用于2030年的车用动力系统的研究与开发
为了使车辆满足降低CO2排放的目标，汽车制造商需对多种动力系统和不同车型进行分别研究，从而得出最佳的组合方式并将其转化成实际产品。德国IAV公司目前已开发出一种开发系统，通过对车辆动力性的要求的分析就能推断出合适的动力系统模块。
1 对未来车用动力系统的挑战
未来，混合动力汽车将主要用于降低CO2和有害物排放。为了满足全球CO2和有害物的排放目标，研究人员需重点考虑用户的需求，从而使车用动力系统呈现出多样性。
至2030年，欧洲市场汽车的CO2排放指标很大程度上可通过法规来进行调节，研究人员对其设定的排放限值约为50～70 g/km。该目标通过电气化措施就可实现，这是目前通过油箱至车轮（TtW）系统而计算出的降低CO2排放的方式。就目前而言，只有在储备了充足的可再生能源时，到2050年才能逐步实现降低CO2排放的目标。除了降低排放之外,还要注意在进行能量回收利用时系统对环境的影响，如温室效应等现象。研究人员为了对车用动力系统方案进行准确评价，从而需依照全生命周期（CtG）而对车辆进行全面研究。
此外，车辆在降低CO2排放的发展进程中还会面临其他挑战，如需对某些车型进行电气化调整，从而在经济层面和在技术层面上均会存在一系列问题。因此对于有着较高功率需求的移动设备（重型载货汽车、建筑机械等）而言，在未来仍会主要以内燃机（ICE）为动力来源，由此可大力推行合成燃料（E-Fuel）的应用，该类燃料是通过CO2与可再生的氢而合成的。由于该类燃料的制取效率较低，在从油井到油箱（WtT）模式下，该指标仅为45%～65%，因此针对可再生燃料的需求得以相应提升。
除了CO2排放法规之外，生产成本和用户的接受程度对于车辆动力系统的开发也会造成一定影响。此外，车辆动力系统应具有较高的灵活性，以便能稳健地面对随时可能出现的法规调整，同时也应扩大可再生能源开发及用户状况的不确定性（图1）。
2 系统的方案开发
动力系统的部件、布局和功能的优化需要基于系统层面的开发过程以及针对具体车型的长期产品策略而得出。IAV公司所采用的独特方法和工具系统始终贯穿于整个开发过程中。
IAV公司针对车辆动力系统的开发过程（图2）从采集终端用户、法规、目标市场、汽车制造商、零部件供应商和能源供应商等方面的要求开始，在实现系统组合时描述了市场条件和环境条件对使用状况的影响，由此阐明未来的发展趋势，并能指明其技术要求和用户的接受程度。IAV公司根据此类情景可研究出相应的优化方案，并以此降低CO2排放。
IAV公司在进行车辆动力系统的组合优化时，可将许多部件组成全新的系统，并针对其成本、效率和输出功率进行优化，而后确定动力系统的主要参数，并对各个部件的结构进行开发。此外，这种有效的合成方式还被用于变速箱、电机和执行机构的开发。通过上述一系列过程，研究人员得到了由各个具体部件所组成的动力系统。同时通过采用模块化合成，研究人员可将车辆动力系统的最佳方案组合成模块化结构，以便将产品多样性、废气排放和成本降至最低（图2），通过该方法能实现未来的技术目标。
3 公司车队层面上的持续考察
为了客观地研究动力系统对温室气体效应的影响，研究人员还对车辆生命周期进行了考察，该过程即为生命周期评估（LCA）。在该领域，针对WtW模式下CO2排放的计算过程也应采用不同的合成燃料，针对生产过程（CtG）中的CO2排放评估也势在必行。该领域的研究范围已从TtW模式扩展到WtW模式和CtG模式，因此还应对车辆电驱系统中的蓄电池和磁性材料的制造过程开展相关研究。研究人员在每一个动力系统方案的组合中相应生成LCA指标，从而能在后续的研究过程中对所有车辆的动力系统进行总体评估（图2）。评估的标准是TtW、WtW和CtG过程中的CO2排放量、一次能源的需求量和整车制造成本。
4 2030年混合动力方案研究
在后续的方案研究中，研究人员对图1中的几项问题进行了优化。为此，5种最主要的车辆型式（ICEV、HEV、PHEV、FCV和BEV）对应着最重要的车辆等级（B级车、C级车、D级车、E级车）。对于每一种车型与动力系统的组合，研究人员都要计算基于TtW模式的全球统一的轻型车试验程序（WLTP）的CO2排放量以及基于WtT、WtW和CtG模式的CO2排放量，并相应补充一次能源及完善驱动部件制造成本的数据记录。
研究人员在方案开发过程中为每种车辆等级规定了应用最广泛的3种动力系统（图3），同时该类动力系统的组合都是开放式的，研究人员均已对其进行了组合分析。目前尚不知全新的动力系统会如何影响用户的购买意向，为了能使该指标量化，已将市场销售的所有组合涵盖在内，从而便于研究人员对2030年的车型产量进行预测。
表1中的第1种情况可被认为是汽油车的技术基准，除此之外装备柴油机和天然气发动机的车型有助于显著降低CO2排放。表1中的第2种情况表示制取合成燃料需采用可再生能源，否则到2030年，在车辆采用混合动力系统的情况下会使WtW模式下的排放量增加6倍，如果设定合成燃料仅能通过可再生能源制取，那么WtW模式下的CO2排放当量仅为20 g/km。即使研究人员对车辆、驱动装置、燃料和能量的生产、运行和回收利用开展总体研究，在使用100%比例合成燃料的情况下CO2排放量也仅为52.3 g/km，仍低于2030年的TtW的预测平均值。
表1?用于预测2030年欧洲车辆等级分布可能的驱动型式情景
作为与此相对应的方案,表1中的第3种情况代表仅使用蓄电池的纯电动汽车，除了可局部实现零排放之外，同时也能表明实际影响周围环境的排放（WtW）与混合动力系统密切相关。
如果考虑到BEV的动力系统，那么CO2排放当量将会提高到约140 g/km，这虽然比第1种情况低约50 g/km，但是却明显高于其他车型的排放值，而且BEV的动力系统的成本要高出约81%。
表1中的第4种情况则代表了未来的发展前景。占比约50%的电动车可实现局部零排放，而剩余的部分车型则装备成本较低的内燃机，以此满足市内行驶和郊外行驶的需求。因此，与第3种情况相比，WtW和CtG模式下的CO2排放与车辆动力系统的平均制造成本都能显著降低。
第5种情况是针对每种车型和驱动型式产量分布的预测，研究人员通过这种分布状况可对车辆等级和车辆动力系统进行预测。如表1所示，按照现在的数据状况预测HEV所占的份额为55%，与PHEV和ICEV加在一起的所有新车型中约有83.8%的车型都装备了内燃机。在该预测过程中，BEV的份额仅占16%。以此为基础，所有车辆等级在始终使用化石燃料的情况下，TtW情况下的CO2排放约为77 g/km，而与此相应的WtW情况下的CO2排放量为95 g/km，相对较高。此外，与条件2、3和4相比，可再生能源对WtW和CtG模式下降低CO2排放的影响效果相对较小。因此，证实了提高混合动力汽车所占比例可有效促进可再生能源领域发展的理念。此外，由于使内燃机燃用E-Fuel燃料能有效地降低CO2排放，而减小PHEV、BEV和FCV的所占比例能相应降低成本。
5 排放法规的影响
从图4可以清楚地看出各种车型的CO2排放和成本潜力。并分别标注出了ICEV、BEV、FCV所占的比例。
在当前的TtW法规下，汽车制造商通过零排放车型来降低公司车队平均CO2排放，由此引起整车成本的直线上升。研究人员通过基于2030年的预测值，可将WtW模式下的CO2排放量降到约120 g/km以下。但即使BEV在所有车型中占据100％的份额，WtW模式下的CO2排放量也难以降低到80 g/km 以下。与2030年的能源体系相比，可再生能源所占的份额会进一步增加。
6 BEV的用户接受程度
目前，1项不确定性在于用户对于BEV的接受程度。图5左图示出了在车辆动力来源全部为可再生能源的情况下，BEV对WtW模式下CO2排放量的影响。由于充电时间、公共设施和使用寿命周期总成本（TCO）等因素会对BEV的销售产生制约，从而只有增加FCV的销售比例才可有效抑制CO2排放，由此会使整车成本得以显著提升。根据预测，至2030年时FCV的市场占用率也会相对较低，仅有0.2%，为此对E-Fuel燃料实现进一步推广应用才能确保WtW模式下的CO2排放量不会增加。
如图5右图所示，针对减少CtG模式下CO2排放值的研究，只有通过对ICEV及HEV这2类车型进行比较才能得出结论（图5右图）。由此只有在一次能源需求增加的情况下才可有效降低成本。
7 动力系统与车辆的匹配
通过上述分析，本文研究了用于2030年的TtW、WtW和CtG模式下的CO2排放的依赖关系和优化潜力。除了针对降低CO2排放而逐步推进针对混合动力系统的优化之外，已考察了整车制造成本及其动力系统所需的一次能源。
图6左图示出了动力系统数量对TtW模式下CO2排放的影响。图中所标注的“成本最佳”、“TtW最佳”和“WtW最佳”分别表示出了在CO2排放潜力和动力系统组成等方面的重要区别，使用上述动力系统即可在TtW模式下达到最低的CO2排放。
每一种车型配置（数据云中的点）包含了车辆等级特有的动力系统，并配备有相应的CO2排放、一次能源和整车成本的相关数据。在图6右图中针对WtW最佳的车型示出了为此所必需的动力系统及其与车辆的组合形式。
8 结论
未来，车辆采用混合动力系统可显著降低CO2和有害物排放。采取IAV公司的车型组合方法，就能将内燃机、包括插电式在内的混合动力系统以及采用燃料电池或蓄电池的纯电动力系统等5种最重要的动力系统形式分别分配给相应的车型。研究人员针对每一种车型与驱动装置的组合都计算出了相应的CO2排放当量，而且调整了每种车型的销售比例。通过研究方案证实，在面对混合动力系统和可再生能源的挑战时，目前所有车型中HEV依然占比较高，而传统内燃机燃用E-Fuel燃料有着较好前景，同时减少PHEV、BEV和FCV的销售比例也能降低整车成本。除此之外，研究人员还分析了混合动力系统的目标导向。上述结果表明，内燃机在B级车型中仍是未来的主要发展目标，但是在其他车型中混合动力（HEV或PHEV）车型更占优势。
作者：[德]W.WUKISIEWITSCH等
整理：范明强
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。
属于啊，植物是可以再生的啊，也可以根据需要规划种植。现在研究较多就是可作能源用途的能源植物，如利用木薯和甘薯的淀粉来生产燃料乙醇；利用小桐子和光皮树等种子中的油脂来生产生物柴油；现在也在开始研究利用植物中的纤维素生产乙醇等等，都是利用植物中的碳水化合物来生产生物燃油材料。
可再生能源泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类有生之年都不会耗尽的能源。可再生能源不包含现时有限的能源，如化石燃料和核能。
大部分的可再生能源其实都是太阳能的储存。可再生的意思并非提供十年的能源，而是百年甚至千年的。
可再生：
太阳能
地热能
水能
风能
生物质能
潮汐能
对于长距离行驶工况而言，合成燃料是一类充满吸引力的可用于降低CO2排放的解决方案。除了将甲醇作为单一燃料直接使用之外，也可考虑使用甲醇、乙醇、正丁醇和异丁醇与传统燃料的混合燃料作为内燃机燃料。为此，德国亚琛工业大学已在单缸汽油机上通过燃烧过程研究这些混合燃料和纯醇类燃料提高效率和降低有害物排放的潜力。
1 燃料具有不增加排放的自由度
巴黎气候保护协议规定了2015年降低CO2排放的目标，并在以后的几十年中应逐步显著降低CO2排放。交通领域对于有效实现能源转型起着决定性的作用，其所消耗的能源约占德国总能源的20%。即使通过减轻质量、提高发动机效率或者加速汽车电气化和混合动力化，由此持续不断地改善能源的利用效率，但是与1990年相比，温室气体排放并未得以显著减少，而且短期内的交通流量甚至还会进一步增加，因此降低CO2排放仍是举步维艰。在封闭碳循环中借助于可再生能源制取燃料的情况下，液态合成燃料为降低交通领域CO2排放提供了广阔的前景。除了长期降低下一代内燃机排放之外，此类燃料作为混合燃料的组成成分在现有公司车队中已能显著降低CO2、NOx和颗粒排放。
2 燃料特性
为了研究液态可再生燃料在汽油机轿车上的适用性，选择了3种醇类燃料作为混合燃料的组成成分：甲醇、乙醇和丁醇，而将研究法辛烷值（RON）为94的不含氧的汽油作为基础燃料。这些醇类的纯组分以3%～40%的份额与基础燃料进行混合，从而总共确定了10种混合燃料，其特性列于图1中，其目标是用这10种混合燃料需满足RON＞101的要求。E20和E25为来自巴西的含乙醇燃料。M15E5是一种由ENI和FCA公司开发的A20燃料，它含有15%甲烷和5%乙醇。所有这10种混合燃料的低热值约为39 MJ/kg，且几乎保持恒定不变。与基础燃料相比，纯粹的醇类呈现出明显较低的热值，这归因于较高的含氧量，而甲醇、乙醇和正丁醇和异丁醇却具有比基础燃料明显更高的抗爆性。正是在高负荷工况下，较高的蒸发焓起到了显著作用，与基础燃料相比，2种丁醇组分的蒸发焓要高出2倍，乙醇的蒸发焓要高出3倍，而甲醇的蒸发焓甚至要高出6倍，但是在冷起动状况下较高的蒸发焓就显得不胜其弊了。无论是甲醇和乙醇还是正丁醇和异丁醇都具有比基础燃料更高的空气需求、更低的比热值、更低的蒸汽压和更高的蒸发焓，在较低的进气空气温度和冷起动条件下会导致不良的混合气形成。此外，对于选择混合组分而言，沸点温度是一个重要的需求，因为沸点温度超过100 ℃可能使燃料掺入机油而导致机油稀释，因此需确保在90℃的运行温度下掺入到机油中的燃料能充分蒸发，沸点温度为118 ℃的正丁醇组分不进行试验，而沸点温度为108 ℃的异丁醇与基础燃料的混合比例至多为40%。
3 试验研究载体
在单缸试验发动机上进行基础试验研究。单缸试验发动机上的增压是由外部增压机组实现的，完全能达到0.35 MPa的最大增压压力。借助于排气管路中的一个背压阀，在节流运行时压力能被调节到0.1 013MPa，而在增压运行时排气歧管中的压力被提升到与进气管中相近的数值。进气空气温度被调节至25 ℃。这种单缸试验发动机能通过活塞的几何形状被调整到不同的压缩比。为了利用含醇燃料的高抗爆性并达到最高的发动机效率，将压缩比设定为13.0。坚固的曲柄连杆机构允许气缸最高平均压力高达17.0 MPa，由此考虑到了所期望的高峰值压力，特别是考虑到了在使用含醇燃料时应具有足够的安全性。此外，这种单缸试验发动机具有分开的进气道，其能达到较高的滚流强度，从而获得良好的混合气形成。火花塞及喷油器均布置在气缸中央，其中火花塞布置于排气门之间，而喷油器则布置于进气门之间（图2）。
采用6孔电磁阀式喷油器以高达20MPa的喷油压力进行燃油喷射。为了进行废气测量从排气歧管提取部分体积流量的废气，并借助于下列测量系统来分析废气成分：
碳氢化合物（HC）：火焰电离分析仪（Rosemout NGA 2000）；
氧（O2）：顺磁式氧分析仪（Rosemout NGA 2000）；
一氧化碳（CO）：红外线气体分析仪（Rosemout NGA 2000）；
二氧化碳（CO）：红外线气体分析仪（Rosemout NGA 2000）；
氮氧化物（NOx）：化学荧光分析仪（Eco Physics 700 EL ht）。
为了测定碳烟排放，通过背压节流阀在0.1013 MPa压力水平下提取部分体积废气，并引至烟度仪（AVL?415s），用博世（FSN）黑烟度定量测量烟度。单缸试验发动机燃油系统中应用的密封件均由聚四氟乙烯（PTFE）和全氟醚橡胶（FFKM）制成的，这些材料与试验燃料接触时不会发生膨胀，而对于三元乙丙橡胶（EPDM）、氟橡胶（FKM）和丁晴橡胶（NBR），在前述工作中就已查明该类材料难以发生膨胀。
4?单缸试验发动机的试验结果
试验研究的目标是确定所选定的10种混合燃料以及基准燃料和纯甲醇的效率和废气排放的特性。基础试验包括化学计量比部分负荷和全负荷运行、借助于废气再循环（EGR）稀释充量、过量空气以及催化转化器加热和机油稀释。下文示范性地介绍了负荷变化和催化转化器加热的试验结果。
图3示出了根据可达到的50% 燃料转换点，在2 500 r/min转速下2种不同负荷工况点时的各种不同燃料的抗爆性。为了评价混合燃料，应用常规的RON 98燃料作为基准燃料，其采用与混合燃料相同的压缩比13.0进行试验。当50% 转换点能在最佳燃烧重心位置点火上止点后7～8°CA范围内实现时，燃料即已显示出较高的抗爆性，随之可达到尽可能高的效率。如图3所示，在平均指示压力pmi=1.2 MPa的负荷工况下没有哪种燃料会受到爆震限制。因为基准燃料采用与混合燃料相同的压缩比进行试验，采用混合燃料的效率仅能提高1%，因而其并非是决定性因素，其中甲醇的效率明显比基准燃料提高了7%，这一方面是由于层状火焰传播速度较高，从而缩短了着火滞后和燃烧持续时间的结果，但是更重要的是较高的蒸发焓带来的效果，由此得到的更低的气体温度并减小了压缩功和壁面热损失。混合燃料之间的差异同样也是由不同的蒸发焓所造成的。因为NOx的形成是由燃烧室中的气体温度所引起的，与基准燃料相比，4种组分因绝热火焰温度较低而产生较低的NOx排放，再与较高的蒸发焓相结合，特别是甲醇，以此能使NOx排放显著降低。混合燃料较大的汽化冷却作用使燃烧温度有所降低，并加剧了不完全燃烧增现象的出现，从而导致了HC排放略有增加。当然，与混合燃料相比，甲醇因其含碳量减少了56% 以及层状火焰较高的传播速度而使HC排放明显降低。
在pmi?=1.8 MPa的负荷工况下，混合燃料因具有较高的抗爆性而提高了效率。采用RON98基准燃料运行时可达到的最大负荷为pmi?=1.8 MPa，50% 转换点位于点火上止点后28°CA，然而10种混合燃料的50% 转换点位于点火上止点后14～18°CA。10种混合燃料具有的最大pmi可达2.4～2.7 MPa，其中轻微的差异可归因于不同的辛烷值和蒸发焓，与基准燃料相比，这就导致了使用M3E20燃料时效率提高12.6%，而在甲醇情况下效率甚至能提高23.5%，因为纯组分即使在pmi=1.8 MPa时仍能达到点火上止点后7.6°CA的最佳燃烧重心位置。尽管2B40和iB40混合燃料的正丁醇和异丁醇40%的混合份额相对较高，但是因RON和蒸发焓比甲醇和乙醇低，其效率仅能提高11%。在相同的醇类含量20%的情况下，E20、M15E5和M5E15混合燃料都达到了使用M15E5时的最高效率，因为M15E5混合燃料中的甲醇含量是最高的。
为了评价在发动机冷起动边界条件下的混合气形成，除了在2 500 r/min的转速下调整负荷之外，所有10种混合燃料和基准燃料以及甲醇的试验还在1 200 r/min和pmi=0.3 MPa典型的催化转化器加热的运行工况点进行。作为边界条件发动机机油温度和冷却水温度被调整到30 ℃。此外，将相同的点火时刻（ZZP）、相同的喷油始点（EB）以及具有恒定喷油持续时间（ti2）的与点火相关的喷油作为试验的基础，如图4所示。甲醇的燃烧持续期导致了良好的燃烧稳定性，其平均指示压力变化系数（COVpmi）较小，而正丁醇含量较高（分别为15%和40%）的混合燃料则显示出稍高的COVpmi、略高的HC排放和较长的燃烧持续期，这与组分的沸点较高有关。在采用甲醇的情况下，因其蒸发焓高、蒸汽压低、空气需求量较少以及由此引起的需求燃料的体积提高而出现明显的气缸壁面润湿现象，因而在排气阶段期间甲醇就从气缸壁面上的机油膜部分解出来，直接导致HC排放有所增加。与基准燃料相比，由于混合燃料的蒸发冷却作用要高出约21%，因而能降低NOx排放。尽管混合燃料的蒸发冷却作用有所提高并由此降低了废气温度，但是在燃烧稳定性有所恶化的情况下，仍有足够的废气热流量以确保COVpmi。
甲醇的燃烧明显更为稳定，当然其仅能获得2 kJ/s以及相对较小的废气热流量。因为甲醇在点火上止点后25°CA点火时刻时的废气热流量处于与基准燃料和混合燃料在点火上止点后15°CA点火时刻时的相同水平上，因此基于废气热流量的增加与点火时刻之间的线性关系，随着点火角的进一步调整，废气热流量就能达到约3 kJ/s。
5 结论和展望
在直喷式单缸试验发动机上已对10种含有甲醇、乙醇、正丁醇和异丁醇的汽油机混合燃料以及纯甲醇进行了热力学试验研究。所进行的试验研究表明，甲醇提供了提高效率和降低NOx排放的巨大潜力。在高负荷时，与RON98基准燃料相比，使用混合燃料在相同的压缩比情况下能使效率提高12.6%，而甲醇甚至能使效率提高达23.5%。甲醇将较高的蒸发焓与较高的层状火焰传播速度相结合，能在高负荷和冷起动条件下提高抗爆性和燃烧稳定性。含有丁醇的混合燃料的热值比甲醇和乙醇的热值更高，当然其抗爆性仍略逊一筹。此外，较高的沸点温度会提高冷起动条件时的HC排放。鉴于EGR兼容性和稀薄燃烧过程，期望使用混合燃料和纯组分燃料以进一步提高效率和降低废气排放。在使用甲醇运行时，因其较好的抗爆性而有望进一步提高压缩比。除了在NOx排放方面的优势之外，随着醇类含量的增加，HC排放仍具有挑战，特别是在冷起动的工况下。
作者：[德]C.WOUTERS等
整理：范明强
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。
