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第12章 新型汽車發(fā)動機收藏
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第12章 新型汽車發(fā)動機
內容提要
1.電動汽車的特點、分類、基本結構與工作原理
2.壓縮天然氣汽車和液化石油氣汽車的特點、基本結構與工作原理
3.太陽能汽車的基本結構與工作原理
4.直接噴射式汽油機的結構與工作特點 |
12.1 電動汽車
電動汽車是依靠電能驅動的車輛，而電能在驅動汽車行駛過程中基本不排放有害氣體，對環(huán)境不會造成污染。因此，電動汽車就成為解決能源與環(huán)境問題的一個選擇。
12.1.1 電動汽車的特點
1873年在英國出現(xiàn)了第一輛電動汽車，由于早期一些技術問題難以解決，而內燃機汽車日趨成熟，電動汽車的開發(fā)便趨于低潮。直到1973年能源危機以后，很多國家為了開發(fā)新能源汽車以及保護環(huán)境，實現(xiàn)汽車零排放的要求，又重新開始重視電動汽車的開發(fā)，在一些國家掀起了研究電動汽車的熱潮。與傳統(tǒng)的燃油動力汽車相比較，電動汽車具有如下幾個特點。
1.能廣泛地利用各種能源 電動汽車使用的能源，不僅可以用傳統(tǒng)的汽油、柴油等礦物燃料發(fā)電，也可以用取之不竭的太陽能、水力能等多種能源發(fā)電，還可以利用旋轉零件轉動或制動時慣性能量發(fā)電，可以廣泛地利用各種能源。
2. 能量的利用率高 傳統(tǒng)汽車使用汽油、柴油作燃料，將原油提煉成汽油、柴油，并經(jīng)過運輸、分配等環(huán)節(jié)，大概要消耗掉30%的原油具有的能量。所采用的內燃機的有效效率一般為30～40%，機械效率為75%，因此輸出軸只能獲得18%左右原始燃料的可利用能量。內燃機在低負荷及部分負荷時，由于混合氣霧化質量差，燃燒不完善，平均能量利用率只有15%左右，可利用的能量更低。而電動汽車經(jīng)過火力發(fā)電廠發(fā)電、輸配電、充電、電機等設備使用能量損失，**終大約可獲20%原始燃料的有用能量。如果利用太陽能、水能、原子能等發(fā)電，則利用率會高一些。如果采用將化學能轉變?yōu)殡娔艿娜剂想姵?，則電池能量利用率可達50%左右。因此，使用電動汽車可以節(jié)約大量的能源。
3. 電動汽車是零排放汽車 由于電動汽車是依靠電驅動，所以電動汽車本身不會產(chǎn)生有害氣體排放，是零排放車輛，這對改善空氣質量保護環(huán)境具有重要意義。
依據(jù)電動汽車電能來源不同，仍會有間接污染。若采用燃煤生產(chǎn)的電力，電廠可建在遠郊區(qū)或人煙稀少的地區(qū)，集中控制和處理CO2等有害物也較容易。如采用太陽能、風能、水能等發(fā)電，則對環(huán)境無害。采用混合動力時，因為內燃機不是經(jīng)常使用，排量也較小，因此排放到大氣中的有害物比傳統(tǒng)汽車少得多。電動汽車如果采用鉛酸或鎳鎘電池時，有毒的鉛、鎘會污染環(huán)境，需進行處理。如采用燃料電池時，由于其產(chǎn)物是電能和水，故不會對環(huán)境造成危害。
4. 結構簡單和維修使用方便 電動汽車在結構上比傳統(tǒng)燃油汽車簡單，運動部件減少，大大降低了日常維修保養(yǎng)量，駕駛操作更為方便，維修簡單。
目前，電動汽車技術還不如傳統(tǒng)燃油汽車技術那樣成熟完善，動力電池壽命短，一次充電后的有效行程短，價格較貴。隨著科學技術的發(fā)展和電動汽車的推廣與普及，電動汽車存在的技術難題會逐步得到解決。
12.1.2 電動汽車的類型
根據(jù)所使用的基本動力能源不同，電動汽車大致可分為三類：蓄電池電動汽車Electric Vehicle（EV）、混合動力電動汽車Hybrid Electric Vehicle（HEV）、燃料電池汽車Fuel Cell Electric Vehicle（FCEV）。
1. 蓄電池電動汽車（EV） 是指利用蓄電池作為動力，用電動機驅動的汽車。不包括無軌電車及在車站、碼頭或廠內使用的電動叉車和普通的電瓶車。
蓄電池電動汽車與普通汽車的主要區(qū)別是動力源的改變，EV用蓄電池—電動機系統(tǒng)，取代了內燃機汽車的汽油機、柴油機。
2. 燃料電池電動汽車（FCEV） 燃料電池是通過電化學反應將燃料的化學能直接轉變?yōu)殡娔艿母咝拾l(fā)電裝置。燃料電池汽車是利用燃料電池組作為動力源的汽車，它同內燃機相似，只要不斷地供給燃料，燃料電池就能不斷地把燃料氧化的化學能轉換為電能，解決了蓄電池一次充電續(xù)駛里程短的問題，成為21世紀電動汽車的發(fā)展方向。
**早的FCEV是燃料電池大客車，燃料電池的輔助裝置的質量重，體積大，因此在早期的FCEV上，燃料電池組的輔助裝置占據(jù)了大客車很大的裝載空間，幾乎沒有乘客乘坐的空間，給FCEV的總布置帶來了很大的困難。經(jīng)過多國的汽車公司和燃料電池公司的努力，燃料電池的小型化得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)成功地應用到各類型的FCEV上。
3. 混合動力電動汽車（HEV） 它是介于內燃機汽車與電動汽車之間的一種車型，它使用兩種以上動力源，能按照不同的道路交通條件，進行動力源組合或轉換，發(fā)揮**佳的動力效率，達到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。輔助動力可以采用燃燒某種燃料的原動機或動力發(fā)電機組。HEV在排放、節(jié)能等方面接近EV、FCEV，動力性、續(xù)駛里程與傳統(tǒng)燃料汽車相當，是現(xiàn)階段取代傳統(tǒng)燃料汽車**理想的車輛。目前各大汽車公司推出的電動汽車大部分是混合動力電動汽車，美國通用GM EV1型混和動力電動汽車使用汽油作為燃料，燃油經(jīng)濟性指標達到21.1km/L，其排放已經(jīng)降低到1/10 ULEV（超低排放車輛）的水平。HEV將在21世紀的運載車輛中占有重要的地位。
12.1.3 蓄電池電動汽車的基本結構與工作原理
1.基本結構 蓄電池電動汽車主要由電池組、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等組成（圖12－1）。
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圖12-2 交流異步電動機的控制系統(tǒng) |
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圖12-1 蓄電池電動汽車結構組成 |
（2）控制系統(tǒng) 其主要作用是對動力電池組進行管理和對電動機的控制。
1）對動力電池組的管理包括對動力電池組的充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋的電流、（汽車制動時，利用電動機旋轉零件轉動或制動的慣性能量發(fā)電，經(jīng)逆變器變交流為直流，對電磁組充電的電流）、電池的自放電率、電池溫度等進行控制。因為個別的蓄電池性能變化后，影響到整個動力電池組的性能，用蓄電池管理系統(tǒng)來對整個動力電池組和動力電池組中的每一單體電池進行監(jiān)控，保持各個電池間的一致性，還要建立動力電池組的維護系統(tǒng)，來保證EV的正常運行。
2）對電動機的控制包括對電動機輸出功率、轉矩和轉速的控制，對于不同型式的電動機，控制系統(tǒng)的結構也有所不同。圖12－2是對交流異步電動機的控制系統(tǒng)圖。它主要由逆變器和中央控制器等部分組成，電池組輸出的直流電，經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱訖C，電動機輸出的轉矩經(jīng)汽車傳動系驅動車輪，中央控制器根據(jù)電動汽車工況的變化，對這一轉變過程實行控制。
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圖12-3 雙電動機驅動系統(tǒng)
1-左半軸 2-左驅動電動機 3-電控差速器 4-右驅動電動機 5-右半軸
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EV的驅動系統(tǒng)有集中驅動系統(tǒng)和輪轂驅動系統(tǒng)兩大類。
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圖12-4 輪轂驅動系統(tǒng)
1-輪胎 2-永久磁鐵 3-制動盤 4-襯套 5-輪軸 6-電動機線圈繞組
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左右兩個永磁電動機直接通過半軸帶動車輪轉動，左右兩個電動機由中央控制器的電控差速模塊控制，形成機電一體化的差速器。
2）輪轂驅動系統(tǒng)改變了內燃機汽車傳統(tǒng)的驅動方式，每個車輪都是由獨立的電動機來驅動（圖12－4）。電動機可以布置在兩個前輪、兩個后輪或四個車輪的輪轂中，成為前輪驅動、后輪驅動或四輪驅動的EV。
（4）安全保護系統(tǒng) EV的動力電池組具有96～312V的高壓直流電，人觸電時會造成生命危險，因此必須設置安全保護系統(tǒng)。另外在撞車、翻車或線路發(fā)生短路時，應有應急處理裝置，因此EV必須配備電氣裝置的故障自檢系統(tǒng)和故障報警系統(tǒng)，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時自動控制EV不能起動等，及時防止故障的發(fā)生。
2. EV的工作原理 在EV中保存了加速踏板、制動踏板和各種操縱手柄等，在電動汽車工作時，傳感器將加速踏板、制動踏板機械位移的行程量轉換為電信號，輸入中央控制器（圖12－2）。經(jīng)中央控制器處理后發(fā)出驅動信號，控制逆變器的工作狀態(tài)，從而達到對電動汽車工況的控制。
當汽車行駛時，電池組輸出的直流電經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱訖C，電動機輸出的轉矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動車輪。當汽車減速時，車輪帶動電動機轉動，通過矢量控制使感應電動機成為交流發(fā)電機產(chǎn)生電流，再經(jīng)逆變器將交流電變?yōu)橹绷麟娤蛐铍姵亟M充電（制動再生能量）。同時，EV控制系統(tǒng)通過各種傳感器、電流檢測器對動力電池組－逆變器－驅動電動機系統(tǒng)進行監(jiān)控并及時反饋信息和報警，并通過電流表、電壓表、電功率表、轉速表和溫度表等儀表進行顯示。
12.1.4 混合動力電動汽車的基本結構與工作原理
HEV的基本結構是在EV和FCEV的基礎上增加一套輔助動力系統(tǒng)——動力發(fā)電機組或某種原動機。原動機可以是內燃機、燃氣輪機等熱機。
按發(fā)動機和電動機的耦合方式不同，可分為串聯(lián)式混合動力汽車（SHEV）、并聯(lián)式混合動力汽車（PHEV）、混聯(lián)式（串、并聯(lián)式）混合動力汽車（PSHEV）三種形式。
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圖12-5 串聯(lián)混合動力電動汽車 |
在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池組輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗与妱訖C，驅動電動機輸出的轉矩經(jīng)變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。
蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統(tǒng)起動，為驅動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。
當車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅動系統(tǒng)提供能量，發(fā)動機－發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姡碗姵亟M輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗与妱訖C。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作在一個相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。
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圖12-6 并聯(lián)式混合動力汽車的組成
1-發(fā)動機 2-電動/發(fā)電機 3-機械傳動系統(tǒng) 4-驅動電動機 5-逆變器 6-蓄電池組 |
圖12－6是一種電動機的動力在驅動輪處進行組合的驅動輪動力組合式PHEV，其驅動模式為：
1）以發(fā)動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；
2）驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪；
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圖12-7 混聯(lián)式混合動力汽車
1-發(fā)動機 2-電動/發(fā)電機 3-變速器或減速器 4-驅動橋 5-逆變器 6-驅動電動機
7-蓄電池組 |
3. 混聯(lián)式混合動力汽車的結構特點 PSHEV是綜合SHEV和PHEV結構特點組成的，由發(fā)動機、電動/發(fā)電機和驅動電動機三大動力總成組成。電動機的動力要與車輛驅動系統(tǒng)相組合，可以在變速器（包括驅動橋）處進行組合，也可以在驅動輪處進行組合。
圖12－7是一種發(fā)動機的動力與驅動電動機的動力在驅動輪處進行組合的方式，其驅動模式為：
1）以發(fā)動機驅動為基本驅動模式，帶動電動/發(fā)電機，并獨立驅動后驅動輪；
2）以驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪；
3）在混合驅動時，發(fā)動機驅動的后輪動力與驅動電動機驅動的前輪動力進行組合，成為混合四輪驅動模式。
12.1.5 燃料電池電動汽車的基本結構與工作原理
采用燃料電池作為動力的電動汽車稱為燃料電池電動汽車（FCEV）。
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圖12-8 燃料電池電動汽車的組成 |
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圖12-9 燃料電池的基本結構
a）燃料電池本體結構 b）燃料電池組
1-負極集流體加強肋 2-隔離板、集流板 3-正極集流體加強肋 4-空氣通道 5-正極 6-電解質基體 7-負極 8-燃料氣體通道 9-負極集流體加強肋 10-隔離板、集流板 |
單體燃料電池主要由電解質、燃料電極、隔離板、空氣電極和集流板等組成（圖12-9）。正、負極板采用活性炭制成，置于電解質溶液中。
燃料電池工作時，外界不斷供給負極氫氣，供給正極空氣（圖12-10），在催化劑（鉑、多孔石墨等）作用下，產(chǎn)生如下反應：
負極
正極
負極經(jīng)催化劑作用，氫原子中的電子被分離出來，在正極吸引下，在外電路形成電流，失去電子的氫離子，在正極與氧及電子結合為水，氧可從空氣中獲得，只要不斷地供給氫氣和帶走水，燃料電池就可不斷供給電能。
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圖12-10 燃料電池的工作原理
1-多孔質燃料夾層 2-氫電極 3-負載 4-氧電極 5-多孔質空氣夾層 |
（2）燃料電池控制系統(tǒng) 用于控制燃料電池的反應過程（起動、反應、輸出電能的調整、停止等），一般用燃料電池管理系統(tǒng)模塊對燃料電池狀態(tài)進行監(jiān)控和檢查。
（3）驅動系統(tǒng) 燃料電池的電流需要經(jīng)過專用的大功率動力DC/DC轉換器，將燃料電池產(chǎn)生的直流電轉換為穩(wěn)壓的直流電流，然后經(jīng)過逆變器轉換為交流電輸送給驅動電動機，驅動車輪轉動。
（4）輔助動力系統(tǒng) 通常在FCEV上還要裝配一個蓄電池組作為輔助電源，其作用：①用于FCEV快速起動；②用于儲存FCEV在再生制動時反饋的電能；③為電動汽車控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等電氣設備提供低壓電源。
2. 燃料電池電動汽車的工作原理（圖12-8） 由燃料箱不斷地供給燃料，燃料電池把燃料氧化的化學能轉換為電能，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗与妱訖C，經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動車輪。
在電動汽車開始行駛時，蓄電池組處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足汽車起動要求，由其為驅動系統(tǒng)提供能量，并對燃料電池進行預熱，燃料電池動力系統(tǒng)不需要工作；當氫氣供給足夠時，燃料電池動力系統(tǒng)起動，由燃料電池動力系統(tǒng)為驅動系統(tǒng)提供能量，當車輛能量需求較大時，燃料電池動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅動系統(tǒng)提供能量；當車輛能量需求較小時，燃料電池動力系統(tǒng)為驅動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。
燃料電池若采用甲醇或汽油等作為燃料時，需要通過重整器進行重整，一般需要10min以上才能產(chǎn)生足夠的氫氣，比內燃機的起動時間長得多，因此在汽車剛起動時，由蓄電池組來提供電能，同時預熱燃料電池。
3.燃料電池汽車的分類 按氫氣供給方式，燃料電池汽車分為改質型和非改質型兩種。
（1）改質型 其車載液體燃料（甲醇或汽油等），需利用車載改質裝置制造氫氣，再供給燃料電池。優(yōu)點是可使用多種燃料，缺點是結構復雜，體積龐大。
（2）非改質型 由車載氫氣直接供應燃料電池。車輛構造簡單，體積小，質量輕。主要問題是車輛續(xù)駛里程短，氫燃料的補給設施費用高。
12.2 燃氣汽車
以燃氣為燃料的汽車稱為燃氣汽車。目前常用的燃氣汽車有壓縮天然氣汽車（CNGV）和液化石油氣汽車（LPGV），它們分別以壓縮天然氣和液化石油氣為燃料。
12.2.1 CNGV和LPGV的特點
1.LNGV和LPGV的優(yōu)點
（1）有害氣體排放低 天然氣和液化石油氣在常溫下為氣態(tài)，容易與空氣混合形成均勻的可燃混合氣，燃燒完全，可以大幅度減少CO、HC和微粒的排放。另外，天然氣和液化石油氣的火焰溫度低，因此NOx的排放量也相應減少。
（2）熱效率高 天然氣辛烷值高達130，液化石油氣的辛烷值也在100左右，因此，燃用天然氣或液化石油氣可提高發(fā)動機的壓縮比，從而獲得較高的發(fā)動機熱效率。
（3）冷起動性和低溫運轉性能良好 在暖機期間無需加濃混合氣。
（4）可以燃用稀混合氣 其燃燒界限寬，稀燃特性優(yōu)越，可以減少NOx的生成和改善燃料經(jīng)濟性。
（5）延長潤滑油更換周期 因其不稀釋潤滑油，可以延長潤滑油更換周期和發(fā)動機使用壽命。
2.LNGV和LPGV的缺點
（1）儲運性能差 因為天然氣在常溫、常壓下是氣體，所以體積大，儲運性能差。目前廣泛采用將天然氣壓縮到20MPa高壓或將石油氣壓縮到1.6MPa，充入車用氣瓶內儲運的辦法，這些氣瓶既增加了汽車自重，又減少了載貨空間。
（2）一次充氣的續(xù)駛里程短。
（3）動力性能下降 CNG（壓縮天然氣）或LPG（液化石油氣）均呈氣態(tài)進入氣缸，使發(fā)動機充氣系數(shù)降低；另外，與汽油或柴油相比，CNG或LPG的理論混合氣熱值小，因此，燃用CNG或LPG將使發(fā)動機功率下降。
12.2.2 CNGV和LPGV的基本結構與原理
CNGV或LPGV的發(fā)動機，多數(shù)是在原汽油機或柴油機的基礎上改裝而成，其總體結構與化油器式汽油機基本相同，只是燃料供給系統(tǒng)有所不同，因此這里只討論CNG和LPG供給系統(tǒng)。
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圖12-12 儲液罐
1-液面觀察窗 2-液面計 3-氣體輸出閥 4-液體輸出閥 5-燃料加注閥 6-燃料加注口 7-閥門室蓋 8-后行李箱
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圖12-11 LPG供給系統(tǒng)
1-混合器 2-燃料控制電磁閥 3-儲液罐 4-調節(jié)器
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（1）儲液罐 是一般高壓容器。轎車的儲液罐安裝在后行李箱內（圖12－12）。
在燃料加注閥5上設有過量安全裝置，當加注燃料至規(guī)定液面高度時，安全裝置自動關閉，以防止燃料加注過量，為保證安全，規(guī)定燃料加注極限為儲液罐容量的85%。
液體輸出閥4具有自動限流功能，當輸出流量超過規(guī)定值或壓差超過50kPa時，輸出閥將會自動關閉。
（2）燃料控制電磁閥（圖12－13） 其功用是：當發(fā)動機停止工作時自動切斷燃料供給，而發(fā)動機工作時電磁閥打開，并可根據(jù)溫度的變化自動實現(xiàn)氣體或液體的切換。
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圖12-14 調節(jié)器
1-主控制閥臂 2-壓力平衡膜片 3-主控制閥 4-鎖止膜片 5-次級氣室膜片 6-起動電磁閥 7-次級氣室 8-次級氣室控制閥 9-燃料切換閥 10-怠速調整螺釘 11-初級氣室 12-水道 13-初級氣室膜片 14-U型卡
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圖12-13 燃料控制電磁閥
1-水溫開關 2-液體輸出電磁閥 3-氣體輸出電磁閥 4-濾清器 5-儲液罐 |
（3）調節(jié)器（圖12－14） 其功用是對輸送給混合器的燃料進行減壓和計量。它主要由初級氣室11和次級氣室7組成。發(fā)動機工作時，來自燃料控制電磁閥的燃料經(jīng)主控制閥3、初級氣室11、次級氣室7供給混合器。
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圖12-15 初級氣室工作原理
1-主控制閥 2-主控制閥臂 3-推桿 4-壓力平衡膜片 |
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圖12-16 次級氣室工作原理
1-鎖止膜片 2-真空氣室 3-彈簧 4-次級氣室控制閥 5-控制閥臂 |
（4）混合器（圖12－17） 其功用是使調節(jié)器輸送來的氣態(tài)燃料與空氣混合，并送往氣缸。
怠速空氣調節(jié)螺釘1與節(jié)氣門開度調節(jié)螺釘配合，用來調節(jié)發(fā)動機怠速。燃料主量孔調節(jié)螺釘4用來調節(jié)主供給裝置的燃料供給量，一般是在季節(jié)或使用環(huán)境變化時調節(jié)。在調節(jié)器內，由于主控制閥和次級氣室控制閥的節(jié)流減壓作用，使次級氣室內的燃料壓力等于甚至小于大氣壓力，這樣可保證混合器主供給裝置的燃料供給量隨節(jié)氣門開度而變化。當節(jié)氣門開度增大時，發(fā)動機進氣量增加，同時主噴嘴處的真空度增加，主供給
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圖12-17 混合器
1-怠速空氣調節(jié)螺釘 2-怠速空氣量孔 3-主噴嘴 4-燃料主量孔調節(jié)螺釘 5-彈簧 6-空燃比調節(jié)器膜片 7-加濃閥 8-主腔節(jié)氣門 9-副腔節(jié)氣門
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圖12-18 CNG供給系統(tǒng)的基本組成
1-車用氣瓶 2-連通閥 3-充氣閥 4-CNG高壓管路 5-輸出閥 6-預熱閥 7-混合器 8-CNG低壓管路 9-計量器 10-調節(jié)器 11-濾清器 12-低壓表 13-高壓表 14-真空軟管 15-截止閥 |
圖12－18所示，CNG儲存于容量為50L的車用氣瓶1內，壓力為20MPa。通過每個氣瓶上的連通閥2及高壓管路4將各氣瓶連通。CNG從**后一個氣瓶上的輸出閥5流出，經(jīng)預熱器4、截止閥15及濾清器11進入調節(jié)器10。在調節(jié)器內，CNG的壓力下降到大氣壓力。低壓的CNG經(jīng)計量器9和CNG低壓管路8進入混合器7，在混合器中與空氣混合后進入氣缸。
調節(jié)器部分包括高壓調節(jié)和低壓調節(jié)，它的作用是：①將氣瓶中CNG的壓力由20MPa降低至0.1MPa左右；②在發(fā)動機停止工作時，自動停止CNG的輸出；③當發(fā)動機運行工況急劇變化時，能保證向發(fā)動機正常供氣。
CNG供給系統(tǒng)的調節(jié)器及混合器的結構及工作原理與LPG供給系統(tǒng)的調節(jié)器及混合器基本相同。
12.3太陽能汽車
太陽能汽車是將太陽能轉化為電能的汽車。太陽能是取之不盡、價格低廉、零污染的理想能源，缺點是要依賴天氣，且能量轉換效率低，造價高。
12.3.1 太陽能汽車的基本組成
它主要由太陽能電池組、自動陽光跟蹤系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制器等組成。
1.太陽能電池組 它是太陽能汽車的核心，由一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池方陣。
太陽能單體電池由半導體材料制成，當太陽光照射在該半導體材料時，半導體的電子-空穴對被激發(fā)，形成“勢壘”，也就是p-n結（圖12-19）。
由于勢壘的存在，在p型層產(chǎn)生的電子向n型層移動而帶正電，而在n型層產(chǎn)生的空穴向p型層移動而帶負電，于是在半導體元件的兩端產(chǎn)生p型層為正的電壓，即形成了太陽能電池。
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圖12-20 太陽能電池和太陽能電池板 |
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圖12-19 太陽能電池的工作原理 |
3.驅動系統(tǒng) 太陽能汽車采用的驅動電動機主要有交流異步電動機、永磁電動機、直流電動機，其驅動系統(tǒng)與EV基本相同（參見12.1.3）。
4. 控制器主要實現(xiàn)對太陽能電磁組進行管理和對電動機的控制，其作用與EV控制系統(tǒng)相同（參見12.1.3）。
12.3.2 太陽能汽車的工作原理
太陽能汽車由太陽能電池板在向日自動跟蹤器的控制下始終正對太陽，接受太陽光，并轉換成電能，向電動機供電，再由電動機驅動汽車行駛，它實際上是一種電動汽車，其工作原理與串聯(lián)式混合動力汽車(SHEV)基本相同。
由于太陽能電池的能量較小，而且受天氣的影響，在陰天、下雨時，太陽能電池的轉換效率降低或停止，所以太陽能汽車往往與蓄電池組共同組成太陽能混合動力電動汽車。當太陽強烈，轉換為電能充足時，由太陽能電池板將太陽能轉換為電能后，通過充電器向動力電池組充電，也可以由太陽能電池板直接提供電能，通過電流變換器將電流輸送到驅動電動機，驅動汽車行駛，其驅動模式相當于串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV）。一般采用智能控制系統(tǒng)來控制其運行。當太陽較弱或陰天，則靠蓄電池組對外供電。
12.4 直接噴射式汽油機
汽油機缸內直接噴射（Gasoline Direct Injection，簡稱GDI）技術的出現(xiàn)使發(fā)動機技術進入了一個嶄新的時代，它可能在21世紀取代傳統(tǒng)的汽油機缸外噴射，成為理想的燃燒方式。
12.4.1 GDI發(fā)動機的結構特點
GDI發(fā)動機也是電控汽油噴射發(fā)動機的一種，普通的電控汽油噴射發(fā)動機是把汽油噴射到進氣管或進氣支管內，而GDI發(fā)動機是把汽油直接噴射到氣缸內（圖12－21）。
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圖12-21 GDI發(fā)動機
1-直立式進氣管道 2-排氣凸輪軸 3-搖臂 4-氣門彈簧 5-排氣管道 6-排氣門 7-彎曲頂面活塞 8-火花塞 9-高壓旋流噴油器 10-進氣門 11-進氣凸輪軸 12-高壓汽油泵 |
1. 直立的進氣管道 傳統(tǒng)發(fā)動機的進氣管道一般采用水平布置，而GDI發(fā)動機采用直立式的進氣管道，進氣阻力更小，提高了充氣效率，與普通發(fā)動機相比功率和扭矩提高10%左右。有的GDI發(fā)動機還采用帶渦流閥（SCV）的螺旋進氣管道，利用進氣渦流使火花塞附近的混合氣濃度高于其它部分的混合氣濃度，形成分層可燃混合氣（濃度梯度），實現(xiàn)分層燃燒，降低了**高燃燒溫度，減少NOx的排放量，使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能得到提高。
2. 高壓汽油泵 普通電控汽油噴射發(fā)動機的噴射壓力為0.3～0.4MPa，而GDI發(fā)動機采用高壓汽油泵，其噴射壓力可達5MPa。高壓噴射提高了霧化質量，微小汽油油滴瞬時蒸發(fā)，彌補了因向缸內直接噴射而造成的混合氣形成時間短、空間小的缺陷，保證了混合氣的質量。
3. 高壓旋流噴油器 它被安裝在氣缸上，直接向氣缸噴油，每缸一個旋流噴油器，高壓汽油泵輸出的高壓汽油供給高壓旋流噴油器，噴出旋流油霧，可使霧化的汽油在燃燒室內分布更合理，對縮短混合氣形成時間更為有利。此外，噴油器的噴射方式可根據(jù)燃燒方式調節(jié)。
4. 彎曲頂面活塞 GDI發(fā)動機采用獨特的彎曲頂面活塞，使噴油器噴出的油霧形成縱向渦流，并有較多的油霧停留在火花塞附近，保證在火花塞附近的混合氣有較高的濃度，以便將混合氣點燃實現(xiàn)分層燃燒?；鸹ㄈ浇幕旌蠚獗稽c燃后，再利用渦流使火焰迅速傳播，即使是很稀的混合氣，也能保證火焰的正常傳播。
12.4.2 GDI發(fā)動機的工作特點
1. 汽油直接噴射到氣缸內，汽油噴射的位置、時刻、數(shù)量可控。使GDI發(fā)動機在點火的瞬時，火花塞電極周圍局部區(qū)域的混合氣較濃（空燃比為12～13.5），便于發(fā)動機起動和著火燃燒。大部分區(qū)域的混合氣較稀，而且在濃稀之間，有從濃到稀的各種空燃比的混合氣，使燃燒室中混合氣濃度有組織形成各種層次，有利于渦流使火焰迅速傳播，這樣極稀的混合氣也能被火焰?zhèn)鞑ザ€(wěn)定燃燒，從而實現(xiàn)稀薄燃燒和分層燃燒。
2. 能根據(jù)發(fā)動機不同的工況下，采用不同的燃燒方式：
（1）超稀混合氣燃燒方式 小負荷工況采用超稀混合氣燃燒方式。在壓縮行程后期將汽油噴入氣缸，并利用彎曲頂面活塞形成的擠壓渦流，在火花塞附近形成較濃的混合氣層，但在整個氣缸內的混合氣為超稀混合氣，空燃比為25～40。
（2）稀混合氣燃燒方式 中等負荷工況采用稀混合氣燃燒方式。在進氣行程將汽油噴入氣缸，整個氣缸內的混合氣為稀混合氣，空燃比為20～25。
（3）濃混合氣燃燒方式 大負荷工況采用濃混合氣燃燒方式。在進氣行程噴入氣缸，并利用壓縮行程產(chǎn)生的擠氣渦流形成均勻的混合氣，但整個氣缸內的混合氣為濃混合氣，空燃比約為12.5，比理論混合氣（空燃比為14.7）稍濃。
綜上所述，由于GDI發(fā)動機采取了稀薄燃燒和分層燃燒等技術，使發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性和排放性能大幅度提高，一般油耗可降低35%～40%，CO和HC的排放量減少30%左右，NOx的排放量減少95%左右。由于GDI發(fā)動機充氣效率提高，使發(fā)動機動力性提高10%左右。GDI發(fā)動機的點火系統(tǒng)采用微機控制，利用爆燃傳感器進行閉環(huán)控制，能有效地消除爆燃現(xiàn)象。GDI發(fā)動機的不足之處，由于采用稀薄燃燒，使得傳統(tǒng)的三元催化轉換器的轉換效率大大降低，甚至不能發(fā)揮
作用，必須使用專門研制的催化轉換器。
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本章小結
1.電動汽車是依靠電能驅動的車輛，它具有零排放的極大優(yōu)點。按其使用的動力源可分為三類：蓄電池電動汽車、混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車。
2.蓄電池電動汽車主要由電池組、控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)等組成，其中控制系統(tǒng)與使用的驅動電機的形式有關。電池組輸出的直流電經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤虢涣麟妱訖C，電動機輸出的轉矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動車輪。
3.混合動力電動汽車是將電力驅動與輔助動力驅動結合起來，充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢及二者相結合產(chǎn)生的優(yōu)勢的車輛，混合動力電動汽車按其能量耦合方式的不同可分為：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種方式。
4.燃料電池汽車是應用燃料電池作為動力的電動汽車，按氫氣供給方式，燃料電池汽車分為兩種：非改質型、改質型。燃料電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)過控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧寗与妱訖C，驅動電動機輸出的轉矩經(jīng)傳動系統(tǒng)驅動車輪。
5.以壓縮天然氣和液化石油氣為燃料的汽車，稱為壓縮天然氣汽車（CNGV）和液化石油氣汽車（LPGV），它們是一種低污染汽車。其基本結構除燃料供給系統(tǒng)與化油器式汽油機的汽車有所區(qū)別，其余基本相同。CNG和LPG供給系統(tǒng)主要有儲液（氣）罐、調節(jié)器、混合器等組成。
6.太陽能汽車是將太陽能轉化為電能的汽車，由太陽能電池組成供電系統(tǒng)，向電動機供電，電動機驅動汽車行駛。太陽能汽車由太陽能電池、蓄電池組、電動機、控制器和自動陽光跟蹤系統(tǒng)等。太陽能汽車一般與蓄電池共同組成太陽能混合動力電動汽車。
7.GDI發(fā)動機是把汽油直接噴射到氣缸內。與普通的電控汽油噴射發(fā)動機相比，其結構的主要特點是：①采用直立的進氣管道，②采用高壓汽油泵，③采用高壓旋流噴油器，④采用彎曲頂面活塞。它實現(xiàn)了混合氣的稀薄燃燒和分層燃燒。 |
【復習思考題】
1.名詞解釋：EV、HEV、FCEV、CNGV、LPGV、燃料電池、太陽能電池、太陽能汽車、直噴式汽油機、稀薄燃燒。
2.為什么要發(fā)展電動汽車？目前內燃機汽車存在那些不可克服的缺陷？
3.試述蓄電池電動汽車的基本組成及工作原理。
4.試述混和動力電動汽車的工作原理。
5.試述燃料電池的基本結構與工作原理。
6.試述燃料電池汽車的分類、基本結構與工作原理。
7.你對電動汽車的發(fā)展前景如何認識？
8.試述CNGV、LPGV優(yōu)缺點，對發(fā)展燃氣汽車如何認識？
9.試述CNG、LPG供給系統(tǒng)的基本組成。
10.試述太陽能汽車的基本結構與工作原理。
11.試述汽油直噴式汽油機的結構特點和工作特點。
【補充閱讀材料】
世界FCEV的發(fā)展現(xiàn)狀
l 1987年，美國在大客車上實驗采用磷酸燃料電池（PAFC）
l 1991年，美國采用甲醇為燃料的質子交換膜燃料電池（PENFC）
l 1992年，美國能源政策法（EPACT）強調要開發(fā)燃料電池電動汽車（FCEV）
l 1993年，戴姆勒-奔馳汽車公司推出了NecarⅠ～Necar Ⅳ等系列FCEV
l 2000年3月，美國通用汽車公司推出了燃料電池的歐寶面包車
l 2000年，戴姆勒-克萊斯勒汽車公司又推出了Necar V系列FCEV
l 2000年，寶馬汽車公司與德爾福公司合作開發(fā)車用固體氧化物燃料電池（IFC），并配置7種系列轎車
l 2000年，加拿大Ballard燃料電池公司**新燃料電池Mark900型面市
l 2000年，日本本田汽車公司新開發(fā)的FCX-V3型4座燃料電池電動汽車
l 通用汽車公司宣布在2004年生產(chǎn)燃料電池的商品車
發(fā)表于 @ 2008年06月06日 07:30:00 |點擊數(shù)（）
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