劉子愷

（南京市第九中學(xué)，江蘇 南京 210000）

黨的第19次全國代表大會(huì)報(bào)告中提出“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”，表明了黨和國家將環(huán)境保護(hù)進(jìn)行到底的決心。針對(duì)我國汽車保有量與尾氣排放的環(huán)境治理現(xiàn)狀，盡管我國從2017年1月1日起，在全國范圍內(nèi)執(zhí)行國家第5階段機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)，簡稱“國五標(biāo)準(zhǔn)”，但由于我國燃油汽車基數(shù)大，新的排放標(biāo)準(zhǔn)無法解決根本性的問題，因此新能源汽車成為解決問題的必要手段。截至2016年，我國新能源汽車的占有量僅為汽車總量的0.56%，連1%都沒有達(dá)到，原因是新能源發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不夠成熟，無法滿足消費(fèi)者需求。因此，我國一直都在尋找更加清潔高效的能源種類來替代傳統(tǒng)能源種類，研制適合新型能源的發(fā)動(dòng)機(jī)來替代已有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

新能源發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，將致力于新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能，能將如氫氣、電池、壓縮空氣等新型燃料轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械動(dòng)能。目前已經(jīng)取得一定進(jìn)展的新型發(fā)動(dòng)機(jī)有氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、結(jié)合電動(dòng)機(jī)與油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)于一體的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 新能源發(fā)動(dòng)機(jī)

1.1 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟，目前有直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)由于換相刷的存在，工作過程中摩擦嚴(yán)重時(shí)易產(chǎn)生火花，基本上被交流電動(dòng)機(jī)取代，交流電動(dòng)機(jī)可以分為異步電機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)3大類。因此，交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理是將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妬眚?qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。目前，永磁電動(dòng)機(jī)多用于混合動(dòng)力汽車、與油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)配合使用。而開關(guān)磁阻電機(jī)，工作過程中能產(chǎn)生較大的功率，效率高，用于大型的汽車，如客車等。純電動(dòng)汽車如小型轎車多使用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.2 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)

氫氣可燃性好，燃燒速度快，燃燒產(chǎn)物無污染，同時(shí)儲(chǔ)量豐富，非常適合作為動(dòng)力能源。因此，對(duì)氫氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的研究一直是新能源發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。但氫氣熱值與汽油熱值相等的情況下，體積是汽油的3000倍，所以氫氣的存儲(chǔ)一直是研究難點(diǎn)。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)本身也存在限制，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相似，都屬于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)?？梢酝ㄟ^對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)進(jìn)行改裝實(shí)現(xiàn)，目前可分為采用化油器、進(jìn)氣噴射的預(yù)混式和缸內(nèi)直噴式。預(yù)混式是通過噴射預(yù)先混合后的氣體進(jìn)入氣缸點(diǎn)火，空氣和氫氣的混合在外部完成。該方式的輸出功率低，容易發(fā)生回火和早燃現(xiàn)象。而缸內(nèi)直噴式將氫氣直接噴入氣缸，不會(huì)產(chǎn)生回火，在低壓噴入時(shí)也容易發(fā)生早燃，如果噴入低溫氫氣則會(huì)增加成本，高壓噴入氫氣會(huì)導(dǎo)致氫氣和空氣混合不充分，熱效率低，但可以避免早燃現(xiàn)象。因此，高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過熱效率補(bǔ)償?shù)确绞教岣咝阅堋?/p>

1.3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)相似，都是基于燃燒速度快，燃燒產(chǎn)物清潔的優(yōu)點(diǎn)，以它作為燃料的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為2類：火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)又可以分為汽油-天然氣兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油天然氣兩用發(fā)動(dòng)機(jī)用混合器式機(jī)械系統(tǒng)控制天然氣的供給，不足的是混合器會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。而單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)專用于天然氣，采用電控進(jìn)氣口多點(diǎn)順序噴射系統(tǒng)控制，具有專門的天然氣噴射器。壓燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是混合器式或進(jìn)氣口噴射式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，噴入少量柴油，在高溫作用下柴油引燃，進(jìn)而點(diǎn)燃天然氣與空氣的混合氣體。但與氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)存在相似的問題，燃?xì)獯鎯?chǔ)困難，噴氣技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低下，這是目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究難點(diǎn)。

1.4 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是通過壓縮空氣的膨脹做功，壓縮空氣進(jìn)入氣缸后，吸熱膨脹推動(dòng)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)，工作后的氣體完全無污染，仍可循環(huán)利用，具有更多的實(shí)用性。壓縮空氣是通過儲(chǔ)氣瓶進(jìn)行儲(chǔ)存，瓶內(nèi)的高壓空氣在使用前，通過減壓裝置減壓和換熱器吸熱進(jìn)入氣缸做功。因此，空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的功率是通過調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體壓力和流量來調(diào)節(jié)。其控制難點(diǎn)則集中在配氣機(jī)構(gòu)和氣缸的進(jìn)氣量上。

由于目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工限制問題，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，還存在進(jìn)氣門氣體泄漏的問題，造成能量的損失，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，合理的配氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提升空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的加工精度是空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)。

1.5 混合動(dòng)力組合機(jī)構(gòu)

混合動(dòng)力是指將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元結(jié)合使用。輔助動(dòng)力單元是一臺(tái)小型的燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣的結(jié)合使用不僅充分發(fā)揮燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，還能達(dá)到減少尾氣排放、降低噪聲的目的。目前的混合動(dòng)力通過燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)。串聯(lián)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是將發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)串聯(lián)使用，通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力供給電動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單，在行駛過程中不受路況的影響，工作穩(wěn)定，但對(duì)電池的性能有較高的要求。并聯(lián)式中電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都與變速器相連，既可以獨(dú)立工作，也可共同驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，受路面狀況影響比較大，更適合城市和高速路上行駛，其能量利用率高。而混聯(lián)式則發(fā)揮了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)勢，混聯(lián)式中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率一部分供給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，作為汽車動(dòng)力的一部分，另一部分供給發(fā)電機(jī)發(fā)電使用，因此熱效率利用率最高，但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，控制難度最大。

2 新能源發(fā)動(dòng)機(jī)性能比較

能源和環(huán)境壓力推動(dòng)各國對(duì)新能源發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，因而開發(fā)出了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力組合機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力組合機(jī)構(gòu)已經(jīng)生產(chǎn)并投入市場。電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)在于電能利用率高，性能好，對(duì)環(huán)境污染小。但是由于電池技術(shù)的限制，導(dǎo)致電池價(jià)格貴，壽命短，同時(shí)電池的儲(chǔ)電量還不能滿足人們對(duì)行駛里程的要求?；旌蟿?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)具有排放性能良好、動(dòng)力性能佳和低油耗的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大，成本高。

氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)與油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似，對(duì)油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)較小的改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)氫氣驅(qū)動(dòng)的要求。改造后的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率大、重量輕，但由于氫氣存貯困難，改造后的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生早燃和回火現(xiàn)象，限制了氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。天然氣抗爆性好，為提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)效率提供了可能，但噴氣技術(shù)有待提高，使用中仍存在一些問題，其中最為突出的是發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕與早期磨損的問題。

空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠壓縮空氣膨脹做功，做功過程是吸熱過程，不需要像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)那樣進(jìn)行水冷操作，排放物都是空氣，排放零污染。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單輕便，制造成本低。但目前結(jié)構(gòu)上存在漏氣風(fēng)險(xiǎn)，氣密性不良，還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

針對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，發(fā)展新能源汽車是解決環(huán)境問題的必要手段。但目前新能源汽車還存在諸多問題：如電動(dòng)機(jī)的電池技術(shù)不夠完善，電池儲(chǔ)能少，壽命短，氣體燃料的液化技術(shù)急需優(yōu)化，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性還需增強(qiáng)等問題。這些問題的解決，是普及新能源汽車的必要前提。

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