选择性催化还原(SCR)催化剂与柴油颗粒过滤器(SDPF)的集成可能是满足即将出台的严格排放法规的最可行方法之一。菱沸石结构催化剂SSZ-13使得尿素SCR技术可广泛应用于汽车领域，与热稳定性较低的ZSM-5技术相比，其具有高达750 ℃的强大热稳定性。然而，随着850 ℃老化时间增加，热稳定性较好的Cu-SSZ-13催化剂开始失去其初始活性，SDPF上的SCR 催化剂可能在下降到怠速(DTI)条件下，当过滤器再生时暴露出来。因此，在汽车制造中强烈需要在更高温度下可存活、更耐用的SCR催化剂。最近研究发现，铜置换高二氧化硅(LTA)显示出优异的水热稳定性，有望成为能在下一代SDPF上应用的高品质候选材料，从而满足更严格的实际驾驶排放要求。900 ℃下水热老化12 h后，在整个反应温度下，Cu/LTA催化剂上的氮氧化物(NOx)还原优于目前最高水平的Cu/SSZ-13商业催化剂。此外，由于NH3向NO的低氧化过程，Cu/LTA催化剂在620 ℃下贫/富循环老化后仍可以保持显著的高温NOx转化率。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA在水热老化后具有更稳定的NH3存储能力，将为集成在车载尿素喷射控制以获得最大系统性能提供额外的益处。介绍了模拟动态全球统一轻型车辆测试循环模式下Cu/LTA 催化剂的性能，这些增强功能将有助于在实际驾驶条件下改进未来的稀薄NOx后处理系统。
0 前言
对于广泛用于移动设备的高效能柴油发动机，在富氧环境下的氮氧化物(NOx)减排一直是其面临的巨大的挑战之一，特别是为了满足日益严格的排放标准。NH3通过Cu/沸石催化剂选择性催化还原(SCR)已被广泛认为是自2009年以来最适合满足尾气NOx排放要求的技术之一。柴油后处理系统面临的最大挑战之一是如何使用冷起动柴油机废气将催化剂快速加热到工作温度(约250 ℃)。氧化催化器(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)和SCR 等后处理组件的热集成对于整体排放控制性能至关重要，并且已经在将2种功能组合到一个设备上，例如颗粒过滤器上的SCR(SDPF)。这种多功能设备不仅能提供快速预热时间，而且还减小了体积，对小型车辆极具吸引力。
与已知催化剂相比，具有CHA 型拓扑结构的Cu/SSZ-13由于具有更好的热耐久性，自2009年以来，一直作为标准的SCR催化剂使用。然而，这种催化剂也可能会因为Cu含量和Si/Al摩尔比的不同而在800 ℃以上发生热失活，这是由于沸石骨架被破坏，同时生成氧化铜(CuOx)所造成的。根据NGK 隔热概念，当碳烟累计量高于5 g/L时，涂覆在DPF上的SCR催化剂能在怠速(DTI)条件下达到800 ℃以上的温度。因此，目前的SDPF系统设计限制碳烟累积，以保持SCR温度低于800 ℃，从而保护Cu/SSZ-13。当碳烟累计达10 g/L导致DTI温度升高到1 100 ℃，对于DPF载体本身是可接受的。如果允许的碳烟累计增加，则可以延长过滤器再生过程的间隔，从而明显提高燃料经济性，这是开发热稳定性更高的SCR 催化剂的强烈动机。
另一方面，与先前的新欧洲驾驶循环(NEDC)相比，引入全球统一轻型车辆测试循环(WLTC)和实际驾驶排放(RDE)等新测试模式导致操作温度窗口扩大。由于SCR 可能不会单独覆盖扩大温度范围的NOx减排过程，因此非常需要结合使用稀燃NOx捕集器(LNT)-SDPF系统等NOx还原技术来满足即将出台的排放法规。当LNT 系统放置在SDPF系统前面时，需要定期进行富油发动机操作，以在高温(650 ℃以上)环境下除去LNT 催化剂上的硫。在脱硫过程中，饱和反应可以加速SCR 催化剂在紧靠LNT 催化剂的位置上形成CuOx团簇，从而导致高温SCR 性能显著降低，该原因在于NH3被氧化成了NOx。实际上，在高于600 ℃的高温下保持NOx还原能力对于现实驾驶条件是至关重要的，如在SDPF再生时，与正常操作条件相比，NOx排放倾向于突然升高。因此，在高温富油条件下高度要求维持SDPF系统的活性。
近期，用苄基咪唑阳离子作为有机结构导向剂(OSDA)成功合成了高二氧化硅(LTA)沸石。粉末形式的铜交换LTA 即使在900 ℃水热老化12 h后也可显示出显著的NOx活性去除效果，当Cu/SSZ-13的Cu含量与Si/Al摩尔比相近时，虽然其他催化性能似乎发生了变化，如NH3发生氧化，但其只有在较短的老化时间(3 h以内)内才会有效。考虑到改善Cu/LTA 的高热稳定性，其在SDPF系统中的应用顺理成章。在目前的工作中，针对SDPF系统的工业应用，已经探索了使用Cu/LTA 超过当前商用Cu/SSZ-13的可行性和优势。制备由Cu/LTA 涂覆的核心尺寸的整料，然后将其催化性能和特性与模型Cu/SSZ-13催化剂及现有技术的商业SCR 催化剂进行系统比较，包括在稀/富氧循环操作的各种模拟实际驾驶条件下评估了Cu/LTA 的热耐久性。此外，还研究了Cu/LTA在NO2存在下的可控硅性能，NO2可由DOC或LNT产生。建议采用由Cu/LTA 和Cu/SSZ-13组成的双砖催化配置，以进一步改善低温SCR 性能。最后，在模拟动态WLTC瞬态模式测试下验证了Cu/LTA 的性能。
1 试验
催化剂制备
通过在室温下使用乙酸铜溶液进行连续的湿离子交换来制备铜交换的LTA(Cu/Al=，Si/Al=16)。然后将Cu/LTA 过滤、洗涤，在90 ℃下干燥过夜，然后在空气中于550 ℃的温度下煅烧8 h。为了将Cu/LTA 粉末沉积在堇青石整料(宽 cm，长 cm)上，采用了常规的浸涂方法。将整体式催化剂在110 ℃下干燥过夜，并在550 ℃下煅烧5 h。作为比较，还通过浸渍法制备Cu/SSZ-13涂覆的整料试样，其中Cu/Al和Si/Al比率与Cu/LTA 对应物相似。此外，主要含有Cu/SSZ-13的现有技术商用SCR催化剂由催化剂制造商提供，在本研究中表示为“COM”。值得注意的是，所有整体式催化剂的孔单元密度一致(400 cpsi)，涂层数量类似。
为了检验水热稳定性，在含有10%水分的湿空气流动条件下，核心尺寸的整料试样分别在680 ℃下老化25 h，在750 ℃下老化25 h和在900 ℃下老化12 h。为模拟LNT-SDPF系统的脱硫过程，将每个在800 ℃水热老化16 h的整体试样暴露于620 ℃的模拟贫氧(λ为，20 s)-富氧(λ 为，12 s)循环条件下持续4 h。需要注意的是，应在没有LNT 催化剂的情况下进行贫富氧处理，以直接评估SCR 催化剂对富油条件的耐受性。
催化剂表征
为了研究每种催化剂上的Cu状态，通过化学吸附分析仪(BELCATII，BEL-JapanInc.)进行H2-TPR分析。将 g催化剂试样装入石英管中，在500 ℃下用10%O2/Ar流预处理 1 h，并冷却至室温。然后，在相同温度下将进料气体转换为10%H2/Ar。在热导检测器(TCD)信号稳定后，将试样在10%H2/Ar流中以10 ℃/min加热至900 ℃，同时记录H2的消耗。
反应堆系统
在台式反应堆系统中测量整料试样上的NOx还原活性。将核心尺寸的整体试样(宽 cm，长 cm)在500 ℃下预处理30 min，背景气体由、5%H2O和N2组成，并冷却至100 ℃。然后以50 000 h-1的气体空速提供由500 mg/L NO(或250 mg/L NO和250 mg/L NO2)，500 mg/L NH3、、5%?H2O，5%CO2和N2平衡组成的模拟柴油进料气流。在催化剂试样完全暴露于进料气流后，将其以10?℃/min加热至600 ℃以进行瞬态测试。对于经贫富氧处理过的试样，在稳态条件下在600 ℃和640 ℃下特别检查SCR 活性。在稳态试验期间注入300 mg/L 的NO和300~1 200 mg/L的NH3，同时使其他气体的浓度保持与瞬态试验相同。在稳态条件下，通过从SCR进料气流中除去NO进行NH3氧化试验。
采用4步测试方案测量其他催化性能，如NH3储存容量及NH3覆盖率依赖的NOx转化。在试验过程中，核心尺寸的整体试样总是暴露在含有、5%CO2、5%H2O 和N2平衡的背景气体中，同时按以下方式打开和关闭500 mg/L 的NO 和500 mg/L 的NH3。步骤如下:(1)500 mg/L NO+背景气体;(2)500 mg/L NO+500 mg/L，NH3+背景气体;(3)500?mg/L NH3+背景气体;(4)500 mg/L NO+背景气体。
为模拟WLTC 模式测试，采用现代汽车集团(HMG)开发的实验室规模反应堆系统(图1)。通过底盘测功机WLTC测试过程，直接从车辆测量中获得原始排放和催化剂温度等数据，用于模拟WLTC 程序。然后由实验室规模的反应堆再现精确的发动机输出曲线，包括温度和排放，重复测试具有极佳的重现性(±1%)，如图1所示。部分质量流量控制器被用于在测试循环期间以2 s为单位模拟动态变化的气体成分和流速，而依赖于车辆速度的催化剂温度则通过快速响应加热器进行模拟。在模拟WLTC测试之前，将一定量的NH3预吸附在250 ℃的1号核心尺寸的整料试样上，以模拟载体试样。然后将试样冷却至室温，开始测试循环。模拟的WLTC 测试程序包括低速(t <780 s)、中速(780 s1 170 s)3阶段。考虑到LNT-SDPF系统，测试循环的原料气流是基于LNT输出排放而制定的。所有气体组分如NO、NO2、NH3的入口和出口浓度通过在本研究中配备有气体单元的在线FT-IR光谱仪(MKS仪器，2000系列MultiGas分析仪)测定。
2 结果与讨论
Cu/LTA 涂层整体试样的水热稳定性
图2中显示了在Cu/LTA 涂覆的整料试样和基于Cu/SSZ-13的COM 上的NOx转化率在900 ℃下水热老化12 h的比较。Cu/LTA 在整个反应温度下显示出对现有技术的SCR催化剂的优异催化活性，表现出特别高的水热稳定性。例如，在250 ℃下，Cu/LTA 的NOx转化率达到80%，而商业Cu/SSZ-13催化剂为30%。该结果与先前使用粉末催化剂的结果一致。在2种具有少量N2O的催化剂的活性测试期间，总是保持N2选择性高于95%。如前所述，目前含有Cu/SSZ-13的SDPF 系统上的碳烟累积受到限制(约5 g/L)，以使SCR催化剂温度保持在800 ℃以下。考虑到Cu/LTA 能将其SCR性能保持在900 ℃的状态，基于Cu/LTA 的SDPF系统可以允许增加的目标碳烟负载高达8 g/L。在这种情况下，过滤器再生间隔可以从250 mile延伸到400 mile，绝对可以提高燃油经济性。
在实际驾驶条件下，应始终将一定量的NH3储存在SCR催化剂中，以立即对柴油发动机排气中不断变化的NOx排放作出反应。因此，NH3储存容量被认为是SCR 催化剂的重要特征之一。图3 描绘了Cu/LTA和模型Cu/SSZ-13催化剂的动态NH3存储容量作为水热老化温度的函数。在680 ℃温度老化后，Cu/LTA 的NH3储存容量在所覆盖的温度范围内与Cu/SSZ-13相当。然而，当老化温度升高到750 ℃和900?℃时，Cu/LTA 显示出比Cu/SSZ-13更高的值，表明其NH3储存容量对水热老化并不敏感。考虑到SCR 催化剂上的NH3加载目标取决于NH3存储容量，这对于车载控制的尿素喷射策略是非常有益的。事实上，已知SCR催化剂的NH3存储容量与其酸性特性密切相关。低温NH3储存可能源自在沸石上交换的Cu2+离子，而由[CuOH]+物质或沸石本身产生的布朗斯台德酸性位点可能是高温对应物的原因。据报道，Cu/SSZ-13的晶体结构在850 ℃下随着Cu离子向CuOx团簇的转变而坍塌，导致酸性位点的恶化。相比之下，即使在900 ℃下严重水热处理12 h后，Cu/LTA 的沸石骨架也显示了其稳定性，这可能是水热老化后NH3储存能力降低的主要原因之一。
对高温贫富氧条件的容忍度
如上所述，在LNT-SDPF 系统的硫酸化过程中，涂覆在颗粒过滤器上的SCR 催化剂也可以在高温下暴露于贫富氧条件。为了研究贫富氧处理对高温NOx去除活性的影响，将在800 ℃下水热老化16 h的每个核心尺寸整料试样，在620 ℃下暴露于贫富氧循环条件下4 h。然后，在600 ℃和640 ℃下进行稳态SCR活性测试，其中SDPF温度在正常条件下于过滤器再生期间可达到。如图4(a)所示，在贫富氧条件下处理的Cu/LTA 总是对模型Cu/SSZ-13催化剂具有更高的NOx去除活性。在600 ℃ 时，NH3/NOx排放比为4时，Cu/SSZ-13(31%)上的NOx转化率甚至低于NH3/NOx进料比为1时Cu/LTA(53%)上的NOx转化率。这表明在过滤器再生期间，所需的尿素喷射量可以比基于Cu/LTA 的SDPF系统低，这对于减少尿素分解产生的温室气体CO2排放是非常理想的。试验还检查了贫富氧老化试样上的NH3氧化活性，如图4(b)所示。事实上，NH3氧化是副反应无用的反应物，导致高温NOx去除活性降低。在620 ℃下贫富氧时效后，Cu/LTA 上的NH3氧化活性远低于模型Cu/SSZ-13催化剂。尤其在640 ℃下，在Cu/LTA 上观察到73%的NH3转化率，而Cu/SSZ-13在600 ℃的较低温度下已经实现100%的NH3转化率。与Cu/SSZ-13相比，这表明更多的NH3可用于Cu/LTA 上的NH3/SCR反应，从而使其发挥优异的高温SCR性能。
与Cu/LTA 相比，Cu/SSZ-13在NH3氧化过程中产生大量的NO，如图4(c)所示。这种非选择性NH3氧化成NO，导致Cu/SSZ-13在640 ℃下具有不寻常的SCR性能。当反应温度升至640 ℃时，Cu/LTA NOx转化率仍然高于70%，表明其对贫富氧条件的稳健耐久性，如图4(a)所示。对于模型Cu/SSZ-13催化剂，观察到NOx转化率为负，表明NOx的出口浓度高于入口浓度，可能是由NH3氧化形成的NO引起。实际上，已知在Cu/沸石上的NH3氧化反应中的NO选择性与催化剂表面上的CuOx含量有关。因此，需要理解在贫富氧处理时2种催化剂CuOx的形成，以便科学解释不同的NH3氧化行为。
图5描绘了Cu/LTA 和Cu/SSZ-13上的H2-TPR曲线，以计算出其Cu状态。研究人员普遍认为，低于400 ℃的峰值条件下Cu2+还原为Cu+，而高温峰值条件下则是Cu+还原为Cu金属。Cu/SSZ-13显示了在220 ℃附近的还原峰值，与Cu2+或[CuOH]+有关，与八元环(8MR)相邻，峰值肩峰在300 ℃左右，由双六元环(D6R)上的Cu2+引起。对于Cu/LTA，在低于400?℃的低温区域中，在270 ℃左右仅观察到1个对称峰值，表明在LTA 沸石骨架中可能仅存在1种类型的Cu2+。这与Ryu 等研究的XRD/里特维德(Rietveld)细化结果一致，即所有Cu2+离子似乎与单个六元环平面外的3个氧原子配位。在600 ℃附近观察到Cu/SSZ-13上的Cu+还原峰值，非常接近进行贫富氧处理的温度。相反，Cu/LTA 上Cu+离子向Cu金属的还原过程在该温度区域没有完全活化。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA 的这种延迟还原可以通过沸石的不同电负性来解释，这取决于框架类型，影响阳离子的还原性。当Cu离子在富油条件下还原成Cu金属时，Cu和沸石之间没有静电相互作用，这可能导致贫态条件下铜的团聚转变为CuOx团簇。因此，LTA 沸石骨架中Cu离子的还原性较低，可以减少贫富氧时效过程中CuOx(非选择性NH3氧化源)的形成，这可能是Cu/LTA 在高温条件下具有较强耐久性的主要原因。
克服Cu/LTA 低温活性的策略
如上所述，一定水平的NH3首先储存在SCR 催化剂中，然后在实际行车条件下与柴油发动机排出的NOx反应，NOx转化取决于SCR 催化剂上的NH3覆盖率。图6比较了Cu/LTA 和Cu/SSZ-13的NOx转化率，它是250 ℃下NH3覆盖率的函数，通过4个步骤获得。这是评估SCR 催化剂在工业应用方面的重要标准之一。在900 ℃的水热老化中，Cu/LTA 的NOx还原效率通常远高于Cu/SSZ-13型催化剂，再次表明Cu/LTA 具有非凡的热稳定性，如图6(a)所示。当2种试样在680 ℃条件下得以温和老化时，Cu/LTA 在初始NH3覆盖水平下显示出与Cu/SSZ-13 相当的NOx转化效率，如图6(b)所示。然而，随着NH3覆盖率进一步增加，Cu/LTA 不能达到与Cu/SSZ-13相同的NOx转化水平，这表明需要改善Cu/LTA 的低温活性。Cu/沸石的低温SCR性能可能与Cu的局部环境有关，影响到Cu/沸石氧化还原性能、NO 氧化能力和反应物吸附。对Cu/LTA 的低温SCR 性能和改善其固有反应性的进一步研究正在进行中。
在柴油后处理系统中，DOC 或LNT 等氧化催化剂总是放在SCR前面，这意味着在DOC/LNT上通过NO氧化可以在SDPF系统的上游获得NO2。在这种情况下，SCR催化剂会发生“快速SCR”反应，增加其低温活性。如图7所示，在NO2/NOx比为的情况下，将Cu/LTA 涂覆的整料试样的SCR性能与基于Cu/SSZ-13的COM 进行了比较，并保证“快速SCR”反应有效地进行。由于NH4NO3在沸石孔结构中的积累，催化剂温度从NOx转化率降低之前的175 ℃开始而不断上升。在680 ℃的温和水热老化后，Cu/LTA的低温活性与COM相当，而Cu/LTA 显示出比500?℃以上的COM更高的SCR性能，如图7(a)所示。在900 ℃下严重老化时，Cu/LTA 在整个反应温度范围内显示出对COM的优异SCR活性，如图7(b)所示。这些结果表明，在涉及“快速SCR”反应的操作条件下，Cu/LTA 的低温活性不是主要问题。
然而，取决于车辆行驶条件和后处理系统的布局，在SDPF系统的上游NO2不可能总是绰绰有余，因此需要另一种克服Cu/LTA 的低温NOx去除活性的策略，该策略在低NO2条件下起作用。为了解决对低温活性的担忧，已经制备了由Cu/LTA 和体积比为1∶1的由COM组成的双砖整料试样，同时保持与单砖试样相同的总体积。如图8(a)所示，在不存在NO2进料的情况下，在680 ℃下老化的双砖试样的NOx转化率与单砖COM相当。比较构型顺序的双砖单块，在高温(400 ℃以上)下观察到Cu/LTA 在前，商业催化剂在后的NOx转化率比相反顺序的结构更高，而两个试样都显示出类似的低温SCR 活性。与Cu/SSZ-13相比，Cu/LTA 的NH3氧化能力较低，可能导致高温SCR活性的差异。在900 ℃水热老化后，双砖试样显示出比商用催化剂更优越的SCR性能，如图8(b)所示，这表明Cu/LTA 的强水热稳定性已在双砖整体样品中得到充分体现。结果表明，该双砖体系具有Cu/LTA(热稳定性)和Cu/SSZ-13(低温活性)两方面的优势。
含双砖系统的Cu/LTA 的瞬态性能
通过使用核心尺寸整体试样的实验室规模反应器系统模拟WLTC模式测试，进一步验证了双砖配置的优势。实际上，这种核心尺寸测试比底盘测功机上的全尺寸测试花费的时间和精力明显更低，同时始终保持极佳的重现性(±1%)。图9(a)示出了在没有NO2时模拟WLTC模式测试期间，累积的NOx排放及车速随时间变化的曲线。值得注意的是，考虑到LNTSDPF系统，动态变化的原料气流是基于LNT 排出的。空白测试结果显示，在780 s、1 170 s、1 540 s左右，由于发动机富油运行以减少储存在LNT催化剂上的NOx，使NOx排放量突然增加。在低速驱动条件下(600 s以下)，所有催化剂的SCR 性能可忽略不计，因为它们几乎不会升温(200 ℃以下)。一旦反应堆系统达到中速条件(780 s以上)，所有催化剂开始被激活，并且它们的NOx还原活性在高速条件下(1 170 s以上)进一步增加。
在模拟WLTC测试期间，含有Cu/LTA 的双砖试样在680 ℃下老化，显示出与单砖COM相似的累积NOx排放水平。在900 ℃的水热老化之后，2种催化剂的NOx排放增加，但是双砖试样仍然保持比单砖对应物更低的NOx水平。实际上，即使在中速驱动条件下(1 170 s以下)，在900 ℃下老化的单砖COM也显示出极小的NOx还原效率，如图9(a)所示。此外，在模式试验期间，在900 ℃下老化的双砖试样显示出比单砖COM更低的NH3逃逸现象，尽管2 种试样在680 ℃温和老化后表现出类似的行为，如图9(b)所示。
在900 ℃下老化的2种试样之间NH3逃逸的差异可能源于耐水热老化的Cu/LTA 的NH3储存容量(图3)。因此，即使在经历了900 ℃的严重老化过程之后，Cu/LTA 与最先进的COM相结合也被认为在尾管NOx浓度方面满足工程目标，这表明有可能增加SDPF当前的碳烟负载目标，改善燃油经济性。
3 结论
Cu/LTA涂覆的整料试样的催化性能和耐久性已经在各种条件下得以系统地评估，以用于SDPF系统中的工业应用。在900 ℃ 水热老化后，Cu/LTA 的SCR性能高于基于Cu/SSZ-13的商业催化剂，表明其对SDPF系统有利的稳健热稳定性。在620 ℃下进行贫/富循环老化以模拟LNT-SDPF 系统的脱硫过程后，即使在640 ℃时，Cu/LTA仍在高温下保持其NOx还原活性，而基于Cu/SSZ-13的商业催化剂将NH3氧化成NOx显示出反向NOx转化。H2-TPR结果表明，LTA 骨架中的Cu离子比CHA 中的Cu离子还原性差，可能在高温富集条件下减轻CuOx的形成，CuOx并非首选的NH3氧化来源。虽然Cu/LTA的低温SCR活性在680 ℃温和老化后不如COM，但在NO2存在下可以克服，NO2主要见于DOC 或LNT 的下游。由Cu/LTA 和COM 组成的双砖试样在680 ℃老化后在没有NO2的情况下表现出与单砖COM 相当的低温NOx转化率，而Cu/LTA 的热稳定性良好保持高达900 ℃。模拟的WLTC测试结果表明，Cu/LTA 可能成为下一代SCR技术的良好候选者，特别是对于需要高耐热性的应用。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期
作者：[韩]?等
整理：闫红梅
编辑：虞展
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
杂志的话必须AUTODESIGN，每两月一刊价格淘宝上面两百多。可以买来看看基本每个主机厂DESIGNstudio都会买来看。除了AUTODESIGN刚复刊的carstying也不错。书籍的话就挺多了其中的圣经我觉得是accd出的H_point。这几本书淘宝上面都有有兴趣的上淘宝搜。汽车设计课程设计指导书》是车辆工程专业学生进行汽车设计课程设计的指导书。全书从结构设计、参数选择、强度分析等方面，对离合器、万向传动装置、驱动桥、悬架、转向系和制动器等汽车底盘和车身各主要总成系统，进行了全面详细的陈述，结合汽车动力总成匹配的设计实例，介绍了汽车设计方法和理论的具体应用。《汽车设计课程设计指导书》指出了汽车设计课程设计的要求与方法，并在附录中给出了设计任务。《汽车设计课程设计指导书》是高等院校车辆工程专业教材，也可供从事汽车设计和研究的工程技术人员参考。《汽车设计课程设计指导书》是高等院校车辆工程专业教材，也可供从事汽车设计和研究的工程技术人员参考。
被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。
0 前言
近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。
FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。
1 丰田公司燃料电池系统
丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。
燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。
2 燃料电池堆
燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。
丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度( kW/L 与 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。
高电流密度化
电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。
降低浓度超电压
在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。
降低电阻超电压
为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。
燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。
另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。
3 燃料电池堆的水管理控制
为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。
基于交流阻抗法的含水量计测
图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。
燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。
燃料电池堆的自加湿控制
TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。
燃料电池高温运转时的水管理控制
以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。
由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。
0 ℃下起动时的水管理控制
燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。
图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。
降低含水量控制
通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。
快速暖机控制
在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。
燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。
图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。
4 结语
本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期
作者：[日]?今西啓之等
整理：彭惠民
编辑：伍赛特
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
目前，内燃机对于实现低碳排放目标仍起着重要作用。混合动力汽车及电动汽车已取得了一定技术进步，而内燃机热效率的持续提升又有利于电驱装置充分发挥技术功效。采用大流量废气再循环(EGR)，提高压缩比并实现稀薄燃烧是内燃机用于提高效率的核心技术。针对燃烧过程的优化及新型燃烧技术的开发对车用发动机的技术发展起着重要作用。概述目前车用发动机的技术发展趋势，描述基于汽车电驱动化进程而开发的发动机技术，着重论述了影响未来发动机燃烧技术的关键问题，同时介绍了发动机的全新燃烧理念与燃烧方式等研究成果及发展前景。
0 前言
为解决汽车工业快速发展过程中的各类问题，研究人员通过采用先进技术有效改善了内燃机排气净化及运作过程。最近，随着日本国内政策的不断引导与支持，日本政府在逐步推广纯电动汽车(EV)，并将其投入实际应用。同时，为满足日本国内的低碳需求，研究人员仍须进一步提高发动机热效率。
本文首先阐述了日本社会与经济的发展趋势及汽车普及情况，概述了车用发动机技术的进展，随后对可用于汽车电驱动系统的发动机进行了展望，并对影响未来发动机燃烧过程的关键技术进行了研究。
1 社会需求与发动机技术的新进展
如图1所示，随着二战后社会经济的逐步复苏，日本国内的汽车产业得以飞速发展，由此引发了多种社会问题，特别是由于汽车排放而导致的环境气候的恶化现象，以及对人体健康带来的危害。研究人员通过在日本各地对汽车废气排放进行调查研究，对排放标准提出了进一步要求。为满足社会需求，日本政府制定了全新的排放法规，并逐步收紧排放法规限值。近年来，为抑制地球温室效应，研究人员须进一步降低汽车CO2排放，同时实现发动机的高效率化，并进一步改善汽车燃油经济性。
如图2所示，研究人员通过测量由汽车所排放的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及排放颗粒物(PM)，计算出了上述排放物总量的变化过程及各车型产生排放物所占的比例。在由柴油车产生的排放物中，NOx及PM 约占85%。在由汽油车产生的排放物中，HC约占60%。随着法规的逐步强化，源于汽车的污染物排放量开始逐步降低。就目前而言，除了光化学氧化剂及之外，其他排放物基本已可满足相应的环保标准要求。
为满足上述排放法规要求，研究人员开始以提高发动机性能并改善燃油经济性为目标而进一步开展研发过程。包括发动机零部件技术在内的许多重大突破主要得益于先进的数值计算方法与分析技术。
研究人员在汽油机的如下技术领域中均取得了一系列进展：(1)针对燃油供给系统中的精确空燃比控制、减速时的停缸技术；(2)针对火花塞的技术改良及高能点火技术；(3)针对气门驱动系统中凸轮驱动方式的改良及基于相位与可变升程的控制技术；(4)针对爆燃过程进行优化并降低泵气损失；(5)采用包括废气再循环(EGR)、增压系统在内的进、排气系统改良技术；(6)为降低机械损失而采用了润滑、冷却等技术。
此外，在柴油机技术领域，4气门系统、缸内直接喷射技术、EGR装置、中间冷却系统、可变截面涡轮增压系统及共轨式喷油系统等领域均取得了一系列进展。研究人员通过采用氧化催化剂及柴油机排气颗粒过滤器(DPF)，并降低NOx催化剂的排气后处理系统，逐步实现了降低排放与提高整机热效率的技术目标。
2 汽车电驱动化时代的发动机技术
从2017年起，汽车电驱动系统得以飞速发展，其发展过程主要与以下因素存在密切联系：(1)主要国家地区(如西欧、中国、美国加利福尼亚州等地)的政府及相关部门出台支持政策，并提供经济补助；(2)各大汽车生产商(OEM)的经营方针。
在欧洲，以大众柴油机排放门为契机，研究人员重新制定了针对传统内燃机汽车的排放法规，并提出了应对环境问题的解决措施，同时将逐步引进EV与插电式混合动力汽车(PHEV)。在中国地区，政府部门除了采用相关环保政策之外，同时也在大力推进新能源汽车(EV、燃料电池汽车(FCV)、PHEV)的制造与销售进程。如图3所示，在最近十几年中，中国的乘用车保有量得以飞速增长，OEM 也在通过各种方式对中国汽车市场的发展趋势进行深入了解，并探索相应的战略方针。
与上述发展趋势相呼应，,汽车工业的产业结构也发生了一系列变化，不同行业的从业人员也逐步加入到汽车领域中来。随着世界范围内新能源汽车的逐渐普及，各大车企有针对性地扩大经营规模，以实现标准化发展。同时，各大车企也加强了与电气设备OEM的合作，并确保电池供应体系的构建与完善，从而逐步搭建起基于该领域的技术平台。
为了适应当前汽车电驱动时代的需求，发动机技术也逐渐呈现出多样化趋势，各种混合动力系统也得到了充分发展。混合动力汽车(HEV)仍需要随车携带传统化石燃料，因此不断提高发动机燃油经济性依然是重中之重。随着对阿特金森循环等技术的有效应用，HEV预计可将整车燃油耗降低约20%~50%。
目前，研究人员已将燃烧控制技术、降低冷却损失及抑制爆燃的相关技术列为亟待解决的重要课题。就PHEV而言，其技术优势与HEV相似。
PHEV 可有效延伸整车续航里程，并充分降低了燃油耗。但在电池容量增大的同时，由于整车质量增加，会相应引发燃油经济性恶化及成本上升等问题。对此，研究人员建议可将纯电驱动作为基本行驶模式，而用最大功率约为20 kW 的小型发动机作为增程器。同时，研究人员也在力求改善发动机摩擦现象，同时使动力装置实现轻量化，并视情况采用阿特金森循环。
3 发动机燃烧技术的发展
新型燃烧方式
为实现车用发动机的高效率化，研究人员须利用先进的零部件技术。在充分考虑了冷却损失的前提下，研究人员对热释放系数进行了研究。在燃烧持续期内，由于在热释放开始阶段下指示热效率逐渐提高，因此研究人员有必要对燃烧持续期进行着火定时控制。如果最高压力被限制在较低的水平，在燃烧持续期较短的情况下，研究人员须相应推迟热释放开始时刻。在燃用稀薄混合气的条件下，为缩短发动机燃烧持续期，部分研究人员提出了有效利用预混合燃烧的方案。
目前，研究人员对均质充量压缩着火(HCCI)技术的关注度与日俱增。HCCI技术在汽油机低负荷工况下可充分发挥作用，但在变工况条件下，适当地控制混合气的自着火过程有着较高难度。而通过火花点火方式能可靠地使部分混合气进行燃烧。目前使稀薄混合气实现压缩着火并对快速燃烧进行控制的方法已进行了实用化。除了利用可变气门驱动系统以实现压缩比的可变过程，并利用机械增压以实现进气量控制之外，研究人员还通过采用高压汽油的直接喷射方式形成合适的混合气，同时利用大流量EGR降低燃烧温度，由此减少NOx排放量。与此同时，研究人员利用各气缸中设置的燃烧压力传感器，并根据采集的负荷、转速、机外温度、气压等参数，可实现对燃烧过程的精确控制。
研究人员对预混合压缩着火(PCCI)技术也开展过许多研究。在该燃烧方式中，虽力求同时降低NOx与炭烟排放，但如果增加喷射量，会使混合气浓度提高，并使燃烧过程过于粗暴，所以该燃烧技术通常仅在部分负荷工况下得以应用。目前也有相关研究表明，除了采用大流量EGR之外，可通过米勒循环降低有效压缩比，即使在高负荷工况下也能实现平稳的燃烧过程，并大幅降低NOx与PM。同时，研究人员通过调节膨胀比，能使热效率保持不变。未来，研究人员可通过对喷射、燃烧控制等相关技术的有效应用，扩大发动机高效运转区域。
近年来，研究人员对反应可控压缩着火(RCCI)技术进行了研究。在该燃烧过程中，以预混合气的快速燃烧作为增加等容度的主要方式，并能实现较高的指示热效率。在多种负荷条件下进行的稳定着火控制，抑制剧烈的热释放过程并确保燃烧效率是目前亟待解决的重要课题。为了进一步提高热效率，研究人员认为上文所述的PCCI燃烧技术有着较好的应用前景，同时为扩大发动机的高效运转区，须相应采用进排气控制、燃料喷射控制等先进技术。
燃料-空气混合与燃烧
燃料-空气混合气的形成对发动机燃烧过程有着重要影响。图4表示采用计算流体动力学(CFD)得出的多种燃烧方式条件下的热释放率与50%燃烧过程中当量比φ-温度T的分布示意图。燃烧反应过程主要受以下因素影响，主要包括燃料供给方式、定时的燃料-空气混合气的形成过程及燃烧气体的φ-T 分布。
在普通的柴油燃烧过程中，即便在混合气着火后，缸内仍在继续进行燃油喷射。在经分层后的混合气稀薄化处理过程中，喷雾及燃烧过程还在继续进行。虽然着火及燃烧过程的可操纵性较好，但同时降低NOx与炭烟仍是亟待解决的课题。就PCCI燃烧方式而言，通常在压缩行程中会采用多种喷射策略，使混合气实现分层，并且NOx的排放量较高，而炭烟排放量则相对较低。在该工况条件下，研究人员通过延迟喷射即可延长燃烧持续期，进而降低压力升高率。在HCCI燃烧过程中，通常会在进气行程中供应燃油，使稀薄混合气实现压缩点火。虽然NOx与炭烟的排放较少，但受化学反应速度的影响，对着火及燃烧过程进行控制有着较高难度。在压力上升率较高与负荷较低的条件下，燃烧效率会相应降低。在RCCI燃烧过程中，由于研究人员对2种燃料比及燃料喷射定时进行了调节，因此可有效抑制NOx与炭烟排放，并可实现稳定的着火及燃烧控制过程。目前，在低负荷工况下改善燃烧效率并在高负荷工况下降低燃烧噪声等课题仍亟待解决。
随着近年来计算机科学的快速发展，针对发动机燃烧过程的CFD技术得到了长足发展，预测精度也大幅提高，并成为了当前研究开发过程中不可缺少的工具。目前，研究人员仍需要进一步提高预测精度，并对燃料-空气的微观混合形态进行观测。
如图5所示，在由研究人员所提出的随机过程理论模型中，最初分离着的燃料(燃料质量百分数Y=1)与空气(Y=0)实现湍流混合，并按照随机过程理论而逐步形成均匀混合过程。该混合过程应用了相关研究人员所提出的二体碰撞及再分散模型，该模型利用由湍流特性所决定的频度ω，在1个较大流体块经历了碰撞及融合过程后，将其分解为2个相等的较小流体块。
研究人员通过对ω的时间积分定义无量纲时刻η(该数值与1个流体块的平均碰撞次数一致)，并可用于表示混合度。换言之，到η=2时，是按分散浓度进行分布的状态，但在逐渐达到η=6的状态后，浓度会接近于正态分布。η=12时，浓度会更接近于平均浓度Yo，表明了其可形成均匀的混合气。在图5中，不同颜色图案表示燃料在空间均匀破碎时的浓度分布状况。因此，作为湍流混合过程的评价指标起着重要作用。此外，ω 与湍流强度u'与积分比例L 存在数值关系，可通过ω='/L 的公式来进行计算。
研究人员利用该模型对柴油无因次燃烧过程进行了预测研究。计算中，得出了随时间变化的热释放量及压力过程。研究人员可相应计算出燃油喷射量、喷油定时、涡流比、EGR条件下的缸内压力及热释放率，从而合理地预测NO生成量的变化。
通过该模型，研究人员可得出燃料-空气的不均匀度与浓度、燃烧后的温度与NO生成速度的概率分布。研究人员通过应用基于随机分析系统(RANS)的CFD仿真，能有效记录各个计算单元内的微观混合情况。研究人员通过引入反应动力学计算方法，也能将其应用于柴油机的PCCI燃烧过程中。此外，除了能通过无因次计算以预测喷雾着火过程之外，研究人员可根据实测的压力、放热率而得出基于混合时间的变化函数，由此可对多次喷射时的排气进行预测。通常，研究人员认为在强湍流场中对于点火不确定性与循环变动的预测结果，以及对由壁面碰撞而产生的流动过程的观测过程也起着重要作用。
燃烧室壁面附近现象的说明
通过采用最新的燃烧系统设计方案，研究人员能对各种各样的发动机技术规格及运转条件实施最佳的燃烧控制，但如要进一步改善燃烧过程并提高热效率，仍有许多后续工作需要开展。
研究人员就燃烧室壁面非稳定热传导问题，运用了如图6所示的等容燃烧装置及高响应性热流束传感器(Vatell，HFM-7)，通过气体射流火焰及均匀混合气的传播火焰对壁面热流束变化进行了计测。图7是在采用预燃方式的条件下(温度为950 K，压力为2 MPa，氧气浓度为21%)，从喷孔直径为 mm 的喷嘴中以喷射压力为8 MPa，喷射持续期为9 ms的参数喷射了氢燃料并使其自行着火燃烧后的结果。图7示出了缸内燃烧压力p，放热率dq/dt，平均温度Tave及在燃烧室壁面的2点P1、P2处测算出的热流束qhf的时间与喷射后的时刻t 的关系。图7(a)中的号码对应于图7(b)中逆光摄影图像的时刻，喷雾在与容器壁面相碰撞后(图像①)，在喷射后的 ms内在P2附近着火，dq/dt数值随之急剧增大(图像③)。火焰在到达P2(图像②)，并进行快速传播(图像④)，随即进行扩散燃烧，在图像⑤时到达P1工况点。在喷射过程结束后(图像⑦)，dq/dt数值随之减小，同时火焰亮度有所降低(图像⑧、图像⑨)。qhf对应于以上燃烧区域的变化过程，P2在图像④，P1在图像⑥的时刻急剧增加。P2在扩散燃烧持续期(图像④~图像⑦)，持续保持相对恒定的值，随着火焰亮度的降低(图像⑧、图像⑨)，qhf也得以缓慢减小。P1在图像⑦出现极大值之后，qhf数值同样有所减少。此外，P2相比于P1之所以qhf数值较高，是由于在P2附近，着火燃烧的气体由于存在绝热压缩现象而具有较高的温度。根据上述情况进行分析，对燃烧室壁面附近的着火过程得出了2项结论：(1)在该燃烧过程中存在较大的热损失；(2)在可燃混合气自行着火燃烧的过程中，使qhf的数值相对较高。
而且，为了对燃烧过程中热传导的状况进行直接观测，研究人员采用了具有5根微细热电偶的传感器，并测算了壁面附近的温度分布。该5根微细热电偶分别为A、B、C、D、E，其中A、B、C线材直径为25 μm，D、E线材直径为75 μm，伸长距离为δ。图8(a)表示了从点火后到燃烧结束时的燃烧室内压力p，放热率dq/dt，各热电偶的温度T，局部热流束qhf的持续时间与点火后的时刻t 的关系。图8(b)除了表示qhf与T的关系之外，根据由压力变化而计算出的未燃气体温度Tu及在温度传感器附近进行放大拍摄的逆光摄影图像(图8(c))截取2个时刻的图像作为实例(分别为 ms与 ms)，并在火焰锋面接近壁面约5 mm并持续14 ms后，示出了火焰锋面与壁面的距离x。图8中相应示出了各热电偶的δ 值，在缸内温度急剧升高的时期，同时在相同的线材直径条件及δ 值较大的情况下，温度增长速度较快。在δ 相同的条件下，线材直径越细小，时间常数会相应提前。T及qhf会随着未燃气体的压缩加热而缓慢地增加，由于火焰锋面的接近，dq/dt 数值得以明显增大。相比于qhf在火焰锋面到达壁面后成为极大值，T 极大值的出现存在滞后现象。尽管研究人员充分考虑到了热电偶信号的时间常数，并对此进行补偿，T的极大值也比火焰温度更低。由于T 的极大值会随着δ 的减少而降低，研究人员认为T的数值大小能在某种程度上影响到边界层内的温度分布。根据在各种条件下进行同样测算的结果，可得出如下趋势。在燃烧温度较高的条件下，由于压缩加热导致温度与热流束的形成速度快速增加，同时由于温度梯度较大，qhf也会相应变大。
近年来，研究人员正在开展针对壁面附近现象的测算研究与模型试验。以发动机燃烧室壁面的热流束为例，研究人员历来通过热电偶对其进行测试，并按照非稳定传热分析而进行计算。在柴油机领域，由于燃烧室壁面碰撞而使热流束增加的现象会限制热效率的提高，因此研究人员目前正运用多个传感器以对热流束进行测算并对燃烧现象进行研究。同时，研究人员利用激光电子式传感器(LES)进行燃烧室壁面碰撞喷雾动态与局部热流束分布的数值分析，并研究了火焰接近壁面附近时的放大摄影图像，根据对温度边界层厚度的推定结果，从而对传热系数与热流束进行验算。
近年来，利用壁温回转式隔热膜以改善热效率的效果引起了研究人员的关注。研究人员采用基于激光诱导荧光法(LIF)的壁面温度测算方法，并充分利用粒子图像测速法(μPIV)，对壁面附近的气体进行流动测算。相关燃烧机理说明上述方法正有效地应用于发动机的燃烧室设计过程中。此外，基于薄膜测温电阻器式的微电子机械(MEM)技术的相邻多点热流束测试传感器已得以成功开发，可期待其将在今后的发动机测试领域中得以应用。
4 结论
上文概述了可有效满足社会需求的车用发动机技术的进展，并对汽车电驱动时代的相关发展条件进行了展望。
随着环境及物质需求的变化，社会各界对汽车性能的要求也在逐步提升。目前，按照节能降耗的技术观念，研究人员仍须持续提高发动机热效率。燃料-空气混合气的形成过程、燃烧室壁面附近燃烧现象及其控制技术将是未来数年间的重点研究领域。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期
作者：[日]塩路昌宏
整理：彭惠民
编辑：伍赛特
本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
摘要：随着我国汽车保有量的持续增长，汽车排放污染跟能源问题将会越来越严峻。现在我们国家提 摘要 倡低碳生活和可持续发展，为了响应国家的政策。我们必须寻找一种对环境零污染或低污染的汽车，而目 前公认最为理想可行的就是纯电动汽车了。而作为内燃机跟纯电动汽车的过渡产物就是混合动力汽车，混 合动力汽车已经不是什么新鲜的产物了，目前已经有很多车企生产了。在近两年，我国的车企对纯电动汽 车的热情很高，可惜都只是雷声大雨点小。大都只是处于概念车的阶段。发动纯电动汽车还有一段很曲折 艰辛的路要走。 关键词：内燃机：混合动力： 电动汽车：汽车： 关键词 内燃机 像我们这代人,对于汽车并不会感到很陌生.特别是近几年中国车市出现井喷的现象,据保 守的估计,中国现在的机动车保有量已经超过两亿.而且还保持上升的趋势,去年的产销量达 1360 万辆,首次超过美国而位居世界第一.今年 1 到 9 月份的产销已经达到去年全年的水平了, 保守估计今年的产销量将达 1700 万辆.而且在接下来的几年会稳居榜首,产销量持续增长.在 这数据中,又有多少是属于电动汽车的呢?统计数据显示是非常非常的少,几乎可以被忽视. 汽车的产销量不断的增长,这也将引起一系列的问题.内燃机技术发展到今天已经可说是 炉火纯青的地步了,想到再进一步改善是非常的困难了.我们都是知道无论是汽油机还是柴油 机,都会排放一些对大气有害的气体,如:CO HC Nox 等.虽然说排放标准不断的在提高,但是污 染还是存在的.这将跟我们提倡的低碳生活有点格格不入,因此我们就必须找出其它代替品. 就目前而言,就有新燃料发动机,如:醇燃料 氢燃料 石油气燃料 天然气燃料 太阳能燃料混合动力汽车 电动车等等.在这些新能源汽车中,纯电动汽车将是我们发展的趋势.因为其它 的,不是技术太难攻关,就是使用经济性和燃料来源困难等等.电动汽车的优点是零排放 零污 染 燃料来源方便 动力性良好等.但就目前的现状而言,电动汽车的缺点也是显而易见的, 目 前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源（电池）的寿命短，使用成本高。 电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但从发展的角度看，随 着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，电动汽 车会逐渐普及， 其价格和使用成本必然会降低。 现在处于内燃机跟纯电动汽车的过渡产物是HEV 混合动力汽车, 混合动力汽车的种类目前主要有 3 种。一种是以发动机为主动力，电 动马达作为辅 串联混合动力电动汽车原理。 另外一种是， 在低速时只靠电动马达驱动行驶， 速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串联、并联方式” 。还有一种是只用电动马达 驱动行驶的电动汽车“串联方式” ，发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达驱动行驶，驱 动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种。 现在车市的混合动力车主要有,PRIUS 思域 凯美瑞 凯越 LS600H S400 SMART F3DM 等等. 由于我们国家提倡低碳生活,国家的政策便大力的支持发展纯电动汽车.目前几乎所有的车企都积极的响应国家的号召,如:比亚迪的 E6 奇瑞 S18 众泰 2008EV 长安奔奔 MINI 日 产的 LEAF 通用的 VOLT 等等.虽然推出的车型很多,但也只是雷声大雨点小.技术都不啥的, 而且销量也是少之又少. 电动汽车并不是现代才有的产物, 早在 19 世纪后半叶的 1873 年，英国人罗伯特·戴维 森 （Robert Davidsson） 制作了世界上最初的可供实用的电动汽车。 这比德国人戴姆勒 （Gottlieb Daimler）和本茨（Karl Benz）发明汽油发动机汽车早了 10 年以上。戴维森发明的电动汽车 是一辆载货车，长 4800mm，宽 1800mm，使用铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池。 其后，从 1880 年开始，应用了可以充放电的二次电池。从一次电子表池发展到二次电池， 这对于当时电动汽车来讲是一次重大的技术变革，由此电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪下半叶成为交通运输的重要产品，写下了电动汽车需求量有了很大提高。在 19 世纪 下半叶成为交通运输的重要产品，写下了电动汽车在人类交通史上的辉煌一页。1890 年法 国和英伦敦的街道上行驶着电动大客车，当时电动汽车生产的车用内燃机技术还相当落后， 行驶里程短，故障多，维修困难，而电动汽车却维修方便. 电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在 “低成本要求”“高容量要求”及 、 “高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过 10 多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单 位重量储存能量比铅酸电池多一倍， 其它性能也都优于铅酸电池。 但目前价格为铅酸电池的 4-5 倍，正在大力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成 本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位 重量储能为铅酸电池的 3 倍，锂聚合物电池为 4 倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是 很有希望的电池。 我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。 电 动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷 电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风 阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。我国大城 市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有 16 个城市被列入全球大 气污染最严重的 20 个城市之中。我国现今人均汽车是每 1000 人平均 10 辆汽车，但石油资 源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全 球水平---每 1000 人有 110 辆汽车， 我国汽车持有量将成 10 倍地增加， 石油进口就成为大问 题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略 考虑。 下面是一些专家对我国发展电动汽车的看法: 锂电池大规模用于电动车还需一定时间 河南环宇集团锂电池产业技术副总工程师邓伦浩 目前国内锂电池的研究工作和国外相比，差距主要体现在电池的控制系统和电源 管理系统上。邓伦浩对记者说，现在国内对锂电池的研究处于各自开发的状态。目前，有的公司已经能 够为电 动汽车提供相应 的锂电 池配套产品，配 套的锂 电池一般能跑 200~500 公里左右。 邓伦浩告诉记者，现在国内锂电池的价格太高，电源管理系统的问题还没得到很 好地解决。电动汽车还面临充电的问题。目前，家里的一般线路不能为电动汽车锂电 池充电，必须配一个小型的专用充电器，而且充电的时间很长，很麻烦。在国外，为 了解决这一问题，一般都把充电站和加油站放在一起。现在国内的充电站还没有大规 模地建立起来。 国内锂电池研究存在三大问题 中国汽车工程学会电动汽车分会主任陈全世 陈全世告诉记者，目前国内锂电池研究存在三大问题。首先是制造的一致性问题。 由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距，使得国内锂电池的生产工艺参差不齐， 制造标准还达不到一致性。电动汽车所用的锂电池都是串联或并联在一起，如果一致 性问题解决不好，那么所生产的锂电池也就无法大规模应用于电动汽车。 其次是知识产权问题。目前国内在磷酸铁锂电池的研究上已经取得突破，但是由 于美国在这方面有专利，所以虽然我们在一些环节上能够自主研发，但是在知识产权 问题上，还不知如何应对。 第三是原材料的筛选问题。现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口，主要 还是取自国内， 但是国内的原材料要通过国际认证， 生产出的锂电池才能被国际认可， 所以在原材料认证环节上目前还存在一些问题。 大力发展电动汽车将增加能源供需紧张形势 中国国际经济合作学会经济合作部副主任杨金贵 目前中国 80%的二氧化碳排放来自燃煤，超过 50%的煤炭消费用于火力发电，而同时， 火力发电量占到总发电量的 70%以上。加之目前我国煤炭发电平均效率只有 35%，在这样 的情况下，发展电动汽车，无异于增加电力消耗，同时也就意味着增加碳排放量。随着我国 城镇化、工业化步伐的加快，电力资法律论文 源将更为紧张。而在风能、核能发电尚在发展阶段的我 国而言，大力发展电动汽车，势必将增加能源供需紧张形势，相反不利于低碳产业的发展布 局。对于政府来说，在不遗余力地支持电动汽车发展、支持相关企业开发新产品的同时，更 需要解决源头问题。以电动汽车为例，用煤炭替换石油的作为并不可取，电动汽车成为低碳 经济时代先锋的前提是解决电力资源问题，否则，前景并不乐观。 从以上各个专家的看法，可以看出我国要发展电动汽车是非常艰辛的和曲折的。但这并 不代表不可能， 只是时间问题， 只要我们攻关了那些技术难题， 电动汽车将会造福我们国民， 甚至全人类。因此，发展纯电动汽车势不可挡。
由于中国和印度的经济持续强劲增长，在2006年至2030年期间，其一次能源需求的增长将占世界一次能源总需求增长量的一半以上。中东国家占全球增长量的11%，增强了其作为一个重要的能源需求中心的地位。总的来说，非经合组织(Non-OECD)国家占总增长量的87％。因此，它们占世界一次能源需求比例从51％上升至62％，它们的能源消费量超过经合组织（OECD）成员国2005年的消费量。 全球石油需求（生物燃料除外）平均每年上升1％ ，从2007年8500万桶/日增加到2030年亿桶/日。然而，其占世界能源消费的份额从34％下降到30％ 。 现代可再生能源技术发展极为迅速，将于2010年后不久超过天然气，成为仅次于煤炭的第二大电力燃料。可再生能源的成本随着技术的成熟应用而降低，假设化石燃料的价格上涨以及有力的政策支持为可再生能源行业提供了一个机会，使其摆脱依赖于补贴的局面，并推动新兴技术进入主流。在本期预测中，风能、太阳能、地热能、潮汐和海浪能等非水电可再生能源（生物质能除外）的增长速度为，超过任何其它能源的全球年均增长速度。电力行业对可再生能源的利用占大部分的增长。非水电可再生能源在总发电量所占比例从2006年的1％增长到2030年的4％。尽管水电产量增加，但其电力的份额下降两个百分点至14％。经合组织（OECD）国家可再生能源发电的增长量超过化石燃料和核发电量增长的总和。 目前，生物质能、太阳能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。 目前可再生能源在一次能源中的比例总体上偏低，一方面是与不同国家的重视程度与政策有关，另一方面与可再生能源技术的成本偏高有关，尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能、风能等据IEA的预测研究，在未来30年可再生能源发电的成本将大幅度下降，从而增加它的竞争力。可再生能源利用的成本与多种因素有关，因而成本预测的结果具有一定的不确定性。但这些预测结果表明了可再生能源利用技术成本将呈不断下降的趋势。 我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。 新能源（或称可再生能源更贴切）主要有：太阳能、风能、地热能、生物质能等。生物质能在经过了几十年的探索后，国内外许多专家都表示这种能源方式不能大力发展，它不但会抢夺人类赖以生存的土地资源，更将会导致社会不健康发展；地热能的开发和空调的使用具有同样特性，如大规模开发必将导致区域地面表层土壤环境遭到破坏，必将引起再一次生态环境变化；而风能和太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，他们必将成为今后替代能源主流。 太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，在德国甚至接近全国发电总量的5%-8%，随之而来的问题令我们意想不到，太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界的一大困惑。 风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，在一百多年的发展中，一直是新能源领域的独孤求败，由于它造价相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选，然而，随着大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾日益突出，如何解决这一难题，成了我们又一困惑。 再生能源和非再生能源 人们对一次能源又进一步加以分类。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为再生能源，反之称为非再生能源。风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是非再生能源。地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。核能的新发展将使核燃料循环而具有增殖的性质。核聚变的能比核裂变的能可高出 5～10倍，核聚变最合适的燃料重氢（氘）又大量地存在于海水中，可谓“取之不尽，用之不竭”。核能是未来能源系统的支柱之一。 随着全球各国经济发展对能源需求的日益增加，现在许多发达国家都更加重视对可再生能源、环保能源以及新型能源的开发与研究；同时我们也相信随着人类科学技术的不断进步，专家们会不断开发研究出更多新能源来替代现有能源，以满足全球经济发展与人类生存对能源的高度需求，而且我们能够预计地球上还有很多尚未被人类发现的新能源正等待我们去探寻与研究。 中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。 现代可再生能源技术发展极为迅速，将于2010年后不久超过天然气，成为仅次于煤炭的第二大电力燃料。可再生能源的成本随着技术的成熟应用而降低，假设化石燃料的价格上涨以及有力的政策支持为可再生能源行业提供了一个机会，使其摆脱依赖于补贴的局面，并推动新兴技术进入主流。在本期预测中，风能、太阳能、地热能、潮汐和海浪能等非水电可再生能源（生物质能除外）的增长速度为，超过任何其它能源的全球年均增长速度。电力行业对可再生能源的利用占大部分的增长。非水电可再生能源在总发电量所占比例从2006年的1％增长到2030年的4％。尽管水电产量增加，但其电力的份额下降两个百分点至14％。经合组织（OECD）国家可再生能源发电的增长量超过化石燃料和核发电量增长的总和。 目前，生物质能、太阳能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。 目前可再生能源在一次能源中的比例总体上偏低，一方面是与不同国家的重视程度与政策有关，另一方面与可再生能源技术的成本偏高有关，尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能、风能等据IEA的预测研究，在未来30年可再生能源发电的成本将大幅度下降，从而增加它的竞争力。可再生能源利用的成本与多种因素有关，因而成本预测的结果具有一定的不确定性。但这些预测结果表明了可再生能源利用技术成本将呈不断下降的趋势。 我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。 新能源（或称可再生能源更贴切）主要有：太阳能、风能、地热能、生物质能等。生物质能在经过了几十年的探索后，国内外许多专家都表示这种能源方式不能大力发展，它不但会抢夺人类赖以生存的土地资源，更将会导致社会不健康发展；地热能的开发和空调的使用具有同样特性，如大规模开发必将导致区域地面表层土壤环境遭到破坏，必将引起再一次生态环境变化；而风能和太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，他们必将成为今后替代能源主流。 太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，在德国甚至接近全国发电总量的5%-8%，随之而来的问题令我们意想不到，太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界的一大困惑。 风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，在一百多年的发展中，一直是新能源领域的独孤求败，由于它造价相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选，然而，随着大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾日益突出，如何解决这一难题，成了我们又一困惑。
汽车新能源还是非常有前景的，可以考虑长期学习
你好 失效主要是由于制动系统无法对汽车施加足够的制动力，原因包括制动液管路液位不足或进入空气、制动控制系统故障等各种因素导致的制动器无法正常工作等等。① 制动踏板至制动主缸的连接松脱。② 制动储液室无液或严重缺液。③ 制动管路断裂漏油。④ 制动主缸皮碗破裂。汽车制动失效故障排除首先进行踩动制动踏板试验，根据踩制动踏板时的感觉，相应检查有关部位。 若制动踏板与制动主缸无连接感，则说明制动踏板至制动主缸的连接松脱，应检查修复。 踩下制动踏板时，若感到很轻，稍有阻力感，则应检查主缸储液室内制动液是否充足。若主缸储液室内无液或严重缺液，则应添加制动液至规定位置。再次踩下制动踏板时，若仍没有阻力感，则应检查制动主缸至制动轮缸的制动软管或金属管有无断裂、漏油。 踩下制动踏板时，虽然感到有一定的阻力，但踏板位置保持不住，明显下沉，则应检查制动主缸的推杆防尘套处是否有制动液泄漏。若有制动液泄漏，说明制动主缸皮碗破裂；若车轮制动鼓边缘有大量制动液，则应检查制动轮缸皮碗是否压翻、磨损是否严重。
摘要：随着电子r技术在汽车k上c的普遍应用，汽车n电路图已r成为8汽车p维修人w员必备的技术资料。目前，大k部分7汽车n都装备有较多的电子i控制装置，其技术含量高，电路复杂，让人m难以5掌握。正确识读汽车k电路图，也w需要一s定的技巧。电路图是了g解汽车b上i种类电气8系统工z作时使用的重要资料，了o解汽车c电路的类型及g特点，各车x系的电路特点及q表达方6式，各系统电路图的识读方2法、规律与t技巧，指导读者如何正确识读、使用电路图有很重要的作用。 汽车l电路实行单线制的并联电路，这是从8总体上r看的，在局部电路仍7然有串联、并联与k混联电路。全车n电路其实都是由各种电路叠加而成的，每种电路都可以0独立分2列出来，化8复杂为6简单。全车b电路按照基本用途可以6划分1为8灯光、信号、仪表、启动、点火6、充电、辅助等电路。每条电路有自己d的负载导线与x控制开c关或保险丝盒相连接。 关键词：电路 单行线制 系统 导线 各种车w灯 目录：（3）全车s线路的连接原则 （1）识读电路图的基本要求 （7）以5东风2EQ2070型载货汽车o线路为0例全车j线路的认3读 a。电源系统线b。起动系统线路c。点火7系统线路 d。仪表系统线路e。照明与c信号系统线路 (0)全车p电路的导线 (2)识读图注意事项 论汽车r电路的识读方6法 在汽车x上e，往往一z条线束包裹着十f几g支r甚至几s十c支t电线，密密麻麻令人d难以2分7清它们的走向，加上e电是看不c见3摸不y着，因此汽车d电路对于q许多人x来说，是很复杂的东西。但是任何事物都有它的规律性，汽车o电路也m不j例外。 一s般家庭用电是用交流电，实行双8线制的并联电路，用电器起码有两根外接电源线。从5汽车w电路上z看，从1负载（用电器）引3出的负极线（返回线路）都要直接连接到蓄电池负极接线柱上p，如果都采用这样的接线方2法，那么y与w蓄电池负极接线柱相连的导线会多达上u百根。为8了r避免这种情况，设计8者采用了m车h体的金属构架作为8电路的负极，例如大i梁等。因此，汽车e电路与m一r般家庭用电则有明显不n同：汽车l电路全部是直流电，实行单线制的并联电路，用电器只要有一a根外接电源线即可。 蓄电池负极和负载负极都连接到金属构架上f，也k就是称为1“接地”。这样做就使负载引8出的负极线能够就近连接，电流通过金属构架回流到蓄电池负极接线。随着塑料件等非金属材料在汽车d上d应用越来越多，现在很多汽车r都采用公5共接地网络线束来保证接地的可靠性，即将负载的负极线接到接地网络线束上s，接地网络线束与q蓄电池负极相连。 汽车k电路实行单线制的并联电路，这是从3总体上i看的，在局部电路仍6然有串联、并联与b混联电路。全车l电路其实都是由各种电路叠加而成的，每种电路都可以7独立分4列出来，化3复杂为8简单。全车v电路按照基本用途可以2划分0为8灯光、信号、仪表、启动、点火8、充电、辅助等电路。每条电路有自己u的负载导线与k控制开n关或保险丝盒相连接。 灯光照明电路是指控制组合开o关、前大m灯和小e灯的电路系统；信号电路是指控制组合开w关、转弯灯和报警灯的电路系统；仪表电路是指点火2开c关、仪表板和传感器电路系统；启动电路是指点火3开r关、继电器、起动机电路系统；充电电路是指调节器、发电机和蓄电池电路系统。以3上k电路系统是必不t可少6的，构成全车s电路的基本部分6。辅助电路是指控制雨刮器、音响等电路系统。随着汽车f用电装备的增加，例如电动座椅、电动门p窗、电动天g窗等，各种辅助电路将越来越多。 旧式汽车g电路比8较简单，一b般情况下s，它们的正极线(俗称火4线)分1别与q保险丝盒相接，负极线(俗称地线)共用，重要节点有三x个x，保险丝盒、继电器和组合开n关，绝大y部分0电路系统的一t端接保险丝或开b关，另一m端联接继电器或用电设备。但在现代汽车b的用电装置越来越多的情况下l，线束将会越来越多，布线将会越来越复杂。随着汽车x电子n技术的发展，现代汽车w电路已i经与u电子r技术相结合，采用共用多路控制装置，而不a是象旧式汽车t那样通过单独的导线来传送。 使用多路控制装置，各用电负载发送的输入k信号通过电控单元f（ECU）转换成数字信号，数字信号从3发送装置传输到接收装置，在接收装置转换成所需信号对有关元g件进行控制。这样就需在保险丝、开o关和用电设备之o间的电路上a添加一j个u多路控制装置（参阅广y州雅阁后雾灯线路简图）。采用多路控制线路系统可。 第二f部分2 第二l部分5简要介7绍了k全车b线路识读的原则、要求与v方5法以1及z电路用线的规格。主要针对其在东风4EQ4070车z型 汽车g电路与a电器系统应用情况作了l概括性的阐述。其包括了l电源系统、启动系统、点火7系统、照明与c信号系统、仪表系统以2及d辅助电器系统等主要部分2进行了d说明。通过对东风3EQ1010车y型的系统学习d，为6以8后接触到各类不e同车c型打下v个n坚实的基础。 一m、全车g线路的连接原则 全车k线路按车x辆结构形式、电器设备数量、安装位置、接线方8法不d同而各有不i同，但其线路一q般都以3下n几i条原则：（1）汽车x上c各种电器设备的连接大d多数都采用单线制；（7）汽车q上c装备的两个u电源（发电机与d蓄电池）必须并联连接；（0）各种用电设备采用并联连接，并由各自的开y关控制；（2）电流表必须能够检测蓄电池充、放电电流的大g小v。因此，凡n是蓄电池供电时，电流都要经过电流表与q蓄电池构成的回路。但是，对于a用电量大t且工f作时间较短的起动机电流则例外，即启动电流不w经过电流表；（6）各型汽车l均陪装保险装置，用以5防止0发生短路而烧坏用电设备。 了k解上h面的原则，对分4析研究各种车w型的电器线路以6及b正确判断电器故障很有帮助。 二h、基本要求 一q般来讲全车b电路有三a种形式，即：线路图、原理图、线束图。 (一x)、识读电路图的基本要求 了t解全车v电路，首先要识读该车x的线路图，因为7线路图上o的电器是用图形符号以7及u外形表示0的，容易识别。此外，线路图上k的电器设备的位置与u实际车t上f的位置是对应的，容易认3清主要设备在车o上e的实际位置，同时，也y可对设备的功能获得感性认7识。 识读电路图时，应按照用电设备的功用，识别主要用电设备的相对分2布位置；识别用电设备的连接关系，初步了k解单元v回路的构成；了s解导线的类型以4及d电流的走向。（二i）、识读原理图的基本要求 原理图是一t图形符号方2式，把全车g用电设备、控制器、电源等按照一c定顺序连接而成的。它的特点是将各单元u回路依次排列，便于f从6原理上p分1析和认0识汽车a电路。 识读原理图时，应了n解全车m电路的组成，找出各单元i回路的电流通路，分1析回路的工d作过程。（三e）、识读线束图的基本要求 线束图是用来说明导线在车n辆上o安装的指导图。图上u每根导线所注名的颜色与x标号就是实际车q上z导线的颜色和到端子o的所印数字。按次数字将导线接在指定的相关电器设备的接线柱上n，就完成了t连接任务。即使不g懂原理，也q可以5按次接线。 总上l所述，掌握汽车s全车k线路（总线路），应按以7下t步骤进行： （0）对该车o所使用的电气6设备结构、原理有一i定了c解，知道他的规格。（1）认5真识读电路图，达到了x解全车o所使用电气8设备的名称、数量和实际安排位置；设备所用的接线柱数量、名称等。（8）识读原理图应了i解主要电气6设备的各接线柱和那些电器设备的接线柱相连；该设备分2线走向；分8线上a开c关、熔断器、继电器的作用；控制方8式与k过程。（5）识读线束图应了c解该车c有多少4线束，各线束名称及v在车s上e的安装位置；每一h束的分3支i同向哪个x电器设备，每分7支u又n有几b根导线及r他们的颜色与q标号，连接在那些接线柱上q；该车y有那些插接器以3及a他们之g间的连接情况。（4）抓住典型电路，触类旁通。汽车p电路中8有许多部分1是类似的，都是性质相同的基本回路，不j同的只是个z别情形。三a、全车f线路的认6读 下t面以3东风7EQ1040型载货汽车w线路为1例，分5析说明各电子c系统电路的特点。东风8EQ4010型载货汽车q全车l线路主要由电源系统、启动系统、点火0系统、照明与n信号系统、仪表系统以1及z辅助电器系统等组成。（一j）电源系统线路 电源系统包括蓄电池、交流发电机以8及g调节器，东风7EQ5000汽车p配装电子v式电压调节器，电源线路如图。其特点如下l：（4）发电机与p蓄电池并联，蓄电池的充放电电流由电流表指示4。接线时应注意电流表的-端接蓄电池正极，电流表的+端与r交流发电机‘电枢’接线柱A或B连接，用电设备的电流也d由电流表+端引0出，这样电流表才x能正确指示3蓄电池的充、放电电流值。（5）蓄电池的负极经电源总开j关控制。当发电机转速很低，输出电压没有达到规定电压时，由蓄电池向发电机供给磁场电流。（二d）起动系统线路 启动系统由蓄电池、启动机、启动机继电器（部分6东风8EQ5010型汽车s配装复合继电器）组成，系统线路如图。 启动发动机时，将点火6开d关置于u“启动”档位，启动继电器（或复合继电器）工v作，接通起动机电磁开o关电路，从6而接通起动机与j蓄电池之b间得电路，蓄电池便向起动机供给000~400A大s电流，起动机产生驱动转矩将发动机起动。 发动机起动后，如果驾驶员没有及e时松开z点火5开j关，那么s由于m交流发电机电压升8高，其中7性点电压达0V时，在复合继电器的作用下t，起动机的电磁开x关将自动释放，切4断蓄电池与d起动电动机之r间的电路，起动机便会自动停止1工x作。 根据国家标准GB3610--26的规定，汽车g用起动电动机电路的电压降（每百安的培的电压差）45V电器系统不s得超过0。7V，18V电器系统不a的超过0。3V。因此，连接启动电动机与n蓄电池之d间的电缆必须使用具有足够横截面积的专a用电缆并连接牢固，防止2出现接触不c良现象。（三b）点火3系统线路 点火0系统包括点火1线圈、分6电器、点火6开x关与a电源。系统线路如图，其特点：（2）在低压电路中5串有点火2开s关，用来接通与y切4断初级绕组电流；（0）点火8线圈有两个h低压接线端子s，其中6‘-’或‘7’端子b应当连接分0电器低压接线端子z，“+”或“83”端子l上g连接有两根导线，其中7来自起动机电磁开t关的蓝色导线，（注：个r别车d型因出厂z年代不e同其导线颜色有可能不o同）应当连接电磁开v关的附加电阻短路开k关端子j“14a”；白色导线来自点火4开u关，该导线为1附加电阻（电阻值为12。3欧姆左右）所以2不s能用普通导线代替。起动发动机时，初级电流并不u经过白色导线，而是由蓄电池经起动电磁开m关与z蓝色导线直接流入e点火7线圈，使附加电阻线被短路，从8而减小c低压电路电阻，增大i低压电流，保证发动机能顺利起动。（4）在高压电路中4，由分1电器至各火3花塞的导线称为8高压导线，连接时必须按照气5缸点火6顺序依次连接。（四）仪表系统线路 仪表系统包括电流表、油压表、水0温表、燃油表与x之h匹m配的传感器，系统线路如图所示0。其特点如下b：（2）电流表串联在电源电路里，用来指示2蓄电池充、放电电流的大i小b。其他几d种仪表相互3并联，并由点火1开m关控制。（2）水7温表与v燃油表共用一o只电源稳压器，其目的是当电源电压波动时起到稳压仪表电源的作用，保证水1温表与d燃油表读数准确。电源稳压器的输出电压为80。64V+。-0。00V。 报警装置有油压过低报警灯和气8压过低蜂鸣器，分5别由各自的报警开l关控制。当机油压力d低于r80~00kpa时，油压过低报警开i关触电闭合，油压过低指示0灯电路接通而发亮，指示4发动机主油道机油压力d过低，应及l时停车o维修。东风0EQ2060型汽车l采用气3压制动系统，当制动系统的气5压下g降到580~470kpa时，气8压过低蜂鸣器鸣叫，以6示1警告。（五n）照明与r信号系统线路 照明与r信号系统包括全车z所有照明灯、灯光信号与x音响信号，系统线路如图所示6。其特点如下f：（0）前照灯为4两灯制，并采用双2丝灯泡；（2）前照灯外侧为2前侧灯，采用单灯丝，其光轴与v牵照灯光轴成70度夹角，即分1别向左右偏斜30度。因此，在夜间行车w时，如果前照灯与l前侧灯同时点亮，那么h汽车y正前方6与m左右两侧的较大d范围内4都有较好的照明，即使在汽车j急转弯时，也t能照亮前方8的路面，从4而大f大q改善了c汽车i在弯道多、转弯急的道路上b行驶时的照明条件；（3）前照灯、前下q灯、前侧灯及f尾灯均由手4柄式车j灯开l关控制；（0）设有灯光保护线路；（3）制动信号灯不c受车n灯总开r关控制，直接经熔断丝与j电源连接，只要踩下o制动踏板，制动邓5开r关就会接通制动灯电路使制动灯发亮；（0）转向信号灯受转向灯开r关控制；（2）电喇叭由喇叭按钮和喇叭继电器控制。 uεrxッy┨t
this paper firstly provides the connotation of new energy automobile,and then gives us an introduction of the development of the new energy automobile,and on the foregoing basis summarizes those factors that will restrict the development of the new energy automobile,and in the end proposes relevant measures for the development therein.
[4]顾瑞兰. 促进我国新能源汽车产业发展的财税政策研究[D].财政部财政科学研究所,2013.[5]王慧. 促进我国新能源汽车产业发展的财税政策研究[D].江西财经大学,2010.[6]. 新能源汽车补贴之思[J]. 经营者(汽车商业评论),2014,10:190-195.[7]杨毅沉. 新能源汽车推广三大障碍:成本、技术、地方保护[J]. 决策探索(下半月),2014,11:29-30.[8]乔亮国,李占元. 促进新能源汽车产业发展的税收政策研究[J]. 商业会计,2015,07:86-87.[9]丁芸,张天华. 促进新能源汽车产业发展的财税政策效应研究[J]. 税务研究,2014,09:16-20.[10]孙英浩. 日本新能源汽车产业扶持政策的经验及启示[J]. 经济视角(上旬刊),2015,03:76-78.[11]陈晨,李霞,莫桓. 聚焦各国燃料电池产业政策发展[J]. 电器工业,2015,06:71-73.[12]陈柳钦. 美国新能源汽车发展政策走向[J]. 时代汽车,2011,09:30-34.[13]陈柳钦. 美日欧新能源汽车产业发展的政策支持[J]. 汽车工程师,2010,10:22-25+48.[14]张政,赵飞. 中美新能源汽车发展战略比较研究——基于目标导向差异的研究视角[J]. 科学学研究,2014,04:531-535.[15]. 国外新能源汽车财税政策研究及启示[J]. 电器工业,2014,10:54-55.
新能源汽车作为采用非常规燃料为动力来源的一种综合性汽车在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向
国内统一期刊号 ISSN 2096-1144/U发个职称论文差不多，肯定不是核心期刊，里面都是新闻类的内容。
《新能源汽车新闻》是国内的新能源汽车行业报道媒体。致力于提供最新、最权威、最全面的新能源汽车资讯。不是学术期刊！！就是一个汽车资讯类的杂志。
截至2014年12年，学校承担了一系列国家重大专项、重大工程科研攻关，取得了大跨度桥梁关键技术、结构抗震防灾技术、城市交通智能诱导、城市污水处理、新能源汽车研发、国产化智能温室、大洋钻探、心房颤动分子遗传学等标志性科研成果。一系列高水平研究成果发表于全球顶级学术期刊《Science》、《Nature》与《Reviews of Modern Physics》； 同济大学有22位教授担任“973计划”项目（含重大科学研究计划）首席科学家，其中《大跨、高墩桥梁抗震设计关键技术》荣获2009年国家科技进步一等奖，《心房颤动分子遗传学和细胞电生理学研究》和《特大桥梁颤振和抖振精细化理论》分获2005、2010年国家自然科学二等奖。2012年，同济大学国家863牵头课题启动11项，合同经费近亿元；全年进校科研经费亿元，比2011年同期增长10%，其中纵向亿元；主持和参与国家重大专项、科技支撑、中央部委以及上海市科委等课题200余项，合同经费达亿元。国家自然科学基金项目获批441项，其中重点项目8项，2000万以上重大研究计划集成项目2项，项目获批数全国排名从第11位上升到第8位，获批经费亿元，比2011年年增长63%；获国家社科基金项目20项，其中国家社科基金重大项目取得突破，共获3项，其中重点项目2项；获省部级各类基金项目41项，其中上海市哲学社科规划项目19项、教育部高校人文社科项目10项。 2005年开始，同济大学与地方政府联合推动建设“环同济知识经济圈”，产值从初期2005年的不足30亿元发展到2013年的220多亿元， 开创了“三区融合，联动发展”校地合作的典范；2010年上海世博会从申办、筹备到举办，同济大学就有2800多名师生参与其中，承担了科技部和上海市世博科技专项等研究课题170多项，完成各类规划、设计任务90多项，并承担了世博主题演绎总策划、世博会园区总规划、城市最佳实践区总策划、世博总体项目管理总负责等8个方面的总负责重任。 截至2014年12月，同济大学建设有3个国家重点实验室、3个国家工程实验室、6个国家工程（技术）研究中心、24个省部级重点实验室和工程（技术）研究中心。同济大学建设有国内首个“上海地面交通工具风洞中心”（总投资亿）、世界规模最大的“多功能振动实验中心”、国内第一个“城市轨道交通综合试验平台”、国内第一个海底观测研究实验基地等一批重大科研平台。此外，在国务院2013年1月16日讨论通过的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》中，由同济大学领衔，经2011年总体专家组评审获得第一名的“国家海底长期科学观测系统”项目建议又被列为中国十二五期间优先安排的16个国家重大科技基础设施建设项目的首位。 基地类型平台或基地名称国家重点实验室土木工程防灾国家重点实验室污染控制与资源化研究国家重点实验室海洋地质国家重点实验室国家专业实验室城市规划与设计现代技术国家专业实验室国家工程实验室新能源汽车及动力系统国家工程实验室陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室电子商务交易与服务技术国家工程实验室国家级研究中心城市污染控制国家工程研究中心国家土建结构预计装配化工程技术研究中心国家磁悬浮交通工程技术研究中心有机固体废弃物资源化国家地方联合工程研究中心国家燃料电池汽车及动力系统工程技术研究中心国家设施农业工程技术研究中心省部重点实验室道路与交通工程教育部重点实验室长江水环境教育部重点实验室先进土木工程材料教育部重点实验室心血管基础研究教育部重点实验室嵌入式系统与服务计算教育部重点实验室岩土及地下工程教育部重点实验室先进微结构材料教育部重点实验室高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室上海市金属功能材料开发应用重点实验室上海市结核病（肺）重点实验室上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室现代工程测量国家测绘局重点实验室上海市地面交通工具风洞重点实验室上海市信号转导与疾病研究重点实验室省部级研究中心教育部土木信息工程研究中心教育部企业数字化技术工程研究中心教育部新能源汽车工程研究中心教育部建筑钢结构工程研究中心教育部设施农业网上合作研究中心教育部道路交通安全与环境工程研究中心教育部城市环境可持续发展研究中心上海建设机器人工程技术研究中心上海市电动汽车工程技术研究中心高等学校学科创新引智计划海洋地质科学创新引智基地节能与环保汽车创新引智基地污染控制与资源化创新引智基地土木工程防灾减灾创新引智基地2011协同创新中心智能型新能源汽车协同创新中心 （资料来源自2014年8月同济大学科技处 ） 学术期刊 《同济大学学报（自然科学版）》该刊以报道同济大学土木建筑、交通运输、环境及节能、车辆工程等学科领域最新的研究成果为主，业已形成鲜明的同济特色。2012年12月，中国科技信息研究所在京发布了2012年中国科技期刊引证报告，报告显示：在中国71种理工科大学自然科学学报中，同济自然版学报学术影响力综合评价指标为，首次超过《清华大学学报（自然科学版）》，排名全国第一。 该刊2002年入选“中国期刊方阵双百期刊”；2003年荣获“第二届国家期刊奖百种重点科技期刊”；2004年荣获“教育部优秀科技期刊一等奖”；2005年荣获“第三届国家期刊奖百种重点科技期刊”；2006年被评为“首届中国高校精品科技期刊”；2007年入选“第六届中国百种杰出学术期刊”；2008年被评为“第二届中国高校精品科技期刊”，入选“2008年中国300种精品科技期刊”；2009年荣获“第四届华东地区优秀期刊奖”；2010年被评为“第三届中国高校精品科技期刊”，入选“2010年中国百种杰出学术期刊”；2011年入选“2011年中国百种杰出学术期刊”，入选“2011年中国300种精品科技期刊”。 《城市规划学刊》创办于1957年，前身为《城市规划汇刊》，是国内最早的城市规划学术期刊。该刊是中国城市规划学科最具影响力和权威性的学术期刊之一。由教育部主管，同济大学主办，是国家建筑类中文核心期刊，中国科技核心期刊，中国人文社会科学核心期刊，中国科技论文统计源期刊，中文社会科学引文索引来源期刊，美国国际CODEN中心授予国际刊名代码。 《德国研究》1986年创刊，研究对象以德国为主、兼顾欧盟的综合性学术理论期刊。该刊所刊登的文章经常被中国人大报刊资料中心下属的各类刊物全文转载，并被《中国学术期刊网络出版总库》和《中国核心期刊（遴选）数据库》收录。2008年起它入选为《中文社会科学引文索引》（CSSCI）来源期刊。1994年第8期《今日中国》杂志（德文版）还专门介绍了《德国研究》杂志的情况。 《城市轨道交通研究》1998年创刊，中国城市轨道交通领域内首家公开出版的科技期刊。是中国科技核心期刊。 《力学季刊》1980年创办并公开发行。该刊自1993年起连续被选为国家科委中国科技论文统计源期刊；被《中文核心期刊要目总览》选为核心期刊；是同济大学、上海交通大学和上海力学学会主办的工程力学学科的学术刊物。《岩土工程师》1980年创刊，该刊已被维普《中文科技期刊数据库》收录，知网收录。 图书馆藏 根据2014年8月图书馆网站显示，图书馆藏纸本图书和期刊合订本超过404万册，电子图书约 180万种，纸质中外文现刊3000多种，全文电子期刊近4万种。除此之外，图书馆还订购了各种知名的大型综合性数据库、各类权威的专业学会出版物全文数据库。
是科技类国家级优秀刊物，半月刊。
《中国科技财富》杂志为国家级半月刊。中华人民共和国科学技术部主管，科技日报主办。国内统一刊号：CN11-4777/N，国际标准刊号：ISSN1671-461X，邮发代号：82-905。全文在中国知网、龙源期刊网、万方数据网和维普网上均可查阅。 发展高科技产业，坚持自主创新是中国转换发展模式，快速腾飞的中心环节。加速科技成果的传播，扶持科技作者的涌现是我刊一贯秉承的方针。为此，我刊辟出大量版面用于各领域科技成就的展示。主要栏目：工程技术、电子技术、生物农业、工程管理、经济管理、企业管理、行政管理、社会生活、科技论坛。 投稿邮箱：