汽車結構+第12章_新型車用發(fā)動機.ppt

汽車構造 電子教案第十二章新型車用發(fā)動機 第十二章新型車用發(fā)動機 簡介三角活塞旋轉式發(fā)動機燃氣渦輪發(fā)動機斯特靈發(fā)動機電動汽車壓縮天然氣汽車及液化石油氣汽車 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第3頁 簡介 新型車用發(fā)動機是指當前在車用動力中占統(tǒng)治地位的 燃用傳統(tǒng)燃料汽油或柴油的往復活塞式內燃機以外的動力機械 其中 或從機構學的角度出發(fā) 變革發(fā)動機的功率傳動機構 或以解決能源短缺 環(huán)境污染和生態(tài)失衡等人類最為關注的三大社會問題為目的的而創(chuàng)制的新型動力裝置 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第4頁 第一節(jié)三角活塞旋轉式發(fā)動機 一 概述二 轉子發(fā)動機的基本結構三 汽油轉子發(fā)動機工作原理四 轉子發(fā)動機的密封系統(tǒng)五 轉子發(fā)動機的進 排氣六 轉子發(fā)動機的冷卻七 轉子發(fā)動機的潤滑八 轉子發(fā)動機的點火系 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第5頁 一 概述 三角活塞旋轉式發(fā)動機簡稱轉子發(fā)動機 是德國工程師F 汪克爾發(fā)明的 所以又稱為汪克爾發(fā)動機 1954年 F 汪克爾在總結前人取得的成果基礎上 經過長期的研究 解決了旋轉式發(fā)動機氣體密封的重大技術難題 并于1958年成功地制成了第一臺轉子發(fā)動機 1964年 德國NSN公司首先把轉子發(fā)動機裝在轎車上作為正式產品 從1967年日本東洋工業(yè)公司開始成批生產轉子發(fā)動機轎車到1986年 總共生產了150萬輛 往復活塞式發(fā)動機已有百余年的歷史 其各種性能都已達到了相當高的水平 但是 往復活塞式發(fā)動機得基本結構方案卻帶有根本缺陷 即存在許多往復質量 如活塞組件及氣門機構等 當提高發(fā)動機轉速時 這些往復運動質量所產生的往復慣性力和慣性力矩急劇增大 使軸承載荷顯著增加 振動加劇 噪聲增強 并可能破壞氣門機構的正常工作 致使發(fā)動機轉速和功率的提高受到極大的限制 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第6頁 續(xù) 與往復活塞式發(fā)動機相比 轉子發(fā)動機的優(yōu)點是 升功率大 比質量小 振動輕微 結構簡單 零件數量少 拆裝方便 維修簡單 制造也不困難 進入80年代后 轉子發(fā)動機有了新的發(fā)展 其中包括采用渦輪增壓 電控燃油噴射 排氣凈化 分層燃燒和微機控制技術等技術 使轉子發(fā)動機的經濟性 動力性和排放性等技術指標均達到較高的水平 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第7頁 二 轉子發(fā)動機的基本結構 轉子發(fā)動機主要由轉子 前后端蓋 氣缸體 密封件和主軸等組成 此外 汽油轉子發(fā)動機還有燃油供給系 點火系 潤滑和冷卻系等基本結構 氣缸體2的內壁表面是由雙弧長短幅圓外旋輪線構成的特殊型面 氣缸體的兩個端面分別被前端蓋1 中間隔板3和后端蓋5封閉 氣缸 前后端蓋幾中間隔板是固定件 氣缸內裝有弧邊三角形轉子12 在轉子的一個端面上固定著與轉子同心的內齒圈6 而與內齒圈相嚙合的外齒圈7則固定在端蓋上 發(fā)動機的主軸13是偏心軸 其主軸頸支撐在與外齒輪同心的主軸承8上 而偏心軸頸則套在于內齒圈同心的轉子軸承11內 當發(fā)動機運轉時 轉子上的內齒圈6圍繞固定的外齒輪7嚙合運轉 作行星運動 即轉子不僅繞固定的外齒輪中心 主軸承中心 公轉 同時又繞其自身的回轉中心 偏心軸頸中心 自轉 由于內 外齒輪的齒數比為3 2 因此 轉子自轉速度與公轉速度之比為1 3 即主軸13的轉速為轉子12的自轉速度的3倍 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第8頁 續(xù) 三角轉子的三個角頂與氣缸型面緊密接觸 三個弧面與氣缸型面之間形成三個工作腔 轉子工作是工作腔的容積變化 其變化規(guī)律恰好符合四沖程內燃機對氣缸容積變化的要求 在氣缸體的一側裝置火花塞14 另一側設置進氣孔15和排氣孔16 當發(fā)動機工作時 氣體的爆發(fā)壓力通過轉子傳遞給偏心軸頸并推動主軸旋轉 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第9頁 三 汽油轉子發(fā)動機工作原理 1 四行程工作過程 轉子發(fā)動機的工作循環(huán)與往復活塞式發(fā)動機相同 即由進氣 壓縮 作功及排氣等四個過程組成 圖12 2是轉子發(fā)動機四行程工作過程原理圖 圖中以三角轉子的一個弧面AB與氣缸型面之間形成的工作腔 AB的工作腔 為例 說明轉子發(fā)動機的四沖程工作原理 2 氣缸型線的創(chuàng)成及三角轉子外廓 轉子發(fā)動機氣缸內壁的理論型線是雙弧長短幅圓外旋輪線 是由一個嵌在轉子上的內齒圈1 動圓 圍繞與其相嚙合的固定外齒輪2 定圓 作純滾動而創(chuàng)成的 圖12 3 三角轉子的外廓是氣缸型線的內包羅線 以保證轉子在氣缸內轉動時不與氣缸發(fā)生干涉 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第10頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第11頁 工作過程 當三角轉子的角頂B轉到進氣孔左邊的邊緣時 AB工作腔開始進氣 在位置1進 排氣孔連同 即進排氣重疊 這時AB工作腔的容積最小 相當于往復活塞式發(fā)動機的上止點位置 隨著轉子繼續(xù)轉動 AB工作腔的容積逐漸增大 可燃混合氣不斷被吸入氣缸 當轉子自轉90度 主軸轉270 到達位置4時 AB工作腔的容積達到最大 相當于往復活塞式發(fā)動機的下止點位置 進氣行程結束 三角轉子繼續(xù)轉動 AB的工作腔的容積逐漸小 到位置5時 轉子的角頂A越過了進氣孔右邊緣 這時AB工作腔被完全封閉 開始壓縮行程 當轉子自轉180 主軸轉540 到達位置7時 AB工作腔的容積最小 相當于往復活塞式發(fā)動機的下止點位置 壓縮行程結束 這時 火花塞跳火點燃混合氣 開始膨脹作功行程 當轉子自轉270度到達位置10時 AB工作腔的容積又達到最大 相當于往復活塞式發(fā)動機的下止點位置 作功行程結束 三角轉子的角頂B轉過排氣孔左邊的邊緣時 AB工作腔又開始排氣 位置11 12為排氣行程 轉子自轉360度時 AB工作腔又開始回到位置1 排氣行程結束 實際上 排氣要持續(xù)到角頂A轉過排氣孔之后 至此 AB工作腔完成了一個工作循環(huán) 與此同時 BC及CA兩個工作腔也分別完成了一個工作循環(huán) 綜上所述 轉子每自轉一周 主軸則轉三周 三角轉子與氣缸型面之間形成的三個工作腔各完成一個四行程工作循環(huán) 每一個循環(huán)所對應的主軸轉角為270度 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第12頁 氣缸型線的形成 當內齒圈與外齒圈的齒數 或節(jié)圓直徑 之比為3 2時 位于內齒圈外的任意點所畫出的軌跡便是雙弧長短幅圓外旋輪線 如圖12 3中的點劃線所示 由于這種理論形線是一個點的軌跡 若氣缸內壁的形線按照理論形線加工制造 則三角轉子角頂上的徑向密封片必然是尖片 這樣會使密封片迅速磨損而喪失密封能力 為了減小徑向密封片的磨損 實際上均采用半徑為a的圓頭密封片 這時則需以理論形線上的點為圓心 以a為半徑 作無數個小圓 并以這些小圓的外包絡線或稱理論形線的等距曲線作為氣缸內壁的實際形線 如圖12 3中的實線所示 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第13頁 三角轉子外廓 三角轉子的三個角頂A B及C 圖12 4 是等邊三角形的三個頂點 根據雙弧長短幅圓外旋輪線的性質 這三個頂點恒在圓外旋輪線上 因此 若以圓外旋輪線作為氣缸型線 則轉子的三個角頂必然恒與氣缸型線保持接觸 三角轉子的外廓是氣缸型線的內包羅線 以保證轉子在氣缸內轉動時不與氣缸發(fā)生干涉 其創(chuàng)成方法是 保持嵌在轉子上的內齒圈固定不動 使外齒輪連同氣缸型線一起圍繞內齒圈滾動 外齒輪每滾到一個位置 氣缸型線也隨之轉移到一個相應的位置 當外齒輪繞內齒圈滾動一周時 便得到一系列形狀相同 位置各異的氣缸型線 所有這些形線的內切線便是氣缸型線的內包羅線 按內包羅線加工轉子的三個弧邊 需要專用機床上進行 有時為了方便制造 用適當半徑的圓弧來代替內包羅線 在圖12 3中 點A到滾動的內齒圈中點O1的距離R稱作創(chuàng)成半徑 內齒圈中心O1與外齒輪中心O的距離OO1稱作偏心距e 密封片圓頭半徑a稱作等距半徑 創(chuàng)成半徑R與偏心距e的比值稱為形狀系數k 創(chuàng)成半徑R 偏心距e 等距半徑a和形狀系數k等參數 都是長短幅圓外旋輪線型轉子發(fā)動機的基本參數 氣缸型線 轉子弧邊形狀以及其他性能指標都與這些參數有關 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第14頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第15頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第16頁 四 轉子發(fā)動機的密封系統(tǒng) 1 氣體密封2 油密封 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第17頁 1 氣體密封 轉子發(fā)動機的氣體密封系統(tǒng)由轉子角頂的徑向密封片1 角片2 密封銷5及設置在轉子端面上的端面密封條6組成 圖12 5 在每個密封件的底部都裝有彈簧 徑向密封片用來防止相臨工作腔的氣體泄露 端面密封條和密封銷用以防止工作腔內的氣體通過端面相互泄露 上述氣體密封件在每個工作腔的周圍構成密閉的密封線 可以有效的起到氣體密封的作用 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第18頁 續(xù) 轉子發(fā)動機氣體密封件的工作原理與往復活塞式發(fā)動機的氣環(huán)相似 在發(fā)動機工作時 徑向密封片在離心力和密封片底部氣體壓力的共同作用下壓向氣缸型面 同時 進入密封片槽內的氣體還將徑向密封片壓向密封片槽的一側 從而實現了工作腔的徑向密封 圖12 6 當徑向密封片移動到氣缸型面的段軸部位時 密封片的慣性力由離心方向轉為向心方向 這是徑向密封片有脫離氣缸型面的傾向 為了克服向心力的作用在徑向密封片底部裝有弓形片狀彈簧 即徑向密封片彈簧 圖12 5 弓形片狀彈簧還可以保證發(fā)動機起動時氣缸工作腔的密封性 在發(fā)動機工作時 進入密封條底部的氣體將密封條壓向端蓋的工作表面 而在發(fā)動機起動時 借助端面密封條底部的波形彈簧使端面密封條與端蓋工作表面貼緊 以實現端面密封 密封銷5的底部裝有片狀彈簧 即密封銷彈簧4 圖12 5 以保證密封銷與端蓋工作表面貼緊 徑向密封片的材料應與氣缸體的材料配對選擇 如合金鑄鐵氣缸體可配用氮化硅徑向密封片 氮化硅 是一種新型工程陶瓷材料 高溫力學性能好 有自潤性 耐磨損 是比較理想的徑向密封片材料之一 端面密封條通常用合金鑄鐵或球墨鑄鐵制造 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第19頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第20頁 2 油密封 在潤滑各軸承及冷卻三角轉子的同時 不免會有少量潤滑油賤入轉子端面與端面工作表面之間的間隙中 為了防止?jié)櫥屯ㄟ^端面間隙竄入工作腔 在轉子每個端面上的兩個同心的油環(huán)槽內 安裝了兩道油環(huán)1 圖12 7 在油環(huán)槽的底部裝有波形彈簧3 用來使油環(huán)的刮油刃4壓緊在端蓋的工作表面上 以便將濺到工作表面上的潤滑油刮下來 油環(huán)是槽形端面的合金鑄鐵圓環(huán) 在其槽內裝有耐熱 耐油的硅橡膠圈2 用來阻止進入油環(huán)槽底部的潤滑油竄入工作腔 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第21頁 五 轉子發(fā)動機的進 排氣 轉子發(fā)動機利用進 排氣孔實現進排氣過程 而進排氣孔的開閉由三角轉子的輪廓來控制 轉子發(fā)動機有三種進氣方式 周面進氣 圖12 8a 進氣孔布置在氣缸型面上的 端面進氣 圖12 8b 進氣孔布置在端蓋工作表面上的 混合進氣 圖12 8c 兼有周面與端面進氣的 圖12 8 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第22頁 1 周面進氣進 排氣孔的開閉由轉子角頂的徑向密封片控制 由于進排氣的方向與氣缸內氣體的流動方向基本一致 因此 進排氣阻力小 可以獲得良好的充氣 采用周面進氣的轉子發(fā)動機高速性能好 但是 周面進氣的進排氣孔同時開啟的重疊角較大 發(fā)動機在低速時 排氣工作腔內的廢氣可能竄入進氣工作腔內 影響充氣 致使發(fā)動機的低速性能較差 2 端面進氣進氣孔的開閉由轉子的弧邊輪廓來控制 端面進氣的進 排氣孔同時開啟的重疊角小 所以發(fā)動機的低速性能有所改善 但是 由于進排阻力大 因此發(fā)動機高速性能差 3 混合進氣保留了上述兩種進氣方式的優(yōu)點 并在一定程度上彌補了它們的不足 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第23頁 六 轉子發(fā)動機的冷卻 轉子發(fā)動機氣缸體及缸蓋工作表面的不同部位 其熱狀況迥然不同 進氣及壓縮區(qū)的溫度相差懸殊 將使氣缸體及端蓋發(fā)生熱變形乃至熱損壞 因此 轉子發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的任務是 既要降低受熱零件的溫度 又要減小氣缸體及端蓋工作表面的溫度 為此 需要合理的組織循環(huán)冷卻液的流動 目前 水冷轉子發(fā)動機多采用軸流式冷卻液循環(huán)方式 冷卻液從前端蓋進入熱區(qū) 然后沿發(fā)動機軸向在氣缸體及端蓋的水套中往返流動 圖12 9 并從熱區(qū)流向冷區(qū) 最后仍從前端蓋流出 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第24頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第25頁 七 轉子發(fā)動機的潤滑 轉子發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的作用及其組成與往復活塞式發(fā)動機大體相同 不過轉子發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)有如下兩個特點 潤滑系統(tǒng)的部分潤滑油被吸入三角轉子的內腔 用來冷卻轉子 裝設機油計量泵 根據發(fā)動機負荷的大小及轉速的高低 計量泵將一定數量的潤滑油送入化油器 潤滑油與汽油在化油器內混和后進入氣缸 潤滑氣缸密封件和氣缸型面 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第26頁 續(xù) 機油計量泵是柱塞泵 當發(fā)動機工作時 主軸驅動蝸桿14旋轉 圖12 10 蝸桿帶動傾斜固定在柱塞15上的蝸輪12旋轉 在彈簧13的作用下 蝸桿的下端面始終與挺桿11保持接觸 蝸輪轉一周 柱塞也轉一周 同時柱塞還升降一次 當活塞升起時 其下端將進油孔打開 潤滑油充入柱塞腔 柱塞下降時 其下端將進油孔關閉 這時柱塞上的豁口與出油孔對正 潤滑油從柱塞腔經出油孔被擠送到化油器內 機油計量泵的控制桿9與節(jié)氣門的控制桿聯動 當節(jié)氣門開大時 控制桿9帶動控制凸輪10轉動 挺桿11被頂起 柱塞相應的被舉升到較高的位置 柱塞下端將進油孔打開的較大 充入柱塞腔的潤滑油量增多 當發(fā)動機轉速升高時 供油次數相應增加 即機油計量泵能隨發(fā)動機負荷及轉速的變化自動調節(jié)供油量 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第27頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第28頁 八 轉子發(fā)動機的點火系 與四沖程往復活塞式發(fā)動機相比 轉子發(fā)動機點火有許多不利因素 1 轉子發(fā)動機轉速高 主軸每轉一周需要點火一次 因此點火頻率高 火花塞受熱嚴重 2 避免徑向密封片與火花塞電極碰觸 火花塞必須縮進氣缸型面以內 通過連通孔與氣缸工作腔相通 在這種情況下 火花塞得不到新鮮混和氣的沖刷及冷卻 電極溫度高 另外 連通孔內殘存有較多的廢氣 不利于點火 3 連通孔周圍氣流速度很高 點火后火焰中心散熱快 容易滅火 4 采用一般的蓄電池點火系統(tǒng) 由于點火頻率高 斷電觸點閉合時間短 感應電勢下降 致使點火能量不足 采取的措施 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第29頁 采取的措施 針對上述問題 通常采取下列技術措施來改善轉子發(fā)動機的點火性能 1 采用熾熱數較大的冷型火花塞 2 裝用兩個火花塞 裝在氣缸體短軸前方的稱前火花塞 裝在短軸后方的稱后火花塞 雙火花塞既能改善火花塞工作條件 又有利于火焰的形成和傳播 3 采用無觸點高能點火系統(tǒng) 以提高點火能量 圖12 11所示為用于雙缸轉子發(fā)動機的雙點火線路 雙火花塞點火系 其中一個點火線路連接兩個前火花塞6 而另一個點火線路則與兩個后火花塞5連接 這種系統(tǒng)的優(yōu)點是可以分別調整前 后火花塞的點火定時 但線路復雜 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第30頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第31頁 第二節(jié)燃氣渦輪發(fā)動機 一 概述二 壓氣機三 渦輪機四 燃燒室五 回熱器 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第32頁 一 概述 燃氣渦輪發(fā)動機簡稱燃氣輪機 是另一種旋轉式內燃機 從1939年第一臺電站燃氣輪機在瑞士新堡正式運行起 至今不過60年 由于它具有質量輕 體積小 操作靈活 維修簡便及制造費用低等優(yōu)點 自問世以來發(fā)展非常迅速 燃氣輪機的應用幾乎遍及整個國民經濟領域 1950年 英國的羅弗 Rover 公司制成世界上第一輛燃氣輪機汽車 此后 該公司又制成第一輛燃氣輪機競賽汽車 并在1963年及1965年的萊曼斯汽車大賽中取得了驚人的成績 與此同時 美國的福特 Ford 及克萊斯勒 Chrysler 公司相繼制成燃氣輪機轎車 并都取得了令人矚目的成就 目前 國外在重型貨車及長途客車上已較多的采用燃氣輪機 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第33頁 燃氣輪機的組成 圖12 12所示為一臺汽車燃氣輪機的結構實例 它主要由壓氣機 渦輪機 燃燒室及回熱器等四大部件組成 此外 還包括燃油供機系統(tǒng) 速度調節(jié)裝置 起動裝置及各種輔助設備等 燃料燃燒產生的高溫 高壓燃氣所包含的能量 一部分在壓氣機渦輪中轉變?yōu)闄C械功 用來驅動壓氣機及其他輔助設備 另一部分則在動力渦輪中轉變?yōu)闄C械功 用來驅動汽車行駛 自然 在能量轉換及傳輸過程中 還會損失部分能量 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第34頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第35頁 續(xù) 汽車燃氣輪機一般有兩根相互獨立的傳動軸 壓氣機與壓氣機渦輪安裝在一根軸上 而動力渦輪與減速裝置則安裝在另一根軸上 減速裝置與汽車變速器相連 燃氣輪機的工作原理如圖12 13所示 當起動機3接通電源后 驅動壓氣機4旋轉 空氣經進氣道1被吸入壓氣機 壓縮后的空氣流過擴壓管5 壓力進一步增高 高壓空氣沿壓縮空氣流道6進入回熱器10 在回熱起中空氣與流經回熱器的燃氣進行熱交換 空氣吸收燃氣的余熱 溫度進一步升高 高溫 高壓的空氣供入燃燒室9 與此同時 燃油經燃油泵2及燃油管7并通過燃油噴嘴8噴入燃燒室 燃油與空氣在燃燒室內混和形成可燃混和氣 并借助點火器16將混和氣點燃 當燃燒室內形成穩(wěn)定的火焰之后 切斷點火器的電源 后續(xù)的混合氣與火焰接觸而燃燒 高溫 高壓的燃氣流過噴管15而提高流速后 推動壓氣機渦輪14旋轉 并帶動壓氣機工作 從壓氣機渦輪流出的燃氣仍有很高的溫度和壓力 在使其通過噴管13提高流速后 沖擊動力渦輪12 推動其旋轉 動力渦輪的旋轉運動通過減速裝置及汽車變速器萊驅動汽車行駛 從動力渦輪流出的燃氣沿燃氣流道11進入回熱器 在回熱器中 燃氣放熱降溫后排入大氣 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第36頁 燃氣輪機的優(yōu)缺點 燃氣輪機作為汽車動力 與往復活塞式發(fā)動機相比 具有下列優(yōu)點 1 燃氣輪機沒有往復運動件 因而平衡型好 震動輕微 2 轉速高 一般為25000 40000r min 單位功率質量不超過0 35 0 5kg W 當功率向同時 在外形尺寸及質量方面都優(yōu)于往復活塞式發(fā)動機 3 摩擦副少 機械效率高 達0 92 0 94 摩擦表面不予燃氣接觸 使?jié)櫥瑔栴}簡化 潤滑油消耗率低 4 燃料適應性好 可以燃用氣體燃料和各種液體燃料 5 起動性好 用功率較小的起動裝置可以在環(huán)境溫度為 50 的情況下順利起動 6 排氣中有害排放物少 在帶負荷工作時 僅為柴油機的1 7 1 3 7 轉矩特性好 可以減少汽車變速器的擋數 在汽車行駛時可以減少換擋次數 汽車燃氣輪機目前尚存在加速性能差 突然減小負荷時有超速危險以及空氣消耗量大 對空氣純凈要求高等缺點 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第37頁 二 壓氣機 壓氣機渦輪傳輸給壓氣機的機械功在壓氣機中轉化為氣流的動能 再進而轉化為壓力能 廣泛用于燃氣輪機中的壓氣機分為軸流式和徑流式兩類 后者通常稱為離心式 汽車燃氣輪機多采用離心式壓氣機 離心式壓氣機結構簡單 緊湊輕巧 穩(wěn)定運轉的轉速范圍壁軸流式壓氣機廣闊 且當轉速一定時 容許的氣流流量變化范圍比較大 離心式壓氣機的上述特點 非常適用于工況經常變化的汽車燃氣輪機 離心式壓氣機主要由固定的進氣道 排氣道 擴壓管及可轉動的葉輪等構成 圖12 14 壓氣機葉輪輪轂1與壓氣機葉片3鑄成一體 通稱為葉輪 固定在壓氣機軸上 當壓氣機工作時 空氣在進器道8的引導下進入葉輪的中心部位 并在離心力的作用下沿著葉片之間的葉輪流道4有葉輪中心流向葉輪的周邊 然后以很高的速度進入擴壓管6 在葉輪中 由于向心加速度的作用 空氣的靜壓增高 高速氣流在擴壓管中降速 壓力進一步增高 最后經排氣道7供入燃燒室 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第38頁 在葉片的進口端有一段壓氣機葉片導流段2 其作用是引導氣流平緩的流進葉片 以減少流動損失 擴壓管是壓氣機中的固定部件 其功用是將氣流的動能轉換為靜壓 葉輪及擴壓管是影響離心式壓氣機性能的主要構件 葉輪的結構應具有良好的氣體動力性 機械強度和可鑄性 壓氣機葉片應有光滑的表面及符合氣體動力學要求的幾何形狀 以減小氣體流動損失和提高壓氣機效率 汽車燃氣輪機采用后掠式壓氣機葉片 如圖12 14所示 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第39頁 三 渦輪機 渦輪機的功用是將燃氣的能量轉換為機械功 渦輪機與來自燃燒室的高溫燃氣直接接觸 因此溫度很高 另外 渦輪機在每分鐘幾萬乃至十幾萬的高速下運轉 因此旋轉部件承受巨大的離心力 渦輪機按照燃氣流動方向分為 徑流式渦輪機 燃氣沿渦輪機的徑向流動 軸流式渦輪機 燃氣沿渦輪機的軸向流動 這兩種類型的渦輪機在汽車燃氣輪機中均有應用 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第40頁 1 徑流式渦輪機 徑流式渦輪機結構與離心式壓氣機相似 唯工作過程相反 如圖12 15所示 高溫燃氣首先沿近氣道1流過安裝在葉輪3周圍的噴管2 然后沿著由渦輪機葉片4構成的流到徑向地由葉輪周邊流向葉輪中心 并從葉輪中心部位排出 燃氣流經噴管 其速度增加 高速氣流沖擊葉輪使其旋轉而作功 徑流式渦輪機的優(yōu)點是結構簡單 制造容易 堅固耐用 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第41頁 續(xù) 為了減輕葉輪的質量 以減小其轉動慣量 通常在葉片之間的輪轂外緣上去掉一些輪轂質量 因此 渦輪機葉片的長度總是超出輪轂的半徑 圖12 16 渦輪機葉輪的溫度很高 可達1100 1200 需用耐熱材料制造 現代汽車燃氣輪機多采用碳化硅 SiC 或氮化硅 一類陶瓷材料制造渦輪機葉輪 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第42頁 2 軸流式渦輪機 如圖12 17所示 軸流式渦輪機主要由渦輪機外殼1 噴管2 渦輪機葉片3 渦輪轂4 渦輪軸7 軸承6及防止燃氣泄漏的密封裝置5等組成 渦輪機外殼的功用是引導燃氣流動 在渦輪機工作時 渦輪機外殼承受高溫燃氣的壓力 因此 其結構應保證在高溫下具有良好的強度及剛度 一般將渦輪機外殼制成雙層結構 內層與高溫燃氣接觸 用耐熱薄板鑲襯 在內 外層之間用冷空氣吹拂 以降低外殼的溫度 軸流式渦輪機的基本工作單位稱作 級 一列噴管與一列渦輪葉片組成一級 現代汽車燃氣輪機一般為單級或雙級 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第43頁 續(xù) 噴管又稱靜葉 固定在渦輪機外殼內壁圓周上 燃氣流過噴管時降壓 增速 并以一定的方向沖擊渦輪葉片 渦輪葉片又稱動葉 安裝在渦輪轂的外圓周上 燃氣沖擊渦輪葉片后 沿著相鄰兩個渦輪葉片所構成的流道流動 并按照渦輪葉片的形狀改變其流動方向 燃氣在改變方向的同時對渦輪葉片作用以力 使渦輪轉動 靜葉及動葉的斷面均為翼形斷面 圖12 18 有良好的氣體動力性 可以獲得較高的渦輪機效率 現代汽車燃氣輪機的葉片用陶瓷材料制造 有足夠的耐熱 抗氧化 耐腐蝕及耐磨損的能力 可以保證渦輪機有較長的使用壽命 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第44頁 四 燃燒室 燃料與空氣在燃燒室內混和并燃燒 所放出的熱量將燃氣加熱到給定的溫度 燃料室由外殼 火焰管 空氣旋流器 點火器及其它輔助設備等組成 圖12 19 1 火焰管 2 空氣旋流器 3 燃油噴嘴 4 點火器 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第45頁 1 火焰管 燃料與空氣在火焰管2內混合燃燒 來自壓氣機的壓縮空氣分成兩股進入火焰管2 分別稱這兩股空氣為一次空氣及二次空氣 一次空氣經過安裝在火焰管頂部的空氣旋流器3進入火焰管內的主燃燒區(qū) 而此空氣則從火焰管與外殼1之間的環(huán)形通道進入火焰管的尾端與燃氣混合 二次空氣的作用是使燃燒室出口的溫度趨于均勻并降低至給定值 同時也使主燃燒區(qū)內未完全燃燒的可燃物質繼續(xù)燃燒完全 火焰管的溫度很高 多用陶瓷材料制造 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第46頁 2 空氣旋流器 空氣通過旋流器產生旋轉運動 旋轉的氣流可以促進燃料與空氣的混合 同時也起到穩(wěn)定火焰的作用 空氣旋流器的結構比較簡單 在空氣流道的出口處裝設8 10片扭曲的葉片 空氣流過葉片時產生切向分速度而使氣流旋轉 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第47頁 3 燃油噴嘴 燃氣輪機燃油噴嘴的作用與柴油機噴油器相同 圖12 20所使為燃用液體燃料的回流式燃油噴嘴結構和工作原理 燃油沿噴嘴套筒周圍的切向旋流孔1進入旋流室2 一部分燃油從噴孔3旋轉噴入燃燒室 噴入燃燒室的油霧形成空心的圓錐 另一部分燃油由旋流室經回油孔4返回到回油室5 通過控制回油閥6的開度來改變回油量 借以調節(jié)噴入燃燒室內的燃油量 當發(fā)動機負荷增大時 回油閥關小 回油量減少 噴油量便隨之增多 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第48頁 4 點火器 在燃氣輪機起動時 用點火器點燃混合氣 當燃燒室內形成穩(wěn)定的火焰后 點火器便停止工作 點火器通常采用電熱塞或火花塞 近來更多是采用火焰點火器 火焰點火器是利用火花塞產生的電火花將起動噴嘴噴出的輕質燃料點燃 形成小火焰 在用此小火焰點燃主噴嘴噴出的燃油 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第49頁 五 回熱器 回熱器是一種換熱設備 燃氣在離開動力渦輪排入大氣之前溫度還很高 利用回熱器將排氣中的余熱回收 可以顯著的提高燃氣輪機的熱效率 實踐證明 有回熱器的現代汽車燃氣輪機的消耗率低于柴油機的水平 現代汽車燃氣輪機多采用旋轉盤再生式回熱器 這種回熱器的蓄熱元件是用粉末冶金 金屬 氧化鋁 硅 制成的圓盤或稱轉子 沿著圓盤的軸向制成無數個蜂窩狀小孔 形成微小的氣體通道 圓盤在固定的燃氣及空氣流道中緩慢旋轉 來自渦輪機的燃氣輪機穿過圓盤時將圓盤加熱 然后排放到大氣中 當被加熱的圓盤轉到空氣流道時 空氣穿過圓盤并被圓盤加熱 從而實現了熱量由燃氣到空氣的傳遞 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第50頁 第三節(jié)斯特靈發(fā)動機 一 概述二 傳動機構及密封三 熱交換器四 燃燒系統(tǒng) 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第51頁 一 概述 斯特靈發(fā)動機的發(fā)展過程斯特靈發(fā)動機的結構斯特靈發(fā)動機的優(yōu)缺點 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第52頁 斯特靈發(fā)動機的發(fā)展過程 斯特靈發(fā)動機是封閉循環(huán)回熱式外燃機 也稱熱氣機 在18世紀70年代 蒸汽機問世伊始效率很低 其原因之一是由于水蒸氣在汽缸中膨脹之后冷凝而造成較大的熱損失 于是有人設想 利用熱的氣體代替水蒸氣作為熱機的工質 便可消除這項熱損失 從而可以提高熱機效率 1816年 英國人R 斯特靈根據這一設想創(chuàng)制了以熱空氣為工質的封閉循環(huán)熱空氣機 即斯特靈發(fā)動機 不過由于當時存在許多技術上的困難 致使該機的效率和功率仍然很低 到19世紀中葉 當高效率的往復活塞式內燃機出現后 對斯特靈發(fā)動機的研究一度中斷 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第53頁 續(xù) 隨著科學技術及生產現代化的進展 荷蘭菲利浦 Philip 公司從1938年起開始了現代斯特靈發(fā)動機的研制工作 該公司對斯特靈發(fā)動機技術做了根本性的改革 創(chuàng)制了能夠使活塞及活塞桿做直線往復運動的傳動機構 從而改善了氣體密封件的工作條件 采用導熱率 密度及粘度小的氫氣或氦氣做工質 從而提高了熱交換器的效率并降低了工質流動的阻力損失 發(fā)明了卷套式密封裝置 為創(chuàng)造高效密封裝置開辟了新路 菲利浦公司在上述幾個方面所取得的進展 使斯特靈發(fā)動機大幅度的提高了效率及功率 并引起許多國家的關注和興趣 本世紀70年代 在美國福特汽車公司的資助下 由加利福尼亞工學院完成的關于80年代車用動力的綜合性研究 得出的結論是 熱氣機作為未來的車用發(fā)動機是極有前途的 在此期間 菲利浦公司 福特汽車公司 瑞典的聯合斯特靈發(fā)動機公司及德國的MAN MWM公司等 相繼將斯特靈發(fā)動機安裝在長途客車 轎車及重型貨車上使用 開創(chuàng)了車用斯特靈發(fā)動機研究的新階段 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第54頁 斯特靈發(fā)動機的結構 圖12 21所示為瑞典聯合斯特靈發(fā)動機公司為福特汽車公司設計及制造的汽車斯特靈發(fā)動機的結構示意圖 斯特靈發(fā)動機有單作用式及雙作用式兩種不同的類型 汽車斯特靈發(fā)動機無例外的都是雙作用式的 雙作用式斯特靈發(fā)動機的每一個汽缸內只有一個作往復運動的活塞 活塞頂以上的工作腔為膨脹腔 活塞底以下的工作腔為壓縮腔 膨脹腔與相鄰汽缸的壓縮腔通過加熱器 回熱器及冷卻器相互連通 共同構成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng) 一臺4剛雙作用式斯特靈發(fā)動機有4個氣缸 4個活塞及4個加熱器 回熱器及冷卻器 構成4個封閉循環(huán)系統(tǒng) 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第55頁 續(xù) 斯特靈發(fā)動機主要由燃燒系統(tǒng) 包括燃燒室 噴油器 點火器 空氣流旋器及空氣預熱器等 封閉循環(huán)系統(tǒng) 傳動機構 包括活塞 活塞桿 十字頭 連桿及曲軸等 調節(jié)裝置及輔助設備等組成 圖12 21 來自燃油泵的燃油經噴油器8噴入燃燒室7 空氣則經過空氣預熱器11預熱之后 經空氣旋流器10進入燃燒室 空氣和燃油在燃燒室內混合燃燒所釋放出的熱量通過加熱器對工質加熱 這時工質的溫度最高 壓力也較大 工質吸熱后進入氣缸的膨脹腔膨脹作工 推動傳動機構運轉 工質在膨脹過程中 壓力不斷下降 但工質的溫度卻因為不斷地從加熱器吸熱而基本保持不變 處于壓縮腔內的工質同時受到壓縮 壓縮過程開始時工質的壓力及溫度都最低 隨著壓縮過程的進行 工質的壓力不斷增高 但工質的溫度卻因為工質通過冷卻器不斷地向環(huán)境放熱而基本保持不變 當工質由膨脹腔流回壓縮腔時 向回熱器放熱 溫度降到最低 壓力也隨之下降 而當工質由壓縮腔流回膨脹腔時 由回熱器吸熱 溫度升至最高 壓力也隨之增大 綜上所述 工質經歷了壓縮 加熱 膨脹及冷卻等四個過程而完成一個循環(huán) 在四個過程中 僅膨脹過程為作功過程 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第56頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第57頁 斯特靈發(fā)動機的優(yōu)缺點 斯特靈發(fā)動機的主要優(yōu)點是 1 可燃用多種燃料因為斯特靈發(fā)動機的燃料燃燒過程是在氣缸外部接近大氣壓力下連續(xù)進行的 所以對燃料品質的要求不高 如煤油 煤炭 煤氣 薪柴 酒精及植物油等都可燃用 2 熱效率高斯特靈發(fā)動機是一種高效率能量轉換裝置 其熱效率達66 70 有效熱效率達32 40 與柴油機相當 若用陶瓷制造加熱器 工質的溫度可進一步提高 這時有效熱效率可達44 以上 3 排氣污染小斯特靈發(fā)動機的燃燒過程可在較多的過量空氣下進行 因此排氣中CO HC Nox及炭煙的含量都比往復活塞式發(fā)動機低的多 4 噪聲水平低試驗表明 斯特靈發(fā)動機低的噪聲水平低于15 30dB 比往復活塞式內燃機約低15 30dB 5 運轉特性好斯特靈發(fā)動機輸出轉矩均勻 因而運轉平穩(wěn) 超負荷能力大 能在超過標定負荷50 的情況下正常運行 因此 斯特靈發(fā)動機很適合用作汽車動力 6 工作可靠 使用壽命長 燃油消耗率低 主要缺點 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第58頁 主要缺點 雖然斯特靈發(fā)動機有許多優(yōu)點 但是直到目前為止尚未達到商品生產的水平 其主要原因是制造成本約比同功率的往復活塞式內燃機高出一倍 因為斯特靈發(fā)動機的受熱零部件 如氣缸的膨脹腔 加熱器及回熱器等 長時間在700 800 的高溫及15 25MPa的高壓下工作 需用優(yōu)質耐熱鋼制造 而且加熱器及調節(jié)系統(tǒng)的結構也比較復雜 致使斯特靈發(fā)動機造價昂貴 在經濟上不能與往復活塞式內燃機相競爭 隨著科學技術的發(fā)展 一定可以找到廉價的耐熱材料 屆時上述問題就可以迎刃而解了 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第59頁 二 傳動機構及密封 雙作用式斯特靈發(fā)動機的動力傳動機構多采用十字頭曲柄連桿機構 圖12 22b 這種機構式活塞不受傳動機構側向力的作用 傳動機構的側向力由十字頭承受 從而可以減輕氣缸 活塞及活塞上密封件的磨損 有利于氣缸的密封 十字頭曲柄連桿機構包括活塞 活塞桿 十字頭 連桿及曲軸 其中 連桿及曲軸與往復活塞式內燃機相同 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第60頁 續(xù) 雙作用式斯特靈發(fā)動機活塞上 下端的溫差和壓差都很大 這就要求活塞的結構應具有足夠的強度 剛度及良好的密封性 活塞結構如圖12 23所示 活塞為中空薄壁構件 以減輕質量及削弱熱傳導 其頂面為球面 以減小應力集中 活塞內腔設置橫隔板4 圖12 23b 橫隔板除能增加活塞的強度及剛度外 還可起到對熱輻射的屏蔽作用 在活塞裙部加工有活塞環(huán)槽2及連接活塞桿的活塞桿孔5 斯特靈發(fā)動機氣缸的密封與往復活塞式發(fā)動機類似 在活塞環(huán)槽內裝設矩形斷面的活塞環(huán) 環(huán)的背面裝有金屬脹簧 活塞環(huán)由氟碳材料制造 不需要潤滑 在氟碳材料中 聚四氟乙烯的復合材料陸龍A的性能較好 所以斯特靈發(fā)動機多用陸龍A作密封材料 圖12 23 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第61頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第62頁 三 熱交換器 熱交換器是斯特靈發(fā)動機的關鍵部件 其使用性能的好壞直接影響斯特靈發(fā)動機能否正常高效的工作 熱交換器的基本功用是保證工質在封閉的循環(huán)系統(tǒng)中實現吸熱 回熱及放熱等過程 斯特靈發(fā)動機有4個熱交換器 1 加熱器2 回熱器3 冷卻器4 空氣預熱器斯特靈發(fā)動機必須有加熱器 回熱器及冷卻器 但空氣預熱器并不是必需的 沒有空氣預熱器的斯特靈發(fā)動機仍能很好的工作 只是熱效率比較低而已 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第63頁 1 加熱器 燃料燃燒所產生的高溫燃氣從加熱器的外壁流過 并將熱量傳給在加熱器內循環(huán)流動的工質 工質吸熱后進入氣缸的膨脹腔 在高溫 高壓下進行定溫膨脹 在斯特靈發(fā)動機中應用最多的是管式加熱器 其基本結構如圖12 24所示 管式加熱器一般由兩排耐熱鋼管組成 靠近燃燒室中心的一排為光管 另一排為翅片管 翅片可以增強換熱 兩排管的上端用彎頭連接 下端則分別與回熱器殼體及氣缸的膨脹腔相連 由于加熱器長時間在高溫 高壓下工作 因此加熱管的材料必須具有耐高溫 耐腐蝕及導熱性好等性能 一般用鎳基合金鋼制造 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第64頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第65頁 2 回熱器 回熱器的功用是交替地從工質吸熱及向工質放熱 回熱器的工作條件極其惡劣 它在工作過程中的溫度的變化可達300 s 回熱器的基本構造是在耐壓的回熱器殼體2 圖12 24 中充填耐熱 耐腐蝕及導熱性良好的填料 填料需有足夠的表面積 一般采用0 1 0 06mm 150 250目 的不銹鋼絲網或直徑為3mm左右的小鋼球 填料中間留有一定的空隙 以便工質在其間往返流動 進行周期性的吸熱及放熱 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第66頁 3 冷卻器 當壓縮腔內的工質受到壓縮時 工質在冷卻器內放出熱量 以保持其溫度基本不變 實現定溫壓縮過程 冷卻器的結構一般為殼管式 即在金屬的冷卻器殼體3 圖12 24 內裝置許多冷卻管 工質在管內流動 冷卻水在管外流動 工質向冷卻水放熱 冷卻水再經過散熱器將熱量散到環(huán)境中 為了提高斯特靈發(fā)動機的效率機改善密封裝置的工作條件 冷卻器的工作溫度應該盡可能的低 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第67頁 4 空氣預熱器 燃料燃燒所生成的高溫燃氣在通過加熱器之后溫度仍然很高 在排入大氣之前 先使其通過空氣預熱器 利用燃氣的余熱來加熱空氣 高溫空氣進入燃燒室與燃料混合燃燒 可以節(jié)省燃料 因此 空氣預熱器實際上是一個節(jié)能裝置 汽車斯特靈發(fā)動機多采用回熱式空氣預熱器 其工作原理及基本結構與汽車燃氣輪機中的回熱器相同 它在發(fā)動機上的安裝位置見圖12 25 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第68頁 四 燃燒系統(tǒng) 斯特靈發(fā)動機的一個重要特點就是由外部燃燒系統(tǒng)向工質供熱 這種燃燒系統(tǒng)由空氣供給設備 燃料供給裝置及燃燒室等組成 圖12 25 空氣由鼓風機送入回熱式空氣預熱器5 預熱后溫度升高到1000 1200 一部分熱空氣由火焰管4外幣的流道進入空氣旋流器2 空氣經過旋流器后產生旋轉運動并與燃油噴嘴3噴出的燃油在主燃燒區(qū)a內混合燃燒 溫度升高到2000 2200 另一部分空氣則通過二次空氣孔8進入混合區(qū)b 在混合區(qū)內 而此空氣與主燃燒區(qū)內未燃燒完全的可燃物質進一步混合燃燒 燃料燃燒所產生的高溫燃氣流過加熱器6并向其傳熱后 溫度降到1100 1300 在經過空氣預熱器 溫度進一步降到200 300 之后排入大氣 回熱式空氣預熱器5由電動機9經傳動齒輪帶動旋轉 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第69頁 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第70頁 第四節(jié)電動汽車 一 概述二 蓄電池三 電動機 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第71頁 一 概述 電動汽車的動力部分主要由蓄電池 控制器及電動機等構成 圖12 27 充電機經充電接口向蓄電池充電 當汽車行駛時 蓄電池經控制器向電動機供電 來自加速踏板的信號輸入控制器 通過控制器調節(jié)電動機輸出的轉矩或轉速 加速踏板由駕駛員操縱 電動機的輸出經汽車傳動系統(tǒng)驅動車輪 電動汽車是指以蓄電池或燃料電池為動力 在市區(qū)街道或城間公路上行駛的用電動機驅動的汽車 不包括無軌電車及在車站 碼頭或廠區(qū)內使用的電動叉車和普通的電瓶車 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第72頁 續(xù) 近年來 電動汽車有了較大的發(fā)展 隨著科學技術 尤其是高新技術的發(fā)展 電動汽車也有了長足的進步 表12 1 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第73頁 電動汽車的優(yōu)缺點 電動汽車的優(yōu)點是 1 在行駛中無廢氣排出 不污染環(huán)境 所以電動汽車可稱為 零排放污染汽車 2 能源有效利用率高 圖12 26所示是按10種行駛方式對電動汽車與汽油機汽車能源利用總效率的比較 電動汽車所用的電能 可以通過各種發(fā)電方法獲得 也可以利用剩余的深夜電力 從而提高了發(fā)電設備的利用率 3 振動及噪聲小 車廂內外的安靜性好 4 結構簡單 維修使用方便 電動汽車目前尚存在下列缺點 1 一次充電所能行駛的里程短 裝載與汽油重量相同的鉛 酸蓄電池的電動汽車 其續(xù)駛里程僅為汽油機汽車的1 70 2 成本高 蓄電池機電機控制價格昂貴是電動汽車成本高的主要原因 另外 蓄電池壽命短 折舊費高 3 充電時間長 一般需要6 10h 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第74頁 二 蓄電池 蓄電池又稱二次電池 目前正在使用的或將來可能作為電動汽車用的蓄電池列于表12 2 蓄電池的主要評價指標有 能流密度 單位電池質量所能存儲的電量 W h Kg 動力密度 單位電池質量所能輸出的功率 W Kg 是評價電動汽車加速性 爬坡能力及最高車速的指標 循環(huán)壽命 電池充 放電一次成為一個循環(huán) 循環(huán)壽命表示更換電池前所能完成的循環(huán)數 循環(huán)壽命短 將增加電動汽車的維護費用 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第75頁 燃料電池 目前 在電動汽車上使用的電源 除蓄電池外還有燃料電池 燃料電池被看作是最有發(fā)展前途的動力源 氫 氧燃料電池是利用氫與氧進行化學反應生成水的同時產生電的一種清潔的發(fā)電裝置 其能流密度為一般二次電池的幾倍至10倍 氫 氧燃料電池的工作原理 使氫和氧分別吸附在用活性炭制成的電極上 并將兩個電極至于KOH電解液中 圖12 28 若這時接通外電路 便有電流流過負載 電池中所發(fā)生的反應即為兩個氫分子在陽極表面變成4個氫離子 并釋放出4個電子 電子由陽極導出 通過外部負載轉移到陰極 氫離子則通過電解也達到陰極與電子及氧結合生成水 用活性碳制成的電極 通過適當的催化劑 鉑或鈀 活化 可以加速電池反應過程 用固體離子交換樹脂代替KOH電解液的燃料電池 圖12 29 有較小的外形尺寸 不過這種電池的內阻稍大 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第76頁 三 電動機 在20世紀90年代以前的電動汽車上 主要采用可孔硅整流的直流電動機 直流電動機具有起步加速牽引大 控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點 但直流電動機的電刷壽命短 需經常更換 而且接觸部分有摩擦損失 致使效率較低 90年代以后 隨著電子技術的進步而發(fā)展起來的周波數變換技術 使原來難以變速驅動的交流電動機 已經開始用于電動汽車上了 交流電動機的優(yōu)點是體積小 重量輕 效率高 基本免維護和調速范圍寬等 交流電動機有感應電動機與同步電動機之分 感應電動機結構堅固 可靠性好 是一種高效 小型高速電動機 但是 交流同步電動機的轉子若采用高磁流密度的永久磁鐵 可能比感應電動機的效率還要高 尺寸還要小 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第77頁 第五節(jié)壓縮天然氣及液化石油氣汽車 一 概述二 CNG供給系統(tǒng)三 LPG供給系統(tǒng) 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第78頁 一 概述 以壓縮天然氣和液化石油氣為燃料的汽車 分別稱為壓縮天然氣汽車 CNGV 和液化石油氣汽車 LPGV 目前 燃用CNG或LPG的汽車發(fā)動機 多是在原汽油機或柴油機的基礎上改裝而成的 若改裝后的發(fā)動機只有一套燃油供給系統(tǒng) 只燃用CNG或LPG一種燃料 則稱這種發(fā)動機為單燃料發(fā)動機 裝有單燃料發(fā)動機的汽車稱單燃料汽車 若在原汽油機燃油系統(tǒng)之外 增設一套CNG或LPG供給系統(tǒng)兩套系統(tǒng)分別但不同時向氣缸供給燃料 則稱這種發(fā)動機為兩用燃料發(fā)動機 裝有兩用燃料發(fā)動機的汽車為兩用燃料汽車 如汽油 壓縮天然氣汽車 汽油 液化石油氣汽車等 若在原柴油機燃油系統(tǒng)之外 增設一套CNG或LGP供給系統(tǒng) 兩套系統(tǒng)按預定的配比同時想汽缸供給燃料 則稱這種發(fā)動機為雙燃料發(fā)動機 相應的汽車為雙燃料汽車 如柴油 壓縮天然氣汽車 柴油 液化石油氣汽車等 天然氣和石油氣 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第79頁 天然氣是從天然氣田直接開采出來的 其主要成分是甲烷 急難液化 因此 目前大多將其壓縮到20MPa的高壓 沖入車用氣瓶中儲存和供汽車使用 即所謂的壓縮天然氣 CNG 石油氣是石油催化裂化過程和油田伴生氣回收輕烴過程中的產品 石油氣在常溫下加壓到1 6MPa即可液化而成汽油氣 LPG 從油田氣制得的LPG其主要成分是丙烷 丁烷和少量的乙烷和戊烷 不含烯烴 適于作車用燃料 從煉油長得到的LPG 除含丙烷 丁烷外 還含有較多的烯烴 不宜作車用燃料 因為烯烴在常溫下化學安定性差 在車運過程中容易生成膠質 燃燒后容易積炭 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第80頁 發(fā)展前景 早在20世紀30年代 在前蘇聯和意大利等國家就已經開始開發(fā)并應用CNGV或LPGV 近20年的發(fā)展很快 不僅天然氣和液化石油氣汽車的數量迅速增加 而且改裝技術日趨電子化 CNGV或LPGV的性能不斷完善和提高 我國天然氣資源十分豐富 天然氣和液化氣作為汽油和柴油的代用燃料 大力發(fā)展天然氣和液化石油氣汽車 即可以充分利用自然資源 又可以減小對石油的需求和減輕汽車尾氣對城市環(huán)境的污染 2020 3 20 哈爾濱工業(yè)大學 威海 第81頁 CNGV和LPGV的優(yōu)缺點 CNGV或LPGV的主要優(yōu)點有 1 天然氣和液化石油氣在常溫下為氣態(tài) 容易與空氣混合形成均勻的可燃混合氣 燃燒安全 可以大幅度減小CO HC和微粒的排放 另外 天然氣和液化石油氣的火焰溫度低 因此NO的排放量也相應減小 2 天然氣辛烷值高達130 液化石油氣的辛烷值也在100左右 因此 燃用天然氣或液化石油氣可提高發(fā)