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到2025年,美國政府對汽車能效的要求將會達到單升汽油行駛里程23千米的嚴格標準,為了實現這個看似不可能完成的任務,美國通用汽車公司等汽車巨頭和 汽車研究機構的工程師們對各類汽車進行了全方位的測試與研究,從更符合流體力學的外觀設計、更高效的發動機、更多樣化的動力選擇等方面進行了完善。同時, 歐盟、中國、加拿大、日本、韓國等國也在為未來的汽車制定新的能耗標準,并為此進行各種技術革新。這些技術的革新對于減少溫室氣體排放與提高能源使用效率 有著突出的意義。

1. 流線型設計測試環境

在全世界最大的汽車制造廠房中,巨大的風扇橫跨在位于密歇根的通用汽車沃倫研究中心內,這里進行的研究項目旨在滿足全世界對高能效汽車的需求。在美國,奧 巴馬政府即將對汽車的能效出臺官方標準,到2025年,汽車單升汽油的行駛里程要達到23千米。而歐盟的標準比這個更為苛刻,到2020年,為了達到減少 碳排放的標準,汽車單升汽油行駛里程要求達到24.4公里。加拿大、日本、中國和韓國在2015年也將會開始制定相關的標準。

為了達到這個全球性的新能效標準,全世界像沃倫研究中心這樣的研究機構都在進行著艱苦的創新。這些研究中心正未雨綢繆地為了幾十年之后的能效標準而進行著 各種各樣的研發工作。新一代的汽車看起來和當前的汽車樣式沒有什么區別,但是重量會更輕、會更加符合流體力學原理、會擁有更加智能的系統可以根據需要調節 功率。

研究公司LMC Automotive的高級工程師米歇爾-奧莫托索說,“其實到2025年為止我們需要用在汽車上的技術基本上已經實現了。還需要完善之處是減少這些新技 術實現的成本。”這個直徑12米的巨大風扇在這個研究中心里面扮演著重要的角色,它可以提供時速達222公里每小時的大風,以便讓工程師對汽車的流線型設 計進行不斷改善,毫不夸張地說,后視鏡和轉向燈的形狀設計都會對能效有著1%-2%的影響。在未來的幾年,任何一個會影響能效的地方都會被砍掉。

2. 改善阻力系數

高級工程師約翰-貝納奇科正在對2013款的雪佛蘭美宜堡車型進行流線型測試工作,這個場景就像拿著一根魔杖在對著汽車施法一樣。當初他在聽到要求將雪佛 蘭美宜堡車型的阻力系數改善為0.29的時候,他覺得這個確實太有挑戰性了。不過,到最后模型測出的阻力系數為0.35。作為對比,日本豐田汽車公司油電 混合動力驅動汽車普銳斯的阻力系數是0.25,而2012款福特漫游者的系數為0.40。(阻力系數越小意味著越節能。)

貝納奇科說,“僅僅在幾年前,流體力學家覺得如果要讓轎車的阻力系數達到0.29就必須徹底改變汽車的形狀。不過工程師們也學會了如何通過改善車輛的設計 或者通過增加一些附件來改善阻力系數。還有一種設計是減少汽車行駛過程中進入發動機的空氣量來減少空氣阻力。”通過完善車型流線型設計可以減少3-11% 的能耗。工程師通過改變車輪的位置來找到風阻最小的方式。當巨型風扇吹出的風通過車身周圍的時候,車身的平衡將會改變,工程師們也可以對各種情況下的數據 進行測試。流體力學工程師們知道他們是一個整體,每一個人的工作在減少汽車能耗方面都是不可或缺的。

貝納奇科說,“在對雪佛蘭美宜堡進行測試的時候,目前最好成績是單升汽油行駛里程12.32千米。對普通消費者來說,這樣的提升可以省下不少錢。”到 2025年,新技術的運用會讓每輛車的造價提高2000美元,但是在汽車的整個使用年限中,卻可以節省5200美元到6600美元的汽油。

3. 電池系統

通用汽車工程師道格拉斯-道奇與混合動力汽車雪佛蘭伏特電池系統的合影。道奇是通用汽車電池系統實驗室的首席工程師,這個實驗室在4年之前只有3個員工。 而現在,這個實驗室有多達40名員工,其中大多數都是剛出校園的大學畢業生。而這個實驗室的地盤也擴大到了6039平方米。道奇手中拿著的部件是一個電池 組,這個電池組包含溫控器與冷卻系統。這些電池組的表現將決定這輛混合動力車的能效表現。

據估計,到2025年純電動汽車的銷售可能占到全球汽車銷售的15%左右。但是技術依舊在不斷進步,最新的電池技術已經可以讓2013款雪佛蘭伏特汽車在 一次充電下可以完成61公里的行駛里程,同時讓單升汽油行駛里程達到42公里。雖然這種汽車被指出有較高的電池起火隱患,但是美國汽車監管機構表示,沒有 比汽油動力汽車有更大起火隱患的汽車了。在2012年,雪佛蘭伏特汽車是美國最暢銷的可充電汽車。2013款雪佛蘭伏特有了多處改進,但是價格依舊穩定在 四萬美元左右。不過政府補貼、充電站的密度與汽油的價格才會決定消費者的購買意愿。通用汽車電池系統實驗室的一部分工作就是降低汽車的能耗。

勒克斯研究公司高級分析師柯文-西說,“消費者在選購節能汽車的時候,會有那么一小部分因素為了環境考慮,可是更多的還是考慮經濟因素。不過到目前為止, 這個市場最大的贏家是那些不需要消費者改變駕駛體驗的節能汽車。盡管如此,更好的電池技術和更便宜的電池價格會為這個市場所有種類的汽車帶來更多價值,不 論是混合動力汽車還是純電力汽車。”

4. 神奇的發動機

這個電力發動機正在汽車動力測試中心接受測試。這個部件是將來達到能效標準的核心部件之一。在普通汽車中,油箱中的汽油大約只有15-20%的能量會被用 來驅動發動機。剩下的都以廢氣或者熱量的形式被浪費掉了。但是電力發動機會比汽油或者柴油發動機簡單得多。電動引擎可以將60%的電能用來驅動車輪,這也 是為什么提高電動引擎的效率可以降低溫室氣體排放的原因,即使電力的大部分來源依然是依靠燃燒化石燃料的火電廠。與汽油發動機不同,電動引擎可以讓汽車在 行駛的過程中大大減少氣體排放量。美國共和黨候選人羅姆尼在總統競選中表示,人們不可能開著一輛帶著風車的汽車。確實是這樣,但是人們可以利用來自風能、 太陽能、氫能源或者核能的電力來給汽車充電以減少溫室氣體的排放。但是在電力依舊主要依靠燃燒化石燃料的今天,電力引擎的角色略顯尷尬。但是通過幫助汽車 在特定時候提供額外動力來提高汽車能效的方式也能幫助混合動力汽車達到單升行駛里程21.3公里的好成績。

5. 歐洲的柴油發動機

大眾汽車的渦輪增壓引擎讓歐洲在燃料效率領域處于全球領先地位。聯合國全球經濟燃料計劃機構表示,“歐洲至少在2015年之前都會在該領域處于全球領先位 置。”自1893年德國人魯道夫-狄塞爾發明的壓縮點火發動機以來,這種發動機一直比汽油發動機的效率要高。因為火花點火發動機在運行過程中會損失掉大約 80%的能量。而柴油發動機的這個數值僅為40%左右。但是在過去,柴油發動機會比汽油發動機制造更多的空氣污染。不過美洲國家與歐洲國家政府都要求工程 師們制造出更加潔凈、低硫化物排放的柴油發動機,而且汽車制造廠商也會增加過濾系統來減少廢氣排放。大眾汽車表示,他們研發的更省油、更為潔凈的柴油動力 科技可以通過將霧狀燃料直接注入發動機等方式來大幅度提高能效和清潔度。歐盟國家已經通過對汽油征收更高稅額來鼓勵人們更多使用柴油動力汽車,導致現在柴 油在歐洲比無鉛汽油的價格便宜6%。在美國,使用柴油比使用汽油的成本要高7%。不過柴油動力汽車的高能效會讓使用柴油動力汽車更為劃算,可是美國的汽車 制造商似乎對這個技術并不太感冒。通用汽車替代能源研究中心的高管羅杰-克拉克說,“柴油會被一直使用下去,但是如果我們一直使用柴油發動機技術制造汽車 的話,我們的市場份額會變得很難看。”為了研制更新的汽車,阿貢國家實驗室正在柴油發動機中使用汽油為燃料進行試驗,而與之做對比的則是柴油-電力混合動 力汽車。

6. 渦輪增壓的高效率

這個結構復雜的金屬部件看起來就像是在電影《摩登時代》中吞掉卓別林的奇怪機器的小號版本。實際上這個部件是通用汽車研制的“Ecotec”發動機。這個 發動機運用在凱迪拉克ATS和雪佛蘭美宜堡車型上。奧莫托索說,“人們對大功率引擎的需求從未間斷,但是在未來我們也許會較少碰到這樣的情況了。而且那些 一定要購買大功率引擎的人會為之付更多的錢。”渦輪增壓發動機被認為是具有更加強勁動力的引擎。這種發動機通過將壓縮后的空氣注入汽缸中使每一次燃料爆炸 都會產生額外的動力。美國能源部稱,渦輪增壓技術可以讓燃料燃燒效率增加高達7.5%。和直接燃油噴射技術搭配使用的話,甚至可以讓這個數字提高到 12%。通用汽車動力研究中心的大衛-蘭卡斯特說,“工程師們一直追求的目標是確保讓發動機以最高效的方式運轉。我們也許會事先確定一個目標,但是我們并 不能直接達到那個數字。實現目標的過程一般都是迂回曲折的。”

7. 低滾輪阻力輪胎技術

低滾輪阻力輪胎在通用汽車的底特律哈姆川克組裝廠上替換掉了雪佛蘭原來的輪胎。每一個騎過輪胎漏氣自行車的人都清楚地知道滾輪阻力的感受。充氣不足的輪胎 會有嚴重的變形從而要求騎車人用更大的力氣。同理,在汽車上,由于充氣不足而產生的額外摩擦力消耗額外8%的能量。降低5-7%的滾輪阻力可以讓能效提高 1%。降低滾輪阻力不僅僅是簡單地通過為輪胎加足氣能夠實現,先進的材料和設計才是王道。而且這也是最快、最便捷提高能效的方式。有很多廠商已經在輪胎上 使用了硅填料技術,而且這個技術還有可提升的空間。到2017年,美國環境保護署和國家公路交通安全管理局(負責制定和起草汽車能效標準)希望超過85% 的汽車會使用到比2008年車輛滾輪阻力降低10%的新輪胎技術。

8. 輕質材料的強度

德國寶馬公司2010年生產的碳纖維汽車底盤也為汽車降低能耗開辟了一個新路徑。寶馬公司希望建立起第一條批量生產基于輕質超強碳纖維技術車輛的生產線。 技術人員通過使用塑料來加大碳纖維的強度。2013年開始生產的“Megacity”車型就使用了該技術。似乎沒有比減輕汽車本身的重量更好的方法來減少 車輛對燃料的“胃口”了。這也就是一些輕質高強度材料諸如碳纖維、特殊鋁合金等材料大行其道的原因。通用汽車研發部高管丹-佛洛斯說,“其實在工業領域, 碳纖維的應用不是新鮮事,但是碳纖維材料的產量卻一直不多,而且其成本長期居高不下。”雪佛蘭伏特車身主要材料是高強度鋼材,因為先進的技術原因并沒有給 車身增加很多重量,不過輪胎還是使用了鋁合金材料讓它看起來更奢華。降低車身10%的重量可以提高6-8%的能效。當然,最簡單的方式是制造更小型的汽 車。就如奧莫托索說的一樣,“歐洲由于其高達1.8美元一升的汽油價格讓人們開始使用小型汽車了。在美國,我們也得慢慢習慣于開小型的汽車和卡車了,而且 所用的能源也要從汽油變為柴油或者電力了。”不過,小型的汽車一般都會比最符合流體力學設計汽車的能效要低得多,特別是在高速公路上行駛的時候。“消費者 一般都只在油價高的時候才會比較關注經濟因素,不然他們一般都會選擇購買他們能負擔的起的最大最舒適的汽車。”

9. 電力方向盤系統

雪佛蘭伏特扁平的腹部僅僅只安裝了T形電池組。將車身其他部分的重量減少可以在整體重量不變的情況下為更多電池騰出空間。在這輛混合動力汽車中,電池組重 量大約為198千克,整車重量大約為1715千克。設計人員不僅僅降低了整個車身重量,他們還盡可能地減少寄生能量損失,寄生能量大約“吃掉”了汽車6% 的能耗。動力方向盤系統一直是這樣一種蛀蟲,但是新車中的動力方向盤系統卻可以有效減少能耗??死苏f,“電力方向盤在最初的時候看起來并不怎么樣,不過 在5到6年的完善之后,通用汽車的電力方向盤系統已經很棒了。這個系統會持續地從引擎中抽取電力來讓動力泵維持運轉。”而且電力方向盤系統通過從發動機抽 取能量帶動方向盤還能讓柴油發動機的福特嘉年華車型降低3%的能耗。

10. 新型啟動-熄火技術

這個單一內燃機汽缸讓降低汽車能耗成為了可能。這種新型汽缸技術可以幫助傳統內燃機減少能量浪費。這種浪費大多數時候發生在發動機空轉的時候,比如汽車在 等待紅燈或者塞車的情況下。事實上,這種毫無意義的空轉消耗了大約3%的能量,還有在車輛靜止的時候,水泵和方向盤助力系統也會消耗大量能量。蘭卡斯特 說,“為了研究這個過程,我們希望去掉一切多余的硬件從而單純地研究單一內燃機汽缸系統。我們在努力尋找任何一點可以減少消耗的地方。”一種名為 “start-stop”的技術提供了一個解決方案。這是一種混合動力汽車的標配系統,在歐洲的汽車上都有普遍的運用。這個技術會在汽車停下來的時候關掉 發動機,當加速器啟動的時候發動機才開始重新運轉。勒克斯研究研究公司專家預測,混合動力汽車在歐洲碳排放監管日益嚴格的政策環境下受益最大,預計到 2017年,全球銷量會達到3900萬輛?;旌蟿恿ζ囋趦r格略高前提下可以節省5-15%的能耗,這比純電力汽車要有吸引力得多。到2017年,北美洲 的汽車中將有800萬輛用上“start-stop”技術。而到2015年,將有40%新出產的車輛會用上該技術。

11. 再生制動技術

這個灰色光滑的圓盤會積攢能量。這是一種再生制動技術,在底特律的生產線上,這種技術已經被用在新生產的車輛上。傳統汽車系統在減速與制動的時候,有很多 能量都被浪費掉了。再生制動技術能用這些能量對電池進行再充能,在經常停車減速的城市中,這種技術可以有效減少能耗。因為在混合動力汽車中,電力大部分用 來啟動汽車而不是維持汽車前進,因此這個系統可以被特別設計區別于那些全電力動力汽車。

12. 尋找電池的極限

通用汽車首席測試工程師阿蘭-馬丁看著天氣測試室的大門。在這個測試室內,新車的電池系統會經歷零下45攝氏度的考驗。這種在極端環境中進行的耐久性測試 可以幫助通用汽車的電池系統實驗室的工程師找到電池的極限,以便達到每一次充電能夠完成更多里程的目標。對于插電式混合動力汽車來說,單次充電使用的里程 越多意味著對汽車對內燃機的依賴越小。道奇說,“在未來的幾年,找到電池組在環境中的極限狀態是提高汽車能效的最重要的因素。電池實驗室的兩個房間為工程 師測試電池組在不同環境下能夠提供多少電量創造了條件。人們既不愿意看到汽車半途沒電,也不愿意帶著備用電池到處跑。將電池的電量徹底耗光會對電池壽命有 所損傷,所以我們在對其進行測試的時候必須保證電池里還有適合的剩余電量。在兩年之后,汽車制造商們都會通過我們的試驗得知電池的工作極限數據,到時候他 們只需要花點精力更新電池管理數據庫就行了。所以我們還是得做好一定保密工作。不過有一件事已經確定了,那就是,目前只是我們達到單升汽油行駛里程23千 米目標的一個開端而已,后面的路還長著呢,說不定哪天就會蹦出一個‘外星人科技’出來。”

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