汽车节能减排是一个系统工程,其实现途径涉及外部环境:道路条件、驾驶习惯等。对汽车的要求包括:1、整车:轻量化(每减重100kg 节油0.2L/100km)、混合动力、低阻力(轮胎、造型)、整车匹配、制动能量回收等。2、发动机的增压系统、供油系统、排放系统、可变气门机构(提高燃烧效率)、润滑系统(降低摩擦损失,节油3%)、发动机热管理(降低传热损失,节油4%)的优化。3、变速器:采用CVT 无级变速器,大于7 速的自动变速器等技术路线。
国外研究了2015—2020 年不同节能技术对不同车辆燃油经济性的贡献,发动机可改善整车燃油经济性10%~20%,短期新能源汽车难以大规模应用,节能减排主要来自发动机技术进步。
汽油机节能减排技术
汽油机排放物主要为HC、NOx 和CO,节能减排技术主要包括缸内直喷增压和混合动力两种,目前主要采用三元催化转换做尾气处理。
缸内直喷增压汽油机已经成为主导产品,当前的主要发展趋势为汽油机“柴油化”,即利用柴油机技术改善汽油机性能,比如直喷。
汽油机涡轮增压技术与柴油机原理相同,只是柴油机更需要解决低转速下扭矩输出不足的问题。随着增压技术的应用,汽油机的型谱大大简化。一个特定排量的汽油机可通过配备不同型号的增压器实现不同的功率输出。
汽油机可变气门控制技术。包括可变气门正时VVT 和可变气门升程VVL,分别控制进、排气门的开启和关闭时间以及进、排气门的升程,可根据不同工况,改变进气量,增强动力输出,改善油耗和排放3%。
汽油机缸内直喷技术:压缩比高,雾化效果好,热效率高,增强动力输出的同时能降低整车油耗3%,降低整 车排降放3%。关键技术包括多孔喷油器、高压燃油喷射、进气道优化。根据燃烧方式不同,可进一步分为分层燃烧(稀薄燃烧)和均质燃烧。其中,分层燃烧进行 2 次或多次喷油,节油效果明显,但NOx 排放高,并且对燃油品质要求高,而均质燃烧则在节油和排放两方面比较均衡.奥迪TSFI 是复合涡轮增压+缸内直喷+分层燃烧的典型代表,但由于国内油品较差,国产奥迪的发动机没有采用分层燃烧技术。
阿特金森循环发动机:压缩比更高,热效率更高,更节油;低速输出扭矩小和最高转速偏低是其缺陷。但正好与电动机协作组成混合动力系统,互为弥补,兼顾动力性和燃油经济性(普锐斯的设计思路)。
柴油机节能减排技术
柴油机比汽油机节油20%—25%, 主要排放物为颗粒PM 和NOx。
欧洲柴油车平均市场占有率50%以上,部分国家法国、比利时达到75%。2013 年欧洲柴油车销量大约800万辆,占全球总销量的84%。
增压直喷柴油机是大趋势。整车整备质量为1700kg 左右的汽车百公里油耗可低至5 升,所有轿车动力中燃油经济性最好。
柴油机采用涡轮增压技术较多。与汽油机相比,柴油机转速更低,对低转速下的涡轮增压性能要求更高,复合型增压和VNT 应用较多。
柴油机高压共轨技术是节能减排重要技术路线。该技术雾化效果好,Soot 碳烟排放、 PM 颗粒排放降低至少10%,油耗改善5%。
此外,还采用废气再循环EGR+柴油机颗粒过滤器DPF;燃烧优化(降低颗粒物排放,但同时会增加NOx)+选择性还原催化器SCR。
涡轮增压技术概述
涡轮增压的主要作用是提高发动机功率和扭矩输出,对改善排放贡献不大。整车动力需求不变的情况下,可通过减小发动机排量,达到节能目的,油耗可降低15%以上。
涡轮是最为核心的部件,对材料要求很高,决定增压器的寿命。
增压器关键性能指标:增压器的最小驱动功率(决定增压器开始工作的转速点,驱动功率越小,增压器开始工作的转速点越低),增压比变化范围(越大越好,不同工况下均可选择最佳的增压比),最高转速。
增压器分类:废气涡轮增压器:以发动排放的废气为动力源,低转速下的功率输出小,具有明显的“滞后响应”。
机械涡轮增压器系统(supercharge):从发动机输出轴获得动力,没有滞后或超前,动力输出更为流畅,但增压效率不高。
复合涡轮增压系统:废气涡轮增压器+机械涡轮增压器或废气涡轮增压器+电动涡轮增压器;低转速时机械或电动涡轮增压器工作,高转速时,废气涡轮增压器工作,互为弥补。
电动涡轮增压器:以汽车本身的电力为动力源,用电动机驱动而工作,体积小,响应速度快,便于安装,成本低,但发动机的提升功率不如前两种。
增压器衍生技术
多级增压:两个或多个增压器,两个或多个增压器介入转速点,通常为一主一副,介入转速一高一低,一个废气和一个机械,主要用于改善低转速下的功率输出.
VNT (Variable Nozzle Turbine)可变喷嘴涡轮增压器:也被称为VGT (Variable Geometry Turbocharger)可变截面涡轮增压器,无需增加额外的增压器,即可兼顾低、高两种转速下的转矩输出。目前,在柴油机上已得到广泛应用。
