最新低能耗汽車技術(shù)：流線型設(shè)計(jì)可降11%能耗

　　1. 流線型設(shè)計(jì)測(cè)試環(huán)境

　　在全世界最大的汽車制造廠房中，巨大的風(fēng)扇橫跨在位于密歇根的通用汽車沃倫研究中心內(nèi)，這里進(jìn)行的研究項(xiàng)目旨在滿足全世界對(duì)高能效汽車的需求。在美國(guó)，奧巴馬政府即將對(duì)汽車的能效出臺(tái)官方標(biāo)準(zhǔn)，到2025年，汽車單升汽油的行駛里程要達(dá)到23千米。而歐盟的標(biāo)準(zhǔn)比這個(gè)更為苛刻，到2020年，為了達(dá)到減少碳排放的標(biāo)準(zhǔn)，汽車單升汽油行駛里程要求達(dá)到24.4公里。加拿大、日本、中國(guó)和韓國(guó)在2015年也將會(huì)開始制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

為了達(dá)到這個(gè)全球性的新能效標(biāo)準(zhǔn)，全世界像沃倫研究中心這樣的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行著艱苦的創(chuàng)新。這些研究中心正未雨綢繆地為了幾十年之后的能效標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行著各種各樣的研發(fā)工作。新一代的汽車看起來(lái)和當(dāng)前的汽車樣式?jīng)]有什么區(qū)別，但是重量會(huì)更輕、會(huì)更加符合流體力學(xué)原理、會(huì)擁有更加智能的系統(tǒng)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)功率。

研究公司LMC Automotive的高級(jí)工程師米歇爾-奧莫托索說(shuō)，“其實(shí)到2025年為止我們需要用在汽車上的技術(shù)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。還需要完善之處是減少這些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的成本?！边@個(gè)直徑12米的巨大風(fēng)扇在這個(gè)研究中心里面扮演著重要的角色，它可以提供時(shí)速達(dá)222公里每小時(shí)的大風(fēng)，以便讓工程師對(duì)汽車的流線型設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷改善，毫不夸張地說(shuō)，后視鏡和轉(zhuǎn)向燈的形狀設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)能效有著1%-2%的影響。在未來(lái)的幾年，任何一個(gè)會(huì)影響能效的地方都會(huì)被砍掉。

　　2. 改善阻力系數(shù)

　　高級(jí)工程師約翰-貝納奇科正在對(duì)2013款的雪佛蘭美宜堡車型進(jìn)行流線型測(cè)試工作，這個(gè)場(chǎng)景就像拿著一根魔杖在對(duì)著汽車施法一樣。當(dāng)初他在聽到要求將雪佛蘭美宜堡車型的阻力系數(shù)改善為0.29的時(shí)候，他覺得這個(gè)確實(shí)太有挑戰(zhàn)性了。不過(guò)，到最后模型測(cè)出的阻力系數(shù)為0.35。作為對(duì)比，日本豐田汽車公司油電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車普銳斯的阻力系數(shù)是0.25，而2012款福特漫游者的系數(shù)為0.40。(阻力系數(shù)越小意味著越節(jié)能。)

貝納奇科說(shuō)，“僅僅在幾年前，流體力學(xué)家覺得如果要讓轎車的阻力系數(shù)達(dá)到0.29就必須徹底改變汽車的形狀。不過(guò)工程師們也學(xué)會(huì)了如何通過(guò)改善車輛的設(shè)計(jì)或者通過(guò)增加一些附件來(lái)改善阻力系數(shù)。還有一種設(shè)計(jì)是減少汽車行駛過(guò)程中進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量來(lái)減少空氣阻力?！蓖ㄟ^(guò)完善車型流線型設(shè)計(jì)可以減少3-11%的能耗。工程師通過(guò)改變車輪的位置來(lái)找到風(fēng)阻最小的方式。當(dāng)巨型風(fēng)扇吹出的風(fēng)通過(guò)車身周圍的時(shí)候，車身的平衡將會(huì)改變，工程師們也可以對(duì)各種情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。流體力學(xué)工程師們知道他們是一個(gè)整體，每一個(gè)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(shuō)，“在對(duì)雪佛蘭美宜堡進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，目前最好成績(jī)是單升汽油行駛里程12.32千米。對(duì)普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，這樣的提升可以省下不少錢。”到2025年，新技術(shù)的運(yùn)用會(huì)讓每輛車的造價(jià)提高2000美元，但是在汽車的整個(gè)使用年限中，卻可以節(jié)省5200美元到6600美元的汽油。

　　3. 電池系統(tǒng)

　　通用汽車工程師道格拉斯-道奇與混合動(dòng)力汽車雪佛蘭伏特電池系統(tǒng)的合影。道奇是通用汽車電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的首席工程師，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在4年之前只有3個(gè)員工。而現(xiàn)在，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室有多達(dá)40名員工，其中大多數(shù)都是剛出校園的大學(xué)畢業(yè)生。而這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的地盤也擴(kuò)大到了6039平方米。道奇手中拿著的部件是一個(gè)電池組，這個(gè)電池組包含溫控器與冷卻系統(tǒng)。這些電池組的表現(xiàn)將決定這輛混合動(dòng)力車的能效表現(xiàn)。

據(jù)估計(jì)，到2025年純電動(dòng)汽車的銷售可能占到全球汽車銷售的15%左右。但是技術(shù)依舊在不斷進(jìn)步，最新的電池技術(shù)已經(jīng)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(shí)讓單升汽油行駛里程達(dá)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(guó)汽車監(jiān)管機(jī)構(gòu)表示，沒有比汽油動(dòng)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(guó)最暢銷的可充電汽車。2013款雪佛蘭伏特有了多處改進(jìn)，但是價(jià)格依舊穩(wěn)定在四萬(wàn)美元左右。不過(guò)政府補(bǔ)貼、充電站的密度與汽油的價(jià)格才會(huì)決定消費(fèi)者的購(gòu)買意愿。通用汽車電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jí)分析師柯文-西說(shuō)，“消費(fèi)者在選購(gòu)節(jié)能汽車的時(shí)候，會(huì)有那么一小部分因素為了環(huán)境考慮，可是更多的還是考慮經(jīng)濟(jì)因素。不過(guò)到目前為止，這個(gè)市場(chǎng)最大的贏家是那些不需要消費(fèi)者改變駕駛體驗(yàn)的節(jié)能汽車。盡管如此，更好的電池技術(shù)和更便宜的電池價(jià)格會(huì)為這個(gè)市場(chǎng)所有種類的汽車帶來(lái)更多價(jià)值，不論是混合動(dòng)力汽車還是純電力汽車。”

4. 神奇的發(fā)動(dòng)機(jī)

　　這個(gè)電力發(fā)動(dòng)機(jī)正在汽車動(dòng)力測(cè)試中心接受測(cè)試。這個(gè)部件是將來(lái)達(dá)到能效標(biāo)準(zhǔn)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(huì)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。剩下的都以廢氣或者熱量的形式被浪費(fèi)掉了。但是電力發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)比汽油或者柴油發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單得多。電動(dòng)引擎可以將60%的電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪，這也是為什么提高電動(dòng)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(lái)源依然是依靠燃燒化石燃料的火電廠。與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，電動(dòng)引擎可以讓汽車在行駛的過(guò)程中大大減少氣體排放量。美國(guó)共和黨候選人羅姆尼在總統(tǒng)競(jìng)選中表示，人們不可能開著一輛帶著風(fēng)車的汽車。確實(shí)是這樣，但是人們可以利用來(lái)自風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能源或者核能的電力來(lái)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(guò)幫助汽車在特定時(shí)候提供額外動(dòng)力來(lái)提高汽車能效的方式也能幫助混合動(dòng)力汽車達(dá)到單升行駛里程21.3公里的好成績(jī)。

　　5. 歐洲的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)

　　大眾汽車的渦輪增壓引擎讓歐洲在燃料效率領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。聯(lián)合國(guó)全球經(jīng)濟(jì)燃料計(jì)劃?rùn)C(jī)構(gòu)表示，“歐洲至少在2015年之前都會(huì)在該領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先位置。”自1893年德國(guó)人魯?shù)婪?狄塞爾發(fā)明的壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)一直比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率要高。因?yàn)榛鸹c(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)損失掉大約80%的能量。而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的這個(gè)數(shù)值僅為40%左右。但是在過(guò)去，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)制造更多的空氣污染。不過(guò)美洲國(guó)家與歐洲國(guó)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(fā)動(dòng)機(jī)，而且汽車制造廠商也會(huì)增加過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)減少?gòu)U氣排放。大眾汽車表示，他們研發(fā)的更省油、更為潔凈的柴油動(dòng)力科技可以通過(guò)將霧狀燃料直接注入發(fā)動(dòng)機(jī)等方式來(lái)大幅度提高能效和清潔度。歐盟國(guó)家已經(jīng)通過(guò)對(duì)汽油征收更高稅額來(lái)鼓勵(lì)人們更多使用柴油動(dòng)力汽車，導(dǎo)致現(xiàn)在柴油在歐洲比無(wú)鉛汽油的價(jià)格便宜6%。在美國(guó)，使用柴油比使用汽油的成本要高7%。不過(guò)柴油動(dòng)力汽車的高能效會(huì)讓使用柴油動(dòng)力汽車更為劃算，可是美國(guó)的汽車制造商似乎對(duì)這個(gè)技術(shù)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(shuō)，“柴油會(huì)被一直使用下去，但是如果我們一直使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)制造汽車的話，我們的市場(chǎng)份額會(huì)變得很難看?！睘榱搜兄聘碌钠?，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中使用汽油為燃料進(jìn)行試驗(yàn)，而與之做對(duì)比的則是柴油-電力混合動(dòng)力汽車。

　　6. 渦輪增壓的高效率

　　這個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件看起來(lái)就像是在電影《摩登時(shí)代》中吞掉卓別林的奇怪機(jī)器的小號(hào)版本。實(shí)際上這個(gè)部件是通用汽車研制的“Ecotec”發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用在凱迪拉克ATS和雪佛蘭美宜堡車型上。奧莫托索說(shuō)，“人們對(duì)大功率引擎的需求從未間斷，但是在未來(lái)我們也許會(huì)較少碰到這樣的情況了。而且那些一定要購(gòu)買大功率引擎的人會(huì)為之付更多的錢?！睖u輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是具有更加強(qiáng)勁動(dòng)力的引擎。這種發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)將壓縮后的空氣注入汽缸中使每一次燃料爆炸都會(huì)產(chǎn)生額外的動(dòng)力。美國(guó)能源部稱，渦輪增壓技術(shù)可以讓燃料燃燒效率增加高達(dá)7.5%。和直接燃油噴射技術(shù)搭配使用的話，甚至可以讓這個(gè)數(shù)字提高到12%。通用汽車動(dòng)力研究中心的大衛(wèi)-蘭卡斯特說(shuō)，“工程師們一直追求的目標(biāo)是確保讓發(fā)動(dòng)機(jī)以最高效的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。我們也許會(huì)事先確定一個(gè)目標(biāo)，但是我們并不能直接達(dá)到那個(gè)數(shù)字。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過(guò)程一般都是迂回曲折的。”

7. 低滾輪阻力輪胎技術(shù)

　　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(lái)的輪胎。每一個(gè)騎過(guò)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(huì)有嚴(yán)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(chǎn)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(jiǎn)單地通過(guò)為輪胎加足氣能夠?qū)崿F(xiàn)，先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)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(jīng)在輪胎上使用了硅填料技術(shù)，而且這個(gè)技術(shù)還有可提升的空間。到2017年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署和國(guó)家公路交通安全管理局(負(fù)責(zé)制定和起草汽車能效標(biāo)準(zhǔn))希望超過(guò)85%的汽車會(huì)使用到比2008年車輛滾輪阻力降低10%的新輪胎技術(shù)。

　　8. 輕質(zhì)材料的強(qiáng)度

　　德國(guó)寶馬公司2010年生產(chǎn)的碳纖維汽車底盤也為汽車降低能耗開辟了一個(gè)新路徑。寶馬公司希望建立起第一條批量生產(chǎn)基于輕質(zhì)超強(qiáng)碳纖維技術(shù)車輛的生產(chǎn)線。技術(shù)人員通過(guò)使用塑料來(lái)加大碳纖維的強(qiáng)度。2013年開始生產(chǎn)的“Megacity”車型就使用了該技術(shù)。似乎沒有比減輕汽車本身的重量更好的方法來(lái)減少車輛對(duì)燃料的“胃口”了。這也就是一些輕質(zhì)高強(qiáng)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(fā)部高管丹-佛洛斯說(shuō)，“其實(shí)在工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用不是新鮮事，但是碳纖維材料的產(chǎn)量卻一直不多，而且其成本長(zhǎng)期居高不下?！毖┓鹛m伏特車身主要材料是高強(qiáng)度鋼材，因?yàn)橄冗M(jìn)的技術(shù)原因并沒有給車身增加很多重量，不過(guò)輪胎還是使用了鋁合金材料讓它看起來(lái)更奢華。降低車身10%的重量可以提高6-8%的能效。當(dāng)然，最簡(jiǎn)單的方式是制造更小型的汽車。就如奧莫托索說(shuō)的一樣，“歐洲由于其高達(dá)1.8美元一升的汽油價(jià)格讓人們開始使用小型汽車了。在美國(guó)，我們也得慢慢習(xí)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?yōu)椴裼突蛘唠娏α??！辈贿^(guò)，小型的汽車一般都會(huì)比最符合流體力學(xué)設(shè)計(jì)汽車的能效要低得多，特別是在高速公路上行駛的時(shí)候?！跋M(fèi)者一般都只在油價(jià)高的時(shí)候才會(huì)比較關(guān)注經(jīng)濟(jì)因素，不然他們一般都會(huì)選擇購(gòu)買他們能負(fù)擔(dān)的起的最大最舒適的汽車。”

　　9. 電力方向盤系統(tǒng)

　　雪佛蘭伏特扁平的腹部?jī)H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(dòng)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(shè)計(jì)人員不僅僅降低了整個(gè)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(dòng)力方向盤系統(tǒng)一直是這樣一種蛀蟲，但是新車中的動(dòng)力方向盤系統(tǒng)卻可以有效減少能耗?？死苏f(shuō)，“電力方向盤在最初的時(shí)候看起來(lái)并不怎么樣，不過(guò)在5到6年的完善之后，通用汽車的電力方向盤系統(tǒng)已經(jīng)很棒了。這個(gè)系統(tǒng)會(huì)持續(xù)地從引擎中抽取電力來(lái)讓動(dòng)力泵維持運(yùn)轉(zhuǎn)?！倍译娏Ψ较虮P系統(tǒng)通過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)抽取能量帶動(dòng)方向盤還能讓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的福特嘉年華車型降低3%的能耗。

10. 新型啟動(dòng)-熄火技術(shù)

　　這個(gè)單一內(nèi)燃機(jī)汽缸讓降低汽車能耗成為了可能。這種新型汽缸技術(shù)可以幫助傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)減少能量浪費(fèi)。這種浪費(fèi)大多數(shù)時(shí)候發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的時(shí)候，比如汽車在等待紅燈或者塞車的情況下。事實(shí)上，這種毫無(wú)意義的空轉(zhuǎn)消耗了大約3%的能量，還有在車輛靜止的時(shí)候，水泵和方向盤助力系統(tǒng)也會(huì)消耗大量能量。蘭卡斯特說(shuō)，“為了研究這個(gè)過(guò)程，我們希望去掉一切多余的硬件從而單純地研究單一內(nèi)燃機(jī)汽缸系統(tǒng)。我們?cè)谂ふ胰魏我稽c(diǎn)可以減少消耗的地方。”一種名為“start-stop”的技術(shù)提供了一個(gè)解決方案。這是一種混合動(dòng)力汽車的標(biāo)配系統(tǒng)，在歐洲的汽車上都有普遍的運(yùn)用。這個(gè)技術(shù)會(huì)在汽車停下來(lái)的時(shí)候關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)加速器啟動(dòng)的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)才開始重新運(yùn)轉(zhuǎn)。勒克斯研究研究公司專家預(yù)測(cè)，混合動(dòng)力汽車在歐洲碳排放監(jiān)管日益嚴(yán)格的政策環(huán)境下受益最大，預(yù)計(jì)到2017年，全球銷量會(huì)達(dá)到3900萬(wàn)輛?；旌蟿?dòng)力汽車在價(jià)格略高前提下可以節(jié)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(wàn)輛用上“start-stop”技術(shù)。而到2015年，將有40%新出產(chǎn)的車輛會(huì)用上該技術(shù)。

　　11. 再生制動(dòng)技術(shù)

　　這個(gè)灰色光滑的圓盤會(huì)積攢能量。這是一種再生制動(dòng)技術(shù)，在底特律的生產(chǎn)線上，這種技術(shù)已經(jīng)被用在新生產(chǎn)的車輛上。傳統(tǒng)汽車系統(tǒng)在減速與制動(dòng)的時(shí)候，有很多能量都被浪費(fèi)掉了。再生制動(dòng)技術(shù)能用這些能量對(duì)電池進(jìn)行再充能，在經(jīng)常停車減速的城市中，這種技術(shù)可以有效減少能耗。因?yàn)樵诨旌蟿?dòng)力汽車中，電力大部分用來(lái)啟動(dòng)汽車而不是維持汽車前進(jìn)，因此這個(gè)系統(tǒng)可以被特別設(shè)計(jì)區(qū)別于那些全電力動(dòng)力汽車。

　　12. 尋找電池的極限

　　通用汽車首席測(cè)試工程師阿蘭-馬丁看著天氣測(cè)試室的大門。在這個(gè)測(cè)試室內(nèi)，新車的電池系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷零下45攝氏度的考驗(yàn)。這種在極端環(huán)境中進(jìn)行的耐久性測(cè)試可以幫助通用汽車的電池系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的工程師找到電池的極限，以便達(dá)到每一次充電能夠完成更多里程的目標(biāo)。對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，單次充電使用的里程越多意味著對(duì)汽車對(duì)內(nèi)燃機(jī)的依賴越小。道奇說(shuō)，“在未來(lái)的幾年，找到電池組在環(huán)境中的極限狀態(tài)是提高汽車能效的最重要的因素。電池實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)房間為工程師測(cè)試電池組在不同環(huán)境下能夠提供多少電量創(chuàng)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(huì)對(duì)電池壽命有所損傷，所以我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行測(cè)試的時(shí)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(huì)通過(guò)我們的試驗(yàn)得知電池的工作極限數(shù)據(jù)，到時(shí)候他們只需要花點(diǎn)精力更新電池管理數(shù)據(jù)庫(kù)就行了。所以我們還是得做好一定保密工作。不過(guò)有一件事已經(jīng)確定了，那就是，目前只是我們達(dá)到單升汽油行駛里程23千米目標(biāo)的一個(gè)開端而已，后面的路還長(zhǎng)著呢，說(shuō)不定哪天就會(huì)蹦出一個(gè)‘外星人科技’出來(lái)。”