不断追求更高的环保技术是汽车企业立足未来市场的根本
汽车发展至今,在彻底改变人类生活的同时,也成为破坏地球环境的一大元凶。好在人们及时地意识到,环境保护应当从汽车这个源头抓起。汽车环保技术除包含从能源入手的混合动力、新能源、燃料电池技术外,还涵盖燃油喷射技术、尾气排放控制技术以及车身轻量化技术,这些主要节能环保技术的发展历程,构成了汽车环保编年史。
汽车环保技术的鼻祖
现如今备受瞩目且最成熟的汽车环保技术——混合动力技术,早在汽车制造初期甚至更早时期就已经诞生了。
1665年,蒸汽动力马车的出现成为广义混合动力技术的雏形,并在1769年成为推动车辆行驶的成型技术。而人们正在致力研发的清洁能源之一的电能,早在1839年便由苏格兰人罗伯特·安德森应用于四轮马车上,电力汽车从此诞生。而到1897年伦敦的电动出租车已经有了一定的电池续航能力。
真正意义的混合动力汽车由保时捷于1898年研发,电动机和内燃机组合提供动力,电池组安装在车轮驱动枢纽上,这辆车可以依靠电池动力行驶40英里。从1900年到1918年,比利时人、美国人均在油电混合动力方面做出实质性的创造。
无意识的环保技术发展期
之后40余年混合动力技术处于相对的空白期。经历了漫长的等待后,1969年混合动力再次重回历史舞台,应用在通用512汽车上的混合动力。1973年战争引发的石油危机,让人们真正意识到:汽车,作为全球最大的能源消耗品之一,已经到了迫切需要为节能做出改变的时刻。
之后出现的1加仑汽油可跑75英里的欧宝GT混合动力车和1989年的奥迪2.3升混合动力车Audi
Duo,都表明欧美车厂并未间断对环保节能的混合动力技术进行研发与改良。
20世纪90年代欧洲天然气就已经在汽车上使用了。“技术更成熟的天然气技术,在1999年就已经在全国16个省份进行推广,绝大部分应用在公交车、出租车上,目前国内天然气汽车已经超过30万辆。天然气成本更低,同等技术等级下,这类汽车的排放比汽、柴油车低15%以上。欧洲预期在2020年,天然气汽车占有率达到8%。”国家863计划节能与新能源办公室、全国清洁汽车行动协调领导小组专家组组长王秉刚介绍说。
与此同时,催化转换技术在英国首创,开始控制车辆尾气的污染。1971年,日本本田汽车公司研制出复合涡流控制燃烧式发动机,该机装有催化式排气净化器,其排气净化水平达到美国1975年开始实施的《净化空气法案》标准,这是真正专注净化汽车尾气对环境污染的开始,环保技术也因此更具意义。
新能源的探索也从这一时期开始。1979年,巴西生产出首款以酒精为燃料的汽车;1980年,第一辆太阳能汽车在西班牙试制成功;1981年,福特公司研制出以甲烷为燃料的汽车,每升甲烷可行驶11.5千米。当德、法汽车企业着力研发清洁柴油以及相关技术时,其他欧美车企则希望在更环保的新能源上寻求突破。
环保技术市场化
1960年代,丰田就研发出自己的混合动力概念车,但1997年第一款量产混合动力车普锐斯推向日本市场就获得巨大成功,当年售出18000辆。1999年,本田混合动力双门小车Insight在美国市场备受好评。以混合动力市场化为代表,环保技术发展有了质的飞跃。
市场化的成功使日本汽车在混合动力技术上略微领先欧美企业,同时日本汽车在车身轻量化以及电子系统控制方面都有自己独到之处。欧美企业在追赶的同时,更着手替代能源的开发。同时,欧洲车厂继续保持优质柴油技术和尾气排放控制方面的世界领先。
王秉刚则认为,电动汽车和报废回收技术是治理环保更现实的技术。他表示,预计到2020年,国内电动汽车将达到5%的占有率。而提高报废汽车回收率是未来需要继续解决的问题。其他环保技术还包括降低材质有害气体排放和降低刹车片磨损对环境的影响。
在未来一段时间里,各项汽车环保都还存在需要解决的问题。氢动力存在液化、存储和成本的难关,生物燃料提取技术仍比较初级,太阳能和燃料电池技术均受制于大容量、高稳定电池载体的开发;而燃油喷射技术、尾气控制技术大幅度提升的可能性不大,车身轻量化则需更好地解决材料的选择和安全性问题;混合动力同样受电池技术发展影响,锂离子电池技术成为未来发展的重点,但还需要解决成本、轻量化和安全问题。
技术推动革新
动力技术是汽车的灵魂和生命
发动机是汽车的心脏,是汽车技术的核心。可以说,车用发动机的发展史在一定程度上代表汽车的发展史。在百年汽车历史中,发动机经历了两次重大革新。
内燃机诞生至今已有131年。1876年,德国人奥托研制出第一台四冲程(进气、压缩、膨胀和排气)内燃机,“奥托循环”由此诞生。
到19世纪下半叶,随着石油工业的兴起,用石油产品取代煤气做燃料已成为必然趋势。1883年,戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油发动机,此发动机上安装了迈巴赫设计的化油器,还用白炽灯管解决了点火问题,这些都为汽车发展铺平了道路。
1886年,卡尔·本茨将汽油发动机装在三轮车上,创造了第一辆汽车。1890年,戴姆勒发明多缸发动机,使得汽油发动机的功率迅速扩大。同时,为适应交通运输的要求,各厂家纷纷提高转速、继续增加缸数。19世纪末、20世纪初,这些早期发动机技术为汽车行业的形成奠定了基础。
电喷取代化油器
19世纪末发明的化油器为汽车的发展发挥了巨大的作用, 随着科技的进步,污染大、能耗高的化油器发动机已不适应社会要求。
20世纪50年代,机械式汽油喷射技术率先兴起。1954年,奔驰300SL轿车上率先使用了机械式汽油喷射装置,这成为淘汰传统化油器的开端。
从20世纪60年代起,随着集成电路的出现,电子技术在发动机上得到应用,电控汽油喷射系统在欧美等国生产的轿车发动机上逐步采用。在电喷系统中,设有能精确控制混合气成分的调节装置,再加装上三元催化器,使得尾气中的有害成分大降低。
20世纪七八十年代,随着微型计算机技术的发展,电喷逐步普及。1979年起美国的通用、福特,日本的丰田、三菱、日产等公司都推出了各自的电控汽油喷射装置。至90年代,发达国家基本不再使用化油器。我国也于2001年采取强制手段淘汰了化油器(北京从1999年开始)。
跨入多气门阶段
几乎与电喷技术同时,另一项创造性的技术多气门技术也诞生了。
与传统的两气门发动机比较,多气门发动机能吸进更多的空气来混合燃油燃烧做功,节省燃油,更快地排出废气。与同排量的传统发动机相比,多气门发动机的功率可提高25%左右,油耗可降低4%左右。
多气门技术的雏形在1910年形成,当时奔驰开发了第一台4气门发动机。1978年,宝马首次尝试把4气门发动机放在M1赛车上。
20世纪80年代,随着节能环保观念的增强,多气门技术迅速推广开来。每缸4气门是目前普遍采用的方式,因其排列对称,制造也相对容易,技术也很成熟。国内企业一般轿车的发动机都是4气门。
稀燃时代到来
随着节能概念日益盛行,在电喷和多气门技术铺垫的前提下,从20世纪90年代至今,汽车全面进入“稀薄燃烧时代”。
“稀燃”顾名思义就是发动机混合气中的汽油含量很低,汽油与空气之比可达1:25以上。
20世纪80年代中期,丰田正式使稀燃混合气发动机(T-LCS)产品化,三菱、本田也相继将其产品实行产品化。90年代后,稀燃手段发展到更高级的缸内直喷,目前,各大企业都拥有自己的稀燃技术。比较典型的有大众的直喷汽油发动机(FSI),采用了一个高压泵,使汽油通过一个分流轨道(共轨)到达电磁控制的高压喷射气门;宝马则于2007年3月推出高精度喷射系统,是第二代的缸内直喷技术。
裴普成教授表示,稀燃是目前及未来的趋势,但排气后处理装置的问题还应该更有效地解决。
据悉,目前世界上还有部分企业正在研究均值混合气压燃(HCCI),也就是采用大量的高温废气混合到适当比例的燃料和空气混合气中,用发动机的压缩行程用活塞压缩使混合气自身着火。裴普成教授表示,如果实现,发动机的油耗和排放则将更低,但短期内很难实现。