第九章新型发动机与新能源汽车.doc

第九章 新型发动机与新能源汽车9.1 转子式发动机 9.1.1 概述三角活塞旋转式发动机简称转子发动机。是德国工程师F汪克尔发明的，所以又称为汪克尔发动机。1954年，F汪克尔在总结前人取得的成果基础上，经过长期的研究，解决了旋转式发动机气体密封的重大技术难题，并于1958年成功地制成了第一台转子发动机。1964年，德国NSU公司首先把转子发动机装在轿车上作为正式产品。从1967年日本东洋工业公司开始成批生产转子发动机轿车到1986年，总共生产了150万辆。往复活塞式发动机已有百余年的历史，其各种性能都已达到了相当高的水平。但是，往复活塞式发动机得基本结构方案却带有根本性的缺陷，即存在许多往复运动质量，如活塞组件及气门机构等。当提高发动机转速时，这些往复运动质量所产生的往复惯性力和惯性力矩急剧增大，使轴承载荷显著增加，振动加剧，噪声增强，并可能破坏气门机构的正常工作，致使发动机转速和功率的提高受到极大的限制。与往复活塞式发动机相比，转子发动机的优点是：升功率大，比质量小，振动轻微，结构简单，零件数量少，拆装方便，维修简单，制造也不困难。进入80年代后，转子发动机有了新的发展，其中包括采用涡轮增压，电控燃油喷射，排气净化，分层燃烧和微机控制系统等技术，使转子发动机的经济性、动力性和排放性等技术指标均达到较高的水平。9.1.2 转子发动机的基本结构转子发动机主要由转子、前后端盖、气缸体、密封件和主轴等零件组成。此外，汽油转子发动机还有燃油供给系、点火系、润滑和冷却系等基本系统。图9-1所示为国产GZ2-900型双缸汽油转子发动机的纵横剖面图。气缸体2的内壁表面是由双弧长短幅圆外旋轮线构成的特殊型面。气缸体的两个端面分别被前端盖1、中间隔板3和后端盖5封闭。气缸、前后端盖几中间隔板是固定件。气缸内装有弧边三角形转子12。在转子的一个端面上固定着与转子同心的内齿圈6，而与内齿圈相啮合的外齿圈7则固定在端盖上。发动机的主轴13是偏心轴，其主轴颈支撑在与外齿轮同心的主轴承8上，而偏心轴颈则套在与内齿圈同心的转子轴承11内。当发动机运转时，转子上的内齿圈6围绕固定的外齿轮7啮合运转，作行星运动，即转子不仅绕固定的外齿轮中心（主轴承中心）公转，同时又绕其自身的回转中心（偏心轴颈中心）自转。由于内、外齿轮的齿数比为3：2，因此，转子自转速度与公转速度之比为1：3，即主轴13的转速为转子12的自转速度的3倍。三角转子的三个角顶与气缸型面紧密接触，三个弧面与气缸型面之间形成三个工作腔。转子转动时工作腔的容积变化，其变化规律恰好符合四冲程内燃机对气缸容积变化的要求。在气缸体的一侧装置火花塞14，另一侧设置进气孔15和排气孔16。当发动机工作时，气体的爆发压力通过转子传递给偏心轴颈并推动主轴旋转。9.1.3汽油转子发动机工作循环转子发动机的工作循环与往复活塞式发动机相同，即由进气、压缩、作功及排气等四个过程组成。图9-2所示是转子发动机四行程工作过程原理图。图中以三角转子的一个弧面AB与气缸型面之间形成的工作腔（AB的工作腔）为例，说明转子发动机的四行程工作原理。当三角转子的角顶B转到进气孔左边的边缘时，AB工作腔开始进气。在位置1进、排气孔连通，即进排气重叠。这时AB工作腔的容积最小，相当于往复活塞式发动机的上止点位置 。随着转子继续转动，AB工作腔的容积逐渐增大，可燃混合气不断被吸入气缸。当转子自转90（主轴转270）到达位置4时，AB工作腔的容积达到最大，相当于往复活塞式发动机的下止点位置，进气行程结束。三角转子继续转动，AB的工作腔的容积逐渐减小，到位置5时，转子的角顶A越过了进气孔右边的边缘，这时AB工作腔被完全封闭，开始压缩行程。当转子自转180（主轴转540）到达位置7时，AB工作腔的容积最小，相当于往复活塞式发动机的下止点位置，压缩行程结束。这时，火花塞跳火点燃混合气，开始膨胀作功行程。当转子自转270（主轴转810）到达位置10时，AB工作腔的容积又达到最大，相当于往复活塞式发动机的下止点位置，作功行程结束。三角转子的角顶B转过排气孔左边的边缘时，AB工作腔即开始排气。位置1112为排气行程。转子自转360（主轴转三周）时，AB工作腔又回到位置1，排气行程结束。实际上，排气要延续到角顶A转过排气孔之后。至此，AB工作腔完成了一个工作循环。与此同时，BC及CA两个工作腔也分别完成了一个工作循环。 图9-1 GZ2-900型汽油转子发动机结构（双缸，水冷，90kW，3600r/min）1-前端盖；2-气缸体；3-中间隔板；4-偏心轴颈；5-后端盖；6-内齿圈；7-外齿轮；8-主轴承； 9-主轴颈；10-飞轮；11-转子轴承；12-转子；13-主轴；14-火花塞；15-进气孔；16-排气孔综上所述，转子每自转一周，主轴则转三周，三角转子与气缸型面之间形成的三个工作腔各完成一个四行程工作循环，每一个行程所对应的主轴转角为270。图9-2 转子发动机四行程工作原理进气行程 压缩行程 作功行程 排气行程 9.2 燃气涡轮发动机9.2.1 概述 燃气涡轮发动机简称燃气轮机，是另一种旋转式内燃机。从1939年第一台电站燃气轮机在瑞士新堡正式运行起，至今不过60年。由于它具有质量轻、体积小、操作灵活、维修简便及制造费用低等优点，自问世以来发展非常迅速。燃气轮机的应用几乎遍及整个国民经济领域。1950年，英国的罗弗（Rover）公司制成世界上第一辆燃气轮机汽车。此后，该公司又制成第一辆燃气轮机竞赛汽车，并在1963年及1965年的莱曼斯汽车大赛中取得了惊人的成绩。与此同时，美国的福特（Ford）及克莱斯勒（Chrysler）公司相继制成燃气轮机轿车，并都取得了令人瞩目的成就。目前，国外在重型货车及长途客车上已较多的采用燃气轮机。图9-3所示为一台汽车燃气轮机的结构实例。它主要由压气机、涡轮机、燃烧室及回热器等四大部件组成。此外，还包括燃油供给系统、速度调节装置、起动装置及各种辅助设备等。汽车燃气轮机一般有两根相互独立的传动轴。压气机与压气机涡轮安装在一根轴上，而动力涡轮与减速装置则安装在另一根轴上。减速装置与汽车变速器相连。燃气轮机的工作原理如图9-4所示。当起动机3接通电源后，驱动压气机4旋转，空气经进气道1被吸入压气机，压缩后的空气流过扩压管5，压力进一步增高。高压空气沿压缩空气流道6进入回热器10，在回热器中空气与流经回热器的燃气进行热交换，空气吸收燃气的余热，温度进一步升高。高温、高压的空气供入燃烧室9，与此同时，燃油经燃油泵2及燃油管7并通过燃油喷嘴8喷入燃烧室。燃油与空气在燃烧室内混和形成可燃混和气，并借助点火器16将混合气点燃。当燃烧室内形成稳定的火焰之后，切断点火器的电源，后续的混合气与火焰接触而燃烧。高温、高压的燃气流过喷管15而提高流速后，推动压气机涡轮14旋转，并带动压气机工作。从压气机涡轮流出的燃气仍有很高的温度和压力，在使其通过喷管13提高流速后，冲击动力涡轮12，推动其旋转。动力涡轮的旋转运动通过减速装置及汽车变速器来驱动汽车行驶。从动力涡轮流出的燃气沿燃气流道11进入回热器，在回热器中，燃气放热降温后排入大气。图9-3 汽车燃气轮机结构（克莱斯勒公司）1-辅助设备传动轴；2-压气机；3-右回热器；4-喷管调节机构；5-动力涡轮；6-减速器；7-左回热器；8-压气机涡轮；9-燃烧室；10-燃油喷嘴；11-点火器；12-起动机；13-回热器传动轴图9-4 双轴汽车燃气轮机示意图1-进气道；2-燃油泵；3-起动机；4-压气机；5-扩压管；6-压缩空气流道；7-燃油管；8-燃油喷嘴；9-燃烧室；10-回热器；11-燃气流道；12-动力涡轮；13、15-喷管；14-压气机涡轮；16-点火器压气机的作用是将压气机涡轮传输来的机械功转化为气流的动能，进而转化为压力能。涡轮机的功用是将燃气的能量转换为机械功。燃烧室的作用是燃料和空气在其中燃烧，所放出热量加热燃气，使其温度达到给定温度。回热器是一种热交换设备。燃气在离开动力涡轮排入大气之前温度还很高，利用回热器将排气中的余热回收，可以显著地提高燃气轮机的热效率，提高燃油经济性。综上所述燃料燃烧产生的高温、高压燃气所包含的能量，一部分在压气机涡轮中转变为机械功，用来驱动压气机及其他辅助设备；另一部分则在动力涡轮中转变为机械功，用来驱动汽车行驶。自然，在能量转换及传输过程中，还会损失部分能量。9.2.2 燃气轮机的优点 燃气轮机作为汽车动力，与往复活塞式发动机相比，具有下列优点： （1）燃气轮机没有往复运动件，因而平衡性好，振动轻微。 （2）转速高（一般为2500040000r/min），单位功率质量不超过0.350.5kg/W。当功率相同时，在外形尺寸及质量方面都优于往复活塞式发动机。 （3）摩擦副少，机械效率高（达0.920.94）。摩擦表面不与燃气接触，使润滑问题简化，润滑油消耗率低。 （4）燃料适应性好，可以燃用气体燃料和各种液体燃料。 （5）起动性好，用功率较小的起动装置可以在环境温度为-50的情况下顺利起动。 （6）排气中有害排放物少，在带负荷工作时，仅为柴油机的1/71/3。 （7）转矩特性好，可以减少汽车变速器的挡数，在汽车行驶时可以减少换挡次数。 9.3 斯特灵发动机9.3.1 概述 斯特灵发动机是封闭循环回热式外燃机，也称热气机。在18世纪70年代，蒸汽机问世伊始效率很低，其原因之一是由于水蒸气在汽缸中膨胀之后冷凝而造成较大的热损失。于是有人设想，利用热的气体代替水蒸气作为热机的工质，便可消除这项热损失，从而可以提高热机效率。1816年，英国人R斯特灵根据这一设想创制了以热空气为工质的封闭循环热空气机，即斯特灵发动机。不过由于当时存在许多技术上的困难，致使该机的效率和功率仍然很低。到19世纪中叶，当高效率的往复活塞式内燃机出现后，对斯特灵发动机的研究一度中断。 随着科学技术及生产现代化的进展，荷兰菲利浦（Philip）公司从1938年起开始了现代斯特灵发动机的研制工作。该公司对斯特灵发动机技术做了根本性的改革；创制了能够使活塞及活塞杆做直线往复运动的传动机构，从而改善了气体密封件的工作条件；采用热导率、密度及粘度小的氢气或氦气做工质，从而提高了热交换器的效率并降低了工质流动的阻力损失；发明了卷套式密封装置，为创造高效密封装置开辟了新路。 菲利浦公司在上述几个方面所取得的进展，使斯特灵发动机大幅度的提高了效率及功率，并引起许多国家的关注和兴趣。20世纪70年代，在美国福特汽车公司的资助下，由加利福尼亚工学院完成的关于80年代车用动力的综合性研究，得出的结论是：热气机作为未来的车用发动机是极有前途的。在此期间，菲利浦公司、福特汽车公司、瑞典的联合斯特灵发动机公司及德国的MAN/MWM公司等，相继将斯特灵发动机安装在长途客车、轿车及重型货车上使用，开创了车用斯特灵发动机研究的新阶段。 图9-5所示为瑞典联合斯特灵发动机公司为福特汽车公司设计及制造的汽车斯特灵发动机的结构示意图。 斯特灵发动机有单作用式及双作用式两种不同的类型，汽车斯特灵发动机无例外的都是双作用式的。双作用式斯特灵发动机的每一个汽缸内只有一个作往复运动的活塞，活塞顶以上的工作腔为膨胀腔，活塞底以下的工作腔为压缩腔。膨胀腔与相邻汽缸的压缩腔通过加热器、回热器及冷却器相互连通，共同构成一个封闭的循环系统。一台4刚双作用式斯特灵发动机有4个气缸、4个活塞及4个加热器、回热器及冷却器，构成4个封闭循环系统。 斯特灵发动机主要由燃烧系统（包括燃烧室、喷油器、点火器、空气旋流器及空气预热器等）、封闭循环系统、传动机构（包括活塞、活塞杆、十字头、连杆及曲轴等）、调节装置及辅助设备等组成如图9-5所示。来自燃油泵的燃油经喷油器8喷入燃烧室7，空气则经过空气预热器11预热之后，经空气旋流器10进入燃烧室。空气和燃油在燃烧室内混合燃烧所释放出的热量通过加热器对工质加热，这时工质的温度最高，压力也较大。工质吸热后进入气缸的膨胀腔膨胀作功，推动传动机构运转。工质在膨胀过程中，压力不断下降，但工质的温度却因为不断地从加热器吸热而基本保持不变。处于压缩腔内的工质同时受到压缩，压缩过程开始时工质的压力及温度都最低。随着压缩过程的进行，工质的压力不断增高，但工质的温度却因为工质通过冷却器不断地向环境放热而基本保持不变。 当工质由膨胀腔流回压缩腔时，向回热器放热，温度降到最低，压力也随之下降。而当工质由压缩腔流回膨胀腔时，由回热器吸热，温度升至最高，压力也随之增大。综上所述，工质经历了压缩、加热、膨胀及冷却等四个过程而完成一个循环。在四个过程中，仅膨胀过程为作功过程。图9-5 U4P-275型平行双列4缸双作用式汽车斯特灵发动机结构示意图（瑞典联合斯特灵发动机公司）a）结构示意图； b）汽缸布置示意图 A-膨胀腔；B-压缩腔1-机油泵；2-曲轴；3-连杆；4-传动轴；5-十字头；6-汽缸；7-燃烧室；8-喷油器；9-点火器；10-空气旋流器；11-空气预热器；12-加热器；13-活塞；14-回热器；15-冷却器；16-活塞杆；17-活塞杆密封装置9.3.2 斯特灵发动机的特点 （1）可燃用多种燃料 因为斯特灵发动机的燃料燃烧过程是在气缸外部接近大气压力下连续进行的，所以对燃料品质的要求不高。如煤油、重柴油、煤炭、煤气、薪柴、酒精及植物油等都可燃用。 （2）热效率高 斯特灵发动机是一种高效率能量转换装置，其热效率达66%70%，有效热效率达32%40%，与柴油机相当。若用陶瓷制造加热器，工质的温度可进一步提高，这时有效热效率可达44%以上。 （3）排气污染小 斯特灵发动机的燃烧过程可在较多的过量空气下进行，因此排气中CO、HC、Nox及炭烟的含量都比往复活塞式发动机低的多。 （4）噪声水平低 试验表明，斯特灵发动机的噪声水平低于70dB，比往复活塞式内燃机约低1530dB。 （5）运转特性好 斯特灵发动机输出转矩均匀，因而运转平稳；超负荷能力大，能在超过标定负荷50%的情况下正常运行。因此，斯特灵发动机很适合用作汽车动力。 （6）工作可靠，使用寿命长，燃油消耗率低。 虽然斯特灵发动机有许多优点，但是直到目前为止尚未达到商品生产的水平，其主要原因是制造成本约比同功率的往复活塞式内燃机高出一倍。因为斯特灵发动机的受热零部件（如气缸的膨胀腔、加热器及回热器等）长时间在700800的高温及1525MPa的高压下工作，需用优质耐热钢制造，而且加热器及调节系统的结构也比较复杂，致使斯特灵发动机造价昂贵，在经济上不能与往复活塞式内燃机相竞争。随着科学技术的发展，一定可以找到廉价的耐热材料，届时上述问题就可以迎刃而解了。 9.4混合动力汽车9.4.1概述 混合动力汽车指携带有不同动力源的，可根据汽车的行驶需要，同时或分别使用不同的动力源而行驶的汽车。目前已研制成功并投入运行的混合动力汽车（HEV，Hybrid Electric Vehicle）主要有液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车两类： (1)液压蓄能式混合动力汽车 指带有用液压回收和利用制动、减速能量系统的混合动力汽车。其特点是在汽车制动、减速时，用液压泵将汽车的动能转换为液压能，并储存在装有氮气的储能器中，在汽车前进或加速时，使储存在储能器中的液压能通过液压马达释放出来，辅助发动机转动。 (2)混合动力电动汽车 由燃油发动机与电动机的组合动力作为能源的汽车，它利用的是成熟的汽油机、柴油机或燃气轮机等技术与电动机的组合。这种汽车实际上就是在电动汽车上装上一台内燃机。在对噪声和排放非常敏感的市区行驶时可用电力驱动，在需要大功率输出时可用内燃机驱动。 混合动力汽车的主要优点是发动机工作在经济工况区，排放低，燃油消耗少；发动机不在全负荷和加速工况工作，因此噪声小；还可以回收制动时的能量和利用已有的燃油设施；混合动力电动汽车被认为是当代汽车工业为保护大气环境及资源利用采取的重大技术措施；因而，近年来在国外得到了长足发展。9.4.2混合动力汽车的类型 混合动力电动汽车根据电动机和发动机的驱动方式不同，分为串联式、并联式和分路式等类型： （1）串联式混合动力汽车 如图9-6（a）所示，以发动机驱动发电机，由发电机输出的电能和电池组提供的电能驱动电动机，继而驱动车轮。由于这种方式并不是由发动机直接驱动车轮，易使发动机运行工况达到最佳状态，所以有效地改善了低速、低负荷区的燃油经济性。因此，串联式混合动力汽车主要用于市区工况运行。 （2）并联式混合动力汽车 如图9-6（b）所示，又分为双轴式和单轴式。双轴式的结构特点是发动机和电动机的传动轴相对独立，电动机的传动是直接通过控制单元控制的，而发动机的动力则是通过无级变速器传递的；对于单轴式并联混合动力，则是电动机和发动机的动力都通过一个变速器传递。并联式混合动力的特点是，可根据工况的要求灵活使用电动机和发动机两个动力源。在市区行驶工况，用电动机驱动，可减小噪声和排放，降低油耗；在郊外行驶工况，可用发动机驱动，此时电动机可作为发电机运行；当需要大负荷时，发动机和电动机同时驱动，以提高整车的动力性。 （3）分路式混合动力汽车 如图9-6（c）所示，是通过电动机驱动前轮，发动机驱动后轮的。这种方式的特点是电动机和发动机的控制及动力传动系统各自独立。在实际运行时，两种控制需要很好地协调。图9-6 混合动力汽车的类型9.4.3混合动力汽车实例 具代表性的HEV动力系统有日本丰田汽车公司的THS（TOYOTA Hybrid System)混合动力系统如图9-7（a）所示）、日本本田的IMA（Integrated Motor Assist）式混合动力系统等。 丰田公司的第一款电动机和汽油发动机组合的混合动力式汽车于1997年生产，其最大输出功率为43kW，排量1.5L。发动机、发电机、电动机呈直线排列。动力分配机构的作用是变矩、变速。停车或低速行驶时，发动机空转，同时给蓄电池充电，当蓄电量达到一定水平时发动机停止转动。该系统主要包括发动机、电动机、发电机、动力分配机构、交直变流器、变压器和高压蓄电池等。 （1）动力分配机构：如图9-7（b )所示，由行星轮2、太阳轮11、行星架10、齿圈9构成，发动机主动轴连在行星架上，发电机连在太阳轮上，电动机主动轴连在齿圈上。在行星架（发动机）转速一定时，太阳轮（发电机）的转速升高，与齿圈（电动机轴、车轴）的转速差变大，这时传动比变大。太阳轮的转速下降，与齿圈的转速差变小，这时传动比变小。发电机供给电动机电力的同时，通过控制发电机转速来改变传动比，相当于无级变速器的作用。 （2）交直变流器：在给蓄电池充电时将交流电（AC）转换成直流电（DC），蓄电池向电动机供电时将直流电转换成交流电。 （3）变压器：将高压蓄电池输出的电流转换为DC12V给辅助设备供电。 （4）高压蓄电池：也叫镍氢蓄电池，分为6个蓄电池单元，每个单元有38个蓄电池组件，它们直接和母线相连接，构成电压为273.6V的动力用蓄电池。 a)总体结构剖视图 b)动力分配机构示意图图9-7 日本丰田THS混合动力系统1-发电机；2-行星齿轮；3-电动机；4-减速器；5-传动轴；6-差速器；7-动力分配机构；8-发动机；9-齿圈（电动机主动轴）；10-行星架（发动机）；11-太阳轮（发电机） 本田推出的IMA混合动力汽车结构如图9-8所示。与丰田THS不同的是，本田混合动力车的电动机对发动机的辅助作用较为突出。THS混合动力车的发动机输出功率与电动机输出功率比值为59：41，而本田混合动力车的该比值为89：16。本田混合动力车的主要动力源是发动机，电动机只起辅助作用。电动机/发电机为60mm厚的轻量型DC无刷交流电动机，装配在发动机的飞轮上。电动机转子直接连在曲轴上，和发动机一起转动。起能量回收的作用；另外，还能辅助发动机启动。图9-8 本田IMA混合动力系统结构1-IPU；2-IMA电动机；3-功率导线；4-IPU冷却风扇；5-IMA蓄电池；6-AC-DC交直变流器；7-继电器点火开关；8-PDU；9-电动机ECU；10-连接孔9.5燃料电池汽车9.5.1概述 燃料电池汽车与普通电动汽车的区别在于它们使用的电池不同。目前电动汽车无法摆脱一次充电续驶里程短、成本高、充电时间过长等缺点。针对这些缺点最有效的方法就是开发应用燃料电池。燃料电池也因为具有能量转换效率高、对环境污染小等优点，而受到世界各国的重视。9.5.2燃料电池的基本原理 燃料电池实质上是电化学反应生成发生器。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。图9-9是氢氧燃料电池装置的原理简图。以其为例介绍氢氧燃料电池的反应过程如下： （1）氢气通过管道或导气板到达阳极； （2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子，阳极反应为 2H24H+4e- （3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极； （4）在阴极催化剂的作用下，氧气和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为 O2+4H+4e-2H2O总的化学反应为 2H2+O22H2O 与此同时，电子在外电路的连接下流动形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。燃料电池的工作原理和普通的电化学原电池和充电电池类似，都是通过电化学反应将化学能转换成电能，但两者之间还是有本质差别的。 普通的原电池或充电电池是一个封闭系统。封装后它与外界只存在能量交换而没有物质交换。当电池内部的化学物质耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。而燃料电池则不同，参与反应的化学物质，如氢和氧，是由燃料电池外部的独立 图9-9 燃料电池基本原理示意图供气系统供给的，只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。从这个意义上来讲，燃料电池本身是一个开放的放电装置，这正是燃料电池与普通电池的最大差别。 9.5.3燃料电池的分类 燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据其工作的温度、燃料种类、电解质类型进行分类。 （1）按照工作温度：燃料电池可分为高、中及低温型3类；工作温度从常温至100，称为低温燃料电池；工作温度介于100300的为中温燃料电池；工作温度在500以上的为高温燃料电池。 （2）按照燃料的来源：燃料电池也可分为3类：第1类是直接式燃料电池，其燃料直接使用氢气；第2类是间接式燃料电池，其燃料不是直接使用氢气，而是通过某种方法把甲烷、甲醇或其他烃类化合物转变成氢或富含氢的混合气后再供给燃料电池；第3类是再生燃料电池，把燃料电池生成的水经适当方法分解成氢气和氧气，再输送给燃料电池进行发电。 （3）接电解质类型：国内外燃料电池研究者一般使用该种分类方式，目前正在开发的商用燃料电池，依据电解质类型可分成碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池5大类。其各自特点如表9-1所示。表9-1 5种燃料电池主要特性比较9.5.4燃料电池汽车的组成 燃料电池汽车和混合动力汽车都是在车上安装发电装置，但燃料电池车的尾气净化和能源利用效率更好，只是还没有到达实用化的程度，不能马上普及。燃料电池车由高压氢罐、二次电池、动力控制机构、空气压缩机、FC组件（燃料电池组件）、电动机等组成，如图9-10所示。2002年，丰田和本田相继在市场上推出的燃料电池出租车，全部通过氢反应产生电能。车上装载的氢必须贮存在高压容器中。氢通过催化剂转换为氢离子，并通过PC组件内特殊的薄膜后和空气中的氧气反应产生电能，并储 图9-10燃料电池车的组成存在锂电池或镍氢电池中，保证电动机工作。 燃料电池汽车现在还处于实验阶段，它是今后的一大课题，其问题在于如何制造氢气，如何给燃料电池车提供氢气。 图9-11所示为在汽车中一边生成氢气，一边驱动燃料电池车行驶的方法：将用汽油改良后的CHF燃料、汽油、天然气、甲醇等通过重整器改质后生成氢气，再将生成的氢气输入燃料电池。这种方法的优点是可以使用现有的加油站，但必须要有改质装置（重整器），同时还会生成少量的HC和CO等污染物。由于重 整器的技术尚不完整，还未达到实用化程度。 图9-11 改质型燃料示意图图9-12 燃料电池的内部结构示意图 燃料电池本身就是FC组件。在氢气端（负极）和氧气端（正极）之间有电解质薄膜，这是电能的生成装置。当氢气通过薄膜催化剂时生成氢离子，产生的氢离子与氧气化学反应生成水，同时得到从正极流向负极的电流。燃料电池的内部结构如图图9-12所示，其工作原理如图9-13所示。图9-13 燃料电池的工作原理示意图9.6代用燃料发动机9.6.1概述 根据已探明的世界石油蕴藏量和目前的石油消耗量，预计石油最多可满足人类今后不足100年的需求，预示着石油时代终将结束。在全世界石油枯竭以前，其他因素也可能造成石油供应的困难，因此石油消费大国开始了对内燃机用石油的代用燃料的开发。促进代用燃料发明的另一动因是减轻环境污染，因为有些代用燃料可排放较少的大气污染物，有些燃料能改善大气中的碳循环。因此到21世纪中期，石油的代用燃料将在内燃机燃料中扮演重要角色。较有前途的内燃机代用燃料有天然气、植物油、醇类（甲醇、乙醇等）、醚类（甲基叔丁基醚MTBE、二甲醚DME、碳酸二甲酯DMC等）等。到目前为止，具有代表性的车用代用燃料有甲醇、液化石油气（LPG）、压缩天然气（CNG）等。9.6.2醇类燃料 醇类燃料作为车用发动机的代用燃料，主要指甲醇和乙醇。目前国内正在研究开发，尚未推广应用。其原因是这种燃料的加工、供给以及作为车用发动机燃料的燃烧技术等方面，还没有得到完善，目前只限于掺烧阶段。 醇类燃料特别是甲醇燃料，是石油危机以后最早被关注的代用燃料。近年来，甲醇和乙醇燃料作为降低CO2排放量的可再生燃料，已备受关注。下面以甲醇为例作具体介绍 1.甲醇的特点 （1）甲醇燃料的分子式是CH3OH，其氢和碳的比例H/C大，且质量的50%为氧，所以单位质量的发热量（即热值）不到汽油的一半；因此甲醇发动机的动力性较差，需要采用高压缩比的增压发动机； （2）常温下呈液态，可以方便地用于汽油车及柴油车； （3）甲醇燃烧时不冒黑烟，产生水分较多并且不产生高分子烃，因此微粒物排放非常少； （4）甲醇分子本身含氧，有利于燃烧，HC排放量较少，CO排放量比柴油机高，与汽油机相当，甲醇可以在稀混合状态下燃烧，燃烧温度较低，所以NOx排放量为柴油机的一半左右； （5）甲醇的辛烷值高达112，有利于提高汽油机的压缩比，从而降低其油耗； （6）由于甲醇的润滑性较差，需要单独为喷射泵提供润滑油； （7）甲醇本身有毒，是强刺激性物质，有强烈致癌作用，它的光化学效应和对臭氧层的破坏能力也很强，必须采取净化措施。 2.甲醇发动机 甲醇发动机有两种类型：从进气管供给预混合气，然后用火花点燃的点燃式甲醇发动机，将甲醇燃料直接喷入气缸内，并用着火装置使其着火的柴油机式甲醇发动机。由于甲醇的辛烷值高，所以很适用于点燃式发动机。但仅用甲醇单燃料时，由于其蒸气压力低，所以低温启动性较差。为了提高甲醇燃料的蒸气压力，以改善甲醇发动机的低温启动性能，在甲醇燃料中常添加的定比例的汽油而形成甲醇汽油混合燃料。对柴油机式甲醇发动机，由于甲醇的十六烷值比较低，所以不易自行着火，因此，需要电热塞2等着火装置如图9-14所示，或采用EGR阀5进行排气再循环，同时燃料室1高压缩比化，以提高着火性。对柴油机式甲醇发动机，为了提高排气催化转化装置6的排气净化效果，一般采用纯甲醇燃料。图9-14所示为具有代表性的柴油机式甲醇发动机的示意图。图9-14 柴油机型甲醇发动机示意图1-高压缩比燃烧室；2-电热塞；3-喷油器；4-进气口；5-EGR阀；6-催化转换器；7-排气口9.6.3压缩天然气 压缩天然气（CNG）汽车是目前普及率较高的一种汽车。CNG燃料的主要成分为甲烷（CH4）。其蕴藏量相当于石油的80%，是汽油的理想代用燃料。汽车上采用的压缩天然气（CNG）的压力大致在14.724.5MPa的范围内。天然气是从天然气田直接开采出来的，其主要成分是甲烷，极难液化。因此，目前大都将其压缩到20MPa的高压，充入车用气瓶中储存和供汽车使用，即所谓的压缩天然气（CNG）。 根据CNG燃料中C原子和H原子的组成比例，CNG发动机的CO2排放量可比汽油机降低28%左右。其非甲烷碳氢排放比汽油机低90%，而甲烷排放则高出9倍；CO排放水平约为汽油机的20%80%。装有现代电子控制燃料系统和三元催化剂的轻型天然气汽车，其尾气排放比美国加州超低排放车（ULEV）标准还要低75%，堪称清洁的燃料汽车。 CNG的辛烷值达120，用于较高压缩比的发动机时，其效率与柴油机相当。使用天然气存在的困难是：要有供应天然气的网络；续驶里程低；储气罐较重。 CNG发动机的燃烧方式有预混合燃烧方式和用轻柴油高压压燃方式两种。前者是将CNG燃料和空气在气缸外部混合后经进气管向气缸供给，然后用电火花点燃的燃烧方式；而后者是从进气管同时供给CNG燃料和空气，然后以轻柴油为火种，如同柴油机高压压燃的方式。图9-15 CNG供给系统的组成示意图1-车用气瓶；2-连通阀；3-充气阀；4-CNG高压管路；5-输出阀；6-预热器；7-混合器；8-CNG低压管路；9-计量器；10-减压器；11-滤清器；12-低压表；13-高压表；14-真空软管；15-截止阀 CNG供给系统的基本组成如图9-15所示。CNG储存于容量为50L的车用气瓶1内，压力为20MPa。通过每个气瓶上的连通阀2及CNG高压管路4将各气瓶连通。CNG从最后一个气瓶上的输出阀5流出，经预热器6、截止阀15及滤清器11进入减压器10。在减压器内，CNG的压力下降到大气压力。低压力的天然气经计量器9和CNG低压管路8进入混合器7与空气混合后进入气缸。9.6.4液化石油气（LPG） 在美国、加拿大、意大利和荷兰等国家，液化石油气已在汽车上广泛使用。其优点与天然气相似，但比天然气更方便于车上携带。主要问题是液化石油气供应有限，因此不可能大范围使用。 液化石油气（LPG）的主要成分有丙烷、丙烯以及丁烷。具有在常温下加压到0.51.0MPa时容易液化的特性。丁烷的沸点为-0.5，而丙烷的沸点为-42.1，所以夏季使用廉价的丁烷系列LPG，冬季使用混入低沸点丙烷的LPG。LPG燃料的优点是：LPG中不含硫，所以发动机腐蚀及磨损减小，有利于提高排气催化转化装置的耐久性；同时可减轻对机油的稀释作用。LPG供给系统的基本组成如图9-16所示。气瓶5内的LPG从LPG蒸气输出阀20及LPG液体输出阀6进入蒸发器17。在蒸发器中，LPG由于受到发动机循环冷却液的加热而蒸发汽化。汽化后的LPG经输气软管10进入LPG滤清器11，滤除其中的杂质，然后经压力调节器12降至大气压力，再经计量部件13和低压输气管14进入混合器16。在混合器中，LPG蒸气与吸入的空气混合形成可燃混合气后进入气缸。 气瓶为金属瓶或复合材料瓶，工作压力为1.6MPa。当瓶内压力超过1.68MPa时，卸压阀2开启，使气瓶子顶部与大气相通。气瓶一般不能充满LPG，留出10%的容积作为LPG的蒸发空间。 （a）LPG供给系的基本组成 (b)充装阀4的放大剖视图 (c)最高液面显示阀1的放大剖视图 图9-16 LNG供给系统的基本组成1-最高液面显示阀；2-卸压器；3-液位计；4-充装阀；5-气瓶；6-