請(qǐng)教高手：淺析汽車新能源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r論文怎樣寫？

【專家解說】：　　立幟汽車制造網(wǎng) 隨著世界能源危機(jī)和環(huán)保問題日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，石油資源短缺，汽車是油耗大戶，且目前內(nèi)燃機(jī)的熱效率較低，燃料燃燒產(chǎn)生的熱能大約只有35%—40%用于實(shí)際汽車行駛，節(jié)節(jié)攀升的汽車保有量加劇了這一矛盾；另一方面，汽車的大量使用加劇了環(huán)境污染，城市大氣中CO的82%、NOx的48%、HC的58%和微粒的8%來自汽車尾氣，此外，汽車排放的大量CO2加劇了溫室效應(yīng)，汽車噪聲是環(huán)境噪聲污染的主要內(nèi)容之一。我國作為石油進(jìn)口國和第二大石油消費(fèi)大國，污染嚴(yán)重，世行認(rèn)定的20個(gè)污染最嚴(yán)重的城市有16個(gè)在中國。國內(nèi)汽車產(chǎn)品水平與國外差距很大，平均油耗高出10%—30%，排放約為15—20倍，汽車工業(yè)面臨的壓力更大。 　　上個(gè)世紀(jì)末以來世界各國和各大汽車公司以及國內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)和高等院校紛紛致力于開發(fā)清潔節(jié)能汽車，新能源汽車獲得了長足發(fā)展。汽油和柴油是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的能源，利用除此以外的能源提供汽動(dòng)力的汽車均可稱為新能源汽車。目前正在開發(fā)的新能源包括天然氣、液化石油氣、醇類、二甲醚、氫、合成燃料、生物氣、空氣以及電荷燃料電池等。 　　本文介紹新能源汽車技術(shù)的發(fā)展概況，并對(duì)其發(fā)展前景提出看法。 　　1 新能源汽車的種類及其特點(diǎn) 　　1.1 天然氣汽車和液化石油氣汽車 　　天然氣汽車又被稱為“藍(lán)色動(dòng)力”汽車，主要以壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、吸附天然氣(ANG)為燃料，常見的是壓縮天然氣汽車(CNGV)。液化石油氣汽車(LPGV)是以液化石油氣(LPG)為燃料。CNG和LPG是理想的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，燃?xì)獬煞謫我弧⒓兌雀?，與空氣混合均勻，燃燒完全，CO和微粒的排放量較低，燃燒溫度低因而NOx排放較少，稀燃特性優(yōu)越，低溫起動(dòng)及低溫運(yùn)轉(zhuǎn)性能好。其缺點(diǎn)是儲(chǔ)運(yùn)性能比液體燃料差、發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率較低、著火延遲期較長。這兩類汽車多采用雙燃料系統(tǒng)，即一個(gè)汽油或柴油燃料系統(tǒng)和一個(gè)壓縮天然氣或液化石油氣系統(tǒng)，汽車可由其中任意一個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并能容易地由一個(gè)系統(tǒng)過渡到另一個(gè)系統(tǒng)。康明斯與美國能源部正合作開發(fā)名為“先進(jìn)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(ARES)”的新一代天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)開發(fā)目標(biāo)，該發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)50%(熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)達(dá)到80%以上)，NOx排放量低于0.1g／km，制造成本為400450美元／kW，維護(hù)費(fèi)用低于0.01美元／kwh，在滿足這些目標(biāo)的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的可靠性。 　　1.2 醇類汽車 　　醇類汽車就是以甲醇、乙醇等醇類物質(zhì)為燃料的汽車，使用比較廣泛的是乙醇，乙醇來源廣泛，制取技術(shù)成熟，最新的一種利用纖維素原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)其可利用的原料幾乎包括了所有的農(nóng)林廢棄物、城市生活有機(jī)垃圾和工業(yè)有機(jī)廢棄物。目前醇類汽車多使用乙醇與汽油或柴油以任意比例摻和的靈活燃料驅(qū)動(dòng)，既不需要改造發(fā)動(dòng)機(jī)，又起到良好的節(jié)能、降污效果，但這種摻和燃料要獲得與汽油或柴油相當(dāng)?shù)墓β?，必須加大燃油噴射量，?dāng)摻醇率大于15%—20%時(shí)，應(yīng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和點(diǎn)火提前角。乙醇燃料理論空燃比低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)要求不高，自燃性能差，辛烷值高，有較高的抗爆性，揮發(fā)性好，混合氣分布均勻，熱效率較高，汽車尾氣污染可減少30%以上。這種汽車最早由福特公司在20世紀(jì)80年代中期開發(fā)，到2003年底，美國有230多萬輛乙醇汽車，其中多數(shù)是道奇和克萊斯勒廂式車——2003年已賣出233466輛。 　　1.3 氫燃料汽車 　　氫是清潔燃料，采用氫氣作燃料，只需略加改動(dòng)常規(guī)火花塞點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒效率比汽油高，混合氣可以較大程度地變稀，所需點(diǎn)火能量小，有利于節(jié)約燃料。氫氣也可以加入其它燃料(如CNG)中，用于提高效率和減少N02排放。氫的質(zhì)量能量密度是各種燃料中最高的一種，但體積能量密度最低，其最大的使用障礙是儲(chǔ)存和安全問題。寶馬公司一直致力于氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)研制，開發(fā)了多款氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，其裝有V12氫發(fā)動(dòng)機(jī)的7系列轎車是世界上首批量產(chǎn)的氫發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可使用氫氣和汽油兩種燃料。 　　1.4 二甲醚汽車 　　二甲醚(DME)是一種無色無味的氣體，具有優(yōu)良的燃燒性能，清潔、十六烷值高、動(dòng)力性能好、污染少，稍加壓即為液體，非常適合作為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的代用能源，使用該燃料的車輛可達(dá)到美國加州的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。日本NKK公司成功地開發(fā)出用劣質(zhì)煤生產(chǎn)二甲醚的設(shè)備，并且和住友金屬工業(yè)公司于1998年完成了用二甲醚作為汽車燃料的試驗(yàn)，二甲醚汽車(DMEV)不會(huì)排放黑色氣體污染環(huán)境，產(chǎn)生的NOX比柴油少20%。 　　1.5 氣動(dòng)汽車 　　以壓縮空氣、液態(tài)空氣、液氮等為介質(zhì)，通過吸熱膨脹做功供給驅(qū)動(dòng)能量的汽車稱為氣動(dòng)汽車，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生燃燒或其他化學(xué)反應(yīng)，排放的是無污染物輻射的空氣或氮?dú)?，真正?shí)現(xiàn)了零污染。目前開發(fā)比較成功的是壓縮空氣動(dòng)力汽車(APV)，工作原理類似于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，只不過驅(qū)動(dòng)活塞連桿機(jī)構(gòu)的能量來源于高壓空氣。APV介質(zhì)來源方便、清潔，社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用不高，較容易建造。無燃料燃燒過程，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料要求低，結(jié)構(gòu)簡單，可借鑒現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)因而研發(fā)周期短，設(shè)計(jì)和制造容易。但目前APV能量密度和能量轉(zhuǎn)換率還不夠高，續(xù)駛里程短。1991年法國工程師Guy Negre獲得了壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，并加盟MDI公司，2000年MDI公司推出的名為“進(jìn)化”(evolution)的APV，質(zhì)量僅700kg，其發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量僅為35kg，速度可達(dá)120km／h，一次充滿壓縮空氣可行駛200km，充氣費(fèi)用僅為0.3美元，在城市中約可行駛10h，在壓縮空氣站充氣2min就可完成，用氣泵充氣3h可完成。 　　1.6 電動(dòng)汽車 　　世界上第一輛電動(dòng)車(EV)由美國人在19世紀(jì)90年代制造。EV大致分為蓄電池電動(dòng)汽車(BEV)、燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)。電動(dòng)汽車的一個(gè)共同特點(diǎn)是汽車完全或部分由電力通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)低排放和零排放。 　　蓄電池電動(dòng)汽車是最早出現(xiàn)的電動(dòng)汽車。使用鉛酸電池的汽車整車動(dòng)力性、續(xù)駛里程與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有較大的差距，而使用高性能鎳氫電池或者鋰電池又會(huì)使成本大大增加。而JtBEV都需有一定充電時(shí)間及相應(yīng)的充電設(shè)備，使用場(chǎng)合受到了限制。燃料電池具有近65%的能量利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放、低噪聲，國外最新開發(fā)的高性能燃料電池已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性能，發(fā)展前景很好，但成本卻是制約其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。在加拿大進(jìn)行的示范試驗(yàn)表明，使用燃料電他的公共汽車制造成本為120萬加元，而使用柴油機(jī)的公共汽車僅為27.5萬加元。 　　混合動(dòng)力汽車融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的缺點(diǎn)，近年來獲得了飛速發(fā)展，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，PRIUS和INSIGHT兩款混合動(dòng)力汽車的成功向人們展現(xiàn)了混合動(dòng)力技術(shù)的魅力和巨大的市場(chǎng)潛力。 　　1.7 以植物油為燃料的汽車 　　為了尋找可代替石油的新能源，科學(xué)家也將目光投向了植物油，正在研制以植物油如大豆油、玉米油及向日葵油為原料的內(nèi)燃機(jī)油?？茖W(xué)家們還在研究生物柴油，這是一種以植物油為原料的燃料，將來可作為柴油的替代品大量用于卡車和輪船。生物柴油中不含硫，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成酸雨威脅。為生產(chǎn)生物柴油，化學(xué)家們正在對(duì)植物油進(jìn)行酯化加工，使之變成甲基酯化合物，燃燒起來更干凈，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)殘留物也較少。 　　2 我國新能源汽車的發(fā)展概況 　　我國天然氣資源豐富，分布廣泛，海南、北京、上海、重慶等省市被列為國家燃?xì)馄囍攸c(diǎn)示范城市，各地均在燃油汽車基礎(chǔ)上研制開發(fā)改裝了壓縮天然氣汽車和液化石油氣汽車，主要用于出租車、公交客車、大型車輛和工程設(shè)施等。一汽—大眾公司開發(fā)了捷達(dá)LPG，上海交大研制成LPG轎車并和申沃客車聯(lián)合開發(fā)成功改裝型LPG城市bus，北京開發(fā)了CNG城市bus。 　　山西是產(chǎn)煤大省，甲醇汽車項(xiàng)目已進(jìn)行多年，目前已達(dá)到商業(yè)運(yùn)行階段，所用甲醇汽車采用靈活燃料系統(tǒng)，既可用甲醇，也可用汽油，將乙醇當(dāng)作有氧燃料使用，現(xiàn)在在河北和黑龍江等地推廣。同時(shí)國家制定了乙醇汽油燃料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國云崗汽車公司大同汽車制造廠開發(fā)了甲醇中巴車。 　　我國煤炭資源豐富，政府支持以煤炭為原料制造車用燃料項(xiàng)目。煤直接液化和間接液化制取車用燃料的項(xiàng)目正在積極進(jìn)行?！笆濉逼陂g在云南和陜西建立了煤直接液化示范廠，以煤為原料合成石油或二甲醚等車用燃料。西安交通大學(xué)與中國科學(xué)院煤化工研究所經(jīng)過5年協(xié)同攻關(guān)，于2000年研制出了“超低排放二甲醚汽車”，通過在TYll00單缸柴油機(jī)及裝備有大連柴油機(jī)廠生產(chǎn)的CA498柴油機(jī)的面包車上燃用二甲醚的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可提高10%-15%，熱效率提高2—3個(gè)百分點(diǎn)，噪聲降低10%-15%。 　　我國從事燃料電池研究的單位有20余家，質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池技術(shù)已取得較大進(jìn)展，但與國外還有不小差距，例如，國外將功率50—80kW的PEM燃料電池用于轎車，而我國最大的PEM燃料電池單堆功率為5kW，離轎車使用相距甚遠(yuǎn)。我國的金屬燃料電池技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 　　我國的鎳氫電池和鋰電池技術(shù)水平也已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，比亞迪在2005年上海車展展出的E1電動(dòng)車已經(jīng)具備了很好的整車動(dòng)力性能。 　　目前國內(nèi)對(duì)壓縮空氣動(dòng)力汽車的研究報(bào)道最多的是浙江大學(xué)，他們已經(jīng)開發(fā)出壓縮空氣動(dòng)力摩托車研究平臺(tái)，探索出不少有益的結(jié)論，正在進(jìn)一步深入研究，此外重慶大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)也做過一些探索性研究。應(yīng)當(dāng)說APV在國內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步。 　　3 代用燃料汽車的發(fā)展前景 　　在各種汽車代用燃料中，LPG和CNG最方便投入使用，而且目前已經(jīng)具有好的配套基礎(chǔ)設(shè)施。在排放和經(jīng)濟(jì)性能要求較高而動(dòng)力性能要求一般的公共交通領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，美國近年來新型公交客車中天然氣汽車就占據(jù)了較大比例。在中國這樣的農(nóng)業(yè)大國特別是一些農(nóng)業(yè)大省，乙醇資源豐富，乙醇汽車有良好的應(yīng)用前景。二甲醚等合成燃料具有很好的排放特性，也將具有很好的應(yīng)用前景，特別是作為代用柴油應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車毫無疑問是下一代汽車動(dòng)力系統(tǒng)的主要形式。 　　蓄電池電動(dòng)汽車的使用性能不如混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車，且成本高。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用率不如氫氧燃料電池。因而蓄電池電動(dòng)汽車和氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的發(fā)展前景不是十分樂觀。當(dāng)然隨著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和突破，也許純電動(dòng)汽車能迎來一個(gè)不錯(cuò)的發(fā)展局面。壓縮空氣動(dòng)力汽車雖然實(shí)現(xiàn)了零污染，但其整車性能與傳統(tǒng)汽車相差太遠(yuǎn)，只能在較小的范圍內(nèi)應(yīng)用于特定場(chǎng)合。 　　燃料電池是目前技術(shù)條件下能量利用率最高的車用能源。燃料電池的比能量可達(dá)200—350Wh／kg，為鋰離子電池的2—3倍；能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%～80%，是汽油機(jī)或柴油機(jī)的1.5～2倍，能實(shí)現(xiàn)超低污染甚至零污染，而且燃料電池使用的氫能源是可再生的。目前以甲醇燃料電池技術(shù)最為成熟。國外各大石油公司和汽車均在致力于燃料電池汽車的研發(fā)以搶占在未來汽車發(fā)展中的灘頭。戴姆勒—奔馳汽車公司從1993年到2000年先后推出了NecarI—NecarⅣ和Nebas等系列FCEV，2001年5月Necar4在美國試車，功率55kW，最高車速145km／h，裝載行程450km，最新推出的Necar V-FCEV采用甲醇燃料電池。1997年Ballard動(dòng)力公司和福特汽車公司組建了Xcellsis公司開發(fā)燃料電池轎車，美國AR—CO、殼牌、德士古等石油公司和加州CARB先后加盟，組成世界上最強(qiáng)大的燃料電池車開發(fā)聯(lián)盟。日本電力中央研究所正在開發(fā)一種全面使用耐熱陶瓷的燃料電池，電池在發(fā)電效率非常高的1000℃的高溫下工作，電解質(zhì)的輸出功率達(dá)到1W／cm2，相當(dāng)于傳統(tǒng)燃料電池的5倍。EvomR公司致力于開發(fā)鋁和鋅燃料電池，已具有相當(dāng)水平。 　　總之對(duì)代用燃料的綜合評(píng)價(jià)應(yīng)考慮以下因素：燃料成本；車輛成本；對(duì)進(jìn)口石油的依賴程度；有效能源利用率；溫室效應(yīng)；排放污染；生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、分銷、加注設(shè)施；裝載行駛里程和加注時(shí)間；安全性?；谶@些因素，目前最容易投入使用的代用燃料是CNG和LPG。電、甲醇和乙醇的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)都低于汽油?？梢灶A(yù)計(jì)LPG和CNG以及乙醇的市場(chǎng)份額將會(huì)不斷增加。二甲醚和合成柴油在十年后其市場(chǎng)份額會(huì)快速穩(wěn)定增長?；旌蟿?dòng)力汽車會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，迅速增加市場(chǎng)份額。而燃料電池汽車會(huì)在20年之后開始實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化逐漸增加市場(chǎng)份額。傳統(tǒng)汽油機(jī)汽車的市場(chǎng)份額會(huì)在20年之后開始出現(xiàn)明顯的下降，但柴油車會(huì)在重型車輛領(lǐng)域繼續(xù)保持很高的市場(chǎng)份額。 　　4 結(jié)束語 　　在未來的20年內(nèi)，汽油和柴油仍是汽車主要的能量來源，但汽油和柴油的質(zhì)量要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將快速發(fā)展以提高能量利用率。代用燃料會(huì)得到迅速運(yùn)用，天然氣汽車和乙醇汽車會(huì)率先大規(guī)模投入使用，二甲醚和合成燃料會(huì)逐步擴(kuò)大應(yīng)用。 　　混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，混合動(dòng)力汽車將至少在30年內(nèi)都是汽車工業(yè)最切實(shí)可行的解決能源問題和污染問題的途徑。因此應(yīng)當(dāng)整合資源加速混合動(dòng)力汽車的開發(fā)，搶占汽車技術(shù)發(fā)展的新高地。 　　燃料電池是最有前途的車用能量，也是未來汽車的主要能量源，國內(nèi)石油工業(yè)應(yīng)該與汽車工業(yè)聯(lián)手開發(fā)先進(jìn)的燃料電池技術(shù)，搶占未來先進(jìn)汽車技術(shù)的前沿陣地!