由于2004版《汽車產業(yè)發(fā)展政策》的技術政策更加強調節(jié)能和環(huán)保，再加上2004年國內外石油價格的不斷攀升，因此，各類替代石油能源且具有較好排放性能的汽車再次成為中國汽車業(yè)關注的熱點。2004年底，東風集團與世界最大的環(huán)保發(fā)動機廠商——康明斯簽訂協議，投資2000萬美元在武漢建設發(fā)動機研發(fā)中心，重點開發(fā)天然氣發(fā)動機，就是一個很好的佐證。
今天，汽車能源由石油占據絕對優(yōu)勢的局面已經被打破，盡管石油能源汽車在未來三、四十年內仍會保持領先，但由于燃氣汽車、醇類汽車，繼而電動汽車的迅速發(fā)展，石油能源汽車很快將走下坡路。專家預計，到21世紀中葉其下降速率將急劇增加。就整個21世紀而言，呈現在人們面前的將是汽油汽車、柴油汽車、燃氣汽車、醇類汽車、電動汽車、氫氣汽車以及其它多種能源汽車活躍的多級模式。21世紀中葉之后，上升勢頭最猛的非電動汽車莫屬。到21世紀末，汽油汽車和柴油汽車可能已經或即將退出歷史舞臺，燃氣汽車也成了強弩之末，如果沒有氫氣汽車這一黑馬殺出，電動汽車勢必穩(wěn)取汽車世界的霸主寶座。
近年來，全世界范圍內對新能源的開發(fā)應用工作進行得如火如荼。這里有必要說明，采用新能源或代用石油燃料從本質上講屬于開源的范疇，即用這種能源去代替那種能源。當我們進行能源替代的時候，有可能節(jié)能，也可能費能。采用新能源不等于節(jié)能，我們應當力求將采用新能源與節(jié)能統一起來。同樣地，新能源不等于綠色能源，即使公認的綠色能源也不一定絕對降污，我們同樣應當力求將應用新能源與環(huán)境凈化統一起來。
根據汽車體積小、質量輕、機動性好和數量大等特點，作為汽車能源應當具備儲量豐富、能量密度高、污染小、價格低廉、運輸性和流動性良好等基本要求。經多年的研究，目前已知有可能成為石油替代能源的有電能、氫氣、甲醇、乙醇、天然氣和液化石油氣等。其相應優(yōu)缺點、研發(fā)現狀及前景比較。
一、燃氣汽車
1.高度重視發(fā)揮氣體燃料的特性
由于天然氣資源豐富等優(yōu)點，進入21世紀以后，美國、日本和歐洲等國的研發(fā)重點主要集中在“燃氣一柴油雙燃料汽車”和“天然氣單一燃料汽車”上。
當代柴油機在設計上為避免過量排黑煙，一般都采用相當稀的空燃比，其滿負荷典型的過量空氣系數入值在1.5—1.8范圍內。該值很適合用天然氣進行稀薄燃燒運轉，并且發(fā)出的功率與柴油機標定值相當。
稀薄燃燒發(fā)動機技術，當空燃比入值超過1.3后，NOx排放量顯著下降，入值可選在1.4—1.7范圍內，若采用分層充氣技術，入值可更高，而不需后處理。稀燃技術除對NOx的控制產生顯著效果外，對燃料經濟性更有明顯好處，同時可降低排氣溫度，使氣門壽命和發(fā)動機的耐久性得到提高。由于稀薄混合氣的爆震傾向比理論配比混合氣低，容許采用較高的壓縮比。稀薄燃燒天然氣發(fā)動機的滿負荷熱效率通常與柴油機不相上下，甚至略高。
美國卡特彼勒3406型火花點火增壓中冷CNG—柴油發(fā)動機，采用稀氧傳感器、爆震傳感器和空燃比閉環(huán)控制系統，其穩(wěn)態(tài)排放NOx在1.5g／KW.h以下，熱效率在36%以上。因此，近年國外把稀燃技術的應用作為天然氣汽車的研發(fā)重點。
而對于天然氣單一燃料汽車，因必須設計專門的發(fā)動機，故研發(fā)內容還包括優(yōu)化結構設計、提高壓縮比、改變燃燒室進、排氣道的尺寸和形狀、增大配氣時間一斷面、提高充氣效率、動態(tài)優(yōu)化點火提前裝置、采用電控噴射技術等等。
2.研究并應用催化凈化技術
為降低CO、HC和NOx的排放量，在國外汽油電噴轎車上已廣泛采用三效催化轉化器，作為廢氣排放的后處理措施。通過催化劑與廢氣進行的氧化反應和還原反應，進一步降低有害污染物排放量。通常采用鉑、鈀、銠等貴金屬作為催化劑，但對于凈化天然氣汽車的排放物其效果仍不能令人滿意。在起動和小負荷時由于排氣溫度低、效果差，而在高溫時(廢氣溫度超過700℃)易使催化劑老化，并且對廢氣中烷屬烴類活性差的氣體凈化能力差。近期各國正在研制尋求價格低廉、壽命長、效果佳的天然氣汽車尾氣催化劑及載體。
3.儲氣瓶向輕量化發(fā)展
儲氣瓶是燃氣汽車的重要裝備。為確保其使用安全性和降低自身的重量，近年國外汽車巨頭進行了大量的試驗研究工作。從優(yōu)質鋼瓶、輕金屬內膽鋼絲纏繞瓶或纖維繞瓶到非金屬復合材料瓶等，品種繁多。美國SCI公司研制的金屬膽纏繞式輕質氣瓶，分別采用玻璃纖維、碳纖維和凱芙拉(KEVLAR)纖維，其中KEVLAR纏繞瓶較鋼制瓶強度高5倍。該公司稱，已有近百萬個SCI輕質氣瓶銷往全世界。
ULLIT公司研制的復合材料輕質氣瓶其質容比已降到0.34-0.30kg/L。但由于產品成本高等原因，目前市場占有份額較低。意大利FABER和DALMINE公司等仍以研制鋼質氣瓶為主要方向。但總之，使用安全、性能高、成本低的輕質氣瓶，一直是近年國外生產廠家研究追求的目標。
二、醇類汽車
人們對低污染的醇燃料的研究開始于20世紀60年代。
對甲醇燃料，許多國家已經過中等規(guī)模車隊應用階段。世界各大汽車廠都曾積極研究開發(fā)過甲醇燃料汽車。低比例燃料甲醇汽油已在美國、法國、意大利、奧地利、瑞典、新西蘭等國家實現商品化。其中，M15(甲醇占15%、汽油占85%)甲醇汽油曾在德國和北歐得到大規(guī)模研究，示范車輛多達千輛，并配套建設了跨國界的M15加注站。M85(甲醇占15%、汽油占85%)的高比例甲醇燃料被認為是較理想的配比。
然而，從20世紀90年代開始，由于國際原油價格下降，特別是由于防止地球溫暖化問題的提出，使世界各國對甲醇燃料汽車的開發(fā)興趣有所下降。從1998年開始，美國汽車工業(yè)界沒有提出甲醇燃料汽車的新車型。美國加州的甲醇加注站也逐漸減少。美國的許多甲醇燃料FFV已轉向使用汽油或柴油。盡管目前甲醇燃料汽車發(fā)展正處在低谷，但值得注意的是：均質混合氣壓縮著火燃燒(HCCI)新概念的提出以及以甲醇為燃料的燃料電池的開發(fā)，可望為甲醇汽車的發(fā)展開辟另一方天地。
乙醇燃料則是另一番景象，由于去年石油價格暴漲，美國、日本和歐洲共同體在稅收優(yōu)惠政策的支持下，當前汽車用乙醇汽油為代用燃料呈快速上升趨勢。
2004年初，美國在國內全面禁止使用MTBE(二甲醚)，乙醇燃料現成為MTBE的替代品，極大地刺激了車用乙醇汽油的發(fā)展。近年福特公司研發(fā)生產了E-85FFV等系列乙醇燃料靈活車輛，并出口巴西等國就是一例。
2002年年底，日本環(huán)境省的溫室效應對策技術核心研討會提議該國內汽油汽車使用摻加酒精的混合燃料。這種燃料是在普通汽油中加入以生物為原料的酒精制成的，酒精含量為10%�，F環(huán)境省已推出試用車，估計于2008年在日本普及。
三、電動汽車
近年來，國外電動汽車的發(fā)展正處在蓄電池攻關、新樣車研制和小批量生產及試用階段�，F在美國、日本在商業(yè)上取得成功的電動汽車是城市大、中型公共汽車、機場牽引車、城市公用服務車(如垃圾車、郵車、送奶車等)、中小型商業(yè)送貨車、游覽場所觀光游覽車、TV內的運輸車等。
為了推動電動汽車及蓄電池技術的快速發(fā)展，近年來西方國家和相關企業(yè)都做了大量工作，并出現了政企合作的新局面。例如，美國現代電池聯合會作為工業(yè)界和政府的聯盟，不僅牽頭聯絡包括美國三大汽車生產企業(yè)、美國電力研究中心等國家實驗室，還包括了美國能源部等政府機構，它們共同分享政府基金，其目標是在5年內能夠大批量地研發(fā)、生產符合中期目標的電動汽車。
早在上世紀60年代，福特汽車公司就著手開發(fā)電動汽車。至今，公司已獲得了321.8萬km的顧客使用經驗，這給福特電動汽車的進一步發(fā)展奠定了牢固的基礎。福特經驗認為，電動汽車的質量與耐用性是發(fā)展電動汽車過程中必須要解決的基本問題，其目的是根據顧客的使用要求來進行改進和開發(fā)。如：福特于近年開發(fā)的Ranger、Think等型號電動汽車，使用先進的鎳金屬氫復合蓄電池(壽命不低于10年)、三相交流電動機；在夏季其一次充電后的續(xù)駛里程超過130km；最高車速為110km／h，0—50km／h加速時間為7s。
近年來，通用汽車公司在電動汽車的研發(fā)、生產過程中，主要解決了以下有關戰(zhàn)略決策的三個問題：(1)為顧客在購買之前的決策提供咨詢和經驗展示；同時，在現有條件下，為保障生產規(guī)模的經濟性和銷售的經濟性而先期進行各項基礎工作。(2)努力消除潛在顧客對電動汽車的疑慮，增加電動汽車的吸引力。通用公司決定為顧客提供電動汽車的租賃服務，這樣，顧客就不用為短期內蓄電池充電等技術問題擔心。(3)為電動車的零售作好準備。近年通用公司的土星分部在洛杉磯已開始銷售EVI系列車型，這是一款緊湊型電動車。它的鉛酸蓄電池可行駛110—145km，車上標準裝備有空調、防抱制動系統和雙安全氣囊。
日本自1980年以來，一直執(zhí)行著電動汽車“月光計劃”，他們有計劃地避開用電高峰，把發(fā)展電動汽車所需蓄電池等列入研制計劃。2001年，豐田汽車公司在日本大城市開始出售RAV4L電動車，該車以鎳一氫蓄電池為動力，每充一次電可行駛215km，最高速度為125km／h。這種車型可通過它的車載充電器從200V家用插座充電。與普通鉛酸蓄電池相比，它具有較大的容量與比能量，每充一次電可行駛更多的里程。另據報道，日本湯淺公司最近開發(fā)一種可使電動汽車行駛里程增長40%的鉛酸蓄電池，該蓄電池充一次電可行駛140km，反應效率提高了100%，單個蓄電池質量為18kg。
總之，電動汽車技術的研究、開發(fā)及應用已得到了世界各國政府的大力支持。如前所述，21世紀的中后期必將成為電動汽車的新時代。
四、混合動力汽車
近年來，工業(yè)發(fā)達國家紛紛投巨資研制開發(fā)混合動力汽車，并取得了可喜的成果。美國三大汽車公司共同參與的“新一代汽車合作計劃”，投資5億美元，已開發(fā)出一種百公里油耗僅為3L的混合動力汽車。
通用公司近期研制并展出一種并聯式混合動力汽車車型，該車采用4輪驅動裝置，只要7s即可從靜止狀態(tài)加速到96km／h，它配備344塊先進的鎳氫蓄電池和1.3L、3缸、56.25kW渦輪增壓柴油發(fā)動機。該柴油發(fā)動機還驅動一臺4.88kW的無刷直流電機／發(fā)電機，其作用包括：起動柴油發(fā)動機，以再生電形式制動汽車，提供附加動力以獲得最大加速度，作為發(fā)電機給汽車的蓄電池充電。
2004年10月11日，通用汽車公司與上汽集團聯手開發(fā)混合動力客車，該混合動力客車采用由艾里遜變速器分部研制的客車動力發(fā)動機系統�？晒�(jié)約燃料40%-60%，減少排放50%-90%。
福特公司已于2003年第一次將一款Escape混合動力車型大規(guī)模推向市場，這是一種五座的SUV、4輪驅動、牽引力為1t、加速度可與傳統V6發(fā)動機車型相比。該車使用一個電動機和一個汽油發(fā)動機。汽油發(fā)動機可用傳統方式直接為汽車提供動力或通過為蓄電池充電間接為電動機提供動力。
德國大眾公司早在1989年就已首次推出并聯式混合動力汽車樣車。最近，德國奧迪汽車公司開發(fā)出一種柴油機和電動機并聯方式的轎車，這款DUO型柴油機和電動機并用的汽車安裝有1.9L、66.2kW直噴式柴油發(fā)動機和21.3kW電動機。蓄電池采用264V鉛酸蓄電池，充電需7h，只用電動機時充電一次可行駛50km，價格預定為31.8萬元人民幣。
在這個領域中，日本汽車企業(yè)走在了前面。眾所周知的Prius轎車就是代表作，車上裝有一臺由鎳氫蓄電池驅動的電動機、一臺1.5L新型直列4缸汽油發(fā)動機和一個小型輕便高效的發(fā)電機組；百公里油耗比同類單動力汽油車減少一半；尾氣排放的有害氣體也僅為現行日本法規(guī)允許值的50%；平均速度達140km／h。當汽油發(fā)動機和電動機同時工作時，最高車速可達160km／h。
國外汽車行業(yè)專家預言：在未來10年中，世界新生產的汽車中至少有1／20是混合動力汽車。任何一家公司都不可能只依靠燃油發(fā)動機的汽車在21世紀繁榮昌盛。
五、燃料電池汽車
2000年，美國賓夕法尼亞大學的科學家設計出以甲烷等碳氫化合物為燃料的蓄電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統燃料電池。傳統燃料電池使用氫為燃料，由于既不易制取又難以儲存，導致燃料電池價格居高不下。此前，科學家們曾嘗試用便宜的碳氫化合物為燃料，但化學反應產生的殘渣很容易積聚在鎳制的蓄電池正極上，導致斷路。賓夕法尼亞大學的雷蒙，戈特及其同事們使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決殘渣積聚問題。這種電池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯。丁烷等5種物質做燃料。不過，目前這種電池的能量轉換效率還較低�？茖W家預計，這種電池經改進后將能直接使用汽油或柴油，并將在此基礎上制造出低成本、低污染、使用方便的汽車燃料電池等產品。
美國能源部已對磷酸型燃料電池作動力的大客車進行路試工作，下一步將研究適用于轎車的DMFC(甲醇燃料電池)，現在研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率可比內燃機提高一倍，而造成的污染則只有內燃機的5%。估計在5年內可研制出使用該種動力系統的電動汽車，并有望于2007年投入商業(yè)化生產。
法國近年開發(fā)出使用“遠程”燃料電池的汽車Fever，它以低溫儲存的氫和空氣作燃料，發(fā)電機功率達30kW，電壓為90V，且采用先進的電子控制系統對電力生產進行控制，并把制動時所產生的能量儲存在蓄電池里，以備汽車起動或加速使用。
英國能源部門于1992年成立了國家燃料電池開發(fā)中心，現正致力于SPEC和SOFC組和燃料處理系統的研究。其燃料電池技術的開發(fā)重點是燃料供應、重整器、氣體凈化和空氣壓縮等方面。PEMFC(質子交換膜燃料電池)的研究重點是改善催化材料的性能并探索鉑催化劑的涂覆方法，降低鉑的含量。提高鉑的利用率和對CO的耐受允許值。
日本豐田于1992年開發(fā)出比功率高、工作溫度低、結構緊湊和安全可靠的PEMFC，現裝在RAV4上的燃料電池系統可提供20kW的動力，蓄電池質量約占整車質量的25%。豐田的目標是開發(fā)能量轉換效率達到傳統汽油機2.5倍的燃料電池，且能和現用的汽(柴)油汽車一樣方便地填加燃料。目前主要是解決基礎設施，尤其是加燃料站等問題。
