【正文】 。 sons ltd. 2020 年 . 附錄 1 表 為各類代用石油產(chǎn)品的清潔燃料優(yōu)、缺點比較 燃料 優(yōu)點 缺點 現(xiàn)狀與前景 ① 資源豐富，在今后相當 長的時間① 非再生資源 ② 儲運不便 在一些國家的城市公交汽車及出租汽車上使用并大力推廣，是解 液化石油氣 ① 污染小 ② 儲運比較方便 ③ 技術(shù)成熟 ④ 辛烷值較高 ① 非再生資源，資源比 天然氣少 ② 汽車動力下降 ③單燒時最好設(shè)計專門 發(fā)動機 目前也是汽車重要的代用燃料 醇類 （甲醇、乙醇） ① 可以利用煤炭、植物等 制取，來源有長期保證 ② 辛烷值較高，與汽油的 理化性質(zhì)較接近 ③ 儲運方便 ④ 技術(shù)成熟 ① 甲醇的毒性較大 ② 對橡膠件有溶脹危害 ③ 對某些金屬有腐蝕性 ④ 成本較高 現(xiàn)在世界上有一定數(shù)量的汽車采用醇類與汽油摻燒的方法，有些地區(qū)已完全用其代替汽油使用了。謹在此向尊敬的劉圣田老師致以最崇高的敬意和最衷心的感謝，同時也向山東交通學(xué)院汽車工程系全體專業(yè)教師送上我深深的祝福，是你們的諄諄教導(dǎo)、言傳身教，才有了我們的今天。 致 謝 本課題是在導(dǎo)師劉圣田教授的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。通過進一步深入學(xué)習(xí)，開發(fā)新的節(jié)能材料和節(jié)能產(chǎn)品應(yīng)有到汽車上。 由于本人專業(yè)水平有限和時間倉促，研究中難免存在一些不 完善之處，望老師批評指正。而我國擁有豐富的鎂鋁等適合于發(fā)展輕型化的稀有資源，這對我 國的汽車工業(yè)及航空航天工業(yè)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。我國的混合動力汽車正處于快速發(fā)展的階段，一汽、東風(fēng)、奇瑞等都在技術(shù)上取得了突破，生產(chǎn)出我國自主品牌的混合動力汽車，提升了我國汽車工業(yè)的競爭力。目前的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)一般以行星齒輪作為動力復(fù)合裝置的基本構(gòu)架。 圖 混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)圖 混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配，使其在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的條件下系統(tǒng)始終處于最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實現(xiàn)排放和油耗的控制目標，是最具影響力的輔助單元。混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略是：在汽車低速行使時，驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當汽車高速穩(wěn)定行使時，則以并聯(lián)工作方式為主。發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)如圖 所示。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)最適合于汽車在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定行使的工況。當電動機只是作為輔助驅(qū)動系統(tǒng)時，功率可以比較小。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的不足 是：發(fā)動機的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能再變成驅(qū)動汽車的機械能，由于機電能量轉(zhuǎn)換和電池充放電的效率較低，使得燃油能量的利用率比較低。串聯(lián)式混合動力汽車特別適用于在市內(nèi)低速行使。串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)如圖 所示。原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其電能通過控制器直接輸送到電動機，由電動機產(chǎn)生驅(qū)動力矩驅(qū)動汽車。根據(jù)使用用途分為續(xù)駛里程延長型混合動力汽車、功率輔助型混合動力汽車 2 種?；旌蟿恿嚲褪菍鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機、電力驅(qū)動裝置和儲能裝置結(jié)合在一起，它們之間的良好匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機汽車和電動汽車的優(yōu)點，避免各自的不足，是當今最具實際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。 圖 以蓄電池為輔助 電源的 FCEV 電力系統(tǒng) 圖 以蓄電池和超級電容為輔助電源的 FCEV 電力系統(tǒng) 混合動力電動汽車 混合動力電動汽車（ Hybrid Electric Vehicle 簡稱 HEV）也稱混合動力車是指同時采用電動機和發(fā)動機作為動力驅(qū)動系統(tǒng)的汽車。 圖 以甲醇經(jīng)過改質(zhì)的氫氣為燃料的 FCEV 動力系統(tǒng) (2)以氫氣為燃料的燃料電池電動車是各國研究的主流，其大多數(shù)采用了輔助電源來幫助汽車快速起動和回收制動反饋的能量。 圖 裝有輔助電力源 (燃氣輪機 發(fā)電機組 )的 EV 燃料電池電動車（ FCEV） 燃料電池電動車的電力系統(tǒng)由：燃料電池發(fā)動機和輔助電源、電流變換器、驅(qū)動電動機和整車控制系統(tǒng)等組成，電動機驅(qū)動是燃料電池電動車的唯一的驅(qū)動模式。 圖 電動汽車的電力和動力傳輸系統(tǒng) (2)裝有輔助電力源的電動汽車：用單一蓄電池作為電力源的電動汽車，由于蓄電 池的比能量和比功率較低，蓄電池組的質(zhì)量和體積較大，因此，在某些電動汽車上增加輔助動力源。因受到蓄電池的比功率和比能量較低的限制，一般在電動汽車上裝輔助電源，輔助電源有： (1)超級電容器； (2)發(fā)動機 發(fā)電機組等。 純電動汽車（ EV） 現(xiàn)在主要的動力蓄電池有以下幾種： (1)鉛酸電池； (2)鎳 氫電池 。由于電能是二次能源，它可以來源于風(fēng)能、水能、核能、熱能、太陽能等多種方式，所以，電動汽 車是非常有發(fā)展前途的代用能源汽車。 電動汽車 電動汽車是指以電能為動力的汽車。目前氫氣汽車還處于研究探索階段，真正應(yīng)用的很少。使用中需加熱時，可用發(fā)動機的排氣熱量或冷卻系統(tǒng)的熱量。充氣時，氫與金屬化合物放出一定的熱量，釋放時吸收一定的熱量。用這種方法可以將氫的體積縮小到千分之一左右，金屬氫化合物的密度可達 。 目前試用最多的是金屬氫化合物。材料要求很高，管道及閥門要求有極高的絕熱能力，而且各接頭處還非常嚴密，因為液體氫是很難密封的。并且，氫的液化工藝復(fù)雜，要求的條件較高，成本也高。由于燃料箱重量問題，該車應(yīng)用很少。 氫汽車 按氫氣使用方法分有壓縮氫氣汽車、液化氫氣汽車和吸附氫氣汽車三種。 與使用傳統(tǒng)能源的汽車相比氫氣的優(yōu)越性：潔凈無污染，能源轉(zhuǎn)化率高，噪音低，續(xù)駛里程與汽油車相當。雖然氫氣本身的天然儲量不大，但作為氫的來源水資源卻十分豐富， 而且氫燃燒后生成水，能形成資源的快速循環(huán)。 氫氣燃料汽車 氫在常溫、常壓下是無色、無味、無毒的氣體，其分子式是 H2。在標準狀態(tài)下， 1m3活性炭可吸附甲烷 170m3。該活性炭顆粒結(jié)構(gòu)中微空多，適合大量吸附天然氣，每克活性炭顆粒的表面積可達 3000 ㎡，相對密度為 ～ 。 LNG的體積是天然氣在標準狀態(tài)下體積的 1/625，也即液化后體積縮小 625 倍，在汽車上裝一個 160L 的 LNG 儲存罐，可以行駛 400 多㎞，即自重較輕，行駛距離較長，這也是 LNG 最突出的優(yōu)點。當今世界上 CNG 汽車絕大多數(shù)是用原來的汽油汽車改裝的。將壓縮天然氣裝入高壓瓶這一過程一般由 CNG 加氣站完成， CNG 加氣站將天然氣管線中的氣體引入壓縮機，再由壓縮機組將天然氣壓力由 ～ 壓縮到 25MPa，最后通過售氣機給汽車加氣。 天然氣車（ NGV） 由于目前吸附天然氣汽車正在研究中，液化天然氣汽車絕熱方面要求很嚴格，現(xiàn)在數(shù)量小，因此我們常說的天然氣車主要壓縮天然氣汽車。 天然氣發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性 用天然氣作發(fā)動機燃料，其燃料費用是汽油機的 2/3，加上天然氣的著火極限較汽油寬，這樣有利于燃燒稀混合氣，提高使用天然氣汽車的燃料經(jīng)濟性。因此，目前天然氣是世界公認的“清潔燃料”，受到越來越多國家的重視，發(fā)展前景十分好。表 為各類代用石油產(chǎn)品的清潔燃料優(yōu)、缺點比較見附錄 1。 目前，汽車使用最多的清潔替代燃料有天然氣、液化石油氣和醇類燃料，使用這三類清潔替代燃料對汽車的改動不大，且有一定的使用經(jīng)驗，技術(shù)比較成熟。 (4) 價格低廉，比使用汽油或柴油更經(jīng)濟。 (2) 能量密度高，保證汽車有足夠的續(xù)駛里程。另一方面，汽車用的汽油、柴油造成的環(huán)境污染，也是人們使用其他清潔能源替代石油產(chǎn)品的重要原因。在比較成熟的金屬材料中，鋼鐵材料和輕金屬材料也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。 不同種類的汽車對材料的需求是不同的，一般來說，轎車用鑄鐵和鑄鋼件較少，它們大多被鑄鋁件取代，因而相對來說轎車使用有色金屬 是比較多的。該課題的研究成果表明，車身鋼板的 90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實現(xiàn)車身降重 25%（以 4 門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高 80%，靜態(tài)彎曲剛度提高 52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高 58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。為此，車身用鋼的發(fā)展方向一個是提高強度以滿足減薄要求，另一個是提高延展性，以改善零件形狀和可使幾個零件組合成單一的大件以減輕質(zhì)量，第三是提高抗蝕性，配合減薄并延長車身壽命，還要在采用這些新材料基礎(chǔ)上，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造成型技術(shù)。 傳統(tǒng)的轎車車身是一種薄殼體，所用鋼板已經(jīng)很薄。車身殼體也已成為三種材料的爭奪領(lǐng)域。現(xiàn)在轎車前后保險杠已基本實現(xiàn)了塑料代鋼，發(fā)動機罩和行李艙蓋板等水平零部件是塑料和鋁合金材料發(fā)展的熱點。 轎車質(zhì)量的 很大份額是車身殼體及車門、發(fā)動機罩、行李艙蓋板、前后保險杠 (應(yīng)用已減少 )以及座椅等薄板附件。競爭的主要領(lǐng)域仍限于轎車的車身，而不是動力和傳動系統(tǒng)，這是因為后者所包含的零部件大多是高應(yīng)力件，所用鋼種是高強度的中碳鋼或合金中碳鋼，往往還運用熱處理以及滲碳等化學(xué)熱處理增強工藝，這就使得強度較低的塑料難以派上用場。 輕量化材料減輕汽車質(zhì)量的潛力 目前汽車材料的主導(dǎo)材料仍然是鋼。受到成本因素限制，現(xiàn)在市場規(guī)模有限，只有極少數(shù)超級跑車采用碳纖維制造車架和車身。當價格到達某一區(qū)域時，才有可能被正式采用。應(yīng)該講，新材料一般價格要比傳統(tǒng)材料的價格高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這是受到制備工藝的限制 。最大的特點還在于極強的防刮本領(lǐng)。例如奔馳 SClass 的頭燈，鏡片就是以熱固性碳化聚合物制造的。為此，實現(xiàn)輕量化，應(yīng)盡可能降低成本的提高，是設(shè)計者們的目標。在汽車界價格激烈競爭的情況下，輕量化帶來的成本提高是不容易得到認可的。 在結(jié)構(gòu)方面，德國保時捷汽車公司和奔馳汽車公司采用五構(gòu)件發(fā)動機，用螺栓、襯墊、黏合劑將 28 個復(fù)合材料板粘合在一起。鑄鐵擁有低成本和易于鑄造復(fù)雜形狀的優(yōu)點，因此經(jīng)常應(yīng)用于曲軸的平衡載重件。為了應(yīng)付這些負荷，曲軸必須使用機械強度極高的材料，而材料本身又必須易于加工，才容易制造出曲軸的復(fù)雜形狀。進而作為創(chuàng)新 嘗試，以塑料復(fù)合材料為主體的復(fù)合式發(fā)動機在美國試制成功，這種發(fā)動機的特性是大量使用玻璃纖維和碳纖維增強環(huán)氧、聚酰亞胺、聚酰亞胺基樹脂，金屬部件僅用于缸套、曲軸、凸輪軸、排氣閥、燃燒室等。前端、后端、側(cè)門外使用聚碳酸酯，側(cè)門內(nèi)側(cè)、儀表板等使用變性 PPO，發(fā)動機罩蓋和車頂蓋分別使用與聚酯和塑料的特性相適應(yīng)的材料。菲亞特 VSS，在采用了車體鋼制殼體構(gòu)造和外板的塑料化，質(zhì)量比原車的 318kg 還要輕 68kg，車體框架采用鍍鋅處理的沖壓鋼板，前后部分使用高強度的沖壓鋼板。特別是美國被日本和歐洲汽車制造商推出的小型車占據(jù)了市場后，在汽車的小型輕量化方面投入了巨大的研究開發(fā)費用，根據(jù)通用汽車公司的戰(zhàn)略，今后將轉(zhuǎn)向使用鋁材料和塑料等輕量化材料?，F(xiàn)用汽車輕量化材料具有代表性的有輕金屬、高彈力鋼、塑料、復(fù)合材料等。這就失去了輕量化材料減輕部件質(zhì)量的效果。 材料輕量化 利用輕量化材料替代汽車上的高密度材料，從而減少汽車各部件的質(zhì)量。使用薄壁鑄造技術(shù)，用輕合金和塑料等所制造的汽缸體和汽缸套，鋁合金制的發(fā)動機機體和曲軸，回轉(zhuǎn)部分的中空結(jié)構(gòu)，發(fā)動機凸輪軸和曲軸以塑代鋼、以陶代鋼，以及用陶瓷活塞銷等，使零部件輕量小型，從而實現(xiàn)提高功率、節(jié)能和燃料費用降低的目標。這可在保證各缸冷卻水腔空間、減小各種受力變形，以及在保持缸蓋氣密條件下，應(yīng)力要求減小汽缸中心距。后來從減輕質(zhì)量與確保車內(nèi)有效空間的利用方面出發(fā)，迅速向 FF方式發(fā)展（即前置式發(fā)動機前輪驅(qū)動方式）。它不僅關(guān)系到汽車的經(jīng)濟性，更關(guān)系到地球資源的有效利用。采用輕量化材料就能在汽車載荷不變的條件下，盡可能降低整車重量，從而顯著降低汽車燃油油耗。汽車輕量化，往往是通過這些細小技術(shù)的措施來使整體輕量化的。新材料對鹽水具有極高的抗蝕能力，硬度極高的表層擁有高強的抗磨特性，其摩擦系數(shù)又不受 溫度變化的影響，反復(fù)多次全力制動也沒有任何熱衰減。汽車制造商樂意使用鋁合金的原因，首先是這種材料能降低引擎重量，其次是鋁合金有較佳的散熱特性，尤其適合多氣門引擎。此外，還有把發(fā)動機的凸輪軸的