现今的汽车

现今的汽车，已非简单的代步工具，已成为集无线电科技、多媒体、电脑、GPS全球定位系统等多种新技术于一身的结合体。未来数十年，电池电动车、混合电动车和燃料电池电动车市场份额将以稳定的速度增长，而燃油汽车的市场份额将会逐渐减少，各汽车厂商不得不去追赶“绿色汽车”的时髦，未来的汽车时代将是属于绿色环保汽车的时代。据美国《汽车新闻》等杂志对目前每年生产5000万辆左右汽车的统计，预测国际市场汽车结构将出现以下十大特点：(1)柴油机被更多的轿车所采用。柴油机技术的发展，特别是小型高速直喷式柴油机技术日趋完善，使这种较汽油机更为经济、排放更低的轿车受到更多人的喜爱。(2)汽油机技术发展标志之一是电控燃油喷射发动机将取代化油器发动机。以后生产的汽油机汽车必须装备电控燃油喷射系统。(3)电动汽车将进入实用阶段。随着低价格、高能量和长寿命新型电池的研究发展，以及人们对环保的强烈呼声，电动汽车将在各大城市成为一种代步工具。(4)汽车安全标准将会更加严格。为保证汽车可靠性和稳定l生，ABS+EBD也将逐渐成为一些车型的标准装备；安装保障乘客安全的气囊装置的数量将逐渐增加，一些车型甚至装备侧面气囊，以保证侧翻时乘客头部的安全；三点自动上肩式安全带、防侧撞杆等都将装备到各种类型的汽车上。(5)使用更多轻质材料替代钢材，以降低车重。美国轿车自重由目前的1100千克降低到1000千克以下。铝合金、镁合金及碳素纤维等轻质材料在汽车制造上的应用将增多。(6)各种电子装置将在汽车上更多地应用。如电子发动机锁，它使偷车贼无法下手；全球卫星定位系统使驾驶人员无论身处何处，都不会迷路。(7)载货汽车将改进现有的动力装置。使用一种更加有效的动力装置，可以使目前的载货汽车拉得更多，跑得更快。(8)前轮驱动汽车将有所增加。发动机横置技术进一步发展，将使汽车更省油，更经济；一些大型汽车也将采用前轮驱动方式，如新奥迪A8等。(9)大量减少汽车污染，如用三元催化转换器对尾气进行处理。(10)提高经济性，降低油耗，这也是各大制造厂商为之努力的。估计在采取各种措施后，轿车的油耗能从目前6IVlOOkm降到4．2L／lOOkm。1.国际环保车三大派目前，国际上汽车在环保汽车方面有三大派。一是降低汽油发动机产生的公害，此类车型被视为“改进派”——汽车控制电子化与智能化，三菱公司是其中的佼佼者。二是改进燃料混合驱动，此类车型被称为“改革派”——油、电混合驱动；油、汽混合驱动。即变传统的汽油驱动为电、油混合驱动，并在尾气排放最严重的起步阶段利用电动发动机启动，在发动机达到一定转速后藕使用汽油发动机驱动。由于发动机在高速运转时燃料得以充分燃烧，尾气排放很少，从而在一定程度上减少了尾气的排放。以丰田和通用为代表的汽车厂商主张改进燃料混合驱动。三是以无公害燃料电池取代了汽油燃料，此类车型被称为“取代派”——电动汽车。燃料电池车是电动汽车的一种，它利用燃料箱中氢、氧燃烧产生的能量发电驱动汽车，因而它的燃烧废物只有水，被认为是“新一代环境技术车的代表”，此种是以戴姆勒一克莱斯勒为代表。2.电动汽车电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，既使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少；电厂大多远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关成熟技术；电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的拄心。电动汽车还可以充分利用晚问用电低谷时富裕的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充人电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少CO2的排量。正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。电动汽车的困难是目前蓄电池单位重量储存的能量太少，价格较贵，且没形成经济规模。至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1／3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。电池是电动汽车发展的首要关键，要想在较大范围内应用电动汽车，首先需要依靠先进的蓄电池。经过10多年的筛选，现在普遍看好的有氢镍电池、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，其他性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4。5倍，正在大力攻关让它价格降下来。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，锂聚合物电池可达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10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。我国石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如我国人均汽车持有量达到现在全球水平——每1000人有110辆汽车，我国汽车保有量将成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。3.燃料电池电动汽车燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“贮电”而是一个“发电厂”。燃料电池也有多种类型，经过多年的探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子(质子)可穿过质子交换膜(即固体电解质)，在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水(蒸汽)带走，燃料电池就可以不断地提供电能，如图4—10所示。燃料电池的优点是能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达60％～80％，为内燃机的2～3倍；不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO2，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也不产生NOx。如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气，仅会产生微量的CO和较少的CO2。燃料电池本身工作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。经20世纪90年代的研究，燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，质子交换膜电池(简称PEM燃料电池)功率密度已大大提高。1990年时每L体积可产生140W电力，1995年提高至1000W，每公斤质量产生的电力也从100多瓦提高到几百瓦，最高可达700W。2001年每体积已提高到2200W。质子交换膜的价格下降到540美元/cm2，工作寿命可长达57000h。质子交换膜燃料电池工作温度为80℃。催化用铂量大大下降，过去用量是5mg／cm2，一辆汽车燃料电池光铂就要3万美元，比整个汽车还贵，现在已下降到0．4mg／cm2，近日报道已有做到0．25mg／cm2，甚至0．10mg／cm2。燃料电池的核心部件反应堆的能量转换效率，加拿大巴拉德公司已达到全速时为60％，满负荷时为40％。德国在额定负荷时为59％，20％额定负荷时为69％。各种供给氢气的方法，如高压储氢瓶、液化氢储存器、金属储氢技术都有明显进步，从甲醇和汽油经重整器获得高密度氢气的技术有很大进步，为利用现有加油站“加油”而保持汽车长距离行驶提供可能，尤其是从甲醇获取氢得到更多的重视，因为它的重整工作温度较低，耗能较少，伴生的CO等副产品较少。PEM燃料电池要在性能及价格方面达到与内燃机汽车有竞争力的水平还有大量工作要做，特别是价格方面，20世纪80年代时燃料电池每千瓦功率的价格为1500～2000美元，预计本世纪末，可达到500～600美元，也就是说一辆功率为50kW的汽车，光燃料电池的价格仍需2500～3000美元，为了降低价格，正在大力研究新材料(如新的质子交换膜，新的催化材料及技术等)、新结构、新工艺和新技术。2000年巴拉德公司开发出最新一代燃料电池MK900，2001年开发出MK902，并已建成年产1万个电池的生产线。4.混合动力电动汽车混合动力汽车是一种折衷产品，目的在于显著提高汽车的燃油效率，同时减少传统燃油汽车的尾气排放，克服纯电动汽车的缺点。对混合动力汽车概念的理解应该更广泛，任何拥有两种或以上动力源的汽车都是混合动力汽车。混合动力电动汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车。车载动力源有蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组等多种。当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车。4．1混合动力电动汽车的特点采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷小时，剩余的功率可发电给电池充电。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。因为有了电池，可以十分方便地回收制动、下坡及怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站加油，不必再投资。可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放电等现象，延长其使用寿命，降低成本。混合动力电动汽车基本的工作方式包括串联式、并联式和串并联(或称混联)式。混合动力驱动汽车的缺点是有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。由于“新一代汽车伙伴合作”(PNGV)计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力是实现中级轿车百公里3L油耗的可行方案，因此混合动力受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。日本丰田汽车公司1997年12月宣布将混合动力电动轿车PRIUS投入小批量商业化生产，该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴四缸，1．5L排量汽油机，最大功率42．6kW／(4600r／min)，带永磁无刷发电机，驱动电机亦为永磁无刷的额定功率30kW，采用氢镍电池，实现串并联控制方式，百公里油耗为3．4L，比原汽油车减少了一半，C02排量也相应减少了一半，CO、HC、NO。仅为现行法规允许值的10％，售价每辆216万日元(约15000美元)。美国克莱斯勒汽车公司1998年2月在底特律展出第二代道奇无畏ESX2型混合动力电动轿车，该车装用1．5L排量直喷柴油机带发电机，采用铅酸电池，交流感应电机驱动，铝车架，混合材料车身，自重1022kg，百公里油耗降至3．4L。2000年通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒已开发出100公里油耗仅为3L汽油或接近3L汽车的样车，只是价格仍较贵。4．2混合动力汽车原理(1)混合动力汽车的组成。尽管混合动力汽车有并联与串联之分，但其主要组成部分却相差不大，主要有以下几部分：燃油发动机：混合动力汽车都装有一个燃油发动机，这与普通汽车发动机基本类似，但是其体积更小，并且采用了更新的技术以减少排放和提高燃油效率。油箱：混合动力汽车上的油箱是燃油发动机的能量储存设备，汽油的能量密度要远远超过电池的能量密度。比如1000磅的电池所储存的能量仅仅相当于一加仑(约7磅)汽油所蕴涵的能量。电动机：混合动力汽车上的电动机是十分精密的。先进的电子技术使其既是发动机又是发电机。比如，需要时电动机就可以从电池组获取能量，加速汽车的前进，但是作为发电机的时候，它又可以帮助汽车减速，并同时将能量输入到电池当中