[科普中国]-绿色环保车

背景

发展绿色环保汽车的背景

自第一辆汽车诞生以来, 汽车为人类的文明和发展做出了巨大的贡献, 汽车作为现代文明社会的重要交通工具, 已深入到社会生活的各个领域, 正逐渐成为人们日常生活不可缺少的组成部分。汽车是现代工业的龙头, 对于社会进步所起的推动作用体现在很多方面。汽车的广泛使用可以提高工作效率, 使人们行动自由并带动相关产业的发展, 扩大社会就业。汽车在当今世界已经成为衡量一个国家综合实力的重要指标。

全世界目前已拥有超过10亿辆的汽车, 但随着汽车的发展,其在为社会带来正向推动力的同时, 也带来了能源危机、环境污染、交通安全等多个方面的问题和挑战。

（1）能源危机

据专家预测, 按照已经开发的油田数量估计, 到2050年全世界的石油就将遭遇枯竭危机。即使把已勘探到但还没有开发的油田数量一并计算在内, 到2100年地球的石油资源也将被消耗殆尽。汽车的石油消耗比例非常高, 是石油能源的主要消耗者。在美国, 汽车的石油消耗量占石油总消耗量的67%, 在我国也达到了40%。汽车在为人们带来方便的同时, 也的确给能源造成了巨大的压力。

（2）环境污染

联合国环保组织的调查显示, 目前城市中的空气污染有50%来自燃油汽车的废气排放,而在汽车拥有量最集中的欧美国家的一些城市, 空气污染源的60%来自汽车废气。据测定, 汽油、柴油动力汽车排放的废气中所含的有害物质达160多种, 其主要有害物质成分为: 一氧化碳、一氧化氮、有机物、二氧化氮、悬浮离子、二氧化硫、二氧化碳等。这些物质会危害人们的健康, 比如悬浮离子, 如果吸入肺中, 极易导致肺癌。同时, 尾气中的这些物质在空气中聚集到一定程度后, 还将带来灾难性的气候。其中二氧化碳被称为最大的环境杀手, 当空气中二氧化碳的浓度达到5×105mg/m3的时候,地球就会出现严重的气候问题。而在2008年初, 空气中二氧化碳的浓度已经达到3.94×105mg/m3,如果不采取任何措施, 按照这个趋势发展下去, 到2050年, 空气中二氧化碳的浓度将会达到8.5×105mg/m3, 难以想象那时候的地球将会变成什么样子。

（3）交通安全

根据最新的数据显示, 目前, 道路交通死亡已经成为人类第九大死亡原因, 而到2020年,道路交通死亡率预计将再翻一番, 上升为继癌症、抑郁症之后的第三大死亡原因。我国每年交通事故死亡人数为10万人左右,交通死亡率远远高于其他国家。我国目前的交通安全水平仅相当于发达国家上个世纪70年代的水平。我国的年死亡人数分别是美国的2.3倍、日本的13.4倍、德国的18.4倍。中国的万车死亡率也远高于世界上其他国家。

多年来, 能源短缺和环境污染是制约各国经济发展的两个不容忽视的因素, 它们直接影响到一个国家能否获得可持续发展的重大线路问题, 因此受到了世界各国的重视, 正在引起国际社会的密切关注。开发能够取代汽油的新能源及以新能源为动力的汽车已成为人们关注的热点问题。生产和使用环保型、零污染的绿色汽车, 将是未来汽车工业的最佳目标, 同时也是人类保护自身环境的最佳选择。绿色环保汽车是新世纪汽车工业发展的方向。1

主要途径发展绿色环保汽车, 主要有以下途径：

提高现有汽油机、柴油机的性能和效率（1）提高汽油机的热效率

目前, 市场上汽油机的指示热效率在现有基础上有望提高8%, 发动机摩擦磨损还有降低25%的可能。采取的主要措施有: 直喷式汽油机、可变气门定时和升程、提高压缩比、均质混合气压燃着火(HCCI) 等。

（2）提高柴油机的热效率

现行柴油机的指示热效率还有7%的提高余地, 摩擦磨损还有降低15%的可能。其具体措施有增压、燃烧控制、HCCI燃烧方式、可变气门定时和升程、可变进气涡流、电控高压柴油喷射等。

（3）采用发动机排气后处理方法

采用排气后处理方法是降低汽车排放的一种性价比最高、成本最低的方法之一。汽油机主要采用EFI结合三效催化转换器加上电加热型催化器( EHC) 和二次空气等方法。现在柴油机采取的主要技术措施是: 在三效催化转化的基础上, 采用喷氨的电控SCR+DPF等技术措施, 进一步降低NOx和柴油机的颗粒排放。

推广小排量汽车要降低汽车油耗, 首先应大力提倡用小排量汽车。小排量汽车具有廉价、安全、多功能、油耗低的特点。我国如果多生产100万辆小排量汽车, 每年即可少耗油320万t。假设2010年小排量汽车占25%, 即可节约石油400万t; 小排量汽车占50%, 即可节约石油1200万t。大众公司POLO轿车的发动机排量与百公里油耗的关系表明, 发动机排量每增加0.1L, 汽车的百公里油耗就增加0.2L。因此, 许多国家都在采取措施大力推广和使用小排量汽车。

采用轻量化材料世界铝业协会的报告指出,汽车质量每减少10%, 燃油消耗就可降低6%~8%。因此, 汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有重要的意义。实现汽车轻量化的主要途径有两个方面: 一是结构优化设计; 二是采用轻量化的新材料。采用优化设计使零件薄壁化、中空化以除去零件的冗余部分, 使部件零件化、复合化以减少零件数量等。轻量化材料目前主要指铝合金、镁合金、塑料和非金属基复合材料及高强度钢等, 此外, 碳纤维、钛合金和金属基复合材料将有望成为新一代轻量化材料。汽车上大量采用轻量化材料, 可大大减轻汽车的质量, 达到节能、环保和安全的目的。轻量化材料与传统的钢铁材料相比, 在物理、化学特性等诸多方面存在显著差异, 导致在实际的应用中, 难以完全照搬原有的设计理念和传统的制造技术。因此, 新材料的应用除了新材料的开发外, 还需要一系列相应的技术支持, 包括材料试验与检测技术、零部件设计技术、相关的制造技术、零部件维修技术和材料回收与再生技术等。随着科技的发展, 这些材料会在汽车身上得到广泛的应用, 汽车将越来越轻, 越来越经济。

开发汽车代用燃料汽车代用燃料是指除目前广泛使用的汽油和柴油之外的所有车用燃料, 主要包括天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、醚类、生物柴油、菜籽油、合成油、氢气等。使用这些燃料的汽车称为代用燃料汽车。发展代用燃料汽车能带来广泛的社会效益: 一是使能源多元化, 减少石油资源的消耗; 二是减少汽车尾气中有害物质的排放, 改善大气环境和人类的居住空间, 保护人类身体健康; 三是可以创造更多的就业机会。随着石油资源的减少和各种代用燃料技术的出现, 汽车燃料结构多元化是必然的, 代用燃料汽车的发展也是必然趋势, 各国将根据本身能源实际情况来制定能源策略。众多的代用燃料能否成为汽车燃料并得到实际应用,取决于燃料的储藏、分布、可利用情况、能否减少环境污染以及应用技术成熟与否。

天然气因其储量丰富( 与石油储量相当) 、供应稳定、燃烧干净、排污少, 使得天然气汽车成为最具发展潜力的代用燃料汽车。

乙醇是一种可再生的生物燃料, 作为燃料成分或汽油添加剂已是成熟的技术, 并在汽车上得到了应用。但如何保证低成本、稳定地获得乙醇供应是有待解决的问题。

甲醇、二甲醚是煤基燃料,主要由煤转化而来, 是将来汽车代用燃料的重要组成部分。但如何将煤转化为车用燃料还有许多技术问题尚待探讨, 目前技术还不够成熟。

生物柴油来源广泛, 是石油燃料的一种补充, 也是代用燃料汽车的一个重要组成部分。生物柴油与石化柴油的混合掺烧技术有待进一步提高, 以满足排放要求。在生产和使用中还需要国家的相应扶持政策和补贴。

大力发展电动汽车电驱动系统由于具有效率高、能源可以不依赖于石油燃料、在使用地点“零排放”等特点, 成为技术上替代石油燃料内燃机汽车动力的最具竞争力的系统。过去的十几年中, 纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车得到了很大发展, 世界汽车工业正在经历从传统燃油汽车向未来氢燃料电池汽车的过渡和发展阶段。开发利用电动汽车是发展绿色环保汽车切实可行的有效途径。

燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置。它的工作原理是: 将氢气送到负极, 经过催化剂( 铂) 的作用, 氢原子中两个电子被分离出来, 这两个电子在正极的吸引下, 经外部电路产生电流, 失去电子的氢离子( 质子) 可穿过质子交换膜( 即固体电解质) , 在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得, 只要不断给负极供应氢, 并及时把水( 蒸汽) 带走, 燃料电池就可以不断地提供电能。燃料电池的优点是:

a) 能量转化效率高燃料电池的能量转换效率可高达60%~80%, 为内燃机的2~3倍;

b) 不污染环境燃料电池的燃料是氢和氧, 生成物是清洁的水, 它本身工作不产生CO和CO2,也没有硫和微粒排出, 没有高温反应, 也不产生NOx, 如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气, 仅会产生微量的CO和较少的CO2;

c) 寿命长燃料电池本身工作时没有噪声、没有振动, 其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道, 本身不参与化学反应,没有损耗, 寿命长。

经90年代的研究, 燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展, 质子交换膜电池( 简称PEM燃料电池) 的功率密度已大大提高, 成本大大降低。各种供给氢气的方法, 如高压储氢瓶、液化氢储存器、金属储氢技术都有明显进步。

耐久性和成本是燃料电池目前面临的主要技术难题, 如果这两个问题获得突破, 将迎来燃料电池汽车的美好前景。1

主要类型除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车.包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等。在世界能源供求均不理想的状态下，新能源汽车已经成为了新的焦点，同时以气代油的理念也受到了广泛认可天然气作为清洁性能源对环境亲和，因此从长远角度来看液化天然气汽车将逐渐成为主导，在大力发展天然气汽车的过程中将会带来更为客观的经济效益与社会效益。2

压缩天然气汽车压缩天然气汽车(以下简称LNG汽车)的主要特点为:

1、节能环保是LNG汽车的主要特点

降低运营成本，具有显著的经济效益和社会效益随着经济的发展，环境污染问题日益突出汽车尾气是城市环境污染的主要来源之一，普通汽车尾气构成较为复杂，其中不仅仅包括一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等，同时还包括了部分固体颗粒物以二氧化硫为例，该气体易I容于水，是导致酸雨的主要来源，而氮氧化合物危害性更大，若浓度较高将会给公众的健康带来显著影响汽车尾气会持续性地对人体呼吸系统产生J漫性作用，这会导致支气管炎等呼吸系统疾病发生概率匕升并且会造成部分群体肺功能下降另外部分固体颗粒还会造成患者的心血管系统受到影响，情况严重时会造成患者神经系统出现紊乱从宏观上来看我国近期频繁出现了严重雾霆天气，而雾霆的产生与汽车尾气排放也有着密切的关联雾霆主要由二氧化硫、氮氧化合物以及颗粒物组成汽车尾气排放量越大必然会导致颗粒物含量升高使得雾霆天气日趋严重而天然气汽车这避免r匕述各种负面因素，各类有害物质大幅度下降，它对于环境的亲和性显著提高，也符合当前节能减排的要求。

2、LNG汽车安全性要比常规汽车要高

LNG汽车的主要燃料是液化天然气，相对于传统燃料如汽油、柴油等，液化天然气经过燃烧后有害物质排量将大幅度下降，基于此特性也使得液化天然气汽车的社会效益与经济效益得以凸显，在节能减排倡导下液化天然气将成为主导性的华安保燃料，同时这也是低碳经济发展战略需求相关研究表明目前液化天然气汽车无论是在发动机技术、配件技术、维修技术等方面均逐渐步人成熟化，另外液化天然气汽车相关检侧系统也逐渐全面化，当出现天然气漏出或特殊情况时系统会立即检出并采取相关措施进行保护调控从而保证汽车整体安全性

3、天然气汽车比常规的柴油汽车具有明显的经济型

相对于传统汽车天然气汽车具有一定的成本优势，例如部分重型汽车若使用天然气材料将比柴油节约}5n。左右的染料费用同时天然气汽车发动机寿命更长，运作更稳定，维护费用更低而与电动汽车相比较，天然气汽车具有高密度能量巨气瓶体积小，因此无论是续航能力还是行驶距离都表现出了较大的优势在这种特性下天然气汽车将逐渐成为传统汽车的替代品，并月一成为汽车行业的主导。

4、LNG汽车相比传统汽车综合优势突出

由于天然气汽车具有理想的能量密度，相同容积条件下罐装天然气载量可达CNG储气瓶2.5倍以上在一次性加气完毕后，大型天然气货车可行驶2000公里以上，这给长途运输提供了保障，方便了运输业的正常进行液态天然气站建设制约条件小，在存在天然气源的情况下便可实施站点建设工作相比较石化燃料而言天然气燃料组分更为纯净，因此在汽车尾气排放方面较传统汽车更具优势，有害气体排放量将降低80%以上。

综上所述，LNG汽车是未来汽车发展的主流方向虽然液化天然气汽车是继CNG汽车和LPG汽车之后于近年才开始发展起来的一种新型环保汽车，但是由于各级政府又颁布了各种大力支持天然气汽车发展的优惠政策，加之LNG汽车具有经济、安全、环保、适用、方便、机动等优势，是未来天然气汽车的发展方向，同时也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径，这将导致LNG的发展将成为一种必然趋势。

LNG汽车要有大发展，必须依靠加气站做后盾对于天然气汽车发展而言它的推广与发展需要加气站的支持，同时这也是目前限制天然气汽车发展的重要瓶颈问题为了让天然气汽车应用范围逐渐扩增就需要对加气站建设给予重视，通过整体性、综合性规划来解决供气问题从城市出发特别是在大城市当中逐渐构建天然气加气站网络，从而逐步、分层次推庄加大供气系统建设投人为应对日益增长的天然气需求，我国正积极打造天然气供应大网络，目前，我国天然气管道规划已经组成国内横贯东西、纵穿南北的综合天然气管网而从气源保障的角度来看，完全能保证国内LNG汽车行业的发展。2

太阳能汽车太阳能汽车由于其零污染、能源丰富，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。和传统汽车不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成，但因其造价昂贵、动力受太阳照射时间限制及承载能力差等特点而无法普及。这些太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，力求达到车体轻、速度快。

太阳能汽车真正走进大众生活，还有很多难题需要解决。首先是太阳能的采集与转换问题。根据一般的材料应用与技术能力，太阳能转换率只能达到20%左右，难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力，而7～8 m2的太阳能电池板也导致车身过大转动不够灵活，内部空间过于狭小；其次是制价太高。由于太阳能电池板大多采用宇航材料，造价昂贵，例如在2002年8月南京理工大学承办的南京“国际大学生太阳能汽车友谊赛”中，参赛的3辆汽车中，“追日”号造价7．8万美元，“Solar Minerm”号造价9．5万美元，而“Ra”号造价高达100万美元。

不过，科技的发展日新月异。目前已在海南省三亚市亚龙湾热带森林公园使用太阳能能量补偿电动车。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家于近日宣布，已使太阳电池光电转换效率达到40．8%，这是迄今被证实的最高效率。3

电动汽车纯电动汽车是指以车载电源为动力, 用电机驱动车轮行驶,符合道路交通安全法规各项要求的车辆。纯电动汽车的优点是:它本身不排放污染大气的有害气体, 靠电力充电, 由于电力可以从多种一次能源中获得, 如煤、核能、水力等, 解除了人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电, 使发电设备日夜都能被充分利用, 大大提高了其经济效益。有研究表明, 同样的原油经过粗炼送至电厂发电, 经充入电池, 再由电池驱动汽车, 其能量利用效率比经过精炼变为汽油, 再经汽油机驱动汽车要高约20%, 因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。正是这些优点, 使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施, 而是意义重大的、长远的战略考虑。纯电动汽车在诸如公园、居民小区、固定公交线路、体育场馆、机场、商业中心等一些固定区域得到了推广应用。但由于其电池的功率密度低、充电时间过长、使用寿命较短等因素, 致使电动汽车行驶里程太短、价格较高, 限制了纯电动汽车的普及和推广。

混合动力电动汽车是指车上装有两个以上动力源( 包括电机驱动) , 符合汽车道路交通安全法规的汽车。车载动力源有多种: 蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组等。当前混合动力电动汽车一般是指内燃机车发电机, 再加上蓄电池的电动汽车。

混合动力电动汽车的优点是: 采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率, 此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。当需要大功率而内燃机功率不足时, 由电池来补充; 负荷少时, 富余的功率可发电给电池充电。由于内燃机可持续工作, 电池又可以不断得到充电, 故其行程和普通汽车一样。因为有了电池, 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区, 可关停内燃机, 由电池单独驱动, 实现“零”排放。有了内燃机就可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题; 可以利用现有的加油站加油, 不必再投资; 可让电池保持良好的工作状态, 不发生过充、过放, 延长其使用寿命, 降低成本。混合动力驱动汽车的缺点是: 有两套动力, 再加上两套动力的管理控制系统, 结构复杂、技术较难、价格较高。1

实施措施我国发展绿色环保汽车的举措

中国被认为是未来最后一块最大的汽车市场, 如果我国不能顺应环境保护和充分利用现有能源的新趋势, 那么不仅我国的环境会遭到破坏, 而且汽车工业也将更加落后, 因此, 我国更有必要加快发展自己的绿色环保汽车, 并应采取以下应对措施。

1、加速推进绿色汽车产业化

国家要在信息、人才、税收、贷款等方面对绿色汽车的科研、生产企业进行全方位的扶持, 努力实现产品的低成本与高品质, 并且实施规模生产, 达到规模效益, 实现产业化发展; 同时加强统筹工作, 组建专业联合体, 由国家有关部门或委托相关企业牵头, 就某一个项目联合攻关, 集全国之力, 走科研、实验、生产和推广一体化的开发之路。由于我国在纯电动汽车、混合动力汽车及燃料电池方面经过多年努力已经奠定了雄厚的基础, 自主研发的燃料电池汽车主要技术指标达到了国际先进水平, 在动力电池、驱动电机和燃料电池发动机等关键部件方面都取得了重大进展, 因此国家应继续支持电动汽车研究, 率先推进电动汽车产业化, 并力求走在世界的前列。

2、积极制定和推行“绿色”法规

我国政府管理部门要建立完善而切实可行的“绿色”汽车质量标准体系, 加强对“绿色”汽车产品的认证、注册、年检等管理,打击假冒伪劣产品进入市场。同时也要强化“绿色”汽车装配, 规范市场管理。“绿色”排放标准除要对新车型进行论证外, 汽车厂家还要在规定的行程内对汽车的排放质量负责, 推动“绿色”汽车的发展。

3、强化“绿色”设计理念, 注重清洁生产

企业在构想、开发和制造产品时, 应强化“绿色”设计理念,从未来着手, 以维护自然、节约资源为核心, 以便在产品的使用寿命结束时, 有些部件还可以翻新和重复使用, 而有些则可以被安全地处理掉。企业在生产过程中, 要以节能、降耗、减污为目标, 着重选用无公害的新能源( 如太阳能、风能等) , 采用无污染、少污染的新技术、新设备,实施生产全过程污染控制, 以使污染最小化。

4、实施“绿色”营销

在服务、广告和交通标志上, 要运用一系列“绿色”营销手段。“绿色”服务, 就是指企业在汽车售前、售中、售后服务过程中, 以节省资源、减少污染为服务导向, 印在汽车或零部件包装上的图形标志, 应标明该产品的生产、使用和处理过程符合环保要求; “绿色”广告, 一方面可以为产品做广告, 另一方面可以为企业向顾客传递“绿色”信息,维持人、汽车产品与环境的和谐, 避免因人们的消费导致环境的破坏。所有的这些“绿色”营销手段, 将进一步掀起汽车消费的浪潮, 同时也是企业提高经济效益、加强竞争、树立企业形象和进入国际市场的有效措施。1