大客车节能环保技术发展80204

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大客车节能环保技术的发展,清华大学教授 陈全世,截止到上 世纪末，随着汽车技术的发展和市场需求的推动，大客车的基本性能，例如，动力性、经济性、可靠性等方面的技术指标已经达到了人们较为满意的水平。近几年来，大客车的研发与创新则更集中于通过电子化等新技术手段，进一步提高客车的舒适性、安全性及节能环保性能诸方面。在今天强调以人为本，即系心于人，用心于车的理念来说，在这,3,个方面的创新则是年年不断。尤其是在节能环保技术方面更是研发的热点和竞争的关键。,一、背景材料：,1,1,、经济的发展和城市化进程的加速，必然带来城市公交车辆的大量需求。我国的城市化进程在党的十六大报告和国民经济中长期发展规划中都有详细的描述。乡村变为城镇，城镇变为小城市，小城市变为中等城市，中等城市变为大城市，大城市变为超过,1000,万人口的特大城市。有城市必然要有公交车辆，我国近几年公交大客车的迅猛发展，就是在这一背景下取得的。,1,2,、大城市的交通和车辆排放污染形势严峻：大城市，尤其是象北京、上海这样的超大城市，高楼林立、人口密集、交通拥挤、环境恶化，工作效率和居民生活质量严重下降，这不但是正在走向工业化的国家面临的重大问题，也是发达国家超大城市同样面临的重大挑战。,1,3,、北京,2008,奥运会和我国加入,WTO,为解决这些问题提供了重大机遇：政府的重视（公交车辆是城市的形象），会有大量资金的投入，加入,WTO,打开国门后国际资本和技术的涌入带来激烈的市场竞争。,1,4,、认准方向、作好规划、抓住机遇、迎接挑战。国内大客车企业要利用这些机遇，主动迎接国内外的挑战。,二、汽车节能环保技术的发展大趋势,2,1,、我国汽车近几年产量的增长情况和今后的增长数据预测见表,1,和表,2,：,表,1,：中国汽车产量的增长情况统计,单位：万辆,年代,产量,1996,147.5,1997,158.3,1998,162.9,1999,183.2,2000,206.8,2001,234.2,2002,325.1,2003,444.1,2004,507.5,单位：万辆,表,2,：中国汽车的需求增长预测,单位：万辆,研究机构,2005,2010,2020,中国汽车技术研究中心,510,535,781,850,1100,1300,国务院发展研究室,518,859,1673,2,2,、能源短缺、未雨绸缪：,国际市场石油价格一路飙升，从,2002,年（美国伊拉克战争前）的,20,美元,/,桶上升到,2005,年,6,月的,60,美元,/,桶，而且还有继续上升的趋势。世界石油产量已趋峰值，欧佩克已经拿不出产油能力来平抑油价。,我国的能源，尤其是石油资源的形势非常严峻。我国石油消耗已位居世界第二，而交通用油呈快速上升势头，年平均增长超过,10%,（,1995-2000,）。我国进口石油迅速增长，,2000,年进口,7000,万吨，,2003,年超过一亿吨，预计,2010,年进口将超过,1.4,亿吨，国家能源安全面临严峻挑战。节约能源，尤其是节约石油资源，不但是经济问题，而是关系国家能源安全的政治问题,2,3,、环境污染和二氧化碳排放问题：,由于经济的快速发展和粗放式的发展模式，我国的资源和环境与经济发展的矛盾异常突出，大气污染非常严重，尤其是大城市。,2002,年在全世界污染最严重的,10,个城市中中国占,5,个；而在城市中交通工具，尤其是汽车，造成的,CO,和噪声污染分别占各自污染物总量的,70,90%,以上。为此，我国也颁布了较为严格的机动车辆排放法规，,2003,年已经全面实施了欧,排放标准，明年可能会实施欧,标准。,2010,年以后与国际接轨。,我国,CO2,排放量已排在美国之后，位居世界第二。我国已经正式加入了关于减少全球,CO2,排放量的“京都议定书”。汽车,CO2,排放即将成为全球关注的重大环保问题,2,4,、基于节能和环保问题的汽车动力系统发展方向：,据国内外专家、学者和企业界的研究结论，从节能和环保两个方面综合考虑，汽车动力系统将从今天的燃油的内燃机（汽油机、柴油机、代用燃料发动机）过渡到内燃机与电动机的混合动力系统，再过渡到使用蓄电池的纯电动汽车和燃料电池电,动汽车,。,汽车动力系统的发展方向如图,1,所示。,本文主要介绍电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的研发情况。,汽车动力系统的发展方向,图,1,汽车动力系统的发展方向,3,1,、电动汽车的优点：,1,）“零排放”：电动汽车在运行中无废气排放，即使将发电厂的排放进行等效换算，也是超低排放。此外，电厂可以远离市区建设，对城市污染较小。,2,）解除汽车对石油资源的依赖：电是二次能源，可以从多种途径获得，例如，煤、水、风、太阳能、潮汐、生物质、核能等，其中许多为可再生能源。,3,）系统效率高：燃油汽车的能量循环：从原油精炼加油站燃油汽车。电动汽车的能量循环：从原油粗炼发电厂充电站电动汽车。据日本学者的研究结果，后者比前者能量效率高,12,17,。此外，电动汽车可以利用晚间电网的低谷电充电，以提高电网总的能量效率。,4,）电动汽车的噪声低、振动小。,基于以上原因，从上世纪,80,年代，国内外掀起了电动汽车的研发热潮，法国、日本、美国、德国等都经过试验和示范运行，开发出具有商品化水平的纯电动汽车，如法国,PSA,公司的标志,P106,和雪铁龙,AX,电动轿车，日本丰田汽车公司的,RAV-4EV,电动轿车，美国通用汽车公司的,EV1,电动轿车等。我国也将电动汽车的研究开发列入“八五”、“九五”国家科技攻关项目，并于,1996,年,6,月建成广东汕头国家电动汽车试验示范基地。“十五”期间，国家科技部将电动汽车项目列入国家“,863”,重大专项。成了资助电池、电机及其控制系统、整车控制系统以外，重点资助北京市（北京理工大学牵头）进行纯电动大客车的研发和示范运行。,2005,年,6,月,21,日由国家发改委正式批准，,14,辆铅酸电池纯电动公交大客车在北京公交,121,路线投入商业化运行。另一个课题资助天津清源动力公司（中国汽车技术研究中心）进行纯电动轿车的研究开发和示范运行。其中有,5,辆纯电动轿车于,2005,年初首次出口到美国。,3,2,、目前电动汽车推广应用中的困难,1),电池的性能低、价格贵、寿命短；使得电动汽车一次充电行驶里程短（铅酸电池 在,100,km,左右，,Ni-MH,电池在,150,km,左右），尚不能满足人们对汽车机动性的要求；电池的价格昂贵，一套整车使用的,Ni-MH,电池或锂离子电池的价格比汽车（不含电池）还高，且,2,3,年必须全部更换，使用费用大。目前尚未研制出性能价格比能与内燃机相比的电池。,2),电动汽车的充电时间长，充满一次需要,4,8,小时。充电设施投资大、建设周期长。,3),当前世界石油供应相对充分，石油资源枯竭的问题尚不明显。而各级政府对电动汽车应该采用的优惠政策，如峰谷电价差别、排放补贴等并未实施。,因此，从全世界范围看，由于受电池技术和价格的制约，纯电动车目前只能在特殊地区如大城市市区、商贸、旅游、体育、娱乐中心、居民小区等作为短途公共交通车，以及特殊地点、特殊用途如机场、码头、车站、仓库、商场等作为特殊运输工具而使用。,3,3,、混合动力电动汽车的优势：,混合动力电动汽车（,Hybrid Electric Vehicle,，,简称,HEV,）,是将电力驱动与辅助动力（,APU,）,结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等或其它动力发电机组,图,2,混合动力电动汽车的结构原理和布置方式,混合动力系统的结构原理和布置方式如图,2,所示。东风电动汽车公司开发的并联式混合动力大客车的结构参数如表,3,所示。,表,3,东风电动汽车公司开发的并联式混合动力电动大客车的结构参数,项目,单位,技术参数,车长,m,11,载客,人,85,车重,（空载,/,满载）,kg,10050/16500,总电压,/,蓄电池,V,336/,镍氢高功率型,28,个模块,加速时间,s,16,（,040,km/h,）,最高车速,km/h,72,电机,开关磁阻电机；最大功率：,27,kW,；,发动机,进口康明斯,6,BTA,发动机（电控、高压共轨、达到欧,3,排放标准）,其它说明,发动机和电机混合驱动；制动空压机、液压助力转向系统和空调压缩机均由发动机直接驱动。,混合动力电动汽车的优势：,与纯电动汽车比较：,(1).,由于电池的容量大大减小，而使整车自重减小、成本降低。,(2).,汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。不必要重新建设庞大的充电设施和取消每天的充电维护工作；,(3).,保证驾车和乘坐的舒适性（保证空调、暖风、动力转向等的使用）。,与传统内燃机汽车比较：,(1).,可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，从而降低发动机的排放污染、噪声和油耗。,(2).,在人口密集的商业区、居民区或其它对环保要求特别严格的地区，可关闭发动机，采用纯电动方式驱动车辆，实现“零排放”。,(3).,通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。,混合动力电动汽车的商业化已经在日本和美国逐渐推广。丰田汽车公司的,Prius,混合动力轿车已经在日本和美国销售了,39,万辆以上。混合动力公交大客车在美国纽约、西雅图和加州等地也已经销售和示范运行数百辆。巴西在里约热内卢用混合动力方式改造了几条公交路线，采用柴油机和铅酸电池串连式混合动力结构，取得了节油和降低排放的良好效果。,四、燃料电池电动汽车的研究开发进展,4,1,燃料电池的种类和特点：,到目前为止，人们研究开发出的燃料电池的种类、工作温度、可应用范围、优缺点等见表,4,。,表,4,燃料电池的种类和特点,类型,工作,温度,应用,范围,优点,缺点,质子,交换膜,60,100,运输业,、便携,式电源,工作温度低、,起动快,重量小、,结构紧凑,需用贵金属作催化剂、成本高、对燃料的纯度要求较高,碱,性,90,100,军事、,航空、,航天,在碱性电解液中阴极反应较快,需要除去燃料、氧化剂中的杂质气体，例如：,CO2,磷酸型,175,200,电力,工业、,运输业,工作特性好、,效率较高、,对燃料的纯度要求不高,铂作催化剂、,体积和重量较大、输出的电流、功率较低,熔融,碳酸盐,600,1000,电力,工业,效率较高、,成本较低,可使用多种材料作催化剂,有腐蚀性，高温加速燃料电池部件的损坏,固体,氧化物,600,1000,电力,工业,效率高，可用多种燃料、催化剂成本低、便于维护,高温加速燃料电池部件的损坏,4,2,、质子交换膜燃料电池的工作原理,质子交换膜燃料电池的结构和原理如图,3,所示。电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）质子交换膜和集流板组成。,其具体反应步骤为：经增湿后的,H,2,和,O,2,分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：,阳极：,阴极：,电池总反应：,图,3,质子交换膜燃料电池的反应原理,阳极反应生成的质子（,H,+,）,通过质子交换膜传导到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极室排出。,4,3,、燃料电池的优势：,（,1,）效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制，理论上能量效率可接近,80,，实际效率已达,50,70%,。,（,2,）清洁无污染，氢,/,氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）。,（,3,）效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额定功率附近可达,60,，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约,70%,，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达,50,55,。燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。,（,4,）过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达