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最新低能耗汽车技术 流线设计可降11%能耗(图)

2012年08月22日 09:37
来源:科学网

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到2025年美国政府对汽车能效的要求将会达到单升汽油行驶里程23千米的严格标准,为了实现这个看似不可能完成的任务,美国通用汽车公司等汽车巨头和汽车研究机构的工程师们对各类汽车进行了全方位的测试与研究,从更符合流体力学的外观设计、更高效的发动机、更多样化的动力选择等方面进行了完善。同时,欧盟、中国、加拿大、日本、韩国等国也在为未来的汽车制定新的能耗标准,并为此进行各种技术革新。这些技术的革新对于减少温室气体排放与提高能源使用效率有着突出的意义。

1. 流线型设计测试环境

在全世界最大的汽车制造厂房中,巨大的风扇横跨在位于密歇根的通用汽车沃伦研究中心内,这里进行的研究项目旨在满足全世界对高能效汽车的需求。在美国,奥巴马政府即将对汽车的能效出台官方标准,到2025年,汽车单升汽油的行驶里程要达到23千米。而欧盟的标准比这个更为苛刻,到2020年,为了达到减少碳排放的标准,汽车单升汽油行驶里程要求达到24.4公里。加拿大、日本、中国和韩国在2015年也将会开始制定相关的标准。为了达到这个全球性的新能效标准,全世界像沃伦研究中心这样的研究机构都在进行着艰苦的创新。这些研究中心正未雨绸缪地为了几十年之后的能效标准而进行着各种各样的研发工作。新一代的汽车看起来和当前的汽车样式没有什么区别,但是重量会更轻、会更加符合流体力学原理、会拥有更加智能的系统可以根据需要调节功率。研究公司LMC Automotive的高级工程师米歇尔-奥莫托索说,“其实到2025年为止我们需要用在汽车上的技术基本上已经实现了。还需要完善之处是减少这些新技术实现的成本。”这个直径12米的巨大风扇在这个研究中心里面扮演着重要的角色,它可以提供时速达222公里每小时的大风,以便让工程师对汽车的流线型设计进行不断改善,毫不夸张地说,后视镜和转向灯的形状设计都会对能效有着1%-2%的影响。在未来的几年,任何一个会影响能效的地方都会被砍掉。

2. 改善阻力系数

高级工程师约翰-贝纳奇科正在对2013款的雪佛兰美宜堡车型进行流线型测试工作,这个场景就像拿着一根魔杖在对着汽车施法一样。当初他在听到要求将雪佛兰美宜堡车型的阻力系数改善为0.29的时候,他觉得这个确实太有挑战性了。不过,到最后模型测出的阻力系数为0.35。作为对比,日本丰田汽车公司油电混合动力驱动汽车普锐斯的阻力系数是0.25,而2012款福特漫游者的系数为0.40。(阻力系数越小意味着越节能。)贝纳奇科说,“仅仅在几年前,流体力学家觉得如果要让轿车的阻力系数达到0.29就必须彻底改变汽车的形状。不过工程师们也学会了如何通过改善车辆的设计或者通过增加一些附件来改善阻力系数。还有一种设计是减少汽车行驶过程中进入发动机的空气量来减少空气阻力。”通过完善车型流线型设计可以减少3-11%的能耗。工程师通过改变车轮的位置来找到风阻最小的方式。当巨型风扇吹出的风通过车身周围的时候,车身的平衡将会改变,工程师们也可以对各种情况下的数据进行测试。流体力学工程师们知道他们是一个整体,每一个人的工作在减少汽车能耗方面都是不可或缺的。贝纳奇科说,“在对雪佛兰美宜堡进行测试的时候,目前最好成绩是单升汽油行驶里程12.32千米。对普通消费者来说,这样的提升可以省下不少钱。”到2025年,新技术的运用会让每辆车的造价提高2000美元,但是在汽车的整个使用年限中,却可以节省5200美元到6600美元的汽油。

3. 电池系统

通用汽车工程师道格拉斯-道奇与混合动力汽车雪佛兰伏特电池系统的合影。道奇是通用汽车电池系统实验室的首席工程师,这个实验室在4年之前只有3个员工。而现在,这个实验室有多达40名员工,其中大多数都是刚出校园的大学毕业生。而这个实验室的地盘也扩大到了6039平方米。道奇手中拿着的部件是一个电池组,这个电池组包含温控器与冷却系统。这些电池组的表现将决定这辆混合动力车的能效表现。据估计,到2025年纯电动汽车的销售可能占到全球汽车销售的15%左右。但是技术依旧在不断进步,最新的电池技术已经可以让2013款雪佛兰伏特汽车在一次充电下可以完成61公里的行驶里程,同时让单升汽油行驶里程达到42公里。虽然这种汽车被指出有较高的电池起火隐患,但是美国汽车监管机构表示,没有比汽油动力汽车有更大起火隐患的汽车了。在2012年,雪佛兰伏特汽车是美国最畅销的可充电汽车。2013款雪佛兰伏特有了多处改进,但是价格依旧稳定在四万美元左右。不过政府补贴、充电站的密度与汽油的价格才会决定消费者的购买意愿。通用汽车电池系统实验室的一部分工作就是降低汽车的能耗。勒克斯研究公司高级分析师柯文-西说,“消费者在选购节能汽车的时候,会有那么一小部分因素为了环境考虑,可是更多的还是考虑经济因素。不过到目前为止,这个市场最大的赢家是那些不需要消费者改变驾驶体验的节能汽车。尽管如此,更好的电池技术和更便宜的电池价格会为这个市场所有种类的汽车带来更多价值,不论是混合动力汽车还是纯电力汽车。”

4. 神奇的发动机

这个电力发动机正在汽车动力测试中心接受测试。这个部件是将来达到能效标准的核心部件之一。在普通汽车中,油箱中的汽油大约只有15-20%的能量会被用来驱动发动机。剩下的都以废气或者热量的形式被浪费掉了。但是电力发动机会比汽油或者柴油发动机简单得多。电动引擎可以将60%的电能用来驱动车轮,这也是为什么提高电动引擎的效率可以降低温室气体排放的原因,即使电力的大部分来源依然是依靠燃烧化石燃料的火电厂。与汽油发动机不同,电动引擎可以让汽车在行驶的过程中大大减少气体排放量。美国共和党候选人罗姆尼在总统竞选中表示,人们不可能开着一辆带着风车的汽车。确实是这样,但是人们可以利用来自风能、太阳能、氢能源或者核能的电力来给汽车充电以减少温室气体的排放。但是在电力依旧主要依靠燃烧化石燃料的今天,电力引擎的角色略显尴尬。但是通过帮助汽车在特定时候提供额外动力来提高汽车能效的方式也能帮助混合动力汽车达到单升行驶里程21.3公里的好成绩。

5. 欧洲的柴油发动机

大众汽车的涡轮增压引擎让欧洲在燃料效率领域处于全球领先地位。联合国全球经济燃料计划机构表示,“欧洲至少在2015年之前都会在该领域处于全球领先位置。”自1893年德国人鲁道夫-狄塞尔发明的压缩点火发动机以来,这种发动机一直比汽油发动机的效率要高。因为火花点火发动机在运行过程中会损失掉大约80%的能量。而柴油发动机的这个数值仅为40%左右。但是在过去,柴油发动机会比汽油发动机制造更多的空气污染。不过美洲国家与欧洲国家政府都要求工程师们制造出更加洁净、低硫化物排放的柴油发动机,而且汽车制造厂商也会增加过滤系统来减少废气排放。大众汽车表示,他们研发的更省油、更为洁净的柴油动力科技可以通过将雾状燃料直接注入发动机等方式来大幅度提高能效和清洁度。欧盟国家已经通过对汽油征收更高税额来鼓励人们更多使用柴油动力汽车,导致现在柴油在欧洲比无铅汽油的价格便宜6%。在美国,使用柴油比使用汽油的成本要高7%。不过柴油动力汽车的高能效会让使用柴油动力汽车更为划算,可是美国的汽车制造商似乎对这个技术并不太感冒。通用汽车替代能源研究中心的高管罗杰-克拉克说,“柴油会被一直使用下去,但是如果我们一直使用柴油发动机技术制造汽车的话,我们的市场份额会变得很难看。”为了研制更新的汽车,阿贡国家实验室正在柴油发动机中使用汽油为燃料进行试验,而与之做对比的则是柴油-电力混合动力汽车。

6. 涡轮增压的高效率

这个结构复杂的金属部件看起来就像是在电影《摩登时代》中吞掉卓别林的奇怪机器的小号版本。实际上这个部件是通用汽车研制的“Ecotec”发动机。这个发动机运用在凯迪拉克ATS和雪佛兰美宜堡车型上。奥莫托索说,“人们对大功率引擎的需求从未间断,但是在未来我们也许会较少碰到这样的情况了。而且那些一定要购买大功率引擎的人会为之付更多的钱。”涡轮增压发动机被认为是具有更加强劲动力的引擎。这种发动机通过将压缩后的空气注入汽缸中使每一次燃料爆炸都会产生额外的动力。美国能源部称,涡轮增压技术可以让燃料燃烧效率增加高达7.5%。和直接燃油喷射技术搭配使用的话,甚至可以让这个数字提高到12%。通用汽车动力研究中心的大卫-兰卡斯特说,“工程师们一直追求的目标是确保让发动机以最高效的方式运转。我们也许会事先确定一个目标,但是我们并不能直接达到那个数字。实现目标的过程一般都是迂回曲折的。”

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