可以看出汽车燃料经济性的情况,设总能量为100%,由于能量的转换和功率传动的损失,输出功率只相当于总热能的25%,而驱动功率只有12%,可见汽车的燃料经济性之低,汽车节能就是要解决如何降低图2.1中所示的热能损失和降低摩擦的问题。
2.4.2我国汽车燃耗水平与国际先进水平的差距
我国的汽车油耗比国外发达国家高得多。有资料表明我国个别车型单车油耗是发达国家的数倍。虽然近期我国已生产出了一些油耗较低的汽车。例如2004年先后推出了Jetta SDI、Bora TDI和AudiA6TDI等,其中AudiA62.5TDI以90km/h等速行驶,其百公里油耗为5.2L/100km,但我国汽车燃耗总体水平仍不高。
德国大众公司的LuPo 是最早批量投产的3L/100km油耗的节油汽车之一。从2000年5月16日开始,历时80天,行驶里程33000km的环球行车实验期间共耗油793L,最低油耗1.99L/100km,最高油耗2.8L/100km,平均2.4L/100km。该公司总裁皮尔希博士提出,在他任期内要开发出一升轿车,并于2002年4月14日推出0.3L量3气门柴油车。该车采用铝合金、镁合金以及钛合金等轻质材料,空气阻力系数CD0.159,最高车速可达120km/h。在一次行程为230km/h的实际行驶中,耗油仅为0.89L/100km。
各国都在努力探索研制低油耗汽车,除上述Lupo汽车外,比较有代表性的还有:Toyota Prius、Honda Insight、Nissan Cypact、GMP recept、FordP rodigy、Fiat Ecobasic等。
汽车节油目标受多重因素的制约:例如整备质量不可能降得很低,特别是对于重型汽车或超大型的汽车,降低自身质量困难更大;从汽车的性能方面来看,降低质量也受限于安全性,舒适性的要求;此外新结构的采用也造成了整备质量增加;价格上升和市场承受能力等也都是制约因素。
2.4.3世界车用能源的发展趋势
1.以石油为基本原料的化石类燃料
随着全球对石油需求的逐年增长,石油开采难度的加大以及3 0石油加工成本的不断上升。可以预计近十年内世界石油市场的价格必将大幅上扬。在美国,有人计算过,原油价格每上涨10美元,美国整体经济增长速度就会放缓0.33%。在我国,汽车保有量的快速增长,给环境带来了巨大的压力,燃油经济性较差的机动车已经成为大中城市大气严重污染的罪魁祸首。世界各大汽车公司在研究改善现有的内燃机技术来降低油耗的同时,也正在积极寻求汽车替代燃料。
2.以天然气为基础的合成燃料
天然气的主要成分是甲烷、少量的烃类和二氧化碳。天然气的热值较高,抗爆性能优于汽油,发动机燃用天然气时可以来用较高的压缩比(小尺寸发动机可取14),因此同汽油机相比,天然气发动机具有更好的经济性,而且由柴油机改装的天然气发动机的颗粒废物特别少,因此不需要再安装昂贵的、性能又不太可靠的颗粒过滤器。发动机使用天然气后,其排放中CO、HC、NOx 及CO 2等将分别比汽油车低90%、70%、40%和20%、不向大气排放高分子量的硫、苯、烯类、醛类废气,而且天然气全球储量丰富,开采运输方便,价格比汽油、柴油便宜。正因为天然气有如此众多的优点,它才受到了许多国家的青睐,被视为近期最有发展前途的清洁燃料之一。在拓宽本来汽车燃料的来源、防止传统液态石油燃料不足方面最有希望。
3.可持续发展能源
可再生能源包括小水电(水能)、风能、太阳能、生物质能、海洋能这些在自然界可以重复、循环利用的自然资源。从资源量上讲畅可再生能源的资源分布十分广泛。从资源保证上来讲,它是可持续的,不像石油和煤炭的资源量是有限的。可再生能源则是局而复始、可以一再循环利用的。可再生能源的优势还体现在不依赖于别人,通过当地的资源来解决当地的问题,这样付出的环境代价也小。
欧洲国家现在就非常重视可再生能源的利用,正在大幅度地开发可再生能源。他们已经提出到2010年可再生能源消耗要占能源消耗总量的10%以上,2020年占到20%。2050年则要占到一半其至一半以上。
在可再生能源中,电能的应用目前比较普遍,其主要产品是以高能蓄电池为支撑的电力汽车。当前,电动自行车已经遍及世界大地,一个蓄电池已经足以让一辆自行车行驶几十公里。然而,利用蓄电池作为汽车动力的电动汽车,至少仍然处于研究阶段,尚不能完全适应实际工作需要。目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善,尤其是动力电源(电池)的寿命短,使用成本高。电池的储能量小,一次充电后行驶里程不理想,电动车的价格较贵。但从发展的角度看,随着科技的进步,投入相应的人力与物力,电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短,电动汽车会逐渐普及,其价格和使用成本必然会降低。
与内燃机汽车相比,电动汽车也有其独特的优点,主要包括:
(1)无污染,噪声低。电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气,不产生排气污染,对环境保护和空气的洁净是十分有益的,有“零污染”的美称。众所周知,内燃机汽车废气中的CO、HC及NOx、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。电动汽车无内燃机产生的噪声,电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。
(2)能源效率高,多样化。电动汽车的研究表明,其能源效率已超过汽油机汽车,特别是在城市运行,汽车走走停停,行驶速度不高,电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量,在制动过程中,电动机可自动转化为发电机,实现制动减速时能量的再利用。另一方面,电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖,可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外,如果夜间向蓄电池充电,还可以避开用电高峰,有利于电网均衡负荷,减少费用。
(3)结构简单,使用维修方便。电动汽车较内燃机汽车结构简单,运转、传动部件少,维修保养工作量小,当采用交流感应电动机时,电机无需保养维护,更重要的是电动汽车易操纵。当中国的费改税政策一旦实行后,由于中国具有巨大的市场,我们完全有理由相信,动力电池技术必将会受到极大的刺激。在世界范围内可能会引发一场蓄电池技术的大革命。
同时,超导技术的进一步发展,也为汽车动力用的高能蓄电池3 2技术的发展提供了可能。在这样的背景下,电动汽车取代内燃机汽车也是完全可能的事。在科技部确定的国家攻关计划中,发展电动汽车被列入了重大项目并投入了实施。据了解,2008年奥运期间,所有奥运场馆都是使用电动汽车作为运营车。在这样的科技背景及奥运会的巨大示范作用下,如果我国实行了费改税工作,凭借着费改税的巨大推动作用,电动汽车大规模走入市场必将指日可待。
4.氢能源
氢燃料也是世界各大汽车公司关注的焦点之一。氢燃料能减少HC排放,发动机在改用氢燃料时,原则上不需要对发动机作较大改动,这就可以极大拓宽发动机稀混合气燃烧范围,提高燃料的经济性及降低氮氧化物排放,能减少较大城市中心地段有毒废气的排放。世界上许多汽车公司如宝马、福特等,都已研制出此类氢燃料汽车。2004年11月,通用汽车与上汽合作进行氢能源燃料电池研究。从目前看,氢能源的来源及加氢网络将长期制约氢燃料汽车的推广,但很多专家认为,氢燃料电池技术将是作为解决能源危机的最终方案。
2.4.4汽车节能与环保
从环境保护的角度考虑,汽车燃烧后将排出碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等有害物质及导致地球温室效应的二氧化碳(CO2)气体。目前在大、中城市,汽车密度大,已成为城市大气环境中有害物质的主要来源。而对于二氧化碳,据1985年估算:汽车排出的已占到全球排出总量的近10%。就目前汽车排放净化而言,是要努力促使燃料完全燃烧来减少碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)等有害物质,而燃烧完全则必然增加二氧化碳(CO2),为此,要降低汽车的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)排放,最好的办法就是不使用石油、天然气等含碳燃料,应采用诸如氢气之类的非含碳燃料。但在替代石油燃料的应用问题尚未解决前,今后减少二氧化碳的措施就是采取更先进的技术,尽量减少汽车燃油消耗量,提高其燃料经济性。
2.4.5汽车节能系统工程
汽车节能是一个大的系统工程,它包括车辆技术、辅助设施与维修、汽车运用等,其目标、研究内容及措施等。