汽車發動機原理

2024/10/132

目錄緒論第一章發動機的性能第二章發動機的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機混合氣的形成和燃燒第五章柴油機混合氣的形成和燃燒第六章汽車發動機特性第七章車用發動機廢氣渦輪增壓第八章發動機排氣污染與噪聲控制第九章新型汽車動力裝置第十章發動機動力學2024/10/13汽車發動機原理3第九章新型汽車動力裝置

能源問題、環保問題和安全問題成為困擾汽車業發展的三大難題，多能源、高效率、少污染和高安全性是未來汽車的發展方向。電動汽車動力裝置因其效率高和清潔性成為未來汽車動力的主要發展方向。電動汽車除了在能源、環保和節能方面顯示出優越性和具有強大的競爭力外，在車輛性能方面也具備巨大的優勢。第一節概述

電動汽車在廣義上可分為3類，即純電動汽車(BatteryElectricalVehicle，BEV)、混合動力電動汽車(HybridElectricalVehicle，HEV)和燃料電池電動汽車(FuelcellElectricalVehicle，FCEV)目前，這3種電動汽車都處于不同的發展階段，面臨著不同的困難和挑戰。2024/10/13汽車發動機原理45第二節純電動汽車動力裝置純電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。純電動汽車的動力裝置主要包括動力電源、電源管理系統、電動機及其控制系統等。2024/10/13汽車發動機原理2024/10/13汽車發動機原理6

一、純電動汽車動力裝置原理按照傳動系的不同，純電動汽車可以分為：單電機集中驅動和多電機分布驅動式電動汽車。2024/10/13汽車發動機原理7

純電動汽車能量來源主要為外部的充電，外部電能通過車載充電機給二次電源（如蓄電池等）充電，供給車輛能量。同時，還有一部分能量來自于制動能量回收。單電機集中驅動式電動汽車的工作原理如下：對于多電機分布驅動式（如電動輪驅動式）電動汽車，傳動部分結構差別較大，沒有傳動機構，采用電子差速等。2024/10/13汽車發動機原理8二、動力電池純電動汽車的動力裝置依靠動力電源來提供能量，電動機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。目前，電動汽車上應用最廣泛的電源是鋰離子動力電池，其他可用的電源還有鎳-氫電池、超級電容等。1、動力電源的主要性能指標電池容量電池能量能量密度循環使用壽命電池功率2024/10/13汽車發動機原理9種類能量密度功率密度(W/kg)壽命（充電次數）成本特點缺點(Wh/kg)(Wh/L)密封鉛酸3580200400～800低功率密度較大，安全能量密度低鎳-氫30~80140~300250~1000600～1200較高功率密度和能量密度大成本高，溫度特性差鋰離子110~200250~530300~1500500~2000很高高電壓，高能量密度成本高目前商業化的電動汽車動力蓄電池的性能比較2024/10/13發動機原理10

2.常用的動力電池鉛酸蓄電池：正極采用二氧化鉛（PbO2），負極采用海綿狀鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液（H2SO4），單體電池標稱電壓為2V。其化學方程式為：鎳-氫蓄電池：正極為Ni(OH)2（充電時）和NiOOH（放電時），負極為H2O（充電時）和H2（放電時），電解質采用氫氧化鉀溶液。其化學反應方程式為：鋰離子蓄電池：正極是鋰化過渡金屬氧化物，負極是球狀石墨或球狀石墨與片狀石墨的鋰碳化合物。其化學方程式為：超級電容：超級電容是一種介于傳統電解質電容器和電化學電池之間的新型儲能組件。電化學電容器是依靠電解質與電極間形成特有的雙電層結構（ElectricDoubleLayers）和電極表面的氧化還原反應來存儲能量。2024/10/13發動機原理11雙電層結構示意圖微觀力行成的一層在電極上，另一層在溶液中的兩個異種電荷層，稱為雙電層。雙電層結構形成一個平板電容器，其電容量為：其中為固體與液體之間雙電層的電位差，

；Q為雙電層的電荷量；

為從零電荷電位算起的電極電位。電容器存儲能力為Vw為電容器的最大工作電壓。2024/10/13汽車發動機原理122.電池管理系統現有的研究主要在兩個方面，一是開發高性能的電池，另一方面就是采用電池管理系統，在使用方面進行優化，充分發揮電池的性能，提高電池的壽命。電池管理系統主要功能：數據采集電池狀態估計能量管理安全管理熱管理2024/10/13汽車發動機原理132024/10/13汽車發動機原理14三、電機驅動系統電機驅動系統的作用是通過電機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪和工作裝置。其基本構成主要有兩部分：電機和控制器。2024/10/13汽車發動機原理15目前電動汽車上使用的基本都是交流電機，在驅動過程中，電能轉換裝置按照DC/AC逆變器模式工作，把蓄電池的直流電變換為交流電供給交流電機；在制動能量回收過程中以AC/DC變換器模式工作，把交流發電機發出的電能變換為直流電，向蓄電池充電。電動汽車對電機的要求：轉矩、轉速變化范圍大過載能力滿足短時間內加速要求過載能力滿足最大爬坡度要求電機功率密度高可控性高、穩態精度高、動態性能好能適應惡劣環境2024/10/13汽車發動機原理16目前電動汽車主要采用的電機驅動系統有：直流電機驅動系統、三相交流感應電機驅動系統、永磁電機驅動系統和開關磁阻電機驅動系統。2.直流電機驅動系統

直流電機驅動系統具有控制簡單、調速性能好、技術成熟和成本低等優點，以前在中小功率電動汽車中有廣泛應用。通常采用PWM控制。直流驅動系統優缺點如下：優點串勵電機（啟動轉矩大）他勵電機（轉速高）平穩切換工作模式容易再生制動2024/10/13汽車發動機原理17缺點有電刷和機械換向器散熱困難最高轉速低體積大功率密度低成本高需要經常維護2.三相交流感應電機驅動系統交流感應電機驅動系統主要由三相功率逆變器、三相交流感應電機、電機控制器、輔助系統組成。三相功率逆變器一般采用絕緣柵極晶體管IGBT以及驅動、自檢測、自保護功能融合在一起的智能功率模塊IPM。三相交流感應電機驅動系統優缺點如下：優點結構簡單、經久耐用適應性好運行可靠冷卻自由度高功率覆蓋范圍廣2024/10/13汽車發動機原理18缺點控制比較困難3.永磁電機驅動系統：永磁無刷直流電機、永磁同步電機永磁無刷直流電機采用梯形波三相電流向定子線圈供電，最大特點就是具有直流電機的外特性而沒有換向器和電刷等機械接觸結構。永磁無刷直流電機驅動系統優缺點如下：優點沒有勵磁損耗容易散熱壽命長，運行可靠能量密度高，效率高2024/10/13汽車發動機原理19無刷直流電機定子供電波形永磁同步電機采用正弦波三相電流向定子線圈供電，轉矩區比較長，低速時采用矢量控制。永磁同步驅動系統優缺點如下：優點恒轉矩區長最高轉速高調速性能好能量密度高，效率高缺點功率范圍小控制系統復雜造價高2024/10/13汽車發動機原理20永磁同步電機定子供電波形2024/10/13汽車發動機原理212.開關磁阻電機驅動系統開關磁阻電機由磁阻電機和開關電路控制器組成。開關磁阻電機采用集中繞組結構，轉子無任何繞組，適合用于頻繁正反轉及沖擊的負載。三相交流感應電機驅動系統優缺點如下：優點結構簡單、經久耐用成本低，工作可靠能實現寬調速、低速大扭矩冷卻自由度高功率覆蓋范圍廣缺點驅動系統較復雜噪音直流電流波動大22第三節混合動力電動汽車動力裝置混合動力電動汽車是指由兩種或兩種以上的儲能器和能量轉換器作為驅動能源，其中至少有一種能提供電能的車輛。一般意義上的混合動力電動汽車是指在一輛汽車中同時使用電動機和內燃機作為動力裝置的汽車。一、混合動力電動汽車動力裝置分類混合動力電動汽車動力裝置按照驅動系統結構可以分為：（1）串聯式混合動力裝置（2）并聯式混合動力裝置（3）混聯式混合動力裝置2024/10/13汽車發動機原理23按混合度大小分類輕度混合動力混合動力有限，不提供純電動行駛全混合動力可以提供一定的純電動行駛范圍按照是否可以外接充電分類插電式混合動力裝置可以通過電網進行充電，電量充足是可以純電動工況行駛非插電式混合動力裝置不依賴來自電網的電能充電，而通過車載內燃機和電機的配合工作達到自我電量的平衡。2024/10/13汽車發動機原理242024/10/13汽車發動機原理二、混合動力電動汽車汽車動力裝置工作模式串聯式混合動力裝置串聯式混合動力系統結構252024/10/13發動機原理按照輔助動力源（發動機/發電機組）功率值的大小不同，串聯式混合動力裝置有兩種典型的類型：（1）電力主動型（電量消耗型）：發動機占比少，不足以維持電池組的荷電狀態。（2）發動機主動型（電量維持型）：發動機功率占整個系統功率的百分比較大，電池組僅提供車輛行駛時的峰值功率。典型的串聯式混合動力裝置工作模式有以下幾種：262024/10/13汽車發動機原理典型串聯式混合動力裝置工作模式B—車載電池組E—內燃機F—燃油箱G—發電機M—電動機P—功率轉換器T—變速箱：機械連接：電纜連接：功率流2024/10/13發動機原理27圖a：發動機帶動發電機發電，發出的電能和來自蓄電池組的電能共同向車輛提供功率輸出。圖b：發動機驅動的發電機組向蓄電池組和車輛提供功率輸出，同時彌補SOC的衰減。圖c：整車功率需求全部由蓄電池供給，車輛為純電動工作，這時車輛的SOC降低較快。圖d：驅動電動機回收車輛部分動能存儲到蓄電池組，同時發動機-發電機組的全部功率輸出到蓄電池組。并聯式混合動力裝置在典型的并聯式混合動力裝置中，發動機以常規模式（傳統汽車的工作模式）工作，但只承擔部分車輛驅動行駛功率。2024/10/13汽車發動機原理28典型的并聯式混合動力裝置工作模式有以下幾種：B—車載電池組E—內燃機F—燃油箱G—發電機M—電動機P—功率轉換器T—變速箱：機械連接：電纜連接：功率流2024/10/13發動機原理29圖a：車輛起動、輕載行駛時，發動機關閉，車輛由電動機單獨驅動。圖b：車輛正常行駛時由發動機單獨驅動，加速、爬坡時，電動機和發動機同時工作。圖c：車輛在減速/制動工況，當車載蓄電池組電量偏低時，電動機回收車輛部分動能以向蓄電池組充電。圖d：典型并聯式混合動力系統在電池組SOC過低時，不能利用發動機對其隨車充電，只能采用外界電源補充充電。混聯式混合動力裝置兼有串聯式和并聯式混合動力裝置的特點，控制方式一般可分為兩種，一種是發動機主動型，另一種是電力主動型。2024/10/13汽車發動機原理30豐田混合動力電動汽車Prius工作模式B—車載電池組E—內燃機F—燃油箱G—發電機M—電動機P—功率轉換器DT—雙軸輸入變速箱：機械連接：電纜連接：功率流2024/10/13汽車發動機原理31圖a：發動機處于關閉狀態，而由電動機單獨驅動車輛。圖b、c：發動機和電動機一起工作，共同提供車輛所需功率。圖d：車輛在減速/制動工況，當車載蓄電池組電量偏低時，電動機回收車輛部分動能以向蓄電池組充電。圖e：發動機一部分功率用于驅動車輛，另一部分功率用于給蓄電池組充電。圖f：發動機在蓄電池電量較低時通過發電機為蓄電池組充電。2024/10/13發動機原理32三、混合動力裝置特性比較串聯式混合動力裝置特性延長了續航里程較高的燃油經濟性和低的排放良好的操作性和加速動力性串聯式混合動力裝置控制相對簡單對于頻繁起步加速的城市車輛來說有著較大的發展空間系統需要至少兩個電機，成本較高2024/10/13汽車發動機原理33并聯式混合動力裝置特性比串聯式混合動力裝置的三個動力總成的功率、質量和體積要小得多發動機功率可以選擇較小電動機質量和體積較小，配套的電池組的容量也較小，整車的整備質量得到控制機電耦合裝置控制以及能量的分配控制較為復雜2024/10/13汽車發動機原理34混聯式混合動力裝置特性可以使其節能最佳，有害氣體的排放達到最低能量轉換中的綜合效率要比內燃機汽車高發動機功率可以選擇較小，燃油經濟性比串聯式混合動力裝置要高混聯式混合動力系統較為復雜，控制難度較高2024/10/13汽車發動機原理35燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。由于其轉換過程不經過燃燒，不受“卡若循環”的限制，轉換效率可高達60%～70%，實際熱效率是內燃機的2倍左右。轉換效率高是燃料電池的主要特點之一。一、燃料電池的基本原理燃料電池的基本結構主要由四部分組成：陽極陰極電解質外部電路第四節燃料電池汽車動力裝置2024/10/13汽車發動機原理36燃料電池工作過程中化學方程式：陽極反應：陰極反應：與此同時，電子在外電路的連接下定向流動形成電流，通過適當處理，可以向負載輸出電能。2024/10/13汽車發動機原理37燃料電池基本原理示意圖2024/10/13汽車發動機原理38二、燃料電池的分類燃料電池的種類很多，根據所使用的電解質類型的不同，可以把目前正在開發的商用燃料電池分為以下五類：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell,AFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell,SOFC）質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）2024/10/13汽車發動機原理39類型電解質導電離子工作溫度燃料氧化劑堿性燃料電池KOH-H2OOH－80℃純氫純氧質子交換膜燃料電池含氟質子交換膜H+80～100℃氫氣、重整氫空氣磷酸燃料電池H3PO4H+200℃重整氣空氣熔融碳酸鹽燃料電池Na2CO3CO32－650℃凈化煤氣、天然氣、重整氣空氣固體氧化物燃料電池ZrO2-Y2O3O2－1000℃凈化煤氣、天然氣空氣五種類型燃料電池對比表2024/10/13汽車發動機原理40三、質子交換膜燃料電池質子交換摸燃料電池單體主要由膜電極（陽極和陰極、質子交換膜）和集流板組成。燃料電池基本原理示意圖2024/10/13汽車發動機原理41質子交換膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)一種厚度為50～180的薄膜片；電解質和電極活性物質(催化劑)的基底一種選擇透過性膜，只允許H+離子（質子）透過，不允許H2分子和其他離子透過2024/10/13汽車發動機原理42PEM的材料，應當滿足以下條件:良好的離子導電性材料的分子量充分大水分子在膜中的電滲作用小，H+在其間的遷移速度高水分子在平行離子交換膜表面的方向上有足夠大的擴散速度氣體(尤其是氫氣和氧氣)在膜中的滲透性盡可能小膜的水合/脫水可逆性好，不易膨脹膜應對氧化、還原和水解具有穩定性足夠高的機械強度和結構強度膜的表面性質適合于與催化劑結合2024/10/13汽車發動機原理43催化劑為了加快電化學反應的速度，氣體擴散電極上都含有一定量的催化劑。電極催化劑包括陰極催化劑和陽極催化劑兩類。目前，PEMFC主要采用鉑作為PEMFC的催化劑，它對于兩個電極反應均具有催化活性，而且可長期工作。主要研究方向：提高鉑的利用率，降低其用量尋找新的價格較低的非貴重金屬催化劑2024/10/13汽車發動機原理44膜電極和集流板膜電極膜電極(MembraneE1ectrodeAssembly，MEA)為PEMFC的心臟，它由質子交換膜和其兩側的多孔氣體擴散電極（陽極和陰極）復合而成。膜電極結構示意圖2024/10/13汽車發動機原理45影響膜電極性能的因素電極材料制備工藝、方法電池工作環境電極結構碳載體類型導電網類型聚四氟乙烯含量全氟磺酸含量極板類型2024/10/13汽車發動機原理46集流板集流板放置在膜電極的兩側，有陽性集流板和隱性集流板，所以又稱雙極性集流板，簡稱雙極板和集流板。集流板的主要作用除了導電外，還包括導流燃料、氧氣以及冷卻液。形式：石磨集流板金屬集流板復合型集流板2024/10/13汽車發動機原理47質子交換膜燃料電池的工作特性燃料電池的效率在理論上可以達到83%實際效率在50%～70%之間對工作環境的要求比較苛刻必須在較高的壓力下工作溫度升高，燃料電池的功率增大為保證質子交換膜處于適當的濕潤條件，一般工作溫度不超過80℃CO的含量對燃料電池性能的影響非常大水管理系統和熱管理系統非常重要2024/10/13汽