第八讲未来汽车的发展

汽车作为现代交通工具之一，已成为人类现代文明生活、生产不可或缺的重要组成部分。汽车诞生一百多年来，为人类生活和生产活动做出了重要的贡献。但是与此同时，汽车也带来了能源问题、环境污染、交通拥堵、交通安全等社会问题。为了解决这些问题，未来的汽车面临着巨大的技术挑战。第八讲未来汽车的发展质量轻量化的节能汽车清洁燃料的环保汽车安全智能汽车概念车一．质量轻量化的节能汽车为了节约能源，减少汽车尾气排放最有效的办法之一就是减轻汽车自身的质量。试验表明，汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接的关系。在相同情况下，汽车质量每减轻100kg，可节油0.2～0.3L/100km，同时汽车的废气排放也有明显降低。根据最新资料，国外汽车自身重量同过去相比减轻了20%～26%。预计在未来的10年内，轿车自身重量还将继续减轻20%。车身质量轻量化优化汽车框架和结构采用轻质材料制造车身利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身钢板的重量高强度钢、铝合金、镁合金和工程塑料等轻质材料——高强度钢高强度钢板是在低碳钢板的基础上采用强化方法得到的，抗拉强度得到大幅增强。利用高强度特性，可以在厚度减薄的情况下依然保持汽车车身的机械性能要求，从而减轻了汽车重量。例如BH钢板是在低强度的条件下，经过冲压成形之后，进行烤漆加工热处理，以提高其抗拉强度。以往生产的强度在440MPa的钢板，在采用这种加工技术以后强度可增加到500MPa。原来用厚度1毫米钢板做侧面板，用高强度钢板只需厚度0.8毫米。目前高强度钢有BH钢（烤漆硬化钢板）、双相DP钢、相变诱导塑性钢（TRIP）、微合金M钢、高强度无间隙固熔IF钢等。它们一般用于需高强度、高抗碰撞吸收能、成形要求严格的零件，例如轮圈、加强构件、保险杠、防撞杠。轻质材料——铝合金铝材料具有比钢材轻（其密度约为钢的1/3）、易于回收的优点已经成为汽车制造中备受关注的轻质材料。但是铝材的加工成本高，而且冲压及焊接技术要求比较特殊，以目前的技术尚不是一般厂家可以做得到的。当然，这些缺点并不会阻碍它在汽车上的使用。例如德国奥迪A8汽车采用全铝制造的框架结构的车身。该车身由热挤压成型的直线及曲线形的铝结构件组成，在连接处使用模压连接件，可以承受较大的作用力。轻型铝及新型结构的结合，既明显地减轻了车身质量，又保持了良好的尺寸稳定性及刚度。目前，在汽车上使用铝合金材料的零部件主要有车轮、发动机零部件、车身面板、车身骨架、空调冷凝器、蒸发器、装饰件和悬架系统零件等。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。据预测，到2010年，80%的汽车发动机将采用铝气缸盖，35%的汽车发动机将采用铝气缸体。铝合金轮毂比亚迪G6搭载的1.5TI涡轮增压缸内直喷全铝合金发动机，额定功率113kW/5200rpm,最大扭矩240N·m/1750-3500rpm，各项数值均大于现有2.0L自然吸气发动机的最大功率和扭矩，甚至可达到2.4L传统发动机的动力。同等排量的发动机中，使用铝缸体发动机，能减轻20公斤左右的重量。轻质材料——镁合金镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，在实际应用的金属中是最轻的。镁具有强度、刚度高，导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。镁车轮比铝车轮轻20%以上。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比，镁制件降重65%；与传统的钢制转向轮芯相比，镁制件降重45%；与全铝气缸盖相比，镁制件降重30%；与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的镁铸件降重40%，同时其刚性也得以改善。轻质材料——泡沫金属“泡沫金属”是20世纪90年代末才出现的新型材料，但应用速度很快，有些新车型已经采用了这种材料。“泡沫金属”主要指泡沫铝合金，它由粉末合金制成。通常的粉末合金是用粉末压制成形，或用金属粉末及塑料的混合物注射模制成形。在除掉分型剂及增塑剂之后，将压制的坯件烧结(一种温度在1000℃左右的热处理方式)，使它们具有一定的特性。烧结的性质及应用范围在很大程度上取决于孔隙率的大小。泡沫铝合金密度很小，当承受很大的外力而变形压缩后，当外力撤去，凭着它自身的弹性可恢复到原来的形状，有点象橡胶。轻质材料——钛合金钛的密度为4.5g/cm3，具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵，至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此，对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆，强度相当于45钢调质的水平，而重量可以降低30%；β系钛合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）经强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等，与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比，钛弹簧可降重20%。钛合金应用的最大阻力来自其高价格。轻质材料——塑料及其复合材料塑料是以合成树脂为主要成分的高分子有机材料，具有质量轻、摩擦系数小、耐磨损、耐腐蚀、减振、自润滑、易加工成形、价格低廉等优点，是重要的汽车轻质材料。它不仅可以减轻零部件约40%的重量，还可以使采购成本降低40%左右。因此近年来国际上非常重视新型车用塑料材料与配件的开发，汽车的内饰件已基本实现塑料化。如今塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展，使用量也在迅速上升。目前，发达国家车用塑料现已占塑料总消耗量的7%～8%，预计不久将达到10%～11%。在2000年时，世界平均每辆汽车的塑料用量就已达105公斤，约占汽车总重量的8%～12%。它在轿车中的比例较高，如奥迪A2型轿车，塑料件总重量已达220公斤，占总用材重量的24.6%。二．清洁燃料的环保汽车从20世纪70年代出现石油危机以来，一些国家开始重视并开发汽车代用燃料。到现在由于汽车数量的不断增多，车用燃油消耗快速增长，汽车排气对大气的污染日趋严重，促使各国加强对代用燃料的研究。当前开发及应用代用燃料主要是为了降低排放、保护环境，同时扩大汽车燃料供应的品种及未来的需要，所以也称之为清洁燃料。清洁燃料汽车是以清洁燃料取代传统汽油、柴油的环保型汽车，是减少汽车污染物排放的重要措施之一。与传统燃油车辆相比，清洁燃料汽车具有能耗低、污染物排放少等典型特征。按照所使用燃料和驱动方式不同，清洁燃料汽车可分为电动汽车、燃气汽车、醇类汽车、氢气汽车等。清洁燃料的环保汽车——电动汽车电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，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，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于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，也已有了相关技术。由于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担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，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，经充入电池，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二氧化碳的排量。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”。电动汽车有蓄电池式、混合驱动式和燃料电池式三种形式。电动汽车——蓄电池式蓄电池式电动汽车的基本形式是将其它能源转变为电能并储存于蓄电池中作为汽车的动力源。它的优点是没有排放污染，缺点是当前使用的蓄电池性能还不理想，单位重量储存的能量太少，一次充电后汽车形式里程较短（50～100km），个别样机可达550km。还因为电动汽车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，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。同时充电、维修等基础设施的建设也需要大量的资金。雷诺——风朗电动版雷诺风朗电动汽车在享受英国政府5000英镑补助后，实际售价为17850英镑(约合人民币18.5万元)，与普通风朗的价格持平。比亚迪——E6售价高达30万元；可以15分钟快充；深圳公布了对新能源车的地方补贴计划，额度与国家补贴一样同为6万元，因此总补贴额度达到了12万元，这款车的实际售价将不到20万元。众泰——纯电动汽车2011年4月30日，厦门华天纯电动汽车租赁有限公司正式开业，首批23台众泰纯电动汽车。此次交付使用的纯电动汽车是由众泰汽车生产的众泰5008EV和朗悦EV；众泰汽车已经拥有完善的新能源汽车研发制造体系，众泰008系列、朗悦、朗朗等纯电动汽车已正式进入市场化试运行阶段；在接下来的两年里，众泰新能源汽车还将向厦门市场投放303台纯电动汽车江淮——同悦电动版2011上海车展江淮同悦电动版首次亮相；该车是江淮在同悦平台基础上开发的电动车配件，车体整备质量比国内同类车型要轻，仅为1200kg，这样该车的提速时间更短、行驶里程也更长；最高车速可达95km/h，对于日常代步的使用可以完全应对。最令人称道的是原地加速至50km/h只需6秒；60km/h匀速行驶的情况下，可续航达150km。电动汽车——混合动力式电动汽车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，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。按能量的耦合方式可分为：串联、并联和混联三种形式。①串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。②并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。③混联式混合动力电动汽车混联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。混合动力电动汽车的优点是：①采用复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，富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。②因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。③在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。④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。⑤可以利用现有的加油站加油，不必再投资。⑥可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。电动汽车——燃料电池式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“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的优点是：①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。②不污染环