第14单元未来的动力装置与替代燃料课文A 混合动力汽车与替代燃料汽油汽车产生大量的污染物，并且一般来说燃油经济性较差。

然而，电动汽车几乎不产生污染，但是充电一次它只能行驶50~100mile（80~161km），并且行驶速度非常慢，充电不方便。

汽油-电力混合动力汽车将这两套装置组合成一个系统，该系统一边是汽油动力装置，另一边是电驱动装置。

1.混合动力装置的结构汽油-电力混合动力汽车装有下列部件：汽油机——混合动力汽车的汽油机极像大多数汽车安装的汽油机，然而，混合动力汽车上的发动机更小，并使用先进的技术来降低排放和提高效率。

燃油箱——混合动力汽车上的燃油箱是汽油机的能量储存装置。

汽油的能量密度比蓄电池要高得多。

例如，存储1加仑（7磅）汽油所含能量就需要大约1000磅的蓄电池重量。

电动机——混合动力汽车的电动机非常复杂。

先进的电子控制器件能使电动机即可用作一台电动机，又可用作一台发电机。

例如，当需要时，它能从蓄电池汲取能力，使汽车加速。

而用作发电机时，它能使汽车减速，并使能量返回到蓄电池。

发电机——发电机的结构与电动机类似，但却只能用来发电。

发电机主要用于串联混合动力装置。

蓄电池——混合动力汽车中的蓄电池是电动机的能量储存装置。

与燃油箱中的汽油（只能驱动汽油机）不同，混合动力汽车上的电动机能将能量存入蓄电池以及从蓄电池吸取能量。

变速器——混合动力汽车上的变速器的基本功能与普通汽车的变速器相同。

有些混合动力汽车[像本田·因塞特（Insight）]采用了普通的变速器。

另外的一些混合动力汽车（像丰田·普锐斯）采用了独特新颖的变速器，这种变速器将在后面讨论。

2.混合动力装置的分类你可以将混合动力汽车上的两种动力源以不同的形式组合起来。

一种方式叫做并联混合动力，它利用汽油箱将汽油提供给发动机，利用一组蓄电池将电力提供给电动机。

发动机和电动机在同一个时间都能带动变速器转动，而变速器又带动车轮转动。

在一种典型的并联混合动力汽车上（图14-1），汽油机与变速器相连。

蓄电池和电动机也都单独地连接到变速器上。

这样，在并联混合动力装置中，电动机和汽油机都能提供推进动力。

相比之下，在串联混合动力装置中（图14-2），汽油机带动发电机转动，而发电机或给蓄电池充电或带动电动机运转，电动机再驱动变速器。

这样，汽油机决不直接驱动汽车。

3.伊顿混合动力采用液压装置伊顿、联合包裹服务（UPS）和美国环保局的一家联合企业已经生产了两辆UPS送货车。

这两辆汽车的效率已经取得了令人瞩目的改进。

这两辆货车采用液压混合动力技术，据说这种技术能使重型货车油耗降低高达70%。

UPS货车中的混合动力系统用发动机驱动的液压泵替代变速器。

液压泵将氮气压入高压蓄能器，从而存储了能量。

蓄能器用铅封方法固定到与驱动桥相连的液压泵马达上。

需要动力时，液压泵马达将液压力转变成车轮的旋转动力。

加速时，液压泵马达颠倒其功能，将压力能存储到蓄能器中。

蓄能器所存储的能量足以让该货车行驶几百英尺的距离，这样在经常停车的城市送货运行条件下，能使发动机运行时间减少50%。

据美国环保局说，该系统如果生产的话，能使这样的货车的成本增加约7000美元（不到基本型货车成本的15%），但是，在这种货车的20年使用寿命期间，燃油节省的回报可达50000美元。

4.替代燃料1）石油的重整为了保护环境，人们的主要努力一直集中在开发替代燃料上。

但是，最近，为了实现这个目标，石油燃料重整得到更多地注意，并且在将来可能成为主要的研究目标。

我们认为，不仅是从排放控制的角度，而且从提高发动机性能的角度来看，都应该对燃料的重整进行研究。

高辛烷值燃料能提高压缩比，因而改进了热效率，这实际上等于创造了新的清洁燃料。

迄今为止，缸内现象已经相当清楚，并且到研究人员能够解释清楚包括爆燃在内的燃烧现象已经为期不远了。

另外，由于使用先进的燃油直接喷射系统实现了混合气的精确控制，所以有效地控制燃烧不再是一个梦。

2）替代燃料目前，人们考虑使用像甲醇、乙醇、天然气和氢这样的替代燃料来替代正在减少的石油。

对任何一种替代燃料来说，从能源保护和环境两个方面来看，其资源的可利用性以及排放的污染物（包括CO2）都是最重要的，而从发动机技术角度来看，它对发动机性能的潜在影响和它的贮存形式将是重要的问题。

（1）甲醇甲醇可以从煤、天然气这样的自然资源来生产，因此是最有吸引力的燃料之一。

甲醇燃料的最大优点是它在正常温度范围呈液态，并且既可用于点燃式发动机又可用于压燃式发动机。

甲醇的能量密度几乎是汽油或柴油燃料的一半。

在甲醇供应设施尚未建立的情况下，灵活燃料汽车（FFV）作为一种过渡技术正在开发中。

灵活燃料汽车可以使用M85、汽油（M0）或者汽油与甲醇以任何比例混合的燃料。

图14-3为FFV系统示意图。

在这种汽车上，采用了一只光导式燃油组分传感器来检测燃油中的甲醇含量，以便获取最佳燃油比例控制和最佳点火提前控制。

就甲醇燃料对环境的影响而言，点燃式灵活燃料甲醇发动机的CO排放水平与汽油机相当，并且，尽管这种发动机的排气道出口处的NO X略低，但在催化转化器的下游，NO X的排放水平与汽油机也不相上下。

甲醇对臭氧减少的影响是不确定的，因为臭氧排放量随排气中的未燃甲醇和甲醛含量而变化。

甲醇燃料发动机的甲醛排放量是普通燃料发动机的几倍。

由于甲醛与臭氧的具有极强的反应能力和对健康有害，所以甲醛排放量已经得到法规的控制。

当然，就目前的技术来说，只能对甲醛进行催化处理。

因此，在发动机起动后升温的过程中，由于催化剂尚未起作用，甲醛的排放量较大。

此外，在催化剂尚未达到最大转化效率之前的某一温度下，甚至在催化剂内部会形成甲醛。

所以，为了解决这些问题，需要对催化剂的应用继续进行研究和试验。

（2）乙醇对应用于汽车来说，由生物体生产的乙醇具有与甲醇类似的特性。

甲醇在美国和巴西已经使用多年。

但是，由于与甲醇相比，宜春生产成本高，并且与臭氧的反应能力比较强，因此作为一种代用燃料，它并没有引起人们太多的注意。

这样，认为生物产量不会按期望的速度增长，并且在可预见的未来，乙醇将不可能成为一种有前途的轿车燃料是有道理的。

（3）天然气天然气的主要成份是甲烷。

天然气在地球中的储量按照能量来计的话，估计为当前石油储量的80%左右。

因而，天然气被认为是一种很有吸引力的替代燃料。

然而，从控制全球变暖问题的角度来看，天然气就没有那么重要了，因为甲烷本身的温室效应要比CO2高许多倍，因而通过使用天然气来降低CO2的效果可能几乎被抵消。

此外，即使将燃料箱的压力提高到高达20MPa的话，行驶半径也会被限制在汽油车的1/6。

这个问题以及与高压天然气罐有关的难题，都使压缩天然气（CNG）实际应用于轿车几乎不能接受。

因此，将来CNG会在特种车队得到使用。

（4）氢氢是一种理想的清洁燃料，它既不排放CO2，也不排放形成臭氧的HC。

但是，今天的氢大部分是由甲烷生产，因而会产生大量的CO2，作为副产品。

如果利用太阳能，通过电解水来生产氢的话，那么这样的氢才是真正洁净的取之不尽的能源。

使用氢作为替代燃料的最大的问题是燃料在汽车上的存储问题。

另一个头痛的问题是续驶里程短。

即使能量密度最高的液化氢也最多达到汽油车续驶里程的四分之一。

这就使得氢燃料的使用在可预见的将来还是非常悲观的。

（5）燃料电池燃料电池是一种电化学能转化装置。

它将化学物质氢和氧转变成水，因而在此过程中产生了电。

另外的一种我们都熟悉的电化学装置就是蓄电池。

蓄电池的所有化学物质都存储在蓄电池内部，因而它也将这些化学物质转变成电。

这就意味着蓄电池实际上会“耗干而死亡”，要么将其丢弃，要么将其再充电。

对于燃料电池来说，化学物质不停地流入电池，电流不停的流出电池。

今天使用的大多数燃料电池都使用氢和氧作为化学物质。

燃料电池将与许多其他类型的能量转换装置进行竞争，这些能量转换装置包括城市发电厂的燃汽轮机、汽车上的汽油机和膝上电脑中的蓄电池。

像燃汽轮机和汽油机这样的内燃机都要燃烧燃料，并利用气体膨胀所产生的压力来作机械功。

需要时，电池再将化学能转变成电能。

燃料电池做这两项工作都要有较高的效率。

燃料电池提供直流电压，以便用来为电动机、车灯和许多其它电器设备供电。

燃料电池有几种不同的类型，它们使用不同的化学物质。

燃料电池通常按照所用电解液的类型进行分类。

有些类型的燃料电池适用于固定发电的电厂，另外一些适用于小型便携式设备，或者适用于驱动汽车。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种前景最好的技术。

这是一种竖着为小汽车、公共汽车，甚至还有你的家供电的燃料电池。

PEMFC使用了燃料电池中最简单的一种反应。

首先，让我们来看一下质子交换膜（PEM）燃料电池的结构。

在图14-4中，你可以看到，PEMFC有以下四个基本元件：阳极（燃料电池的负极桩）有若干作用。

它传导从氢分子脱离下来的电子，从而使这些电子在外电路中得到利用。

阳极板上刻有若干槽，从而将氢气均匀地分布在催化剂的表面上。

阴极（燃料电池的正极桩）板上刻有若干槽，从而将氧气均匀地分布在催化剂的表面上。

它将外部电路的电子传导给催化剂。

然后这些电子再重新与氢离子和氧离子结合而形成水。

质子交换膜为电解质。

这种看起来有些像普通的厨用包装塑料膜的进过专门处理的材料只允许带正电的离子通过，而阻挡电子通过。

催化剂是一种能加速氧与氢的反应的特种材料。

催化剂材料通常是由薄薄地涂敷在复写纸或是织物上的铂粉末制成。

这种催化剂结构粗糙且具有多孔性，从而能使铂与氢和氧具有最大接触表面积。

催化剂上涂有铂的一面朝向质子交换膜（PEM）。

具有压力的氢气（H2）从阳极进入燃料电池。

在压力作用下，这些气体流经催化剂。

当H2分子与催化剂上的铂接触时，便分解成H+离子和两个电子（e-）（2H2→4H++ 4e-）。

电子通过阳极，经过外电路（做有用功，如驱动电动机运转），在返回燃料电池的阴极侧。

同时，在燃料电池的阴极侧上，氧气进过催化剂，从而形成了两个氧原子。

这些原子中的每一个都带有极强的负电荷。

负电荷吸引两个H+，使它们穿过交换膜，与氧原子和来自外电路的两个电子结合，从而形成水分子（O2+4H++4e-→2H2O）。

在单个燃料电池中，这种反应仅产生约0.7V的电压。

为了将这个电压增加到合适的程度，必须将多块单个的燃料电池组合起来，形成燃料电池堆。

PEMFC的工作温度相当低（约176℉，即80℃），这就意味着能够快速升温，不需要昂贵的绝热结构。

对这些地电池所进行的持续的设计改进和材料改进，已经大大提高了功率密度，使一个小行李包大小的燃料电池堆就能驱动一辆小汽车行驶。

燃料电池存在的问题：我们已经学过，燃料电池利用氧和氢来产生电。

燃料电池所需的氧来自空气。

实际上，在PEM燃料电池中，将普通的空气泵入阴极。