内燃机新能源技术现状及发展趋势.docx

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内燃机新能源技术现状及发展趋势

随着人类城市化进程的加快、人口总量的不断激增和社会分工体系的细化、深化，人类社会对各种资源的需求与日俱增。

需求和资源的矛盾所引发的能源危机和环境保护已经成为全球共同面对的重大挑战。

实现社会的可持续发展和科技领域的绿色革命成为决定人类历史进程的重要任务。

在能源危机和环境保护的双重压力下，开发节能、高效、环保的新能源汽车成为汽车产业的共同命题。

近年来，我国汽车产业蓬勃发展，产销量和保有量迅速增加，已经连续连年成为全球汽车产销量第一的大国，正逐步进入汽车社会。

但是，我国汽车工业同时也面临着产业结构调整和可持续发展的压力，存在产业安全和经济安全等问题，形势依然严峻。

随着我国汽车保有量的增加，对石油的需求也不断增加，2008年我国石油对外度存已经达到52%,接近警戒线水平，石油安全未来将成为我国汽车工业发展的第一制约因素，汽车产业面临严峻的节能、减排和减少碳排放压力。

因此，发展节能和新能源汽车是我国汽车产业实现可持续发展的必然选择。

一、新能源汽车的分类和发展趋势

根据我国《汽车产业发展政策》的有关规定，2007年，国家发展和改革委员会制定了《新能源汽车生产准入管理规则》，《规则》对新能源汽车做出了明确的定义：

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料而采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

广义的新能源汽车包括电动汽车、气体燃料汽车、两用燃料汽车和双燃料汽车。

目前发展比较快，也被大家所熟知的主要是电动汽车。

1、气体燃料汽车：

主要指以液化石油气、天然气或二甲醵（DME）等气体为燃料的发动机的汽车。

国内气体燃料汽车主要为液化气/天然气出租车，液化气/天然气客车、二甲醍客车和天然气卡车，其中以液化石油气汽车和天然气汽车为主。

液化石油气汽车燃气供给系统相对简单，易于实现控制，在气体燃料汽车中所占的市场较大。

但是液化石油气主要来源于原油炼化过程中的副产品，其价格随原油价格波动而波定在一定程度上影响了其推广应用。

天然气汽车燃气供给系统相对复杂，燃气控制要求高，但是价格相对稳定，我国主要在天然气富产区域和西气东输沿线城市应用较广。

二甲醍是柴油的替代燃料，其物理性质与液化石油气相近，常温常压下为气态，需要采用类似柴油机的高压共轨系统，控制系统复杂，目前还仅处于研发阶段。

近年来，我国燃气汽车领域不断取得技术进步，但是液化石油气由于低温难以气化的特点，在低温启动和排放控制方面都逐渐面临压力；二甲酷由于燃料易于气化、对非金属材料具有溶胀性等问题，应用技术还不成熟。

而且要达到未来排放法规的要求，必须应用新型共轨控制技术；相对而言，天然气汽车技术发展相对较快，在动力性、经济性和排放控制等方面都可以达到下一阶段排放法规的要求。

但是压缩天然气汽车压力容器储存的天然气存储质量有限，无法满足整车正常运营里程的要求，LNG可以有效解决这方面的问题，需要进一步关注。

同时，随着天然气加氢技术的不断发展，在改善天然气点火性能和排放性能方面逐渐取得进步，也值得进一步关注。

2、 双燃料汽车：

双燃料汽车是指具有两套燃料供给系统，一套供给天然气或液化气，另一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统按预定的配比向气缸供给燃料，在气缸混合燃烧的汽车。

双燃料汽车主要是柴油-压缩天然气双燃料汽车、柴油-液化石油气双燃料汽车。

双燃料系统要兼顾两种燃料的特性，同时满足使用两种燃料时发动机动力性、排放的良好平衡，实现精确控制是比较难得。

尤其在柴油双燃料系统中，燃气要求点燃式的工作模式，柴油要求压燃式的工作模式，同时使用两种燃料，在发动机的燃烧控制上有非常高的难度。

因此，随着排放法规的进一步严格，双燃料发动机将面临排放控制升级的难题。

但是，在一些非道路用或特定要求用的场合，双燃料发动机还是具有较好的发展空间。

3、 两用燃料汽车：

两用燃料汽车是指具有两套相对独立的供给系统,一套使用天然气或液化石油气，另一套供给天然气或液化石油气之外的燃料，两套燃料供给系统可分别但不可以共同向气缸供给燃料的汽车。

国内两用燃料汽车主要是汽油一液化石油气两用燃料汽车和汽油—天然气两用燃料汽车。

两用燃料汽车原则上可以根据发动机的工况，实现燃料的切换使用，做到燃料使用的最优化。

而且两用燃料独立使用，可以根据各自的特性进行优化控制，容易实现精确控制，未来的发展潜力比较大。

除以上提到的气体燃料、双燃料和两用燃料汽车以外，使用乙醇、煤基燃料、生物柴油、氢等燃料的汽车也需要关注。

而且随着石油能源的日益枯竭，汽车能源的发展正从石油、天然气、煤基燃料向生物质燃料和石化能、核能及可再生能源制氢和发电过渡。

替代能源和可再生能源的发展将成为近中期过渡发展的必然选择之一。

在未来20~30年，以煤基燃料、生物燃料和天然气为主体的替代能源将得到快速发展。

预计到2020年，我国替代能源的总量可能达到3000万吨,占汽车能源消耗的15%~20%。

其中，煤基燃料由于资源优势，可能成为发展的重点。

4、电动汽车

电动汽车根据车载能量来源不同分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。

纯电动汽车是指采用动力电池为能量载体，驱动电机为动力输出装置，替代传统发动机的汽车。

纯电动汽车出现较早，但由于动力电池技术不成熟，一度退出历史舞台。

近年来，由于电池技术不断进步、排放压力不断上升和智能电网技术的发展，纯电动汽车又逐渐得到世界各国的再度重视。

尽管纯电动汽车在续驶里程、安全技术和充电技术方面取得明显进步，但是仍无法满足车辆常态化运行的要求。

目前国内外纯电动主要应用于乘用车和特定用途的公共事业用车。

对比传统车的性能和成本，要满足产业化要求，纯电动汽车除要在电池技术方面取得突破外，还要综合利用增程式和插电式等过渡技术，同时完善充电设施等运营保障体系。

燃料电池汽车是指采用燃料电池堆产生电能，驱动电机为能量输出装置，替代传统发动机的汽车。

燃料电池由于热效率高（达到50%左右），可实现零排放，被认为是未来汽车的发展方向，战略意义非常重大。

但是，燃料电池在催化剂、系统成本、可靠性、耐久性方面仍与产业化要求有一定距离，需要多方面取得突破。

因此，在相当长的一段时间内燃料电池汽车仅能进行示范应用。

混合动力汽车是指采用传统发动机和驱动电机、动力电池相结合系统，替代传统发动机的汽车。

混合动力系统主要是实现发动机工况的优化，在改善动力性的同时降低燃油耗，减少排放。

由于是从传统发动机动力系统演化而来，对发动机的依赖度仍然较高，但对动力电池的要求比纯电动汽车要低，实现产业化要求相对容易，目前混合动力汽车已经成为各大汽车公司产业化的重点。

从技术发展趋势上看，混合动力系统逐渐呈现混合度不断提高，机械结构集成度提高，耦合方式向混联发展，动力系统向插电式发展，实现向纯电动的过渡的趋势。

综合以上各类新能源汽车的分析，纯电动汽车和燃料电池汽车实现产业化还需要时间。

混合动力技术由于结合了发动机和电机的特点，实现了动力性、经济性和排放性能的综合优化，而且实现产业化相对容易等特点，后续发展极具潜力。

从国内外新能源汽车的发展轨迹来看，各类新能源汽车的发展，

仍然象传统汽车一样，依赖材料、工艺、电子等多个基础行业的发展。

因此，就我国目前汽车行业的总体发展水平而言，要实现在汽车领域的跨越式发展，还要做相当多的努力，也还需要在传统汽车领域继续进行提升。

二、新能源汽车发展过程中内燃机面临的机遇和挑战

内燃机的发展已经有100多年的历史，由于便捷、高效和运行可靠，已经被广泛应用于工农业生产的各个领域。

近年来，随着材料、工艺、电子、计算机控制等方面的飞速发展，内燃机技术也呈现日新月异的局面。

但是，由于能源形势的变化和新能源技术的发展，采用传统汽、柴油为燃料的内燃机技术逐渐面临新的竞争压力。

1、 内燃机技术发展趋势

在环境保护、能源消耗和运行安全等多重需求推动下，内燃机的技术不断取得进步。

汽油机增压（GT）、燃油缸内喷射（GDI）,柴油机高压共轨（CR）、可变截面涡轮增压器（VNT）、废气再循环（EGR）等新技术不断实现产业化应用，内燃机的效率和排放控制水平不断提高。

随着对内燃机工作过程的研究逐渐深入，内燃机在日益完善的电子精确控制技术的支撑下，预计将在燃烧技术领域、尾气净化领域取得进一步突破。

其中，在燃烧技术领域，如果发动机预混合气均质压燃（HCCI）技术的商业化得以实现，将会推动内燃机掀开发展的另一页；在尾气净化领域，实现EGR率控制的机内净化措施和以尾气氧化还原（SCR）或尾气颗粒捕集（DPF）技术等机外净化措施相结合的综合净化措施，将实现内燃机低排放。

2、 面对新能源的发展，内燃机所面临的挑战和机遇

纯电动和燃料电池技术是以电化学技术为载体的，在实现更高的热效率（燃料电池热效率可以达到50%）的同时，也可以实现整车零排放。

而内燃机是以燃料的混合燃烧产生热能的方式工作的热机，无法实现零排放，也面临效率提升的瓶颈。

因此，面对代表未来电驱动模式的电动车技术，内燃机技术面临被淘汰的巨大挑战。

但是，纯电动技术仍然需要面对动力电池成本、使用寿命、能量密度、生产一致性和精确控制等诸多难题，在相当长的时间内无法达到车辆常态运行的要求；而燃料电池技术在成本、环境适应性、可靠性、耐久性等方面需要解决的技术问题更多也更复杂，实现商业化尚无法预计准确的时间表。

而其它新能源技术，包括气体燃料和混合动力，内燃机仍然是动力源。

因此，在相当长的一段时间内，在不断提升燃烧技术、尾气净化技术的同时，秉承高可靠性、低成本的内燃机仍然是性价比最高的动力源，仍然是汽车的首要选择。

3、适应新能源发展的要求，内燃机需要开展的工作

尽管汽车界一致认为未来汽车的发展方向是纯电动或燃料电池。

但是，国外汽车公司并没有放弃发展传统的内燃机技术。

而是结合自身的情况实施“两条腿走路”的策略，即在研发新能源技术的同时，也积极推进内燃机技术的发展。

其中，日本汽车企业重点发展以新型内燃机技术为载体的混合动力技术；美国汽车企业在积极推进纯电动增程技术的应用和燃料电池技术开发的同时，重点推进生物乙醇替代燃料技术；欧洲以大众、奔驰、宝马为代表的汽车企业在积极进行纯电动技术开发的同时，也在重点发展高效柴油机技术和生物柴油技术。

我国汽车产业在新能源发展上基本确立了“纯电驱动”的技术转型方向，以电机、电池和电控技术为重点突破口，推动纯电动汽车、插电式混合动力汽车产业化，近期将以混合动力汽车为重点。

结合我国新能源汽车的发展方向和实施策略，内燃机需要在不断提升自身技术的同时，兼顾混合动力和纯电动增程技术的发展要求，开发适合混合动力专用的内燃机（例如，阿特金森循环汽油机）和适合增程式纯电动汽车需求的小型高效集成式内燃机发电机。

同时，结合我国的能源形势和资源分布态势，积极响应国家多能源发展战略，合理发展气体燃料技术、煤基燃料和生物质燃料技术。

参考文献：

1、 《新能源汽车技术》，崔盛民主编，北京大学出版社，2009年;

2、 《2009年新能源汽车行业市场分析及发展预测报告》；

3、 《内燃机燃烧技术的研究现状及发展》，唐娟、任东军、张成涛,内燃机与动力装置，2009年第2期。

《当前世界新能源汽车发展现状、趋势和我国的路线选择》，中国发展观察，2011年。