汽車節(jié)能減排是一個(gè)系統(tǒng)工程,其實(shí)現(xiàn)途徑涉及外部環(huán)境:道路條件、駕駛習(xí)慣等。對(duì)汽車的要求包括:1、整車:輕量化(每減重100kg 節(jié)油0.2L/100km)、混合動(dòng)力、低阻力(輪胎、造型)、整車匹配、制動(dòng)能量回收等。2、發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、可變氣門機(jī)構(gòu)(提高燃燒效率)、潤滑系統(tǒng)(降低摩擦損失,節(jié)油3%)、發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理(降低傳熱損失,節(jié)油4%)的優(yōu)化。3、變速器:采用CVT 無級(jí)變速器,大于7 速的自動(dòng)變速器等技術(shù)路線。
國外研究了2015—2020 年不同節(jié)能技術(shù)對(duì)不同車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)可改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性10%~20%,短期新能源汽車難以大規(guī)模應(yīng)用,節(jié)能減排主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步。
汽油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)
汽油機(jī)排放物主要為HC、NOx 和CO,節(jié)能減排技術(shù)主要包括缸內(nèi)直噴增壓和混合動(dòng)力兩種,目前主要采用三元催化轉(zhuǎn)換做尾氣處理。
缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)已經(jīng)成為主導(dǎo)產(chǎn)品,當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢為汽油機(jī)“柴油化”,即利用柴油機(jī)技術(shù)改善汽油機(jī)性能,比如直噴。
汽油機(jī)渦輪增壓技術(shù)與柴油機(jī)原理相同,只是柴油機(jī)更需要解決低轉(zhuǎn)速下扭矩輸出不足的問題。隨著增壓技術(shù)的應(yīng)用,汽油機(jī)的型譜大大簡化。一個(gè)特定排量的汽油機(jī)可通過配備不同型號(hào)的增壓器實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出。
汽油機(jī)可變氣門控制技術(shù)。包括可變氣門正時(shí)VVT 和可變氣門升程VVL,分別控制進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉時(shí)間以及進(jìn)、排氣門的升程,可根據(jù)不同工況,改變進(jìn)氣量,增強(qiáng)動(dòng)力輸出,改善油耗和排放3%。
汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù):壓縮比高,霧化效果好,熱效率高,增強(qiáng)動(dòng)力輸出的同時(shí)能降低整車油耗3%,降低整 車排降放3%。關(guān)鍵技術(shù)包括多孔噴油器、高壓燃油噴射、進(jìn)氣道優(yōu)化。根據(jù)燃燒方式不同,可進(jìn)一步分為分層燃燒(稀薄燃燒)和均質(zhì)燃燒。其中,分層燃燒進(jìn)行 2 次或多次噴油,節(jié)油效果明顯,但NOx 排放高,并且對(duì)燃油品質(zhì)要求高,而均質(zhì)燃燒則在節(jié)油和排放兩方面比較均衡.奧迪TSFI 是復(fù)合渦輪增壓+缸內(nèi)直噴+分層燃燒的典型代表,但由于國內(nèi)油品較差,國產(chǎn)奧迪的發(fā)動(dòng)機(jī)沒有采用分層燃燒技術(shù)。
阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī):壓縮比更高,熱效率更高,更節(jié)油;低速輸出扭矩小和最高轉(zhuǎn)速偏低是其缺陷。但正好與電動(dòng)機(jī)協(xié)作組成混合動(dòng)力系統(tǒng),互為彌補(bǔ),兼顧動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性(普銳斯的設(shè)計(jì)思路)。
柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)
柴油機(jī)比汽油機(jī)節(jié)油20%—25%, 主要排放物為顆粒PM 和NOx。
歐洲柴油車平均市場占有率50%以上,部分國家法國、比利時(shí)達(dá)到75%。2013 年歐洲柴油車銷量大約800萬輛,占全球總銷量的84%。
增壓直噴柴油機(jī)是大趨勢。整車整備質(zhì)量為1700kg 左右的汽車百公里油耗可低至5 升,所有轎車動(dòng)力中燃油經(jīng)濟(jì)性最好。
柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)較多。與汽油機(jī)相比,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速更低,對(duì)低轉(zhuǎn)速下的渦輪增壓性能要求更高,復(fù)合型增壓和VNT 應(yīng)用較多。
柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)是節(jié)能減排重要技術(shù)路線。該技術(shù)霧化效果好,Soot 碳煙排放、 PM 顆粒排放降低至少10%,油耗改善5%。
此外,還采用廢氣再循環(huán)EGR+柴油機(jī)顆粒過濾器DPF;燃燒優(yōu)化(降低顆粒物排放,但同時(shí)會(huì)增加NOx)+選擇性還原催化器SCR。
渦輪增壓技術(shù)概述
渦輪增壓的主要作用是提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩輸出,對(duì)改善排放貢獻(xiàn)不大。整車動(dòng)力需求不變的情況下,可通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量,達(dá)到節(jié)能目的,油耗可降低15%以上。
渦輪是最為核心的部件,對(duì)材料要求很高,決定增壓器的壽命。
增壓器關(guān)鍵性能指標(biāo):增壓器的最小驅(qū)動(dòng)功率(決定增壓器開始工作的轉(zhuǎn)速點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率越小,增壓器開始工作的轉(zhuǎn)速點(diǎn)越低),增壓比變化范圍(越大越好,不同工況下均可選擇最佳的增壓比),最高轉(zhuǎn)速。
增壓器分類:廢氣渦輪增壓器:以發(fā)動(dòng)排放的廢氣為動(dòng)力源,低轉(zhuǎn)速下的功率輸出小,具有明顯的“滯后響應(yīng)”。
機(jī)械渦輪增壓器系統(tǒng)(supercharge):從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸獲得動(dòng)力,沒有滯后或超前,動(dòng)力輸出更為流暢,但增壓效率不高。
復(fù)合渦輪增壓系統(tǒng):廢氣渦輪增壓器+機(jī)械渦輪增壓器或廢氣渦輪增壓器+電動(dòng)渦輪增壓器;低轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械或電動(dòng)渦輪增壓器工作,高轉(zhuǎn)速時(shí),廢氣渦輪增壓器工作,互為彌補(bǔ)。
電動(dòng)渦輪增壓器:以汽車本身的電力為動(dòng)力源,用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而工作,體積小,響應(yīng)速度快,便于安裝,成本低,但發(fā)動(dòng)機(jī)的提升功率不如前兩種。
增壓器衍生技術(shù)
多級(jí)增壓:兩個(gè)或多個(gè)增壓器,兩個(gè)或多個(gè)增壓器介入轉(zhuǎn)速點(diǎn),通常為一主一副,介入轉(zhuǎn)速一高一低,一個(gè)廢氣和一個(gè)機(jī)械,主要用于改善低轉(zhuǎn)速下的功率輸出.
VNT (Variable Nozzle Turbine)可變噴嘴渦輪增壓器:也被稱為VGT (Variable Geometry Turbocharger)可變截面渦輪增壓器,無需增加額外的增壓器,即可兼顧低、高兩種轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出。目前,在柴油機(jī)上已得到廣泛應(yīng)用。
