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由于汽车尾气造成空气污染严重威胁人们的健康,中国的特大城市均采用车牌摇号制来控制燃油车增长。很多消费者嫌新能源车续航里程短、充电桩太少,但等新车到手,又不禁高呼“真香”,成为新能源车的忠实粉丝。
然而,“零排放”的纯电动力车及混合动力车等新能源汽车,真的那么“环保”吗?
动力历史
早在带冷凝器的蒸汽机原型于1769年问世的同年,法国人屈尼奥(Cugnot)就设计出了世界第一台蒸汽驱动三轮汽车。在它的启发下,蒸汽家用汽车、蒸汽公共汽车、蒸汽机车纷至沓来,大有把当时的主要交通工具—马车从路上挤走之势。
不过,作为城市交通工具的蒸汽汽车笨重、肮脏又热浪冲天,跟提倡效率、秩序和清洁的现代城市格格不入。相对于蒸汽机这种燃烧室暴露在外的外燃机,许多发明家都在致力于开发更清洁的引擎。1859年,比利时工程师勒努瓦尔(Lenoir)发明了一台煤气内燃机,相对简便清洁,在市场上很受欢迎。
1865年,在马车主的强烈呼吁下,英国通过了被后人称作“红旗法案”的“机动车法案”。该法案对当时的机动车进行了诸如“不低于三人驾驶”“车前50米需要有人手持红旗引导才能上路”“车辆时速不得超过4英里”等限制。虽然该法案在1886年被废除,英国却因此在汽车大国竞赛里落后了几个身位。
德国工程师奥托(Nikolaus August Otto)参考法国工程师德罗沙的四冲程理论,提出了自己的四冲程内燃机理论,并于1876年制造了世界上第一台往复活塞式四冲程汽油机。为了纪念奥托,人们把四冲程内燃机的循环称作“奥托循环”。
此时,第一辆电动车已经问世42年了。
早在1834年,美国人达文波特(Thomas Davenport)就制造了一辆用干电池驱动直流电机的电动三轮车。经过50年的探索,第一辆由可充电的铅酸蓄电池驱动的可量产电动车,于1884年被英国人托马斯·帕克制造。铅酸蓄电池至今仍是内燃车电瓶及电动车常规的动力来源。
1886年1月29日,大名鼎鼎的本茨(Karl Benz)取得了三轮内燃汽车的专利,这一天也被世界公认为(内燃)汽车诞生日。
早期的内燃汽车,在速度上比电动车有一定优势,但在控制噪音、没有刺鼻汽油味等方面,又败给了后者。
1899年,比利时人卡米尔·热那茨驾驶着电动车创造了当时世界机动车最高时速纪录(105.88公里),代表着19世纪末到20世纪初电动车发展黄金时期的到来。
此时,研制电动车的公司如雨后春笋般在欧美出现,包括托马斯·爱迪生,费迪南德·保时捷(Ferdinand Porsche)在内的许多发明家和工程师,轰轰烈烈地投入了研发电动车的事业。费迪南德·保时捷首先在电动汽车上安装内燃机,成为了第一辆混合动力汽车的发明人。
费迪南德·保时捷首先在电动汽车上安装内燃机,成为了第一辆混合动力汽车的发明人。
至此,如今新能源车大战的三个火枪手:内燃车、混动车、电动车已悉数亮相,等待时间的磨砺。
据统计,1900年左右美国市场上的蒸汽车、电动车和汽油内燃车的保有比率约为2∶2∶1。虽然电动车相对昂贵,但作为清洁和身份的象征,在高端市场上极受欢迎,甚至时任美国总统威廉·塔夫脱也购买了电动汽车作为座驾。
1910年,沃尔特·贝克(Walter Becker)设计的电动车,创造了以19公里/小时行驶323公里的续航纪录,同时充电桩等便利设施纷纷进入了公众视野,令人耳目一新。
不过,内燃车的优势此时显露出来。1912年,电动启动机在凯迪拉克上首次启用,使内燃车可以不必以麻烦且危险的摇柄式启动;汽车大亨亨利·福特发明的T型汽车流水线,使内燃车的生产成本大幅降低;以得克萨斯州油田为代表的世界油田大面积开采,更加降低了内燃车的使用成本。
此时,电动车却面临制造成本和使用便利性的瓶颈,市场份额不断被内燃车挤压,只有小部分城市依然使用由铅酸电池供电的电瓶车和由电线供电的电力公共汽车。蒸汽汽车逐渐退出了历史舞台,汽油内燃车一枝独秀的时代来临。
防治污染
20世紀20年代以来,内燃车一直是汽车行业的绝对霸主。
然而,大量石油能源的采用、工业化的飞速发展,使空气污染的恶果逐渐显现。如1952年12月,5天内导致4000多人死亡、两个月内又增加8000人死亡的伦敦烟雾事件;又如1955年9月的2天之内,造成65岁以上老人死亡达400余人的洛杉矶光化学烟雾事件。
为了控制污染,英国于1956年颁布了世界第一部空气污染防治法案《清洁空气法案》,强制关闭伦敦市区的电厂等重工业企业,并在城市中采取设置无烟区、普遍改造传统灶和集中供暖等措施,控制污染。 美国也出台了一系列提升空气质量的法律,1965年《机动车污染管理法》和1970年《清洁空气法》尤为重要。政府对车辆尾气的管理,第一次被提上日程。1972年6月5日,联合国在斯德哥尔摩召开了第一届“人类环境会议”并发表了《人类环境宣言》,“环境保护”概念正式提出。
在石油危机和环保诉求的双重冲击下,依赖能源进口的工业大国们开始寻求替代能源。它们一边用补贴和鼓励的形式推动车企积极开发新能源车,一边用更严格的排放标准限制内燃车的污染。内燃车企业也不再盲目追求大排量和极限速度,开始着力于降低在生产和使用各环节的排放污染,向绿色、低碳转型。
日本和美国的车企率先探索新能源车。20世纪80年代,镍氢电池的技术突破,促进了油电混合动力汽车(HEV)的发展,系列销售300万辆的丰田Prius成为了世界上最受欢迎的混合动力汽车。
而此时电动车受到电池技术未有突破性进展的掣肘,续航里程和充电时间依然很难与内燃车相比,虽然出现了通用EV 1、克莱斯勒TE Van、丰田RAV 4 EV、日产Prairie Joy等相对成熟的电动车产品,但包括乙醇汽油车、燃料电池车、氢能源车等在内的新能源车,依然难以撼动内燃车的霸主地位。
21世纪初,锂电池技术有了突破,特斯拉应运而生。作为一家纯电动车公司,特斯拉通过极富科技感的操控体验、更快的充电速度、更长的续航里程,以及“未来座驾”的科幻定位杀入汽车市场,成为达成“销售100万辆”目标最快的车企。
谁更环保?
如今车企在宣传不同能源类型的车子时,通常使用环保作为重要的宣传口号。比如电动车的“零排放”、混合动力车的“超节能”、内燃车的“新风系统”等。那么,电动车与内燃车相比,是否在环境保护上有着质的提升?
汽车环保主要体现在两方面:减少碳排放和降低空气污染。从降低空气污染的角度看,电动车和混合动力车相对于同样功率的内燃车来说,尾气中的污染物可以达到零排放或低排放。
但如果考慮碳足迹,事情就没那么简单了。碳足迹(Carbon Footprint)指某事物全部生产过程所引起的温室气体排放的总和。一辆车的碳足迹要从每个零件的制作起算,直到车子报废解体时结束。
电动车、混合动力车以及清洁燃料车的“生命历程”里,碳排放并不小。锂电池制造、充电均会产生污染。电动车的电池组在车子自重中占比非常大,以特斯拉Model S为例,它的电池板重达900公斤,由7000多颗“18650锂电池”组成。这些锂电池在回收过程中,会产生重金属废水、氨氮废水和废气等,造成大量的碳足迹及污染。同时,各国目前的锂电池回收率不高,如果有部分电池被弃置填埋,对水土造成的毁坏将是永久性的。虽然就能源利用效率来说电动车要高于燃油车,但在碳排放上来说,并没有极其悬殊的差距。
锂电池制造、充电均会产生污染。
混合动力车分为混动式、串联式和并联式三种,它们的电动机主要作为内燃机的补充,使内燃机得以在最佳工况点工作,达到节能减排的目的。混合动力车的电池组,比纯电动车小一些,成本小于电动车而无需外部充电设备,是它的竞争优势。
但HEV混合动力车的两套驱动系统中,电、油缺一不可,其他混合动力车的效能又大大不如油电混合,所以在混合动力车上,电并不可完全作为汽油的替代能源使用,混动车的两套系统依然会产生碳排放或尾气污染物。
以氢燃料为代表的清洁燃料车,理论上是以水为原料产生氢气而排放出水,是非常清洁的循环。但以目前的技术水平,车企主要使用天然气作为生产氢气的原料,依然消耗化石资源并在转换过程中产生大量碳排放。氢燃料车还没有大量普及的条件。
被新能源车大步追赶的内燃车,除了继续“节能减排”外,以沃尔沃为代表的车企在某些车款上加入了新风系统—主要由空气传感器和过滤器组成。在探测到车外PM2.5水平偏高时,系统会自动进入内循环并开启过滤器,对车内的空气进行过滤,最终达到在车内呼吸优质空气的目的。虽然这种功能并不能减少车辆的碳排放,但对于身在空气质量较差的大城市的购车人,有相当的诱惑力。
以目前人类的科技水平,把现存的汽油内燃车全部置换为新能源车并不现实:电动机中的永磁体,需要的是天文数字的稀土资源;充电或充氢的配套设备,不可能进入每一个小区;任何一辆汽车的生产流程中都少不了碳排放;报废的内燃车及更换的电池等废弃物的处理,也会产生巨量污染。
以太阳能为代表的清洁能源和以可控核聚变为代表的半永久性能源,是科学界的重大攻关课题。在可以预见的未来,太阳能汽车或核聚变能汽车,也许将彻底攻克能源-环保这对伴随汽车的尖锐矛盾。