式HEV。发动机和电动机可以分别独立地向汽车的驱动系统提供动力，而需要大功率时可以共同提供动力，改进了串联系统最大功率不足的缺陷，如图4-2b所示。并联式混合动力车比较适合于经常在郊区和高速公路上行驶的车辆。26六月202429图4-2b并联式车辆工程专业导论（第4版）（3）混联式HEV。通过一种行星齿轮系统组成的动力分配装置，将整个系统耦合在一起，根据行驶工况灵活采取串联方式或并联方式，以达到热效率最高、排气污染最低的效果。一般控制策略为：起步或低负荷行驶时，由电池电能驱动；匀速行驶时由发动机提供动力；加速行驶时，发动机与电池共同提供动力；停车或滑行时，发动机带动发电机向电池充电；制动和减速时通过能量回收系统向电池充电。串并联灵活驱动方式兼有串联和并联的特点，但控制系统最复杂。26六月202430图4-2c混联式车辆工程专业导论（第4版）4）插电式混合动力汽车。又称为外接充电式混合动力汽车，是指汽车的驱动力由驱动电机及发动机同时或单独供给，并且可由外部提供电能进行充电，纯电动模式下续驶里程符合我国相关标准规定的汽车。

26六月202431车辆工程专业导论（第4版）（二）电动汽车电动汽车是指以电力驱动的车辆。电力可以从高架电线网上获取，如无轨电车、有轨电车，也可以从移动电源（蓄电池）获取。本文主要是指从蓄电池获取电能，在道路上行驶的电动汽车，俗称纯电动汽车或蓄电池电动汽车。1.电动汽车与燃油汽车的区别两者的主要区别是在能源、动力、速度控制、传动等方面，见表4-226六月202432车辆工程专业导论（第4版）表4-2电动汽车与燃油汽车的主要区别26六月202433名称燃油汽车电动汽车能源系统汽油或柴油燃料电池或蓄电池动力系统发动机电动机速度控制系统变速器离合器调速控制器传动系统变速器离合器传动轴传动轴驱动桥车辆工程专业导论（第4版）2.电动汽车的结构原理电动汽车的能量传递如图4-3所示。图4-3电动汽车的能量传递26六月202434车辆工程专业导论（第4版）当汽车行驶时，由蓄电池输出电能（电流）通过控制器驱动电动机运转，电动机输出的转矩经传动系统带动车轮前进或后退。电动汽车续驶里程与蓄电池容量有关，蓄电池容量受诸多因素限制。要提高一次充电续驶里程，必须尽可能地节省蓄电池的能量。电动汽车主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统3部分组成。（1）电力驱动系统。主要包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮等。它的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池。26六月202435车辆工程专业导论（第4版）（2）电源系统。主要包括电源、能量管理系统和充电机等。它的功用是向电动机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。（3）辅助系统。主要包括辅助动力源、空调器、动力转向系统、导航系统、刮水器、收音机以及照明和除霜装置等。辅助系统除辅助动力源外，其余的依据车型不同而不同。3.电动汽车的关键技术主要关键技术有：电动汽车及控制技术、电池及管理技术、整车控制技术、整车轻量化技术、充电技术等。26六月202436车辆工程专业导论（第4版）（三）燃料电池汽车采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电池汽车。燃料电池汽车一般以质子交换膜燃料电池作为车载能量源。（1）燃料电池汽车的类型1）按燃料特点不同分。可分为直接燃料电池汽车和重整燃料电池汽车。直接燃料电池汽车的燃料主要是氢气。直接燃料电池汽车排放无污染，被认为是最理想的汽车，但存在氢的制取和存储困难等问题。重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。其结构比氢燃料电池汽车复杂得多。26六月202437车辆工程专业导论（第4版）2）按燃料氢的存储方式不同分。可分为压缩氢燃料电池汽车、液氢燃料电池汽车和合金（碳纳米管）吸附氢燃料电池汽车。3）按“多电源”的配置不同分。可分为纯燃料电池驱动（PFC）的燃料电池汽车，燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的燃料电池汽车，燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的燃料电池汽车以及燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的燃料电池汽车，如图4-5所示。26六月202438车辆工程专业导论（第4版）（2）燃料电池汽车的基本组成燃料电池汽车主要由贮氢罐、燃料电池组、电机控制系统、驱动电机、超级电容或辅助蓄电池及热交换器等部件组成，如图4-4所示。26六月202439图4-4燃料电池汽车的基本组成a）布置示意图b）实物图

a)

b)车辆工程专业导论（第4版）（3）燃料电池汽车的工作原理作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥（或后桥）等行走机械结构工作，从而驱动汽车前进，如图4-5所示。26六月202440图4-5燃料电池汽车的工作原理车辆工程专业导论（第4版）燃料电池汽车是电动汽车的一种，其核心部件燃料电池。通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能动力。燃料电池虽然称电池但不是电池，而是相当于一台氢燃料发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。燃料电池的反应结果会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，副产品主要产生水，因此被称为绿色新型环保汽车。燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些汽车直接携带着纯氢燃料，另外一些汽车有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足汽车使用的要求。26六月202441车辆工程专业导论（第4版）（4）燃料电池汽车的特点与传统汽车相比，燃料电池汽车的优点是：节能、转换效率高、不需要石油燃料且稳定性和可靠性高于内燃机；零排放或近似零排放；汽车的性能接近内燃机方式驱动的汽车水平；减少了机油泄漏带来的水污染；降低了温室气体的排放；提高了燃油经济性；提高了发动机燃烧效率；结构简单、运行平稳、无噪声。与传统汽车相比，燃料电池汽车的缺点是：燃料种类单一；要求高质量的密封；造价太高；需要配备辅助电池系统。（5）燃料电池汽车的关键技术燃料电池汽车的关键技术主要有包括燃料电池技术、电机技术、控制器技术，这3项技术也是一直制约燃料电池汽车大规模进入市场的关键因素。26六月202442车辆工程专业导论（第4版）（四）太阳能汽车太阳能汽车是利用太阳能电池将太阳能转换成电能，并利用该电能作为能源驱动行驶的汽车，是电动汽车的一种。1.太阳能汽车的特点太阳能汽车的能源来自太阳，是真正的绿色能源汽车，其特点如下：（1）节约能源。（2）能源利用率高：太阳能汽车很少通过齿轮机构传递能量，可以防止能量损耗。同时又通过驱动电动机的能量利用率又非常高。（3）减少环境污染：太阳能汽车消耗的能量是电能，不产生废气。（4）灵活、操控性好：由于太阳能汽车中很多部件都是电子部件，所以可以保证很好的操作性。26六月202443车辆工程专业导论（第4版）26六月2024442.太阳能汽车的工作原理太阳能车的基本原理（图4-6）：首先车身表面的太阳能电池镶嵌板把太阻能转化为电能，此电能通过峰值功率跟踪器给负荷供给能量。从峰值功率跟踪器出来的电能给电动机的速度控制装置及蓄电池供电，使电动机驱动。一般情况下，电动机转矩通过侧链等传动机构和减速机构传到车轮上，使车轮转动。图4-6太阳能汽车基本工作原理与外形车辆工程专业导论（第4版）3.太阳能汽车的关键技术太阳能电动车的应用技术涉及光电、电机、电子、控制、汽车工程、机械、化学等各个方面。作为电动车密不可分的一部分，其应用关键技术可以归纳为五个主要方面：光电技术、车体技术、电力驱动技术、储能电池技术和能量管理系统技术。26六月202445车辆工程专业导论（第4版）（五）代用燃料汽车1.代用燃料的种类所谓代用燃料是指能够取代或部分取代目前内燃机传统燃料（汽油、柴油、煤油）的燃料。能作为内燃机实际使用的代用燃料要求发动机本身不应做大的改动即能利用，应有足够的资源，加工、运输、使用和保管比较方便且安全可靠，使用代用燃料的发动机的动力性、经济性、排放性、耐久性和可靠性不应降低。代用燃料很广泛，可分为气体代用燃料和液体代用燃料。气体代用燃料主要有：天然气、液化石油气、氢气等。液体代用燃料主要有：乙醇、甲醇、二甲醚、生物柴油等。26六月202446车辆工程专业导论（第4版）26六月2024472.天然气汽车按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为压缩天然气（CNG）汽车和液化天然气（LNG）汽车。目前世界上使用较多的是压缩天然气汽车。按照燃料使用状况的不同，天然气汽车可分为专用燃料天然气汽车、两用燃料天然气汽和双燃料天然气汽车。天然气汽车与普通燃油汽车相比，在结构上主要增加了燃气供给系统。天然气供给系统由储气部件供气部件控制部件和燃料转换部件组成。天然气汽车的关键技术有：加气站技术、发动机技术、气瓶技术、混合控制技术。图4-7天然汽车车辆工程专业导论（第4版）3.液化石油气汽车以液化石油气为燃料的汽车称为液化石油气汽车。液化石油气汽车与燃油汽车相比，其特性见表4-3。表4-3液化石油气汽车特性比较26六月202448优点缺点减少污染汽车动力性有所下降有较好的抗爆性低温启动性能变差低温起动性好续驶里程较短经济性好汽车以双燃料方式并存时，整车成本较高安全性好补给液化石油气不方便车辆工程专业导论（第4版）4.氢气汽车氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车，氢燃料汽车是在传统内燃机的基础上加以修改后可以直接用氢为燃料燃烧，产生动力。氢燃料燃烧产物只有H2O和NOx，不会产生颗粒、积炭等，从而大大减少了发动机的磨损，减轻了润滑油被污染的程度，可以认为氢是发动机最清洁的燃料，氢燃料汽车不污染环境，是一种环境友好的绿色交通工具。缺点是氢燃烧效率低，大约只有38%，且由于氢燃料热值高、火焰传播速度快和着火范围宽等，氢燃料发动机容易出现早燃、回火、敲缸、负荷高以及NOx排放偏高等情况。26六月202449车辆工程专业导论（第4版）5.甲醇汽车甲醇燃料汽车是指利用甲醇燃料做能源驱动的汽车。甲醇作为燃料在汽车上的应用主要有掺烧和纯甲醇替代两种。掺烧是指将甲醇以不同的比例（如M10、M15、M30等）掺入汽油中，作为发动机的燃料，一般称为甲醇汽油；纯甲醇替代是指将高比例甲醇（如M85、M100）直接用作汽车燃料。26六月202450车辆工程专业导论（第4版）甲醇汽油是指把甲醇部分添加在汽油里，用甲醇燃料助溶剂复配的M系列混合燃料。目前我国市场上使用的甲醇汽油主要有M5、M15、M50、M85以及M100等。甲醇作为车用燃料有如下优点：（1）辛烷值高，能显著提高燃料的混合辛烷值，增强抗爆性能，可以提高发动机的压缩比，从而提高发动机的功率。（2）甲醇是高含氧量物质，它在气缸内完全燃烧时所需要的过量空气系数可以远远小于燃用汽油时所要求的值，燃烧更为充分。（3）挥发性好于与空气的混合。26六月202451车辆工程专业导论（第4版）（4）可显著降低尾气排放。（5）在高油价、低甲醇价格情况下，经济上甲醇燃料占有很大优势。（6）灵活性高，经改装后的甲醇燃料汽车，可燃用甲醇，也可燃用汽油及两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，对于现有的汽油车，无需任何改动装置，既可以使用汽油，也可以使用低比例甲醇汽油。26六月202452车辆工程专业导论（第4版）6.乙醇汽车乙醇汽车是指使用车用乙醇汽油作为主要的动力燃料的机动车。乙醇燃料已成为国际上普遍公认可降低环境污染和取代化石燃料的主要资源。为此，世界上一些知名的汽车巨头纷纷把目光投向乙醇汽车的研发和推广上。车用乙醇汽油是指在汽油组分油中，按体积比加入一定比例（中国暂按10%）的变性燃料乙醇混配而成的一种新型清洁车用燃料。26六月202453车辆工程专业导论（第4版）乙醇汽油的特性和优点：首先能增加汽油中的氧含量，使燃烧更充分，彻底有效地降低了尾气中有害物质的排放；第二，有效提高汽油的标号，使发动机运行平稳；第三，有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位积炭的形成，可以延长主要部件的使用寿命。巴西环境部发布了一项研究报告，宣称使用乙醇作燃料驱动汽车产生的有害污染物并不比普通汽油少。26六月202454车辆工程专业导论（第4版）7.二甲醚汽车二甲醚汽车是指使用二甲醚作为动力燃料的机动车。二甲醚作为环保、清洁、安全的新型替代能源，已经得到国际社会的公认。二甲醚是汽车发动机，特别是柴油发动机燃料的理想替代品。二甲醚汽车具有节能环保安全性高燃烧效率高等优点。针对我国自然条件和“富煤、少油、有气”的能源资源特色，发展洁净能源二甲醚，对于我国经济发展、环境保护平衡具有重大战略意义。26六月202455车辆工程专业导论（第4版）8.生物柴油汽车生物柴油汽车是指以生物柴油作为动力的一种新型新能源柴油车。柴油作为一种重要的石油链炼制产品，在各国燃料结构中占有较高的份额，以成为重要的动力燃料。随着世界范围内车辆柴油化趋势的加快，未来柴油的需求量会愈来愈大，而石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高，大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐。由于生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于该植物生长过程中所吸收的二氧化碳，从而改善由于二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。因而，生物柴油是一种绿色柴油。生物柴油以其优越的环保性能受到了各国的重视。26六月202456车辆工程专业导论（第4版）生物柴油车具有优良的环保特性、较好的低温发动机启动性能、较好的润滑性能、较好的安全性能、良好的燃料性能、可再生性能等优点。因此，生物柴油汽车是今年汽车节能环保发展的主要方向之一。26六月202457车辆工程专业导论（第4版）第二节汽车减排技术26六月202458车辆工程专业导论（第4版）我国汽车工业的迅猛发展和城市化进程的加快，汽车保有量的急剧增加，我国的大部分城市的雾霾天气增多，PM2.5值攀升，环境污染日趋严重，汽车是造成环境污染的主要因素之一。为此，汽车减排是目前热点问题之一，人们提出了许多防治汽车尾气污染的控制措施。为了治理环境污染，各国根据大气环境污染的具体情况，制定有关环境保护的法律与大气污染治理目标，对各种污染源的排放提出控制要求，针对不同类型的机动车制定出不同的排放标准，这些标准是要求强制性执行的，因而也称为排放法规。26六月202459一、汽车减排的强制性标准车辆工程专业导论（第4版）排放法规由一系列各种污染物的限值组成，还包括检测、认证和强制执行的方法，其每一部分内容互相联系，互相一致。当今世界上主要有三种排放法规体系，即美国、欧洲和日本的排放法规体系。这些汽车排放法规已成为汽车设计与制造的准则、汽车强制性认证的主要依据和汽车产品国际贸易的保障。与国外先进国家相比，我国汽车尾气排放法规起步较晚、水平较低，根据我国的实际情况，从八十年代初期开始采取了先易后难分阶段实施的具体方案，其具体实施至今主要分为六个阶段。26六月202460车辆工程专业导论（第4版）26六月202461车辆工程专业导论（第4版）第一阶段：GB18352.1-2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(I)》，等效采用欧盟93/59/EC指令，参照采用98/77/EC指令部分技术内容，等同于欧1标准，从2001年4月16日发布并实施国Ⅰ标准。第二阶段：GB18352.2—2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(Ⅱ)》，等效采用欧盟96⑽69/EC指令，参照采用98⑽77⑽EC指令部分技术内容，等同于欧2标准，从2004年7月1日起实施国Ⅱ标准。第三阶段：GB18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》，国Ⅲ部分等同于欧3标准，于2007年7月1日实施国Ⅲ标准。26六月202462车辆工程专业导论（第4版）第四阶段：GB18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》，国Ⅳ部分等同于欧4标准，从2015年1月1日起全国统一实施国Ⅳ排放标准。第五阶段：2013年9月17日，环保部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》（GB18352.5-2013）。从2017年1月1日起，全国机动车将全面实施国Ⅴ排放标准。第六阶段：2016年发布了第六阶段（国Ⅵ）的排放标准GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，相比国Ⅴ排放标准，其限值加严了30%~50%。自2019年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合国Ⅵa标准限值要求。自2023年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合国Ⅵb标准限值要求。在欧洲，2000年起开始实施欧3标准，2005年起开始实施欧4标准，2009年起开始实施欧5标准，2014年起开始实施欧6标准，欧7标准实施时间还未确定。26六月202463车辆工程专业导论（第4版）降低汽油发动机排放主要从机内净化与机外净化方面进行。（一）汽油机机内净化技术降低汽油发动机排放的关键是从汽油机内部解决，其主要技术有：电子控制汽油喷射技术、电控点火系统、可变气门正时技术、可变长度进气歧管、废气再循环技术、进气增压技术、均质充量压燃技术、多气门技术、缸内直喷技术、可变压缩比、停缸技术、OBD诊断技术等。26六月202464二、汽油机排放控制技术车辆工程专业导论（第4版）26六月2024651.电子控制汽油喷射技术电子控制汽油喷射系统采用多种传感器，将发动机的负荷、转速、吸入空气量、冷却水温、排放状态、燃烧状况等转换成电信号，并输入到电子控制单元。电子控制单元按给定程序和标准数据，对这些电信号进行转换后，发出相应的指令（电信号）驱动喷油器。喷油器开闭时刻、次数及时间等受到严格控制，从而使发动机获得能够适应各种工况的最佳混合气。图4-8电子控制汽油喷射系统车辆工程专业导论（第4版）电子控制汽油喷射系统节能减排的基本原理：（1）用ECU来控制每循环的喷油量和喷油时刻，可按各种工况的要求用ECU来控制每循环的喷油量和喷油时刻，对燃油量进行校正，其废气排放指标比化油器汽油机好得多。（2）每缸采用单独喷油器供油，这样，可提高各缸空燃比的均匀性和喷油量的精确性。（3）燃油雾化特性是由喷油器的特性决定的，与汽油机的转速无关。因此，起动时仍能保持良好的雾化特性，起动性能良好，且起动时HC排放量少。26六月202466车辆工程专业导论（第4版）2.电控点火系统在汽油机中，点火系统的任务是提供足够能量的电火花适时的点燃燃烧室内的混合气。点火系统的性能，如点火正时和点火能量对汽油机的燃烧有很重要的影响，从而影响发动机的性能和排放。为使汽油机高效节能、动力强劲、排放低，要求点火可靠、正时优化。现代发动机上普遍采用高能点火系统，其点火电压已高达30～40kV，火花塞间隙已达l～1.5mm，能保证可靠点火，增大火花强度，延长火花持续时间，从而改善了混合气燃烧过程，降低了HC排放。26六月202467车辆工程专业导论（第4版）电控点火系统可根据发动机转速发动机负荷以及节气门开度冷却液温度进气温度爆燃等信号可对点火提前角进行优化计算以实现精准控制，从而可有效降低发动机的燃油消耗率和有害排放物。26六月202468车辆工程专业导论（第4版）3.可变气门正时技术传统发动机的配气相位和升程是固定的，不能使各种工况下都得到最佳的配气正时。可变气门定时技术（VariableValveTiming，VVT）指的是发动机气门升程和配气相位定时可以根据发动机工况作实时的调节。VVT技术可分为3种：可变相位技术、可变升程技术以及可变相位和升程技术。代表性的VVT技术是本田公司的VTEC、丰田公司的VVT-i以及宝马公司的Valvetronic技术。这一技术使发动机设计师无需再在低速转矩与高速功率之间作抉择，实时的气门定时调整使得同时顾及低速转矩与高速功率成为可能。26六月202469车辆工程专业导论（第4版）连续可变气门定时技术加上先进的发动机控制策略，可以巧妙地实现可变压缩比。在大负荷时，发动机容易发生自燃引起的爆燃，通过推迟进气门关闭的时间来达到降低有效压缩比的目的，从而避免爆燃。在中小负荷时，爆燃不再是个问题，可以通过调整气门关闭时间达到提高有效压缩比的目的，从而使发动机在中小负荷时有优异的热效率。可变气门技术也可使汽油机排放品质达到更好的水平。发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的转矩和功率可以得到进一步的提高。它的特点是在大幅提高了燃油的经济效益的同时增加发动机的功率，但对油品的要求十分苛刻。几种可变气门正时技术如图4-11所示。26六月202470车辆工程专业导论（第4版）

（a）本田VTEC（b）丰田VVT-i（c）宝马Valvetronic图4-9几种可变气门正时技术26六月202471

车辆工程专业导论（第4版）4.可变长度进气歧管发动机的进气道是连接进气门和进气总管的，进气歧管设计的形状也能直接影响发动机的性能。图4-10所示为可变长度进气歧管。可变长度进气歧管的工作原理是：随着进气门的开启和关闭，在进气管内会产生压波动，形成吸气波和压力波，并以声速传播，进气管的长度必须根据发动机转速而调整，以保证最高压力波在进气门关闭以前到达进气门，从而提高进气量。发动机电脑根据转速信号，控制驱动马达来调整歧管开度，从而改变歧管长度。根据发动机转速调整进气歧管长度，低速时使用长进气歧管来提高进气量，增大转矩，高速时，使用短进气歧管来提高进气量，提高发动机功率。26六月202472车辆工程专业导论（第4版）图4-10可变长度进气歧管26六月202473车辆工程专业导论（第4版）26六月2024745.废气再循环技术废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它将汽油机排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入汽缸燃烧。废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：

NOx是在高温和富氧条件下N2和O2发生化学反应的产物。燃烧温度和氧浓度越高，持续时间越长，NOx的生成物也越多。图4-11废气再循环系统车辆工程专业导论（第4版）一方面废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度；另一方面，考虑到除怠速外的其他工况下的CO、HC和NOx浓度均小于1%，废气中的主要成分为N2、CO2，和H2O，而且三原子气体的比热较高，从而提高了混合气的比热容，加热这种经过废气稀释后的混合气所需要的热量也随之增大，在燃料燃烧放出的热量不变的情况下最高燃烧温度可以降低。从而可使NOx在燃烧过程中的生成受到抑制，明显的降低NOx的排放。废气再循环系统如图4-11所示。26六月202475车辆工程专业导论（第4版）

6.进气增压技术在汽油机中，燃料所供能量中有20%～45%是由排气带走的，对于非增压汽油机可取上述百分比范围的低限值，对高增压汽油机可取高限值。例如，一台平均有效压力为1.8MPa的高增压中速四冲程汽油机，燃料中将近47%的能量传给活塞做功，约10%的能量通过汽缸壁散失掉，约43%的能量随排气流出汽缸。增压技术的作用就在于利用这部分排气能量，使它转换为压缩空气的有效功以增加汽油机的充气量。增压对提高汽油机功率和改善其燃油经济性及排放都有积极意义。26六月202476车辆工程专业导论（第4版）所谓增压，就是利用增压器将空气或可燃混合气预先进行压缩，再送入汽油机汽缸的过程。增压后，虽然汽缸的工作容积不变，但每循环进入汽缸的新鲜空气或混合气充量密度增大，使实际混合气充量增加，因此不仅可使燃料燃烧更加充分，还可增加每循环的燃料添加量，从而达到提高汽油机功率和经济性，改善排放性能的目的。增压比是指增压后气体压力与增压前气体压力之比。汽油机增压通常有机械增压、废气增压、气波增压、复合增压等类型。26六月202477（a）机械增压（b）涡轮增压（c）气波增压（d）复合增压图4-12汽油机增压方式车辆工程专业导论（第4版）7.均质充量压燃技术（HCCI）均质充量压缩燃烧（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体。26六月202478车辆工程专业导论（第4版）HCCI是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。由于不受燃油和氧化物分离面处混合比的限制，也没有点火式燃烧的局部高温反应区，使得N2和微粒（PM）排放很低，而且具有较高的热效率。HCCI汽油机与传统汽油机、柴油机的比较如图4-15所示。26六月202479车辆工程专业导论（第4版）8.多气门技术以前的汽油机每个气缸只有两个气门（进、排气门各一个），如果每个气缸多于两个气门，就称为多气门汽油机（图4-14）。图4-14多气门技术26六月202480车辆工程专业导论（第4版）采用多气门汽油机的节能减排机理是：（1）扩大进、排气门的总流通截面积，增大汽油机的进、排气量，降低泵气损失，使汽油机的燃烧更彻底，功率提高。（2）可实现关闭部分通道，形成与汽油机转速相适应的进气滚流强度，拓宽汽油机的高效工作转速范围。低速运转时采用上述方法，可使进气滚流强度比高速时更强，提高了低速时的混合气质量，使燃烧更充分，功率也得到提升。26六月202481车辆工程专业导论（第4版）（3）气门增多，则气门变小变轻，不但允许气门以更快的速度开启和关闭，增大了气门开启的时间断面值，而且使相邻气门之间被浪费的燃烧室面积大为减少，从而增加了燃烧室表面积利用率，气门流通总面积增加。（4）由于多气门改善了进气能力，因此进、排气重叠角可以减小，从而有效降低了小负荷工况时的排放，再者，多气门排气阻力小，进气量大，扫除缸内废气效果提升。采用多气门技术，不仅能够有效降低汽油机的主要排放物，并且有效提升动力性和燃油经济性，因此多气门技术目前已被广泛应用。26六月202482车辆工程专业导论（第4版）9.缸内直喷技术（GDI）开发车用具有汽油机优点同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究目标。以缸内直喷汽油机（GasolineDirectInjection，GDI）为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性，有效地控制NOx和HC的排放。直喷式发动机（缸内喷注式汽油发动机）与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置。26六月202483车辆工程专业导论（第4版）GDI装置引进了柴油机直接将柴油喷入缸内的理念直接在缸内喷射汽油，利用缸内气体流动与空气混合组织形成分层燃烧（图4-15）。汽油直喷入缸内有利于汽油的雾化，使汽油和空气更好地混合，燃烧更为完全。另外进气管道中没有狭窄的喉管，空气流动的阻力小，充气性能好，因此输出的功率也较大。喷油嘴喷油后大部分油雾都集中在活塞的凹坑中，靠进气系统形成涡流带动油雾在缸内形成混合气，与周围的稀区形成分层气体，虽然混合比达到40:1，但高压旋转喷射器喷射出雾状汽油，在压缩冲程后期的点火前夕，被气体的纵涡流融合成球状雾化体，形成一种以火花塞为中心，由浓到稀的层状混合气状态，聚集在火花塞周围的混合气很浓厚，很容易点火燃烧。26六月202484车辆工程专业导论（第4版）

图4-15缸内直喷技术（GDI）26六月202485车辆工程专业导论（第4版）10.可变压缩比压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，其表示活塞由下止点运动到上止点时气缸内气体被压缩的程度，是衡量发动机性能的重要参数，是影响发动机效率最重要的因素之一。一般来说，压缩比越高，发动机的性能就越好。对于传统的发动机，一经设计好其压缩比是固定不变的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数。现代汽车发动机的压缩比汽油机一般为8～12，柴油机一般为12～22。26六月202486车辆工程专业导论（第4版）可变压缩比（VCR）技术主要是针对增压发动机的一种技术。固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，事实上在小负荷、低转速运转时，发动机的热效率低，相应地综合性能比较差，这时可以用较大的压缩比；而在大负荷、高转速运转时，若压缩比过高，则很容易发生爆燃并产生很大的热负荷和机械负荷，这时可以用较小的压缩比。随着负荷的变化连续调节压缩比，可以最大限度地挖掘发动机的潜力，使其在整个工况区域内有效提高热效率，进而提高发动机的综合性能。26六月202487车辆工程专业导论（第4版）可变压缩比的目的在于提高增压发动机的燃油经济性。在增压发动机中，为了防止爆燃，其压缩比低于自然吸气式发动机。在增压压力低时热效率降低，使燃油经济性下降。特别在涡轮增压发动机中由于增压度上升缓慢，在低压缩比条件下转矩上升也很缓慢，形成所谓的增压滞后现象。也就是说发动机在低速时，增压作用滞后，要等到发动机加速至一定转速后增压系统才起到作用。为了解决这个问题，可变压缩比是重要方法。就是说在增压压力低的低负荷工况使压缩比提高到与自然吸气式发动机压缩比相同或超过；另一方面，在高增压的高负荷工况下适当降低压缩比。换言之，随着负荷的变化连续调节压缩比，以便能够从低负荷到高负荷的整个工况范围内有效提高热效率。26六月202488车辆工程专业导论（第4版）由压缩比的定义可知，要想使压缩比有所变化，就必须从怎样改变燃烧室容积和工作容积方面入手。发动机的燃烧室由活塞顶、气缸和气缸盖3部分构成，迄今为止出现的一些可变压缩比实现方案都是围绕这3个元素而行的。通常采用的手段大致为下面3种：①通过改变气缸盖的结构来实现；②通过改变缸体结构来实现；③通过改变活塞及曲柄连杆机构来实现。几种可变压缩比技术如图4-16所示。26六月202489（a）汽缸作推移（b）改变汽缸盖的几何形状（c）改变活塞的几何形状（d）偏心的连杆支承（e）偏心的曲轴支图4-16几种可变压缩比技术承车辆工程专业导论（第4版）11.停缸技术发动机部分负荷时，切断部分汽缸的供油而使工作汽缸的负荷提高，以改善发动机性能的技术称为停缸技术。26六月202490车辆工程专业导论（第4版）由于停缸工况下发动机的泵气损失功减少，同时发动机的机械摩擦损失功也减少，从而可明显提高发动机的燃油经济性，这是停缸节油的主要原因。实现停缸的方法有3种：①仅仅停止供油（简称断油）；②停止气门运动和断油（简称停阀机）；③断油的同时引入工作缸的废气到不作功的汽缸内（断油回流），停缸技术原理如图4-17所示。26六月202491（a）部分负荷（b）大负荷图4-17停缸技术车辆工程专业导论（第4版）12.OBD诊断技术OBD诊断技术是全面达到国3、国4、国5、国6汽车排放标准的一种技术措施，并不能简单地理解为发动机或汽车故障在线诊断技术和方法。OBD实质性能就是全面监测汽车运行的排放污染物，主要目的是使汽车的检测、维护和管理融为一体，以满足环境保护的要求。OBD系统可监测车辆多个系统和部件，包括发动机、三元催化转换器、颗粒捕集器、氧传感器、排放控制系统、燃油系统、废气再循环系统（EGR）等，确保车辆始终处于良好的技术状况。26六月202492车辆工程专业导论（第4版）（二）汽油机后处理净化技术随着对发动机排放要求的日趋严格，改善发动机工作过程的难度越来越大，能统筹兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机将越来越复杂，成本也急剧上升。因此，世界各国都先后开发废气后处理净化技术，在不影响或少影响发动机其他性能的同时，在排气系统中安装各种净化装置，采用物理的和化学的方法降低排气中的污染物最终向大气环境的排放。汽油机后处理净化技术主要有三效催化转化技术、稀燃催化技术、热反应器、二次空气喷射等。26六月202493车辆工程专业导论（第4版）1.三效催化转化技术三效催化转化器是目前应用最多的汽油机废气后处理净化技术。当汽油机工作时，废气经排气管进入催化器，其中氮氧化物与废气中的一氧化碳、氢气等还原性气体在催化作用下分解成氮气和氧气；而碳氢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气，如图4-20所示。三效催化转化器的载体一般采用蜂窝结构，蜂窝表而有涂层和活性组分，与废气的接触表面积非常大，所以其净化效率高，当发动机的空燃比在理论空燃比附近时，三效催化器可将90%的碳氢化合物和一氧化碳及70%的氮氧化物同时净化，因此这种催化器被称为三效催化转化器。目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成为国内外汽油车排放控制技术的主流。26六月202494车辆工程专业导论（第4版）（a）单芯三元催化转化器（b）双芯三元催化转化器图4-18三效催化转换器26六月202495车辆工程专业导论（第4版）三效催化转化器与发动机以及汽车有一个非常重要的优化匹配问题。催化器性能再好，如果系统不能给它提供一个合适的工作条件（如空燃比、温度及空速等），催化器就不能高效地净化排气污染物。反之，催化器在设计时，也应根据具体车型原始排放水平的不同、要满足的排放法规的不同、对动力性和经济性等指标的要求不同等条件来确定设计方案。26六月202496车辆工程专业导论（第4版）催化器的匹配主要包括以下几个方面：（1）催化器与发动机特性的匹配；（2）催化器与电控燃油喷射系统的匹配；（3）催化器与排气系统的匹配；（4）催化器与燃料及润滑油的匹配；（5）催化器与整车设计的匹配。催化器的匹配是一项交叉于汽车、材料和化学等不同领域的涉及范围很广的技术。26六月202497车辆工程专业导论（第4版）2.稀燃催化技术稀薄燃烧技术是降低CO排放的有效手段。所谓稀薄燃烧指发动机在空燃比大于化学计量比的条件下运行，其排放尾气与普通发动机有相似的化学成分，但其中还原性及氧化性气体的相对含量不同于普通发动机的尾气，因而其排放尾气的净化处理技术有明显区别。采用稀薄燃烧技术，可提高燃料的利用率，从而提高燃料的经济性，减少CO2、C0排放浓度，在一定空燃比范围内，HC和NOx也有所减少，但O2的浓度却明显升高，导致NOx的转化效率会大大降低，在这种富氧条件下，催化还原其中的NOx是稀燃催化技术的关键所在。针对稀燃催化技术研究较多的是Pt-Rh氧化还原催化剂、Pt-Pd-Rh三效催化剂、全Pd催化剂和后来采用的催化剂涂层等，但空燃比的操作窗口太窄，要求燃油中S含量较低，因此难以广泛应用。26六月202498车辆工程专业导论（第4版）日前，在稀薄燃烧汽油机排放的尾气净化技术中，被广泛研究的是吸附还原催化技术。吸附还原催化技术对NOx的转化效率可达70%～90%，其最佳工作温度在150℃～450℃之间，并已在缸内直喷汽油机中得到了应用。NOx吸附还原催化器主要安装在缸内直喷发动机的排气管上，当发动机稀薄燃烧时，将NOx氧化，并与碱土金属发生化学反应，生成氮化物，并被吸附在吸附剂上。26六月202499车辆工程专业导论（第4版）当发动机处于浓燃时，吸附在催化器吸附剂上的氮化物被脱附，在排气管中上的还原剂HC、CO、H2的作用下，被还原为无害的氮气N2。NOx吸附还原催化器的工作原理如图4-21所示。图4-19NOx吸附还原催化器的工作原理26六月2024100车辆工程专业导论（第4版）吸附还原催化器的吸附能力是有限的，当催化器在稀燃工况下连续运行时，吸附量将达到饱和，不能继续起作用。因此必须交替采用稀-浓混合气。为了精确控制NOx吸附的稀燃阶段和NOx还原的浓燃阶段，可以在催化器后安装氧传感器，检测NOx还原过程是否结束，从而使NOx排放和燃油经济性都达到最优。26六月2024101车辆工程专业导论（第4版）3.热反应器汽油机工作过程中的不完全燃烧产物CO和HC在排气过程中可以继续氧化，但必须有足够的空气和温度以保证其高的氧化速率，热反应器为此提供必要的温度条件。在排气道出口处安装用耐热材料制造的热反应器，使尾气中未燃的碳氢化合物和一氧化碳在热反应器中保持高温并停留一段时间，使之得到充分氧化从而降低其排放量。26六月2024102车辆工程专业导论（第4版）26六月2024103热反应器一般采用耐热耐腐蚀的不锈钢制成，其结构见图4-20。热反应器由壳体、外筒和内筒三层构成，中间加保温层，使内部保持高温。热反应器安装在排气总管出口处，由于有较大的容积和绝热保温部分，反应器内部的温度可高达600～1000℃。同时在紧靠排气门处喷入空气（即二次空气），以保证CO和HC氧化反应的进行。图4-20热反应器的结构车辆工程专业导论（第4版）4.二次空气喷射空气喷射就是将新鲜空气喷射到排气门的后面，使尾气中的HC化合物和CO在排气管内与空气混合，继续进行氧化的方法，又称二次空气法。当喷射的新鲜空气与尾气结合时，空气中的氧和HC化合物反应生成水，并成蒸气状；而氧和CO反应生成CO2，如图4-21所示。26六月2024104图4-21二次空气喷射技术车辆工程专业导论（第4版）柴油机排放控制技术也包括机内净化技术和后处理净化技术。（一）柴油机机内净化技术相对于汽油机而言，柴油机由于过量空气系数比较大，一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放量要低得多，但普通的燃油供给系统使柴油机具有致癌作用的微粒排放量比汽油机大几十倍甚至更多。因此，控制柴油机排放物的重点，就在于降低柴油机的NO、和微粒（包括碳烟）排放。26六月2024105三、柴油机排放控制技术车辆工程专业导论（第4版）1.主要机内净化措施降低柴油机NOx排放和微粒排放之间往往存在着矛盾。一般有利于降低柴油机NOx的技术都有使微粒排放增加的趋势，而减少微粒排放的措施，又可能将使NOx排放升高。尽管如此，近年来，柴油机排放控制技术还是取得了很大的进展，研制出了一些低排放、高燃油经济性的柴油机，这些机型不用任何后处理装置即可以达到较高的排放法规要求，显示出柴油机机内净化技术的巨大潜力。表4-4给出了降低柴油机NOx和微粒排放的相关技术措施26六月2024106车辆工程专业导论（第4版）表4-4降低柴油机NOx和微粒排放的相关技术措施26六月2024107技术对策实施方法主要控制对象燃烧室设计设计参数优化，新型燃烧方式NOx、微粒喷油规律改进预喷射，多段喷射NOx进排气系统可变进气涡流，多气门微粒增压技术增压，增压中冷，可变几何参数增压微粒废气再循环EGR，中冷EGRNOx高压喷射电控高压油泵，共轨系统，泵油嘴微粒均质压燃技术HCCINOx、微粒车辆工程专业导论（第4版）需要指出的是，每一种技术措施在降低某种排放成分时，往往效果有限，过度使用则会带来另一种排放成分增加或动力性、经济性的恶化，因而在工程实际中常常是几种技术措施同时并用。在柴油机机内净化措施中，进气控制、排气控制、增压技术、废气再循环技术、均质压缩技术（HCCI）均与汽油机相似。26六月2024108车辆工程专业导论（第4版）（二）柴油机后处理净化技术1.微粒净化处理技术柴油机排放污染物主要是微粒和NOx，其中，微粒排放是汽油机的30～80倍，仅靠机内净化技术很难使柴油机的微粒排放满足新的排放法规，所以，必须采用微粒后处理技术。目前，柴油机微粒后处理净化技术主要有：微粒捕集技术、静电分离、溶液清洗、等离子净化、离心分离袋式过滤等。26六月2024109车辆工程专业导论（第4版）（1）微粒捕集器法。是采用过滤材料对排气进行过滤捕集。即微粒捕集器法，其主要采用蜂窝陶瓷、陶瓷纤维编织物和金属编织物等作为过滤材料。当排气通过微粒捕集器时，过滤体将排气中微粒捕集于过滤体内，达到净化排气的目的（图4-22）。26六月2024110车辆工程专业导论（第4版）图4-22带再生燃烧器的微粒捕集器微粒捕集器的关键技术是过滤材料的选择与过滤体的再生，其中又以后者尤为重要。由于柴油机排气中的微粒绝大部分为可燃物，因此定期将捕集的微粒烧掉看来是最简单可行的办法。再生系统根据原理和再生能量来源的不同可分为主动再生系统与被动再生系统两大类。26六月2024111车辆工程专业导论（第4版）根据柴油机的使用特点和使用工况合理选择再生技术，对于微粒捕集器的安全有效再生具有重要的意义。主动再生系统是通过外加能量将气流温度提高到微粒的起燃温度使捕集的微粒燃烧，达到再生过滤体的目的，主动再生系统通过传感器监视微粒在过滤器内的沉积量和产生的背压，当排气背压超过预定的限值时就启动再生系统。根据外加能量的方式，这些系统主要有：喷油助燃再生系统，电加热再生系统、微波加热再生系统、红外加热再生系统以及反吹再生系统。26六月2024112车辆工程专业导论（第4版）被动再生系统利用柴油机排气自身的能量使微粒燃烧，达到再生微粒捕集器的效果。一方面可通过改变柴油机的运行工况提高排气温度达到微粒的起燃温度使微粒燃烧；另一方面可以利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使微粒在正常的排气温度下燃烧。（2）等离子净化技术。柴油机排气中的有害成分经过等离子反应器，发生复杂的化学反应，其中NO很容易被氧化成NO2，NO2的强氧化性能在柴油机正常排气温度下将微粒氧化。此外，通过添加剂或催化剂等方式可提高微粒净化的效率，降低能耗。等离子净化技术具有结构简单、不影响柴油机运行性能以及在捕集微粒的同时降低NOx等优势，是柴油机后处理研究发展的新方向。26六月2024113车辆工程专业导论（第4版）（3）静电分离净化技术。静电分离技术是指利用静电力吸附排气中的悬浮微粒，从而达到捕集微粒的目的。虽然柴油机排气微粒整体上呈电中性，但是85%左右的微粒都为带电粒子，每个带电粒子有l～5个基本正电荷或负电荷。柴油机排气微粒的电阻率在106～108Ω·cm数量级内变化，适合利用电场对排气微粒进行静电吸附，达到微粒净化的目的。在排气通道中建立高压强电场，排气流过电场时，带电粒子分别被异性电极吸附。静电捕集技术的主要问题是设备体积大、结构复杂、成本高，且气流流速对静电捕集效率的影响较大。26六月2024114车辆工程专业导论（第4版）（4）溶液清洗净化技术。溶液清洗技术是让排气通过水或油来清洗微粒。这种方法简单，适合于固定的排气设备。瑞典研究人员曾尝试将车用柴油机的排气管做成文氏管，利用喉管处的负压将水分吸入排气中，稀释和清洗排气中的微粒和NOx，取得了一定的成果。26六月2024115车辆工程专业导论（第4版）（5）离心分离净化技术。离心分离技术是将排气引入旋风分离器中，利用微粒离心力，将微粒从气流中分离出来。目前比较有效的分离形式有轴流直流式和涡流式。轴流直流式柴油机排气旋流净化器是采用轴流直流式旋流子作分离器件，当气流通过分离室时，微粒沿径向由筒体轴线处移动到筒体内壁，与筒体内壁碰撞粘附而被捕集。涡流式的除尘机理是：使具有很高压力和速度的排气沿切向进入涡流室，当气流在其中高速旋转时，离心力使其中粒径较大的微粒分离出来，同时高速旋转的气流还可以形成一定的真空度，使发动机的排气更加顺畅。由于柴油机微粒很小，直径大多在1μm以下，离心分离技术只能分离微粒的5%～10%，效果较差，但是这种方法可与其他方法一起使用。26六月2024116车辆工程专业导论（第4版）（6）袋式过滤净化技术。袋式过滤器是一种利用纤维作为过滤介质，将排气中的微粒过滤出来的净化设备。滤布做成袋形，其结构简单、工作可靠、成本低、过滤效率高，对半径大于0.1μm的微粒，过滤效率达90%以上，被认为是一种有效的柴油机微粒净化装置。袋式过滤技术的主要缺点在于：结构不够紧凑，需停车采用手动清灰，使用不便，影响车辆机动性。若能够采用两组袋滤器轮流工作并加以电控，则可在不影响车辆正常运行的情况下实现自动清灰的连续操作，又可缩短清灰周期，允许通过较大的废气流量。此设想的实现尚需合理设计以保证工作的可靠性，同时减少其体积，以利于安装在汽车上。26六月2024117车辆工程专业导论（第4版）2.NOx的净化处理技术由于三效催化转换器不适于在柴油机上降低NOx的含量，所以，降低柴油机NOx排放的后处理净化技术主要有：选择性催化还原、选择性非催化还原、吸附催化还原、等离子辅助催化还原等技术。26六月2024118车辆工程专业导论（第4版）（1）选择性催化还原净化技术。选择性催化还原也叫SCR（SelectiveCatalyticReduction）方法。SCR转化器的催化作用具有很强的选择性：