汽车节能技术-实现汽车低碳运输的途径

实现汽车低碳运输技术的途径分析

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1 概念与背景

低碳浪潮中的低碳泛指的是保护地球生态环境的活动、行为、计划和思想观念在经济活动中的体现。低碳运输的定义是指以降低污染物排放、减少资源消耗为目标，通过先进的物流技术和面向环境管理的理念，进行物流系统的规划、控制、管理和实施的过程。

运输是物流的主要环节之一。交通基础设施、载运工具、信息及运输组织所构成的运输系统是物流管理系统中的重要组成部分。通过运输活动，物流系统的各个环节有机地联系起来，物流系统的目标才得以实现。运输在物流活动全过程中发挥着举足轻重的作用，于是传统的、粗放型的运输模式必将对低碳运输的发展造成巨大的阻碍。

低碳交通运输是一种高能效、低能耗、低污染、低排放为特征的交通发展方式，其核心是在提高交通运输的能源效率，改善交通运输的用能结构，优化交通运输的发展方式。目的在于使交通基础设施和公共运输体系最终减少以传统化石能源为代表的高碳能源的高强度消耗。

21世纪，人类正面临着环境污染、人口膨胀、资源短缺三大危机。因此，改变传统的物流现状，构建绿色物流体系显得尤为重要。目前，世界各国特别是发达国家都以发展绿色物流作为推动物流业发展的关键点。

2 实现汽车低碳运输技术的方法途径

尽管目前全球基本达成了低碳发展的共识，但实际上，由于发展阶段不同、国家立场不同，造成对低碳交通的评价衡量标准不同，低碳交通没有一个统一的落实执行准绳，而是一个逐步接近的终极目标，是一个动态追求社会经济发展与交通低碳化平衡点的过程。因此,可以说，低碳交通是人类低碳发展方向下体现在交通领域的一种新的发展理念以及为实现这种理念而采取的方式和执行的结果，是体现在交通运输领域的人与自然和谐发展的目标。而实现这一目标的途径则非常多，如图1所示：

实现汽车低碳运输技术通常是多种技术的有机结合。其中，局限于汽车的低碳运输技术大致有技术创新，信息技术以及城市规划。技术创新是汽车实现低碳运输最直接的方式，这些技术可以提高汽车使用过程中的能源利用率，降低高碳能源的使用率，甚至彻底改变汽车用能结构，这类技术包括新能源技术，能源利用率提升技术。信息技术和城市规划相结合，例如加强交通基础设施网络化建设、综合运输网络布局优化、区域运输通道统筹规划建设、提升路网等级、客货运站优化布局、城乡客运一体化、客货运零换乘和无缝衔接等措施，可以激发交通运

输资源配置的集聚效应、网络效应和规模效益，这方面的技术较为混杂，其中最主要的技术是

图1 实现低碳交通的途径

系统工程，其他一切技术都是辅助运输系统优化的手段，但这不是本文的重点，本文给出的减碳途径是从汽车本身出发的。

2.1新能源汽车

新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源（或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括燃气汽车（液化天然气、压缩天然气）、混合动力汽车（油气混合、油电混合）、燃料电池电动汽车（FCEV）、纯电动汽车（BEV）、氢能源动力汽车、太阳能汽车和其他新能源汽车等，其废气排放量比较低。

这些汽车有着各自的优缺点。

2.1.1 燃气汽车

燃气成分单一、纯度较高、能与空气均匀混合并燃烧完全，一氧化碳和微粒的排放量较低，发动机在低温时的启动和运转性能较好。其缺点是其运输性能比液体燃料差、发动机的容积效率低、着火延迟较长及动力性有所降低。这类汽车多采用双燃料系统，即一个压缩天然气或液化石油气系统和一个汽油或柴油燃烧系统（油气混合动力汽车），能容易地从一个系统过渡到另一个系统，此种汽车主要用于城市公交汽车。截至2010年年底，全球天然气汽车保有量

已超过1267万辆，同时天然气加气站也超过18200座。中国天然气汽车发展迅速，其中LNG （液化天然气）汽车在以年均20%以上的销售速度增长，CNG（压缩天然气）汽车销量年均增长速度在30%以上。

2.1.2 混合动力汽车

混合动力汽车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。对已油电混合动力汽车来说，需要大功率内燃机功率不足时，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。而且可以利用现有的加油站加油，不必再投资。油电混合动力汽车可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

但是油电混合动力汽车也有其缺陷，其在长距离高速行驶基本不能减少二氧化碳的排放量。

2.1.3 燃料电池汽车

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

但是目前燃料电池技术汽车还处于试验阶段，预计2015-2020年将投入实际应用。目前，可以用于燃料电池的生物燃料如乙醇已经可以从植物秸秆中大规模提取，但是氢气燃料并没有有效节能的方式大规模获取，而且氢气燃料储存条件比较严格，这些问题都制约着燃料电池汽车的发展。

2.1.4 纯电动汽车

纯电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子。目前世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。

纯电动汽车依然有许多问题。首先是电力的来源问题，在火电比重较重的中国，使用电动汽车往往并不意味只低碳，使用电动汽车仅仅是污染转移。其次，公用超快充电站是纯电动汽车商业化的基础设施，将它做完善到位了才能使前者畅行无忧，反之则是它的短腿，受其制约和影响，欧洲、美国电动汽之商业实践充分说明了这点。另外，充电机与车载电池之电缆连接器问题必须规范，形成电池品种、电压分档、快慢（功率大小）诸要素的一致，否则纯电动汽

车及公用超快充电站无法有效无法对接。

2.1.5 氢动力汽车

氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。与传统动力汽车相比，氢动力汽车成本至少高出20%。中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火，并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。

氢动力汽车的缺点可以参考氢燃料电池汽车的缺点，氢存在不宜存储和不宜大规模提取的缺点。

2.1.6 太阳能汽车

太阳能作为一种完全无污染，零排放的能源，是低碳能源非常完美的选择。但是，目前的光伏发电效率并不高，不能完全作为汽车的第一驱动力。而且，这种汽车受到天气的影响非常大，目前太阳能仅仅作为汽车的辅助能源，可以对汽车内电池进行充电。

2.1.7 其他新能源汽车

这些新能源汽车包括空气动力汽车、飞轮储能汽车、超级电容汽车等等，这些新能源汽车都有着一定的技术缺点，而不能进行大规模生产使用。

2.2能源利用率提升技术

在新能源没有完全替代化石能源的情况下，提高汽车的能源利用率也是不得不采用的低碳技术。

2.2.1 提升汽车发动机热效率

发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料的含热量之比称为热效率（有效效率），用以评定发动机作为热机的经济性。这方面的技术也有很多。以车辆用大型柴油发动机为例，开发缸内直喷系统、涡轮增压中间冷却器（TI）、4缸发动机和缸柱塞促进了热效率的改善。电控蓄压型高压燃油喷射系统（共轨式）、可调喷嘴增压器（VGT）和可变涡流系统是按车辆的需求研制的。在1980年，通过增压器提高输出效率，涡轮中间冷却器发动机的体积得以减小，燃油效率得到显著改善。

改变发动机的结构，不再使用之前的发动机循环方式。例如燃气－蒸汽轮机联合循环，是把燃气轮机和蒸气轮机这两种按不同热力循环工作的热机联合在一起的装置，有时也简称为联合循环。国外燃气轮机制造厂商主要有美国GE公司，德国Siemens公司，法国Alstom公司和日本MHI和MS7001H，燃气-蒸汽联合循环效率接近60%，这是总能系统发展的标志性水平。

提升往复式发动机的热效率，这方面的技术包括：同时降低NOx和PM排放的新型燃烧系统，如预混压缩点火燃烧系统；减摩润滑油；以热效率增强为特性的混合燃料；产生和回收热和动能的机械技术、电技术和化学技术；从化石还原燃料到生物燃料的转变。

图2 发动机热效率发展

使用低摩擦燃油与动力附件，以及通过一种电动机运行空调或动力转向系统，这些举措都有助于减少燃油的消耗量，最高可减少4%。例如，斯堪尼亚卡车配装的一种废热回收系统，就是利用废气驱动涡轮机，该系统与第二齿轮连接。这样附加齿轮将额外扭矩传输给曲柄轴，从而可以有效减轻柴油机主机的负荷。

2.2.2 流线型挂车

在横贯英国的公路和高速路上对一款典型的44吨级卡车的行驶性能测定结果显示：950多英里长的路径，发动机输出的一半多（52%）动力用于客服滚动阻力，35%用于克服空气阻力，仅有13%留用于爬坡动力。通过应用空气动力学原理可以较少燃油消耗量和二氧化碳的排量。有研究表明，气动阻力较少了22%，燃油消耗量相应较少了8.7%。中重型车生产商确信流线型挂车节油性的未来研发成果将更具有吸引力，如果进一步优化应用空气动力学原理，车辆的燃油经济性将有可能得到有效提升。

2.2.3 轮胎技术

使用低滚动阻力轮胎能够或多或少地减少二氧化碳的排放量，测试报告显示：二氧化碳的排放量可以减少5%左右。另外，自动轮胎压力检测器也有助于减少二氧化碳的排放量。空气研所急能够确保轮胎压力一直保持在合适的强度下，这样二氧化碳的排放量约减少7%~8%。能够境地二氧化碳排放量的新装备比较多，但是费用都非常高，只有使用规模扩大了，价格才能将下来。另一种方式是使用一种宽型但轮胎取代双轮胎，通过装用超级单轮胎降低燃油消耗量和减少二氧化碳排放量是一种比较简单的方法。