由于2004版《汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》的技術(shù)政策更加強(qiáng)調(diào)節(jié)能和環(huán)保，再加上2004年國內(nèi)外石油價格的不斷攀升，因此，各類替代石油能源且具有較好排放性能的汽車再次成為中國汽車業(yè)關(guān)注的熱點。2004年底，東風(fēng)集團(tuán)與世界最大的環(huán)保發(fā)動機(jī)廠商——康明斯簽訂協(xié)議，投資2000萬美元在武漢建設(shè)發(fā)動機(jī)研發(fā)中心，重點開發(fā)天然氣發(fā)動機(jī)，就是一個很好的佐證。
今天，汽車能源由石油占據(jù)絕對優(yōu)勢的局面已經(jīng)被打破，盡管石油能源汽車在未來三、四十年內(nèi)仍會保持領(lǐng)先，但由于燃?xì)馄嚒⒋碱惼�，繼而電動汽車的迅速發(fā)展，石油能源汽車很快將走下坡路。專家預(yù)計，到21世紀(jì)中葉其下降速率將急劇增加。就整個21世紀(jì)而言，呈現(xiàn)在人們面前的將是汽油汽車、柴油汽車、燃?xì)馄�、醇類汽車、電動汽車、氫氣汽車以及其它多種能源汽車活躍的多級模式。21世紀(jì)中葉之后，上升勢頭最猛的非電動汽車莫屬。到21世紀(jì)末，汽油汽車和柴油汽車可能已經(jīng)或即將退出歷史舞臺，燃?xì)馄囈渤闪藦?qiáng)弩之末，如果沒有氫氣汽車這一黑馬殺出，電動汽車勢必穩(wěn)取汽車世界的霸主寶座。
近年來，全世界范圍內(nèi)對新能源的開發(fā)應(yīng)用工作進(jìn)行得如火如荼。這里有必要說明，采用新能源或代用石油燃料從本質(zhì)上講屬于開源的范疇，即用這種能源去代替那種能源。當(dāng)我們進(jìn)行能源替代的時候，有可能節(jié)能，也可能費(fèi)能。采用新能源不等于節(jié)能，我們應(yīng)當(dāng)力求將采用新能源與節(jié)能統(tǒng)一起來。同樣地，新能源不等于綠色能源，即使公認(rèn)的綠色能源也不一定絕對降污，我們同樣應(yīng)當(dāng)力求將應(yīng)用新能源與環(huán)境凈化統(tǒng)一起來。
根據(jù)汽車體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動性好和數(shù)量大等特點，作為汽車能源應(yīng)當(dāng)具備儲量豐富、能量密度高、污染小、價格低廉、運(yùn)輸性和流動性良好等基本要求。經(jīng)多年的研究，目前已知有可能成為石油替代能源的有電能、氫氣、甲醇、乙醇、天然氣和液化石油氣等。其相應(yīng)優(yōu)缺點、研發(fā)現(xiàn)狀及前景比較。
一、燃?xì)馄?/P>
1.高度重視發(fā)揮氣體燃料的特性
由于天然氣資源豐富等優(yōu)點，進(jìn)入21世紀(jì)以后，美國、日本和歐洲等國的研發(fā)重點主要集中在“燃?xì)庖徊裼碗p燃料汽車”和“天然氣單一燃料汽車”上。
當(dāng)代柴油機(jī)在設(shè)計上為避免過量排黑煙，一般都采用相當(dāng)稀的空燃比，其滿負(fù)荷典型的過量空氣系數(shù)入值在1.5—1.8范圍內(nèi)。該值很適合用天然氣進(jìn)行稀薄燃燒運(yùn)轉(zhuǎn)，并且發(fā)出的功率與柴油機(jī)標(biāo)定值相當(dāng)。
稀薄燃燒發(fā)動機(jī)技術(shù)，當(dāng)空燃比入值超過1.3后，NOx排放量顯著下降，入值可選在1.4—1.7范圍內(nèi)，若采用分層充氣技術(shù)，入值可更高，而不需后處理。稀燃技術(shù)除對NOx的控制產(chǎn)生顯著效果外，對燃料經(jīng)濟(jì)性更有明顯好處，同時可降低排氣溫度，使氣門壽命和發(fā)動機(jī)的耐久性得到提高。由于稀薄混合氣的爆震傾向比理論配比混合氣低，容許采用較高的壓縮比。稀薄燃燒天然氣發(fā)動機(jī)的滿負(fù)荷熱效率通常與柴油機(jī)不相上下，甚至略高。
美國卡特彼勒3406型火花點火增壓中冷CNG—柴油發(fā)動機(jī)，采用稀氧傳感器、爆震傳感器和空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)排放NOx在1.5g／KW.h以下，熱效率在36%以上。因此，近年國外把稀燃技術(shù)的應(yīng)用作為天然氣汽車的研發(fā)重點。
而對于天然氣單一燃料汽車，因必須設(shè)計專門的發(fā)動機(jī)，故研發(fā)內(nèi)容還包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高壓縮比、改變?nèi)紵疫M(jìn)、排氣道的尺寸和形狀、增大配氣時間一斷面、提高充氣效率、動態(tài)優(yōu)化點火提前裝置、采用電控噴射技術(shù)等等。
2.研究并應(yīng)用催化凈化技術(shù)
為降低CO、HC和NOx的排放量，在國外汽油電噴轎車上已廣泛采用三效催化轉(zhuǎn)化器，作為廢氣排放的后處理措施。通過催化劑與廢氣進(jìn)行的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，進(jìn)一步降低有害污染物排放量。通常采用鉑、鈀、銠等貴金屬作為催化劑，但對于凈化天然氣汽車的排放物其效果仍不能令人滿意。在起動和小負(fù)荷時由于排氣溫度低、效果差，而在高溫時(廢氣溫度超過700℃)易使催化劑老化，并且對廢氣中烷屬烴類活性差的氣體凈化能力差。近期各國正在研制尋求價格低廉、壽命長、效果佳的天然氣汽車尾氣催化劑及載體。
3.儲氣瓶向輕量化發(fā)展
儲氣瓶是燃?xì)馄嚨闹匾b備。為確保其使用安全性和降低自身的重量，近年國外汽車巨頭進(jìn)行了大量的試驗研究工作。從優(yōu)質(zhì)鋼瓶、輕金屬內(nèi)膽鋼絲纏繞瓶或纖維繞瓶到非金屬復(fù)合材料瓶等，品種繁多。美國SCI公司研制的金屬膽纏繞式輕質(zhì)氣瓶，分別采用玻璃纖維、碳纖維和凱芙拉(KEVLAR)纖維，其中KEVLAR纏繞瓶較鋼制瓶強(qiáng)度高5倍。該公司稱，已有近百萬個SCI輕質(zhì)氣瓶銷往全世界。
ULLIT公司研制的復(fù)合材料輕質(zhì)氣瓶其質(zhì)容比已降到0.34-0.30kg/L。但由于產(chǎn)品成本高等原因，目前市場占有份額較低。意大利FABER和DALMINE公司等仍以研制鋼質(zhì)氣瓶為主要方向。但總之，使用安全、性能高、成本低的輕質(zhì)氣瓶，一直是近年國外生產(chǎn)廠家研究追求的目標(biāo)。
二、醇類汽車
人們對低污染的醇燃料的研究開始于20世紀(jì)60年代。
對甲醇燃料，許多國家已經(jīng)過中等規(guī)模車隊?wèi)?yīng)用階段。世界各大汽車廠都曾積極研究開發(fā)過甲醇燃料汽車。低比例燃料甲醇汽油已在美國、法國、意大利、奧地利、瑞典、新西蘭等國家實現(xiàn)商品化。其中，M15(甲醇占15%、汽油占85%)甲醇汽油曾在德國和北歐得到大規(guī)模研究，示范車輛多達(dá)千輛，并配套建設(shè)了跨國界的M15加注站。M85(甲醇占15%、汽油占85%)的高比例甲醇燃料被認(rèn)為是較理想的配比。
然而，從20世紀(jì)90年代開始，由于國際原油價格下降，特別是由于防止地球溫暖化問題的提出，使世界各國對甲醇燃料汽車的開發(fā)興趣有所下降。從1998年開始，美國汽車工業(yè)界沒有提出甲醇燃料汽車的新車型。美國加州的甲醇加注站也逐漸減少。美國的許多甲醇燃料FFV已轉(zhuǎn)向使用汽油或柴油。盡管目前甲醇燃料汽車發(fā)展正處在低谷，但值得注意的是：均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒(HCCI)新概念的提出以及以甲醇為燃料的燃料電池的開發(fā)，可望為甲醇汽車的發(fā)展開辟另一方天地。
乙醇燃料則是另一番景象，由于去年石油價格暴漲，美國、日本和歐洲共同體在稅收優(yōu)惠政策的支持下，當(dāng)前汽車用乙醇汽油為代用燃料呈快速上升趨勢。
2004年初，美國在國內(nèi)全面禁止使用MTBE(二甲醚)，乙醇燃料現(xiàn)成為MTBE的替代品，極大地刺激了車用乙醇汽油的發(fā)展。近年福特公司研發(fā)生產(chǎn)了E-85FFV等系列乙醇燃料靈活車輛，并出口巴西等國就是一例。
2002年年底，日本環(huán)境省的溫室效應(yīng)對策技術(shù)核心研討會提議該國內(nèi)汽油汽車使用摻加酒精的混合燃料。這種燃料是在普通汽油中加入以生物為原料的酒精制成的，酒精含量為10%�，F(xiàn)環(huán)境省已推出試用車，估計于2008年在日本普及。
三、電動汽車
近年來，國外電動汽車的發(fā)展正處在蓄電池攻關(guān)、新樣車研制和小批量生產(chǎn)及試用階段�，F(xiàn)在美國、日本在商業(yè)上取得成功的電動汽車是城市大、中型公共汽車、機(jī)場牽引車、城市公用服務(wù)車(如垃圾車、郵車、送奶車等)、中小型商業(yè)送貨車、游覽場所觀光游覽車、TV內(nèi)的運(yùn)輸車等。
為了推動電動汽車及蓄電池技術(shù)的快速發(fā)展，近年來西方國家和相關(guān)企業(yè)都做了大量工作，并出現(xiàn)了政企合作的新局面。例如，美國現(xiàn)代電池聯(lián)合會作為工業(yè)界和政府的聯(lián)盟，不僅牽頭聯(lián)絡(luò)包括美國三大汽車生產(chǎn)企業(yè)、美國電力研究中心等國家實驗室，還包括了美國能源部等政府機(jī)構(gòu)，它們共同分享政府基金，其目標(biāo)是在5年內(nèi)能夠大批量地研發(fā)、生產(chǎn)符合中期目標(biāo)的電動汽車。
早在上世紀(jì)60年代，福特汽車公司就著手開發(fā)電動汽車。至今，公司已獲得了321.8萬km的顧客使用經(jīng)驗，這給福特電動汽車的進(jìn)一步發(fā)展奠定了牢固的基礎(chǔ)。福特經(jīng)驗認(rèn)為，電動汽車的質(zhì)量與耐用性是發(fā)展電動汽車過程中必須要解決的基本問題，其目的是根據(jù)顧客的使用要求來進(jìn)行改進(jìn)和開發(fā)。如：福特于近年開發(fā)的Ranger、Think等型號電動汽車，使用先進(jìn)的鎳金屬氫復(fù)合蓄電池(壽命不低于10年)、三相交流電動機(jī)；在夏季其一次充電后的續(xù)駛里程超過130km；最高車速為110km／h，0—50km／h加速時間為7s。
近年來，通用汽車公司在電動汽車的研發(fā)、生產(chǎn)過程中，主要解決了以下有關(guān)戰(zhàn)略決策的三個問題：(1)為顧客在購買之前的決策提供咨詢和經(jīng)驗展示；同時，在現(xiàn)有條件下，為保障生產(chǎn)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性和銷售的經(jīng)濟(jì)性而先期進(jìn)行各項基礎(chǔ)工作。(2)努力消除潛在顧客對電動汽車的疑慮，增加電動汽車的吸引力。通用公司決定為顧客提供電動汽車的租賃服務(wù)，這樣，顧客就不用為短期內(nèi)蓄電池充電等技術(shù)問題擔(dān)心。(3)為電動車的零售作好準(zhǔn)備。近年通用公司的土星分部在洛杉磯已開始銷售EVI系列車型，這是一款緊湊型電動車。它的鉛酸蓄電池可行駛110—145km，車上標(biāo)準(zhǔn)裝備有空調(diào)、防抱制動系統(tǒng)和雙安全氣囊。
日本自1980年以來，一直執(zhí)行著電動汽車“月光計劃”，他們有計劃地避開用電高峰，把發(fā)展電動汽車所需蓄電池等列入研制計劃。2001年，豐田汽車公司在日本大城市開始出售RAV4L電動車，該車以鎳一氫蓄電池為動力，每充一次電可行駛215km，最高速度為125km／h。這種車型可通過它的車載充電器從200V家用插座充電。與普通鉛酸蓄電池相比，它具有較大的容量與比能量，每充一次電可行駛更多的里程。另據(jù)報道，日本湯淺公司最近開發(fā)一種可使電動汽車行駛里程增長40%的鉛酸蓄電池，該蓄電池充一次電可行駛140km，反應(yīng)效率提高了100%，單個蓄電池質(zhì)量為18kg。
總之，電動汽車技術(shù)的研究、開發(fā)及應(yīng)用已得到了世界各國政府的大力支持。如前所述，21世紀(jì)的中后期必將成為電動汽車的新時代。
四、混合動力汽車
近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛投巨資研制開發(fā)混合動力汽車，并取得了可喜的成果。美國三大汽車公司共同參與的“新一代汽車合作計劃”，投資5億美元，已開發(fā)出一種百公里油耗僅為3L的混合動力汽車。
通用公司近期研制并展出一種并聯(lián)式混合動力汽車車型，該車采用4輪驅(qū)動裝置，只要7s即可從靜止?fàn)顟B(tài)加速到96km／h，它配備344塊先進(jìn)的鎳氫蓄電池和1.3L、3缸、56.25kW渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)。該柴油發(fā)動機(jī)還驅(qū)動一臺4.88kW的無刷直流電機(jī)／發(fā)電機(jī)，其作用包括：起動柴油發(fā)動機(jī)，以再生電形式制動汽車，提供附加動力以獲得最大加速度，作為發(fā)電機(jī)給汽車的蓄電池充電。
2004年10月11日，通用汽車公司與上汽集團(tuán)聯(lián)手開發(fā)混合動力客車，該混合動力客車采用由艾里遜變速器分部研制的客車動力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。可節(jié)約燃料40%-60%，減少排放50%-90%。
福特公司已于2003年第一次將一款Escape混合動力車型大規(guī)模推向市場，這是一種五座的SUV、4輪驅(qū)動、牽引力為1t、加速度可與傳統(tǒng)V6發(fā)動機(jī)車型相比。該車使用一個電動機(jī)和一個汽油發(fā)動機(jī)。汽油發(fā)動機(jī)可用傳統(tǒng)方式直接為汽車提供動力或通過為蓄電池充電間接為電動機(jī)提供動力。
德國大眾公司早在1989年就已首次推出并聯(lián)式混合動力汽車樣車。最近，德國奧迪汽車公司開發(fā)出一種柴油機(jī)和電動機(jī)并聯(lián)方式的轎車，這款DUO型柴油機(jī)和電動機(jī)并用的汽車安裝有1.9L、66.2kW直噴式柴油發(fā)動機(jī)和21.3kW電動機(jī)。蓄電池采用264V鉛酸蓄電池，充電需7h，只用電動機(jī)時充電一次可行駛50km，價格預(yù)定為31.8萬元人民幣。
在這個領(lǐng)域中，日本汽車企業(yè)走在了前面。眾所周知的Prius轎車就是代表作，車上裝有一臺由鎳氫蓄電池驅(qū)動的電動機(jī)、一臺1.5L新型直列4缸汽油發(fā)動機(jī)和一個小型輕便高效的發(fā)電機(jī)組；百公里油耗比同類單動力汽油車減少一半；尾氣排放的有害氣體也僅為現(xiàn)行日本法規(guī)允許值的50%；平均速度達(dá)140km／h。當(dāng)汽油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)同時工作時，最高車速可達(dá)160km／h。
國外汽車行業(yè)專家預(yù)言：在未來10年中，世界新生產(chǎn)的汽車中至少有1／20是混合動力汽車。任何一家公司都不可能只依靠燃油發(fā)動機(jī)的汽車在21世紀(jì)繁榮昌盛。
五、燃料電池汽車
2000年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計出以甲烷等碳?xì)浠衔餅槿剂系男铍姵�，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池。傳統(tǒng)燃料電池使用氫為燃料，由于既不易制取又難以儲存，導(dǎo)致燃料電池價格居高不下。此前，科學(xué)家們曾嘗試用便宜的碳?xì)浠衔餅槿剂希瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的殘渣很容易積聚在鎳制的蓄電池正極上，導(dǎo)致斷路。賓夕法尼亞大學(xué)的雷蒙，戈特及其同事們使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決殘渣積聚問題。這種電池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯。丁烷等5種物質(zhì)做燃料。不過，目前這種電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低�？茖W(xué)家預(yù)計，這種電池經(jīng)改進(jìn)后將能直接使用汽油或柴油，并將在此基礎(chǔ)上制造出低成本、低污染、使用方便的汽車燃料電池等產(chǎn)品。
美國能源部已對磷酸型燃料電池作動力的大客車進(jìn)行路試工作，下一步將研究適用于轎車的DMFC(甲醇燃料電池)，現(xiàn)在研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率可比內(nèi)燃機(jī)提高一倍，而造成的污染則只有內(nèi)燃機(jī)的5%。估計在5年內(nèi)可研制出使用該種動力系統(tǒng)的電動汽車，并有望于2007年投入商業(yè)化生產(chǎn)。
法國近年開發(fā)出使用“遠(yuǎn)程”燃料電池的汽車Fever，它以低溫儲存的氫和空氣作燃料，發(fā)電機(jī)功率達(dá)30kW，電壓為90V，且采用先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)對電力生產(chǎn)進(jìn)行控制，并把制動時所產(chǎn)生的能量儲存在蓄電池里，以備汽車起動或加速使用。
英國能源部門于1992年成立了國家燃料電池開發(fā)中心，現(xiàn)正致力于SPEC和SOFC組和燃料處理系統(tǒng)的研究。其燃料電池技術(shù)的開發(fā)重點是燃料供應(yīng)、重整器、氣體凈化和空氣壓縮等方面。PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)的研究重點是改善催化材料的性能并探索鉑催化劑的涂覆方法，降低鉑的含量。提高鉑的利用率和對CO的耐受允許值。
日本豐田于1992年開發(fā)出比功率高、工作溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠的PEMFC，現(xiàn)裝在RAV4上的燃料電池系統(tǒng)可提供20kW的動力，蓄電池質(zhì)量約占整車質(zhì)量的25%。豐田的目標(biāo)是開發(fā)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到傳統(tǒng)汽油機(jī)2.5倍的燃料電池，且能和現(xiàn)用的汽(柴)油汽車一樣方便地填加燃料。目前主要是解決基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是加燃料站等問題。
