|  | | 呼唤新一代汽车——未来汽车寄望于技术变革 |
一、前言：汽车的社会角色与挑战
汽车在人类社会发展中扮演着重要的角色。许多人都认识到，在解决了人们的“温饱”（衣、食、住）问题之后，“行”的问题就必然突出出来。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，汽车进入寻常百姓家是一种不可抗拒的潮流。
但是人们已经进一步认识到，汽车不仅仅是一种交通工具。它除了“门到门”地迅速运送货物与乘客，加快社会血液循环的速度，促进社会肌体的生长之外，它还有更多的深层含义。
在美国，每6个就业岗位就一个与汽车有关。在英国，随着汽车工业的萎缩，国民经济在衰通。日本经济高速发展的15年间国民经济增长了36倍，汽车工业产值增长了57倍。在汽车工业本身发展的同时，拉动了上游产业：钢铁、有色金属、电力、塑料、橡胶、纺织、皮革、化工、电子、电器、机床等工业；也带动了下游的产业：筑路、运输、石油、汽车维修、保险、加油站，停车场等服务行业，并促进了城市的现代化建设。
据统计，汽车工业每增值1元钱，上游产业增值为0.6，而下游产值为2.67元。
汽车是唯一的一种零件以万计，产量以百万计，保有量以亿计算的高技术商品，其巨大的市场潜力，不断产生着科技进步的动力，使它成为各种高新技术争相应用的强大载体。
汽车的生产和使用，改变着社会的生产方式，也改变了人们生活方式和文化观念。难怪二十年前美国麻省理工学际的教授们写了一本论述汽车精益生产方式的书，把书名叫做“改革世界的机器”。
随着汽车保有量和行驶里程的不断增加，城市的环境压力不断增大。能源缺乏和石油价格的可能变动已成为涉及石油进口国国家安全的重要因素。
1.能源问题
众所周知，汽车是能源消耗的大户，同时也是空气污染的大户。据悉，1997年全球石油的产销量约6500万桶，石油年均需求一直超过2%，美国仅交通用石油量已占全球石油耗量的10%。亚非拉国家的能源需要也在不断增长。1985年以来亚洲增长50%，非洲与拉丁美洲各增长约40%，据估计全球石油资源将在50年内趋于枯竭。
我国是石油产量不足的国家，2000年进口石油量超过7000万吨，今年后恐怕会继续增长。
2.环保问题
据世界银行的估算，全球因空气污染而死亡的人数每年约为70万人。美国是汽车排放法规最严格的国家，但据美国环保署估计，至今美国汽车污染所占空气污染比例约为：一氧化碳的78%、氮氧化物的45%和挥发性有机物37%，美国人仍有1/4的机率呼吸着危害健康的空气。美国的加州和东北各州已有法规要求在2003年时零排放车（ZEV）要达到10%，而且还在酝酿着更加严格的排放法规，而中国的许多城市的空气污染是美国的几十倍！
在排放控制方面，我国刚刚在少数城市贯彻欧洲Ⅰ标准，而欧洲已在贯彻欧Ⅲ标准和酝酿欧Ⅳ、欧Ⅴ标准，而美国将于2003年贯彻更为严格的标准。我国单个轿车排污是日本的5-6倍，欧洲的1.5-5倍，尽管我国汽车保有量只为美国的6.27%，日本的18.84%，但城市大气污染都超过这些国家。我国如何逐步减少汽车排污对人们健康的危害，逐步接近国际的水平是一个在非常严重的挑战。
3.交通拥堵与事故
1999年我国运行的公路长度为135万公里，（其中高速公路1.1万公里）。我国每车平均的公路长度为93米，这数比美国的32米、韩国的10米要大得多，但城市中的单车的道路长度要小得多，其面积只占城市土地利用的8-15%，与国外大多数大城市的30%相比要少得多。我国交通事故相当严重。在1990年之前交通死亡人数约1-2人/100车，目前是0.6人/车，是美国的30倍。
能源、环保和交通堵塞，一直是阻碍我国汽车，特别是私用汽车发展的关键因素。
二、呼唤《新一代汽车》
1.PNGV的发动
基于对汽车产业对国民经济与社会发展重要性和面临挑战的认识，1993年9月，美国总统克林顿发起了《新一代汽车伙伴计划》，简称PNGV，并与“三大集团”签署了协议。政府每年拔款3亿美元，“三大集团”每年投入10亿美元。政府与企业联手进行创新性技术研发，2000年制成概念车，2004年制成生产性样车。PNGV的目标主要有三：
（1）显著提高美国汽车工业的竞争力；
（2）使已有关汽车创新成果实现产业化；
（3）开发一批新型轿车，在其它性能与价格基本不变的条件下，燃料效率为1994年可比标准轿车的三倍（百公里油耗由9升降至3升）。
在PNGV的目标中，表面上看并没有提出降低排放的要求。但是，只要耗油量降低，排放（包括污染物和温室气体）也将按比例下降。
为推进PNGV计划，政府方面参加执行该计划的有商业部、国防部、能源部、环保署、航天局、自然科学基金会、运输部、副总统办公室以及许多国家实验室和高校等共计300多个单位。产业方面三大集团总裁组成“美国汽车研究理事会”（USCAR）来协调贯彻该计划。
PNGV共成立了780多个研究项目，分布于38个州的400多个高校、国家实验室和系统供应商卷入这项计划。克林顿称：“只有阿波罗登月计划可以与之相比”。
美国轰轰烈烈的PNGV行动引起日本欧洲的政府和各大汽车集团的极大关注，并争先恐后地投入研究开发。
1998年德国大众公司推出百公里油耗为三升的“Lupo”车。1999年-2000年日本丰田的“Prius”和本田的“Insight”两种混合驱动的“准三升车”相继抢先投放美国市场。
2.新一代汽车的技术途径
经过一段的摸索与筛选，PNGV提出的主要技术途径可归结为以下几个方面：
提高动力——传动系统效率；
减轻自重与阻耗；
起动机——发动机——体化；
混合驱动；
燃料电池。
经从1994年到2000年6年努力，上述各方面已取得了相当高的成就。
（1）提高动力——传动效率
依靠传统技术的进步，包括：多气门、改进电喷控制、减小摩擦、选用轻材料、发动机工作过程的CAE优化及提高工艺质量，汽油机的排量平均下降了58%，而汽车0-60mph的加速时间却下降了26%。
2000年各大汽车集团的轿车与轻卡的平均功率为43KW/L。本田的“CivitcHx”发动机是一个先进例子。该发动机升功率达到54kw/L，四气门的1.6升汽油机可有115马力的功率，采用VVC（可变气门控制）技术，缸盖和缸体都是铝材料，低摩擦，并改进了进排气过程，各缸空燃比为独立控制。为了减少传动的损失，5-6档的多档变速器和机械自动换档技术提到发展。CVT技术在扩大应用，除了金属带式CVT外，日本又发展出更为强劲可靠的摩擦式的CVT。
（2）减重减阻
减轻自重是PNGV的重要战略。“Lupo”、“Prius”和“Insinght”都采用铝和铝镁合金作为车身材料。美国PNGV有的样车采用塑料蒙皮与轻金属骨架的复合结构。减轻自重的努力不仅仅限于车身，也包括悬架、副车架和动力总成。目前PNGV中制订的减轻自重40%的目标在技术上已经实现，只是在成本方面尚需进一步挖潜。
车身外形流线化、减小车身下部及突出部的空气阻力一直是努力的方向。在过去20年，风阻CD值以每年2.5%的趋势下降。新设计汽车的CD值常常可以下降15%。目前轿车的CD值在030-0.35左右。新一代汽车样车的CD值已达0.20-0.25。
目前，轮胎的滚动系数CR约在0.007-0.009左右，新型的低滚阻轮胎的CR值可降至0.0055。按经验，CR降低20%，可提高汽车燃料经济性3-4%。
（3）起动机一发动机一体化（IntegratedStarter_Generator,简称ISG）
将起动机与发电机合为一体安于曲轴上，配以42V的供电系统，就成了ISG。实际上是一种混合驱动的雏形，它允许发动机经营息火，必要时再重新启动，以有效节省怠速与减速时的油耗，适当控制可代潜变扭器。在不带怠速关机的条件下，ISG可省油2%-3%。带有怠速关机系统时可省油7%-10%。另有10%-15%的节油效应是由于部分的混合驱动得到。
（4）混合驱动
在ISG的基础上，加大电压与电机，即可形成较理想的混合驱动方案。
由于ISG功率加大，发动机可以减小，加上使发动机在最佳状态下工作和制动量回收的控制系统，即可形成目前流行的两种混合驱动汽车：
A.“弱混合驱动”（MildHybrid）。本田的“Insight”车即属此类其典型特征为：
电动功率约小于25%；
有怠速关机系统；
部分的制动能量回收；
很少单独电驱动。
B.“强混合驱动”（FullHybrid）。丰田的“Prius”车属于此类。其典型特征为：
电动功率约占30-50%；
部分单独电驱能力，但也不能长距离单独电驱；
怠速关机；
更多的制动能量回收；
要求更大的电池组和特殊的充电器。
（5）燃料电池
燃料电池也发明于1839年，120年后才开始应用。1959年NASA宣布可应用于航天，1960年认识其商业应用价值，但成本太高，1984年美国能源部支持重点进行研究，目前许多公司在研发生产高性能价格比的燃料电池，1998年3月芝加哥成为采用氢燃料电池公共汽车交通系统的世界第一城市，人们也可乘燃料电池的士走遍伦敦市。燃料电池与内燃机的根本不同之处在于它不像热机那样将燃料的化学能先变成热能再转化为有用功，而是由化学能直接变为电能而没有像热机那样巨大的热损失。它不受“卡诺循环”的限制。因此，它的能量转换效率可比内燃电池的能量转换效率可接近80%，通过转换器将汽油或天然气转换成氢的燃料电池，其能量效率在60%左右，而内燃机的热效率约近40%（柴油机高些，汽油机低些）。
但是，直到2000年前，PNGV还没有将燃料电池车列入样车日程，主要是因为：
1）.燃料电池堆尺寸与重量过大；
2）.由汽油，天然气间接燃氢方案的转换器的体积重量也大；
4）.化学反应速度不像燃烧反应快，影响汽车的起动与加速性能，需要与储能电池组成另一种“混合驱动”；
5）.质子交换需要铂做触媒，铂的用量大，也曾是燃料电池用于汽车的一大问题。
近几年来，燃料电池在小型化轻量化方面有了重大进展，60年代燃料电池的用铂量曾是4mg/cm2，现已降至0.5mg/cm2，实验室达0.15mg/cm2，而单位膜面积的电池强度已由原来的0.5A/mgpt提高到15A/mgpt（膜的减薄需要支撑）。
有人估计，也许在5年左右燃料电池有可能在商品车上应用。
（6）蓄电池
不论是ISG和42V供电系统的引入，还是混合驱动方案的采用，都需要高能蓄电池。因此蓄电池研究也是PNGV中的一个重要项目，目前铅布电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等都有重要进展，各种电池的性能与价格如表1所示。按目前的性能与价格，PNGV尚未将纯电动汽车列入新一代汽车的日程。
2000年三大汽车公司的PNGV样车已基本达到减轻自重40%，但成本要增加7000-7500美元。上述三种车都能达到EPA现行排放标准，但不能满足2003年的新标准。
总的结论如下：
新技术具有节能与环保的效益，但目前仍有提高成本的代价；
得失权衡取决于环保与节能的价值；
市场并不自动倾向技术的进步，除非有出于环保能源战略的政策导向；
目前美国PNGV计划的伐由于成本目标未能实现而放慢了步伐。
三、汽车的智能化
当今的汽车与20年前的汽车相比，燃料效率已提高到二倍，而排放有害气体量降为原来的十分之一，相当大的功劳应归于车载微处理机所进行的控制。
自从20世纪70年代中期汽车引入微处理系统以来，汽车的微机控制已由发动机排放与油耗控制发展到提高安全性、机动性和舒适性整车控制。以下三个方面描述了在可预见的未来将有进一步的发展。
（1）燃料电池将使电动汽车具有更大的生命力。高能电子系统将促进汽车进一步电动化，各种电动汽车的使用以及新的发动机技术（如：DISI，无凸轮发动机）、超洁净柴油机等，可能在达到新的节油和排放目标中扮演重要的角色。
（2）ABS与TCS已是屡见不鲜的汽车交互控制系统，而先进的汽车稳定性系统将对汽车六个自由度运动进行全面控制，以使在各种驾驶条件下提高汽车的可控性与安全性。
（3）智能汽车装置与ITS与交通信息技术的相结合组成主动安全系统将使汽车能够感知环境的变化，延伸驾驶员的能力，以避免交通事故。
近年来新出现的汽车智能控制系统，在进一步改变着汽车的面貌。
（1）惯性导航系统（INS）
目前的惯性导航系统已在汽车上有较普遍的应用，不仅可以提供查询地图和本车在地图上的准确位置（有时需要用GPS来纠正飘移），而且能够提供对话式帮助（例如：GM的“On-star”系统），这种系统也被用于与车间通讯为后随车提供行驶轨迹的信息。
（2）智能巡航系统（ICC）
目前市场上提供的自适应巡航控制系统多半是靠雷达探测前车位置和相对速度，以自动采取防撞措施。一种更有效的巡航控制系统不仅能够探测前一辆车的位置与速度，并可依靠车与车间的通讯构成“电子挂钩”系统，进行整个车流的综合控制，以最有效地提高车速和减小安全车距，提高公路容量和运输效率。
（3）车辆动力学控制（VDC，ESP）
ABS与TCS主要是对车轮上的制动力与驱动力进行控制，以防止车轮出现过大的纵向滑移率，藉获得最大的附着力，既可产生最大的减（加）速度，又可用接防止出现侧滑。
VDC或ESP虽然也是控制各轮的制动力与驱动力，但它们与ABS/TCS仍有很大不同，主要表现在实现左右纵向力的差动控制，以直接地对汽车提供横摆力矩，抵消汽车不稳定运动（如在滑路上甩尾时的矫正作用）。现在这种系统可以认为是ABS的扩展（增加横摆与方向盘位移传感器），已在若干高级轿车上应用。
（4）主动侧倾控制（ARC）
传统的抗侧倾控制是主动悬架的一种功能，即依靠左右悬架行程的差异控制来改变车身的侧倾运动，这种控制只有靠昂贵的主动悬架系统才能实现。
最近新出现的ARC系统是在已有的ABS/TCS系统上，靠左右轮纵向力的差动输入来实现侧倾的动力学控制。这种系统成本较低，已在若干载货车（重心高，易侧翻）和大型拖挂列车上应用。
（5）各种“导线驾驶”（Drivingbywire）系统
由于对汽车可控性要求的提高，出现了汽车操纵的电子化与电动化的“导线驾驶”趋势。例如“导线制动”（Brakingbywire）和“导线转向”（Steeringbywire）、“电油门”、“电动转向”、“电制动器”等。
随着汽车电子控制系统复杂化与多样化，其故障所造成的后果严重性正在增加，因此，冗余测控系统以及系统监测与故障诊断技术已有巨大进步，各种容错的“导线驾驶”系统正在发展中，不同的基于模型的车载诊断系统也在开发与应用中。
计算机硅芯片的处理能力一直在按“摩尔法则”发展，数据处理能力每18个月翻一番，而价格以每年35%的速度下降。今天，一辆中档的福特“Taurus”汽车上的计算能力比当年用于“阿波罗”航天计划的价值几百万美元的大型计算机还要强。据估计，“摩尔法则”还将在相当长的时间内起作用。到2010年计算机的速度将比今天的速度高出几百倍，而汽车将成为计算机和信息技术的最重要用户，智能化的汽车将成为人们更为青睐的高级笼物，并进一步促进汽车产业和信息产业，乃至整个社会的可持续发展。
来源：中国汽车报
中国汽车新网 | |
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