1、 汽车发动机原理 2022-8-42 目 录p绪论p第一章 发动机的性能p第二章 发动机的换气过程p第三章 燃料与燃烧p第四章 汽油机混合气的形成和燃烧p第五章 柴油机混合气的形成和燃烧p第六章 汽车发动机特性p第七章 车用发动机废气涡轮增压p第八章 发动机排气污染与噪声控制p第九章 新型汽车动力装置p第十章 发动机动力学2022-8-4汽车发动机原理3第九章新第九章新 型汽车动力装置型汽车动力装置p能源问题、环保问题和安全问题成为困扰汽车业发展的三大难题，多能源、高效率、少污染和高安全性是未来汽车的发展方向。p电动汽车动力装置因其效率高和清洁性成为未来汽车动力的主要发展方向。电动汽车除了在能
2、源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外，在车辆性能方面也具备巨大的优势。第一节 概述 p电动汽车在广义上可分为3类，即纯电动汽车(Battery Electrical Vehicle，BEV)、混合动力电动汽车(Hybrid Electrical Vehicle，HEV)和燃料电池电动汽车(Fuel cell Electrical Vehicle，FCEV)p目前，这3种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战。2022-8-4汽车发动机原理45第二节第二节 纯电动汽车动力装置纯电动汽车动力装置p 纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法
3、规各项要求的车辆。p 纯电动汽车的动力装置主要包括动力电源、电源管理系统、电动机及其控制系统等。2022-8-4汽车发动机原理2022-8-4汽车发动机原理6 一、纯电动汽车动力装置原理p 按照传动系的不同，纯电动汽车可以分为：单电机集中驱动和多电机分布驱动式电动汽车。2022-8-4汽车发动机原理7 p 纯电动汽车能量来源主要为外部的充电，外部电能通过车载充电机给二次电源（如蓄电池等）充电，供给车辆能量。同时，还有一部分能量来自于制动能量回收。单电机集中驱动式电动汽车的工作原理如下：p 对于多电机分布驱动式（如电动轮驱动式）电动汽车，传动部分结构差别较大，没有传动机构，采用电子差速等。202
4、2-8-4汽车发动机原理8二、动力电池p 纯电动汽车的动力装置依靠动力电源来提供能量，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是锂离子动力电池，其他可用的电源还有镍-氢电池、超级电容等。p 1、动力电源的主要性能指标 电池容量 电池能量 能量密度 循环使用寿命 电池功率2022-8-4汽车发动机原理9种类能量密度功率密度(W/kg)寿命（充电次数）成本特点缺点(Wh/kg)(Wh/L)密封铅酸3580200400800低功率密度较大，安全能量密度低镍-氢308014030025010006001200较高功率密度和能量密度大成本高，
5、温度特性差锂离子110200 25053030015005002000很高高电压，高能量密度成本高p 目前商业化的电动汽车动力蓄电池的性能比较2022-8-4发动机原理10 p2.常用的动力电池 铅酸蓄电池：正极采用二氧化铅（PbO2），负极采用海绵状铅（Pb），电解液是稀硫酸溶液（H2SO4），单体电池标称电压为2V。其化学方程式为：镍-氢蓄电池：正极为Ni(OH)2（充电时）和NiOOH（放电时），负极为H2O（充电时）和H2（放电时），电解质采用氢氧化钾溶液。其化学反应方程式为：OHSOPSOHPOPbbb24422222xMHNiOOHMOHNi2)(锂离子蓄电池：正极是锂化过渡金属氧
6、化物，负极是球状石墨或球状石墨与片状石墨的锂碳化合物。其化学方程式为：超级电容：超级电容是一种介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能组件。电化学电容器是依靠电解质与电极间形成特有的双电层结构（Electric Double Layers）和电极表面的氧化还原反应来存储能量。2022-8-4发动机原理112)1(2MOLiCLiLiMOCxx双电层结构示意图u微观力行成的一层在电极上，另一层在溶液中的两个异种电荷层，称为双电层。双电层结构形成一个平板电容器，其电容量为：其中 为固体与液体之间双电层的电位差，；Q为双电层的电荷量；为从零电荷电位算起的电极电位。u电容器存储能力为 M-SC=
7、Q/Q/M-SM-SMS 2w1E=CV2 Vw为电容器的最大工作电压。2022-8-4汽车发动机原理12p2.电池管理系统 现有的研究主要在两个方面，一是开发高性能的电池，另一方面就是采用电池管理系统，在使用方面进行优化，充分发挥电池的性能，提高电池的寿命。电池管理系统主要功能：u数据采集u电池状态估计u能量管理u安全管理u热管理2022-8-4汽车发动机原理132022-8-4汽车发动机原理14三、电机驱动系统p 电机驱动系统的作用是通过电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。其基本构成主要有两部分：电机和控制器。2022-8-4汽车发动机原理15p 目前电动汽
8、车上使用的基本都是交流电机，在驱动过程中，电能转换装置按照DC/AC逆变器模式工作，把蓄电池的直流电变换为交流电供给交流电机；在制动能量回收过程中以AC/DC变换器模式工作，把交流发电机发出的电能变换为直流电，向蓄电池充电。p 电动汽车对电机的要求：转矩、转速变化范围大 过载能力满足短时间内加速要求 过载能力满足最大爬坡度要求 电机功率密度高 可控性高、稳态精度高、动态性能好 能适应恶劣环境2022-8-4汽车发动机原理16p目前电动汽车主要采用的电机驱动系统有：直流电机驱动系统、三相交流感应电机驱动系统、永磁电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。p2.直流电机驱动系统 直流电机驱动系统具有控制
9、简单、调速性能好、技术成熟和成本低等优点，以前在中小功率电动汽车中有广泛应用。通常采用PWM控制。直流驱动系统优缺点如下：优点 串励电机（启动转矩大）他励电机（转速高）平稳切换工作模式 容易再生制动2022-8-4汽车发动机原理17缺点有电刷和机械换向器散热困难最高转速低体积大功率密度低成本高需要经常维护p2.三相交流感应电机驱动系统 交流感应电机驱动系统主要由三相功率逆变器、三相交流感应电机、电机控制器、辅助系统组成。三相功率逆变器一般采用绝缘栅极晶体管IGBT以及驱动、自检测、自保护功能融合在一起的智能功率模块IPM。三相交流感应电机驱动系统优缺点如下：优点 结构简单、经久耐用 适应性好运
10、行可靠 冷却自由度高 功率覆盖范围广2022-8-4汽车发动机原理18缺点控制比较困难p3.永磁电机驱动系统：永磁无刷直流电机、永磁同步电机 永磁无刷直流电机采用梯形波三相电流向定子线圈供电，最大特点就是具有直流电机的外特性而没有换向器和电刷等机械接触结构。永磁无刷直流电机驱动系统优缺点如下：优点 没有励磁损耗 容易散热 寿命长，运行可靠 能量密度高，效率高2022-8-4汽车发动机原理19无刷直流电机定子供电波形 永磁同步电机采用正弦波三相电流向定子线圈供电，转矩区比较长，低速时采用矢量控制。永磁同步驱动系统优缺点如下：优点 恒转矩区长 最高转速高 调速性能好 能量密度高，效率高缺点 功率范
11、围小 控制系统复杂 造价高2022-8-4汽车发动机原理20永磁同步电机定子供电波形2022-8-4汽车发动机原理21p2.开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机由磁阻电机和开关电路控制器组成。开关磁阻电机采用集中绕组结构，转子无任何绕组，适合用于频繁正反转及冲击的负载。三相交流感应电机驱动系统优缺点如下：优点 结构简单、经久耐用 成本低，工作可靠 能实现宽调速、低速大扭矩 冷却自由度高 功率覆盖范围广缺点驱动系统较复杂噪音直流电流波动大22第三节第三节 混合动力电动汽车动力装置混合动力电动汽车动力装置p 混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器和能量转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电
12、能的车辆。一般意义上的混合动力电动汽车是指在一辆汽车中同时使用电动机和内燃机作为动力装置的汽车。p 一、混合动力电动汽车动力装置分类 混合动力电动汽车动力装置按照驱动系统结构可以分为：u（1）串联式混合动力装置u（2）并联式混合动力装置u（3）混联式混合动力装置2022-8-4汽车发动机原理23 按混合度大小分类u 轻度混合动力 混合动力有限，不提供纯电动行驶u 全混合动力 可以提供一定的纯电动行驶范围 按照是否可以外接充电分类u 插电式混合动力装置 可以通过电网进行充电，电量充足是可以纯电动工况行驶u 非插电式混合动力装置 不依赖来自电网的电能充电，而通过车载内燃机和电机的配合工作达到自我电
13、量的平衡。2022-8-4汽车发动机原理242022-8-4汽车发动机原理p 二、混合动力电动汽车汽车动力装置工作模式混合动力电动汽车汽车动力装置工作模式 串联式混合动力装置串联式混合动力系统结构252022-8-4发动机原理p 按照辅助动力源（发动机/发电机组）功率值的大小不同，串联式混合动力装置有两种典型的类型：u（1）电力主动型（电量消耗型）：发动机占比少，不足以维持电池组的荷电状态。u（2）发动机主动型（电量维持型）：发动机功率占整个系统功率的百分比较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率。典型的串联式混合动力装置工作模式有以下几种：262022-8-4汽车发动机原理典型串联式混合动力装
14、置工作模式B车载电池组 E内燃机 F燃油箱 G发电机 M电动机 P功率转换器 T变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2022-8-4发动机原理27 图a：发动机带动发电机发电，发出的电能和来自蓄电池组的电能共同向车辆提供功率输出。图b：发动机驱动的发电机组向蓄电池组和车辆提供功率输出，同时弥补SOC的衰减。图c：整车功率需求全部由蓄电池供给，车辆为纯电动工作，这时车辆的SOC降低较快。图d：驱动电动机回收车辆部分动能存储到蓄电池组，同时发动机-发电机组的全部功率输出到蓄电池组。并联式混合动力装置 在典型的并联式混合动力装置中，发动机以常规模式（传统汽车的工作模式）工作，但只承担部分车辆驱动行驶功
15、率。2022-8-4汽车发动机原理28 典型的并联式混合动力装置工作模式有以下几种：B车载电池组 E内燃机 F燃油箱 G发电机 M电动机 P功率转换器 T变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2022-8-4发动机原理29 图a：车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动。图b：车辆正常行驶时由发动机单独驱动，加速、爬坡时，电动机和发动机同时工作。图c：车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能以向蓄电池组充电。图d：典型并联式混合动力系统在电池组SOC过低时，不能利用发动机对其随车充电，只能采用外界电源补充充电。混联式混合动力装置 兼有串联式和并联式混合动
16、力装置的特点，控制方式一般可分为两种，一种是发动机主动型，另一种是电力主动型。2022-8-4汽车发动机原理30丰田混合动力电动汽车Prius工作模式B车载电池组 E内燃机 F燃油箱 G发电机 M电动机 P功率转换器 DT双轴输入变速箱：机械连接：电缆连接：功率流2022-8-4汽车发动机原理31 图a：发动机处于关闭状态，而由电动机单独驱动车辆。图b、c：发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。图d：车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能以向蓄电池组充电。图e：发动机一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于给蓄电池组充电。图f：发动机在蓄电池电量较低时通
17、过发电机为蓄电池组充电。2022-8-4发动机原理32p 三、混合动力装置特性比较 串联式混合动力装置特性u延长了续航里程u较高的燃油经济性和低的排放u良好的操作性和加速动力性u串联式混合动力装置控制相对简单u对于频繁起步加速的城市车辆来说有着较大的发展空间u系统需要至少两个电机，成本较高2022-8-4汽车发动机原理33 并联式混合动力装置特性u比串联式混合动力装置的三个动力总成的功率、质量和体积要小得多u发动机功率可以选择较小u电动机质量和体积较小，配套的电池组的容量也较小，整车的整备质量得到控制u机电耦合装置控制以及能量的分配控制较为复杂2022-8-4汽车发动机原理34 混联式混合动力
18、装置特性u可以使其节能最佳，有害气体的排放达到最低u能量转换中的综合效率要比内燃机汽车高u发动机功率可以选择较小，燃油经济性比串联式混合动力装置要高u混联式混合动力系统较为复杂，控制难度较高2022-8-4汽车发动机原理35p 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于其转换过程不经过燃烧，不受“卡若循环”的限制，转换效率可高达60%70%，实际热效率是内燃机的2倍左右。转换效率高是燃料电池的主要特点之转换效率高是燃料电池的主要特点之一一。p一、燃料电池的基本原理u燃料电池的基本结构主要由四部分组成：阳极 阴极 电解质 外部电路第四节第四节 燃料电池汽车动力装置燃料电
19、池汽车动力装置2022-8-4汽车发动机原理36u燃料电池工作过程中化学方程式：p 阳极反应：p 阴极反应：与此同时，电子在外电路的连接下定向流动形成电流，通过适当处理，可以向负载输出电能。222HHe 221222OHeH O 2022-8-4汽车发动机原理37燃料电池基本原理示意图2022-8-4汽车发动机原理38p 二、燃料电池的分类p 燃料电池的种类很多，根据所使用的电解质类型的不同，可以把目前正在开发的商用燃料电池分为以下五类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（M
20、olten Carbonate Fuel Cell,MCFC）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）2022-8-4汽车发动机原理39类型电解质导电离子工作温度燃料氧化剂碱性燃料电池KOH-H2OOH80纯氢纯氧质子交换膜燃料电池含氟质子交换膜H+80100氢气、重整氢空气磷酸燃料电池H3PO4H+200重整气空气熔融碳酸盐燃料电池Na2CO3CO32650净化煤气、天然气、重整气空气固体氧化物燃料电池ZrO2-Y2O3O21000净化煤气、天然气空气五种类
21、型燃料电池对比表2022-8-4汽车发动机原理40p 三、质子交换膜燃料电池p 质子交换摸燃料电池单体主要由膜电极（阳极和阴极、质子交换膜）和集流板组成。燃料电池基本原理示意图2022-8-4汽车发动机原理41p 质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)一种厚度为50180 的薄膜片；电解质和电极活性物质(催化剂)的基底 一种选择透过性膜，只允许H+离子（质子）透过，不允许H2分子和其他离子透过m2022-8-4汽车发动机原理42p PEM的材料，应当满足以下条件:良好的离子导电性 材料的分子量充分大 水分子在膜中的电渗作用小，H+在其间的迁移速度高 水分子在平行
22、离子交换膜表面的方向上有足够大的扩散速度 气体(尤其是氢气和氧气)在膜中的渗透性尽可能小 膜的水合/脱水可逆性好，不易膨胀 膜应对氧化、还原和水解具有稳定性 足够高的机械强度和结构强度 膜的表面性质适合于与催化剂结合2022-8-4汽车发动机原理43p 催化剂 为了加快电化学反应的速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。电极催化剂包括阴极催化剂和阳极催化剂两类。目前，PEMFC主要采用铂作为PEMFC的催化剂，它对于两个电极反应均具有催化活性，而且可长期工作。主要研究方向：提高铂的利用率，降低其用量 寻找新的价格较低的非贵重金属催化剂2022-8-4汽车发动机原理44p 膜电极和集流板 膜电
23、极 膜电极(Membrane E1ectrode Assembly，MEA)为PEMFC的心脏，它由质子交换膜和其两侧的多孔气体扩散电极（阳极和阴极）复合而成。膜电极结构示意图2022-8-4汽车发动机原理45 影响膜电极性能的因素 电极材料 制备工艺、方法 电池工作环境 电极结构 碳载体类型 导电网类型 聚四氟乙烯含量 全氟磺酸含量 极板类型2022-8-4汽车发动机原理46 集流板 集流板放置在膜电极的两侧，有阳性集流板和隐性集流板，所以又称双极性集流板，简称双极板和集流板。集流板的主要作用除了导电外，还包括导流燃料、氧气以及冷却液。形式：石磨集流板 金属集流板 复合型集流板2022-8-
24、4汽车发动机原理47p 质子交换膜燃料电池的工作特性 燃料电池的效率在理论上可以达到83%实际效率在50%70%之间 对工作环境的要求比较苛刻 必须在较高的压力下工作 温度升高，燃料电池的功率增大 为保证质子交换膜处于适当的湿润条件，一般工作温度不超过80 CO的含量对燃料电池性能的影响非常大 水管理系统和热管理系统非常重要2022-8-4汽车发动机原理48某1kW PEMFC电堆以H2作为燃料，空气作氧化剂，H2与空气的工作压力比为0.3MPa/0.3MPa，燃料/氧化剂为70%/20%条件下的电压、电流及功率特性：PEMFC的电压、电流和功率特性2022-8-4汽车发动机原理49按驱动形式
25、分：纯燃料电池驱动蓄电池混合驱动按照能量来源分车载纯氢燃料重整纯燃料电池驱动系统只有燃料电池一个动力源，对燃料电池的动态特性和工作可靠性提出了很高的要求，并且成本高和不能进行制动能量回收。所以，现在比较可行的方案是燃料电池加蓄电池或超级电容的方案。p 四、燃料电池汽车动力装置2022-8-4汽车发动机原理50燃料电池与蓄电池混合驱动型动力系统主要组成：整车控制器燃料电池燃料电池控制器DC/DC变换器DC/AC逆变器电动机/发电机电机控制器蓄电池电池管理系统p 燃料电池汽车动力装置的基本结构燃料电池汽车动力装置示意图2022-8-4汽车发动机原理51燃料电池系统：燃料电池电堆与燃料供给与循环系统
26、、氧化剂供给与循环系统、水/热管理系统和控制系统有机结合成燃料电池系统（fuel cell system）。2022-8-4汽车发动机原理52在PEMFC系统中，如果以纯氢为燃料，则该系统由氢源、稳压阀和循环回路组成。可采用压缩氢、液氢或金属氢化物稳压阀控制燃料气的压力循环回路用以循环利用过量的燃料气氧化剂可选用纯氧从实用化和商业化的角度来考虑，PEMFC均采用空气作氧化剂水/热管理系统对于PEMFC系统的正常工作具有非常重大的意义纯氢PEMFC系统氢源稳压阀循环回路第十章 复习p1、电动汽车的类型；p2、锂离子电池充放电过程；p3、并联式混合动力装置结构特点；p4、燃料电池工作原理；p5、提升燃料电池性能的方式；2022-8-4汽车发动机原理53
