（动力机械及工程专业论文）液氮发动机理论与实验研究.pdf

塑垩查兰堡圭堂垡笙苎 塑墨 摘要 汽车工业的可持续发展面临两大问题，能源与环境。为此，人们不断寻求高 效、节能的清洁汽车动力。液氮发动机的储能介质有较高的能量密度：在其运行 中不会引入重金属等二次污染；甚至可以成为城市净化器；其最具吸引力的特点 是液氮发动机可以对工业副产品之一的液氮进行优化利用。 本文以液氮发动机为研究对象，其工作以国家自然科学基金委福特基金第三 期项目“气动汽车发动机探索性研究”( n o 5 0 1 2 2 1 1 5 ) 、浙江省重大科技项目“压 缩空气发动机研究”( n o 0 2 1 1 0 1 7 5 9 ) 、国家教育部博士点基金项目“液氮发动机 理论与实验研究”( n o 2 0 0 2 0 3 3 5 0 7 9 ) 为依托，在以下方面对液氮发动机进行了 深入研究。 第一、 循环优化分析：采用经典热力学研究了等压再热与等容再热对循环功的 影响；采用有限时间热力学深入研究了恒温热源一恒温冷源和变温热源一恒温冷 源液氮发动机朗肯循环、布雷顿循环和斯特林循环的优化和对比；着重研究了工 质导热率与热机换热器总导热率之比对循环性能的影响、高温侧换热器导热率与 低温侧换热器导热率之比对循环功率的影响等内容；得到了一些对循环和系统设 计具有现实指导意义的结论。 第二、效率分析平台：首次建立了液氮发动机效率评价平台，其主要内容包括 对实验用液氮发动机开式朗肯循环效率进行了分析，将换热器与发动机对效率的 影响区分开来；对液氮发动机开式朗肯循环与液氮制取制冷循环复合循环的效率 进行了分析，更加深入的探讨了液氮发动机的经济性；分析了液氮发动机循环的 热力学第二定律效率，并进行了 月损失分析；整体上揭示了液氮发动机效率的影 响因素。 第三、工作过程建模和优化：结合实验数据，首次建立了应用于液氮发动机的 变质量过程热力学缸内进气、膨胀、排气过程数理模型。首次采用变质量系统热 力学原理探讨了通过对进气温度与缸内残余质量温度的控制有助于实现准等温 膨胀的可行性；首次采用有限时间热力学对具有压降不可逆液氮发动机开式朗肯 循环进行了工作过程分析，研究了漏气和压降对液氮发动机效率和功率的影响关 系。通过对液氮发动机进气道流动的仿真证明了液氮发动机进气道流动过程具备 激波产生的条件。首次将激波理论应用于液氮发动机进气过程，理论上证明了通 过激波理论稳定进气量和实现缸内进气稳定高压的可行性。 第四、实验研究：首次对液氮发动机速度特性、负荷特性进行了研究，为基于运 行工况的液氮发动机控制策略提供实验依据；首次对进排气相位对液氮发动机经 济性能和动力性能的影响进行了分析；通过实验验证了旋转阀进排气机构创新设 计；通过实验数据验证了液氮发动机缸内膨胀变质量系统热力学模型的正确性。 浙江人学博十学位论文摘要 本人在上述工作中的创新贡献在于： 1 、建立了液氮发动机效率分析与评价平台。 2 、建立并实验验证了液氮发动机缸内过程变质量系统热力学数理模型。 3 、理论上证明了激波在液氮发动机进气道中应用的可行性。 4 、基于有限时间热力学对液氮发动机循环进行优化，并对具有压降的不可逆开 式循环进行了分析优化。 本文研究成果证明，液氮发动机采用布雷顿循环更能实现工质与变温热源之 间的热力学匹配，可以实现更好的功率特性；准等温膨胀过程的实现是提高液氮 发动机尖用效率的重要途径；液氮潜热可用能的利用将大大提高液氮发动机效率和 做功能力；基于有限时间热力学和变质量系统热力学的模型可以对液氮发动机循 环和结构设计提供更切合实际的理论指导。 关键词：液氮发动机，数理模型，有限时间热力学，变质量系统热力学，激波， 流场仿真，循环优化。性能实验 l i 塑兰查堂堡主兰垡丝兰 塑量 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo f v e h i c l ei sc h a l l e n g e db yt w os e d o u s p r o b l e m s ，s h o r t a g eo fe n e r g y a n d p o l l u t i o n s op e o p l em a k eg r e a te f f o r tt or e a f i z et h eg r e e nv e h i c l e ，w h i c hm e a n s h i 曲e f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o np o l l u t i o n l i q u i dn i t r o g e nc a ri so n eo ft h eg r e e n v e h i c l e s t h ee n e r g yd e n s i t yo fl i q u i dn i t r o g e ni sh i g h e rt h a no t h e re n e r g ys t o r a g e m e d i u m s l i q u i dn i t r o g e ne n g i n er u n sw i t h o u th e a v ym e t a lp o l l u t i o n i ti ss om u c h c l e a na sa na t m o s p h e r ec l e a n e r i ns o m es e n s e ，l i q u i dn i t r o g e ni s r e g a r da sw a s t e b y p r o d u c t ，s oi ti sn o te x p e n s i v e f u n d e db yt h en a t u r a ls c i e n c eo ff o u n d a t i o no f c h i n a - f o r df u n d - r e s e a r c ho n a i rp o w e r e dv e h i c l ee n g i n e ( n o 5 0 1 2 2 1 1 5 ) ，b yd i v i s i o no f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g i e s o f z h e j i a n gp r o v i n c i a lg o v e r n m e n t u n d e ra k e yp r o j e c t 一“t h er e s e a r c h o f c o m p r e s s e d a i re n g i n e ( n o 0 2 1 1 0 1 7 5 9 ) ，a n da l s of u n d e db yt h en a t i o n a lr e s e a r c hf o u n d a t i o n f o rt h ed o c t o r a l p r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o no fc h i n a - t h e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f o rt h el i q u i dn i t r o g e ne n g i n e ( n o 2 0 0 2 0 3 3 5 0 7 9 ) ，t h e r e s e a r c hp r o j e c ta i ma tl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e t h ew o r kh a db e e nc a r r i e do u tc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h e r m a i e y e i ea r i a i y s i s b a s e do nt h ec l a s s i c a l t h e r m o d y n a m i c s ，i n f l u e n c e o fi s o b a r i cr e h e a ta n d i s o v o l u m e t r i cr e h e a to n c y c l eo u t p u t i sd i s c u s s e d b a s e do nt h ef i n i t et i m e t h e r m o d y n a m i ct h e o r y , t h e t h e s i sd i s c u s s e st h e o p t i m i z a t i o n o fr a n k i n ec y c l e ， b r a y t o nc y c l ea n ds t i r l h a gc y c l e b e t w e e nc o n s t a n t t e m p e r a t u r e h e a ts o u r c ea n d c o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a ts i n ko rb e t w e e nv a r i a b l et e m p e r a t u r eh e a ts o b r c ea n d c o n s t a n tt e m p e r a t u r e t h et h e s i sf o c u so nt h e i n f l u e n c eo fr a t i ob e t w e e nw o r k m e d i u mh e a tc o n d u c t i v i t ya n dh e a tc o n d u c t i v i t yo fh e a te x c h a n g e ro nt h ec y c l e p e r f o r m a n c e ，a n d t h ei n f l u e n c eo f r a t i ob e t w e e nh e a tc o n d u c t i v i t yo f h i g ht e m p e r a t u r e h e a te x c h a n g e ra n dh e a tc o n d u c t i v i t yo f l o wt e m p e r a t u r e h e a te x c h a n g e ro nt h ec y c l e p e r f o r m a n c e t h er e s u l t sc a nb eu s et o d i r e c tt h eo p t i m i z a t i o no fr e a le n g i n e e r i n g c y c l ea n de n g i n ed e s i g n i i i 浙江大学博士学位论文摘要 2 t h ep i a t f o r mf o r e l f i c i e n c ya n a l y s i se v a iu a t i o n t h ep l a t f o r mf o re f f i c i e n c ya n a l y s i si se s t a b l i s h e d t h ew o r kf o c u s e so nt h e e f f i c i e n c yo fl i q u i dn i t r o g e ne n g i n eo p e r a t i n g o n o p e n r a n k i nc y c l e t h ei n f l u e n c e so f h e a te x c h a n g e ra n de n g i n eo ns y s t e me f f i c i e n c ya r ed i s t i n g u i s h e d t h et h e s i sa l s o a n a l y s i st h ee f f i c i e n c yo f t h ec o m p o u n d c y c l eo fl i q u i dn i t r o g e ne n g i n eo p e r a t i n go n o p e n r a n k i n c y c l et o g e t h e rw i t h t h el i q u i dn i t r o g e nr e f r i g e r a t i o nc y c l ea n de c o n o m y i nd e t a i l t h ee x e r g i ce f f i c i e n c yo f l i q u i dn i t r o g e ne n g i n eo p e r a t i n go n i d e a lc y c l ea n d t h ee x e r g i cl o s so f r e a le n g i n e e r i n gc y c l ea r es t u d i e d 3 m o d e isa n do p t i m i z a t i o no fw o r kp r o c e s si nc y ii n d e r o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t u ma n dt h e p r i n c i p l e o fv a r i a b l em a s s t h e r m o d y n a m i c s ，t h em o d e l so f i n t a k e ，e x p a n s i o n a n de x h a u s t p r o c e s s e sa r cp r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h i s m o d e l ，f e a s i b i l i t ya n a l y s i s o fr e a l i z i n gt h e q u a s i i s o t h e r m a l e x p a n s i o nb y c o n t r o lr e s i d u a lt e m p e r a t u r ei nc y l i n d e ra n di n t a k et e m p e r a t u r ei s f o c u s e d t h et h e s i sp r e s e n t st h ea n a l y s i so fl i q u i dn i t r o g e ne n g i n eo p e nc y c l ew i t h p r e s s u r ed r o pi r r e v e r s i b i l i t yo n t h eb a s i so f p r i n c i p l e so f f i n i t et i m et h e r m o d y n a m i c s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o o ft h es u p e r s o n i cf l o we x i s ti ni n l e t , t h ef e a s i b i l i t yt o s t a b i l i z et h ef l o wm a s sa n dt om a i n t a i nh i g hp r e s s u r ei nc y l i n d e ru s i n gs h o c k w a v ei s t h e o r e t i c a l l yp r o v e d 4 e x p e r im e n t al s t u d y i nt h e s i s ，s p e e dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa n dl o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r ep r e s e n t e d t h et h e s i sf o r c u s c so nt h ei n f l u e n c eo fm a t c hb e t w e e ni n t a k ea n g l ea n de x h a u s ta n g l e o nl i q u i dn i t r o g e ne n g i n ep e r f o r m a n c e s t h ee x p e r i m e n t a ld a t u mp r o o f st h ed e s i g no f c i r c u m r o t a t i n gv a l v e a n dt h ev a r i a b l em a s st h e r m o d y n a m i cm o d e lo fp r o c e s si n c y l i n d e r c o m p a r e d t op r e v i o u ss t u d i e s ，t h ep r e s e n tr e s e a r c h e sa r ei n n o v a t i v ei n ： 1 t h e p l a t f o r m f o re f f i c i e n c ya n a l y s i so f l i q u i dn i t r o g e ne n g i n e 2 t h ev a r i a b l em a s st h e r m o d y n a m i cm o d e l so fp r o c e s si nc y l i n d e ra r ee s t a b l i s h e d a n d p r o o f e d 3 t h e o r e t i c a l l y , f e a s i b i l i t yt o s t a b i l i z et h ef l o wm a s sa n dt om a i n t a i nh i g hp r e s s u r e i nc y l i n d e ru s i n gs h o c kw a v e i ni n l e ti sp r o v e d 1 v ， 塑丛型型坠 垫茎 4 o nt h eb a s i so f p r i n c i p l e so f f i n i t et i m et h e r m o d y n a m i c s ，t h ea n a l y s i so f l i q u i d n i t r o g e ne n g i n eo p e nc y c l ew i t hp r e s s u r ed r o pi r r e v e r s i b i l i t yi sp r e s e n t e d i tc a l lb eb r i e f l yc o n c l u d e dt h a tb r a y t o nc y c l ec 柚r e a l i z eb e t t e rm a t c hb e t w e e n w o r km e d i u ma n dv a r i a b l e t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e sf o rl i q u i dn i t r o g e ne n g i n e q u a s i i s o t h e r m a le x p a n s i o nc a nb e n e f i tt h e e x e r g i ce f f i c i e n c yo fl i q u i dn i t r o g e n e n g i n e u s eo fl a t e n th e a ta v a i l a b i l i t yc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f l i q u i dn i t r o g e n e n g i n e n m r et h a n o t h e r w a y s t h ep r o c e s s m o d e l sb a s e do n f i n i t et i m e t h e r m o d y n a m i c sa n dv a r i a b l em a s st h e r m o d y n a m i c sc a l ld i r e c tr e a l e n g i n e e r i n g d e s i g na n do p t i m i z a t i o nb e t t e r k e yw a r d s ：l i q u i dn i t r o g e ne n g i n e ，t h e o r e t i c a lm o d e l ，f i n i t et i m et h e r m o d y n a m i c s ， v a r i a b l em a s s t h e r m o d y n a m i c s ，s h o c kw a v e ，s i m u l a t i o n o f f l o w , o p t i m i z a t i o no f c y c l e ，p e r f o r m a n c e t e s t v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下所进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得逝辽太堂或其他教育机构的学位和证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确说明并表示谢意。 本学位论文工作期间所获得的资助 国家自然科学基金委一福特基金资助项目 项目名称：气动汽车发动机探索性研究 项目编号：5 0 1 2 2 1 1 5 浙江省重大科技项目计划资助项目 项目名称：压缩空气发动机研制 项目编号：0 2 1 1 0 1 7 5 9 国家教育部博士点专项基金资助项目 项目名称：液氮发动机理论与实验研究 项目编号：2 0 0 2 0 3 3 5 0 7 9 翌盟苎主兰焦丝壅 篁二童堑笙 第一章绪论弟一早殖化 衣食住行是人类生存和发展的最基本要素。随着经济、科技的进步人们对这 些的要求也越来越高。行，是人类社会活动中最重要的交流形式之一。从人力、 畜力发展到机械动力无不大大推进了整个世界的飞速发展。现今世界，汽车是人 类最重要、最普遍的交通工具之一。从1 8 8 6 年汽车诞生到现在，在不到1 2 0 年 的发展过程中，汽车工业已经成为衡量一个国家综合工业实力的重要因素。然而， 汽车工业的可持续发展直接面临两大问题：能源和环境。 1 1 课题背景 1 1 1 能源问题 汽车消耗了世界石油产量的一半。当今世界的汽车保有量已近7 亿辆，而且 还以每年上千万辆的速度增长，预计2 0 2 0 年可达1 2 亿辆，2 0 6 0 年将达到2 5 亿 辆。然而，石油资源大约能供人类使用到2 0 4 0 2 0 5 0 年。石油供求关系已经影 响了人类社会活动的各个层面。另外，历史与现实均表明，能源问题是世界战争 的主要驱动因素之一。各个国家已经将能源问题提升到国家安全的高度。 中国已经是世界上第二大能源消费国，目前的石油消耗量为每天3 1 0 万桶， 2 0 1 5 年将达到每天1 0 5 0 万桶。中国石油探明可采储量居第1 1 位，但由于中国 人口众多，石油人均探明储量为2 9 吨，仅为世界人均数的1 1 ，天然气为世界 人均数的4 。到2 0 0 0 年，供应汽油的缺口为3 0 左右，柴油缺口为6 0 o o 。 2 0 0 0 年我国进口石油7 0 0 0 万吨，为此国家付出的外汇为5 0 0 亿美金；预计2 0 0 5 年后进口石油将超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产量【1 】o 中国的石油产量每 年的增长率是2 7 , r - - 3 ，而汽车保有量增长为1 4 以上。中国是石油资源相对贫 乏的国家已成为共识。因此对中国来说，能源问题显得更为突出。尽量减少对石 油资源的依赖和尽量保证石油资源供应安全是我国经济发展和国家安全保障中 不得不考虑的问题。 1 1 2 环境问题 自从工业革命到现在，世界经济飞速发展的同时带来了人类居住环境的恶 化。空气污染，酸雨、温室效应、臭氧层破坏等等造成了全球性环境恶化，威胁 着人类的生存 2 1 。不论是发达国家、还是正处于高速发展的国家都已经或正在为 忽视环境保护的不明之举埋单。在世界范围内，一半以上的城市中，车辆尾气是 最大的空气污染源，并且车辆尾气中的温室气体的排放占到了人类排放温室气体 总量的一半以上。例如，美国的大气污染物排放中有6 6 的c o ，4 3 的n o 。， 浙江大学博士学位论文第一章绪论 3 l 的h c ，3 3 的c 0 2 和2 0 的微粒均来自汽车的排放。尽管2 0 世纪7 0 年代 以来各国已投入大量的人力、物力进行治理，但是每年汽车排入大气的污染物数 量仍然相当可观。1 9 9 0 年和2 0 0 0 年全球汽车废气排放量分别为4 3 1 0 s t ，为4 9 1 0 s t 。随着机动车数量日益增加，大气污染由工业污染物、煤炭烟气型向光化 学烟雾转变【”。大城市中，由汽车排放的c o 、n o 。、h c 分别占各排放总量的6 3 、 2 2 和7 3 。2 0 0 0 年中国城市状况公报报告，在监测的3 3 8 个城市中，6 3 5 的 城市超过国家大气质量的二级标准，其中超过三级标准的有1 1 2 个，占监测城市 的3 3 1 。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国。按照国家 环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量对空气污染的“贡献”份额将达到6 4 h j 。 另外，交通噪声也是城市噪声公害中的重要来源之一。随着汽车保有量的发 展，交通噪声愈来愈严重，据国家环境质量公报报告，2 0 0 0 年监测2 1 4 个城市 道路交通噪声等效声级范围在5 6 加8 0 7 d b 之间，8 9 的城市污染较重，2 2 4 的城市声学环境质量较差，重点城市道路交通噪声处于轻度污染状态。 1 1 3 各国政府对汽车排放的控制 自1 9 6 2 年，美国卡尔逊出版了环保领域的开山之著寂静的春天以来， 可持续发展的概念逐步深入人心。1 9 7 2 年6 月联合国在斯德哥尔摩召开的人类 环境会议和1 9 9 2 年在里约热内卢召开的联合国环境与发展大会都明确把发展和 环境密切联系在一起，响亮地提出可持续发展战略，并将之付诸于全球行动。从 京都议定书到约翰内斯堡可持续发展承诺等国际文件的签订，表明各国 将不遗余力地执行可持续发展战略，致力于把世界建设成为一个以人为本、人类 与自然协调发展的美好社会。 图11 欧洲排放标准 f i g 11 自i i i s s i o nr e g u ia t i o ro fe u r o 不论是发达国家还是发展中国家，政府对汽车尾气污染的监控逐渐严格( 见 图1 1 ) ，制定了汽车排放标准p q 。目前世界有三大主要汽车排放法规，即美国、 日本和欧洲经济委员会的汽车排放标准，其中美国和日本的排放限制最为严格。 2 8 6 4 2 1目8目眨o黧孵黑刚呲。 t|e善一2卫8昱月也 羔! 三! 登堡主鲎堡堡苎 茎二童丝堡 而我国也在1 9 8 3 年颁布了汽车污染物排放标准和测量方法的国家标准，并 几经修订，从限值、实验方法等方面日趋完善和严格。不仅如此，各个地区对汽 车的排放又制定了特殊的法规。例如：1 9 9 0 年9 月，为了改善当地的空气质量， 加利福尼亚大气资源局出台t f 氐a b 放车辆计划。这个低排放车辆计划包括几个分 别适用于轿车和轻卡的不同排放标准。其中，最严苛的是零排放车辆计划。低排 放车辆计划要求：到2 0 0 3 年，七大汽车公司( 克莱斯勒，福特，通用汽车，本阳， 马自达，尼桑和丰田) 在加州的汽车销售总量中零排放汽车的份额要达到1 0 ， 大约是1 1 万辆。在纽约和马萨诸塞州也都已经采用了类似的法规。在我国，对 轿车和轻型卡车已开始实行欧- i 排放标准，2 0 0 1 年1 月开始，在北京已经推行 欧一i i 排放标准，为了迎接2 0 0 8 年北京奥运会，北京政府已经计划在2 0 0 5 年对 部分车辆实行欧i 排放标准。 1 1 4 汽车技术可持续发展的对策 前已论及，汽车尾气在温室气体和大气污染物排放中占很大比重。汽车，尤 其是发动机技术的发展为人类可持续发展已经，并且必将为世界可持续发展作出 更大贡献，其具体体现在两个方面。第一是采用新技术降低内燃机的油耗和排放； 第二方面是替代能源的应用。 一、降低内燃机油耗和排放的技术 柴 延时喷油 汽 改进燃烧室 油油 降低涡流比 改进进气系统 机 废气再循环 机 排排采用稀薄分层燃烧技术 放增压、中冷放 控 降低燃烧温度 控 机 改进电控喷射系统 制 降低 喷射率控制 制 内 技 n o x 技 净 改进点火系统 术 的技术 引导喷射 术 化 改进纯油器 多气门技术 蹬水和乳化油技术 废气再循环 燃料改质增加十六烷值 排气后处理n o x 催化还原处理 使用无铅汽油 降低p m增加缸内紊流扰动机 曲轴箱通风 的技术高压喷油外 促进混合 燃烧室改进 净 进气系统改进 化 燃料蒸发控制系统 降低h c 的排 减少喷油器无效容积 放尾气三元催化系统 提高燃烧室壁温 浙江大学博士学位论文第一章绪论 减少顶岸间隙 减少缸内润滑 改进刮油环结构 油 排气后处理颗粒捕集系统采用= 次空气喷射 燃料改质降低芳烃和硫含量 表11 内燃机的排放控制技术 t a b i e11e m i8 8 i o rc o n t r o it e c h n o i o g i e sf o ri n t e r n a ic b u s t i o re n g i n e 表1 1 给出了内燃机排放控制方面的部分主要技术。这里以柴油机为例说明 特色技术在控制内燃机排放方面的应用。 采用延迟喷射、多次喷射、降低涡流比、采用增压中冷技术、在燃烧过程滞 燃期采用低的喷油率、e g r 等技术降低燃烧温度，从而降低n o x 。降低颗粒排 放的措施有，采用紊流扰动燃烧方式、高压共轨喷射、缩口型燃烧室、改进进排 气系统、改进活塞环油环结构和减少间隙，以降低润滑油消耗。降低h c 排放的 措施有，减小喷油器有害容积、提高燃烧室壁温等。因为在大部分运转工况下， 柴油机不能处在最经济和最优排放状态。通过电子控制的可变机构，可使柴油机 在整个运转范围内获得最佳经济性匹配和最优排放。所以，上述措施的实现的最 佳途径是采用电控。其它用于减少柴油机污染的措施还有，四气门缸盖，喷油器 正置、并位于气缸中心，顶置凸轮轴，以改善噪音和震动为目的进行的机体和部 件的优化设计等。 国外的研究表明，采用控制燃烧的各种方法可以使柴油机达到欧i i i 标准，但 是如果要达到欧标准就必须要进行尾气后处理。柴油机颗粒捕集器是目前公认 有效的后处理技术，而过滤材料和过滤体再生则是其关键技术。 天然气、l p g 、甲醇、乙醇、二甲醚等替代燃料在内燃机中的应用一度让人 们看到清洁汽车实现的希望，因为其排放指标好，尤其颗粒排放指标优异，被人 们所认可。但它们离绿色汽车的理想尚有距离。 二、电动汽车技术 电动汽车技术的发展经历了三个研究浪潮。第一次是在1 8 3 4 年电动车诞生 之后，它逐渐成为一种被人们喜爱的代步工具。即便在内燃机汽车发明后的三十 年的时间里，由于电动车启动方便，而被广泛接受。直到1 9 1 8 年，电启动装置 的发明以及燃油价格的大幅度下降促进了内燃机技术的推广应用，内燃机汽车才 真正登上了历史舞台，电动汽车的研究则进入低潮。第二次研究浪潮源自上世纪 7 0 年代，石油危机促使人们重新重视汽车用替代能源的研发工作，电动汽车技 术再度成为宠儿，发达国家竞相发展。但好景并不长，海洋大陆架石油的发现缓 解了石油危机，电动汽车技术的研发又一次进入低潮期。第三次研究浪潮是9 0 4 苎堕望量坠量兰兰堕丝l 笙二皇堑丝 年代开始的，这一次研究的驱动力是人们对气候变暖和大气环境的重视，具体表 现为各国争相制定了强制性的汽车排放法规。 从电动汽车技术发展的历史回顾可以看出：第一，自从内燃机汽车为人们认 同后，电动汽车技术始终作为内燃机汽车的一种替补形式出现；第二，能源和环 境两大因素决定了电动汽车技术的更新和发展。这两点结论也恰好对应着电动汽 车技术的缺点和优点。首先电动汽车的受到续驶里程短、充电时间长、动力性能 有限等缺点的制约，始终无法与内燃机汽车抗衡。其次其在行驶过程中的低排放、 低噪音、不依赖珍贵的石油资源等优点使其具有很大的发展潜力，并且其所消耗 的电能可以通过相对污染小的能源形式来获得，使其具有更好的环境保护效能。 正因为如此，近十年来，美国、欧洲、日本等国政府和些跨国公司在此项目上 的投资超过1 0 0 亿美元，并且每年以不少于l o 亿美元的投入来持续开发。我国 也大力发展电动汽车技术，并将其列入“十五计划”8 6 3 项目重点扶持。电动汽 车又可以分为几种类型，其中最主要的是蓄电池汽车和燃料电池汽车“”。 蓄电池汽车 为了适应电动汽车的发展，美国先进电池联合体( u s a b c ) 提出了电动汽车 车用电池性能参数指标，见表1 2 。电池汽车又分为几种形式，表1 2 还列出了 相应的技术参数加以比较。根据表中的数据可以进行核算，得出以下结论： 1 、电池质量大，占整车质量的1 4 左右； 2 、续驶里程仅为一般内燃机汽车的1 5 ，一般汽车的续驶里程为6 0 0 k m 以上， 镍铬电池如果也达到6 0 0 k m ，其电池质量就要1 6 1 0 k g ； 3 、充电时间长，影响运行； 4 、加速性能较内燃机汽车差一倍。 能量密 比能量比功率功率密度循环寿命充电时间工作温度价格 度备注 ( w h i g ) ( w k g )( w l )( 次1( r a i n )( )( s k w h ) ( w h l ) u s a b c8 0 2 0 01 3 5 3 0 01 5 0 , - 4 0 02 5 阻6 0 06 0 0 1 0 0 01 5 q 0- 3 0 , - 6 01 0 0 锚酸3 0 5 0 6 52 0 0 0 01 2 04 0 e - - 6 0 0慢o - 4 01 0 0 成本和寿命低 镍铬4 0 5 01 1 01 5 0 3 5 08 0 0 也0 0 01 5 1 6 3 0 0 有记忆、有毒 镍氢5 0 8 0 1 9 01 5 0 3 0 04 8 08 0 d 1 0 0 01 80 - , , 4 02 0 0 成车高有记忆 钠硫1 0 曲i l 卯1 5 0 3 1 0l l o o 1 2 0 0 3 5 03 0 0高铅腐蚀 锂离子1 2 0 一1 4 0 2 5 02 0 砌1 2 0 0慢4 5 02 0 0锂有毒 表12 几种电池性能参数与u s a b c 指标的比较 t a b i e1 2p a r a m e t e r so o m p a r i s o nb e t w e e ns o u l es t o r a g eb e t t e r i e sa n du s a b c 燃料电池汽车 燃料电池发明于1 9 世纪，但到1 9 6 0 年代，它才真正为人们所重视、研究。 浙江大学博上学位论文第一章绪论 燃料电池以其优越的性能指标基本上满足u s a b c 的要求( 表1 2 ) 【1 3 】，近年来 国内外都非常重视燃料电池的研发，并认为它是最有希望替代内燃机汽车的绿色 动力形式。燃料电池又可以分为几种：a l k a l i n ef u e lc e l l s ( a f c s ) ，p r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l s ( p e m f c s ) ，m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l s ( m c f c s ) ，s o l i do x i d e f u e lc e l l s ( s o f c s ) 。这些不同形式的燃料电池的电极、电化学反应和反应温度各 不相同。燃料电池中最重要的实现形式是质子交换膜燃料电池( p e m f c s ) ，这 种燃料电池可以应用多种能源形式，具有很大的灵活性，所以可以摆脱汽车对石 油的依赖。燃料电池汽车之所以没有进入大规模应用的原因在于，燃料电池系统 价格太贵；其所用燃料的纯度要求非常高，例如氢气中一氧化碳这样的杂质浓度 仅为1 0 p p m 时，就会使质子交换膜失去作用；由于燃料电池的反应对温度要求 苛刻，并且在其工作中会产生废热，这要求非常精密的冷却系统。所有这些问题 的克服都意味着系统的复杂化，同时使得整个系统非常昂贵。 根据电池的实现形式还有太阳能电池汽车，飞轮电池汽车，超容量电容器汽 车等等电动汽车，这里不再赘述。 在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车己开始逐步进入实用化阶段【l ”】。 这主要是因为政府干预的结果，例如，美国加利福尼亚州政府要求各大汽车公司 每销售十两车中必须要有一辆零排放汽车。这种措施大大加速了电动汽车的商业 化进程。表1 3 列举了一些跨国汽车公司的电动汽车或混合驱动电动汽车。但这 种商业化并不意味着电动汽车可以取代内燃机汽车了。这主要因为：1 、电动汽 车的一些关键技术还远不成熟；2 、各国主要汽车生产厂商追求的主要目标都是 以最低的成本达到市场的最大化，尽可能地扩大现有产品的产量，最大可能地提 高质量和降低价格以占有更大的市场，电动汽车的产业化有操作上的困难；3 、 充电站等硬件设施很稀少，并且还有配件供应和专业维修等一系列问题构成了电 动汽车进入市场的障碍。 电动车名称生产厂商电动机形式功率( k w ) p r i u s i m p a c t a v e n j r c 。c l a s ss e r i e s c m a t e r t o y o t a g e n e r a lm o t o r s n i s s a n m e r c e d e s b e n z m i t s u b i s h i p m s m i m p m s m p m s m i m 3 0 4 2 5 5 2 3 5 2 4 0 p 2 0 0 0 f o r di m 1 0 注：p m 酬( p e r r a a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) i m ( i n d u c t i o nm a o h i h e ) 表13 商业化的电动汽车和混合动力电动汽车” t a b l e1 3c u m a r c i a ii ya v a i l a b l er e c e n te v sa n dh e v s 6 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 三、气动汽车技术 气动汽车是一种不使用燃料的新型发动机，它以液氮或压缩空气储能，并以 纯粹的氮气或空气做为工作介质，直接利用氮气或压缩空气膨胀做功来实现功率 输出的动力机械。气动汽车与电动汽车相比最大的优势在于两点：第一，利用对 环境无害的氮气或空气作为低温储能介质和做功介质杜绝了电池用重金属等二 次污染；第二气动汽车发动机技术可以沿袭传统内燃机的成熟技术。气动发动机 的能量利用路线如图1 2 所示。 能源方面：气动汽车的发展有助于实现交通能源的多元化，可以利用较多的 新型能源来发电，并通过高压气体或者液氮来储存能量，其能量的利用路线如图 1 - 2 所示。所以，气动汽车有助于节约有限的石油资源。 图1 2 气动发动机的能量利用路线 f i 9 1 2t h eu s i n g r o u t eo fe n e r g yf o ra i r p o w e r e de n g i n e 环保方面：采用压缩空气或者液氮可以不引入二次污染，这是电动汽车难以 达到的。如果采用清洁的能源来发电，制取液氮，也不会引入一次污染。即便采 用煤或者石油来发电，因为燃烧废气中也含有大量的氮气，所以可以将其废气液 化来制造液氮，同时在液化的过程中，可以将一些有害气体分离出来。分离出来 的二氧化碳和污染物可以被喷射到已经枯竭的气井、油井、深矿、以及深海区， 或者是应用于温室农业或作为化工原料。通过这样的处理，有害物不会扩散到大 气中；通过化学反应将有害物转化成有用的或惰性的物质。这将会大大的减少资 源利用所造成的污染。 噪声污染小，这是气动发动机的另一个主要特点。气动汽车目前的研制目标 就是用于城市的公共交通，旅游观光，这不仅可以减少城市污染做出贡献，还可 以大大的降低公共场所的噪声污染。对于环保要求较高的旅游城市或者景区具有 较广的应用前景。 此外，与内燃机相比，气动发动机的做功方式更简单，气动发动机的总体结 构可以更紧凑。由于气动发动机的工作温度较低，其零部件不存在热负荷问题， 同时也没有较高的爆发压力，所以对发动机的零部件强度要求较低，制造成本可 浙江火学博士学位论文 第一章绪论 以降低。同时通过发动机的工作介质( 气体) 可以实现全车的气动化。 通过气动发动机与内燃机混合驱动的方式，可以降低内燃机在怠速、低速时 的排放，使内燃机在高效率，低排放的工况下工作；在高负荷的情况下，可以启 动气动发动机来增加汽车的动力输出，并且利用