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新动力之恋

2005-10-18 15:19 作者:晓霖 2005年第39期
一般来说汽车的排放是和燃油经济性成正比的。燃油经济性就是能量乘以效率,而由燃料消耗所产生的能量只有一部分转换为有用功,两者的比值被称为系统效率。影响效率的主要部件自然是发动机,以及变速箱等运动部件。

一般来说汽车的排放是和燃油经济性成正比的。燃油经济性就是能量乘以效率,而由燃料消耗所产生的能量只有一部分转换为有用功,两者的比值被称为系统效率。影响效率的主要部件自然是发动机,以及变速箱等运动部件。

工程师所做的改进设计,都是从整个系统的能量平衡来考虑燃油经济性的。提高发动机的热效率,如果不同时结合其性能曲线和传统系统的匹配,可能就达不到综合的节能效果。反之,如果发动机有良好的性能曲线,即使其热效率改进不大,也能起到节能效果。这就是所谓的汽车匹配问题。

解决这一课题的有个著名PNGV计划。上世纪80年代,日本汽车大举进入美国市场,美国汽车厂商失去了原有的市场占有率。1992年,美国三大汽车公司克莱斯勒、福特和通用联手成立了美国汽车研究理事会(United States Council for Automobile Research,USCAR),在汽车技术的研究与开发上结成战略联盟。到了1993年9月,克林顿与美国三大汽车总裁在华盛顿宣布,美国政府将与三大汽车公司合作进行一项推动美国汽车技术革命的合作计划,这一计划被称为新一代汽车合作伙伴计划(The Partnership for a New Generation of Vehicles, PNGV)。

80年代中期,美国通用汽车公司试验研究室进行了大量的实验,根据通用统计,汽车在城市行驶40%的时间是在起步和加速,35%的时间在减速等非稳定工况下运行。82%的有效能量是消耗在克服惯性和克服阻力上了,而惯性力的大小对燃油经济性的影响是决定性的。从实验的结果来看,汽车在稍有拥挤的城市道路上行驶,汽车的平均车速约为每小时29公里,每升燃油的行驶里程只是匀速行驶时的60%。对交通比较拥挤的大城市,汽车的平均车速大约为每小时19公里,这样每升燃油的行驶里程更少,大约只是以每小时29公里匀速行驶时的44%。

以上实验的结论可以说是一目了然,要提高城市内行驶汽车的燃油经济性,就是使汽车小型化,降低汽车自重和采用小功率的发动机。

目前,通用公司的电动汽车EV1,其质量、空气阻力系数、滚动阻力和驱动效率均已接近PNGV的要求,驱动单元的质量仅为68kg,装备有高效率的电池组,由20节12V电池组成,电动机的功率为102kW,也采用全铝合金车身。

克莱斯勒公司的未来型道奇Intrepid ESX概念车,它采用的全铝合金车身重量比钢板车身轻272kg,同样采用串联式混合动力,一台3缸小型柴油机,交流发电机和铅酸电池组成动力源,驱动两台75kW的电动机驱动后轮。

福特公司的Synergy2010概念车,已经达到油耗80mpg,该车采用串联式混合动力,在汽车后部装有一台1升的直喷柴油机,两个后轮各由一台电动机驱动,柴油机的作用是驱动发电机为电动机提供动力,车轮上装有飞轮储能器,回收汽车制动或减速时的能量。此外,还采用了高强度的铝合金车身等轻质材料,Synergy2010重量降低了1/3,采用超流线型设计使空气阻力系数降低了40%。

可以看出,美国三大汽车公司均按照计划目标已推出的概念车,动力总成采用电动或电动加小型内燃机的混合动力是它们共同的特点。然而,这些还停留在试验和研究阶段的概念车,无一不是以牺牲汽车的综合性能为代价的。

要成为商品车,除了燃油经济性以外,还有可靠性、稳定性、安全性、动力性、舒适性的要求,许多要求与燃油经济性相矛盾。PNGV计划,其中一项所谓的80mpg的指标,除了三大公司的投入,美国政府投入10亿美元用于开发新一代汽车,即参照目前美国汽车市场上的中档轿车,在不降低汽车的各项综合性能,不提高售价,不增加使用成本的前提下,使其经济性达到1加仑燃油行驶82英里,折合公制约为每升35公里,相当于目前同级轿车油耗的1/3。

通用公司的研究部门还做过这样一组对比试验,在寒冷的冬季(12℃),汽车从冷机状态分别行驶64公里和24公里,测量其平均油耗,后者的油耗是前者油耗的72%。工程师们的试验结论是,即使行驶了24公里,发动机仍然未达到额定温度,其油耗比额定温度下的油耗高出10%,冬季大约需要行驶20公里春季需要行驶12公里,油耗和排放才能趋于稳定。

为了实现燃油的经济性,可以使用怠速切断装置,这个装置的作用就是停车时自动切断发动机,起步时又自动起动,但是,如果要在城市用车推广这种系统,还需增加一些辅助装置,如转换和识别装置,因为这种装置对于过于短暂的停顿显然是不合适的,而过于频繁启动引起的其他的负面影响也是存在的。

有工程师建议,理想的方法是装配一台小型电动机作辅助动力,汽车在每小时15公里以下超低速行驶时,可以电动机作为动力,因为此时发动机的效率很低,当汽车需要加速时驾驶员只要踩一下转换开关,即可变为启动发动机驱动汽车,同时还可对电池充电。

根据PNGV计划的目标,在十年内将目前车辆的燃油效率(如1994年Concorde/Taurus汽车每升11.3公里)提升三倍,达到在不改变车体大小、安全性与售价的情况下,制造出每加仑汽油至少跑80英里的汽车(约3升多/100公里)。在美国47个州的21个联邦实验室,51所大学中,有1200多个PNGV的研究项目正在进行中,PNGV计划成为一个国家性的运动。

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