汽車尾氣新能源

擁有自行驅動的交通工具曾是人類長久以來的夢想，不過，直到設計出了輕巧實用的發動機，才得以滿足人們對能在公路上行駛的機動車的需求。當一系列的技術進步使汽車的發明成為可能時，19世紀晚期，至少6位發明者獨立制造出了汽車。1875年，奧地利工程師齊格弗里德·馬庫斯制造了一輛石油驅動的機動車并開著它在維也納兜風，可因它噪音太大而違法。1876年，奧托在德國設計制造了一種四沖程往復式活塞內燃機，被稱作奧托循環發動機。奧托本打算把這類發動機用作固定動力來源，而它們的質量輕卻很適合馬路上的車輛。德、法、美三國的機械師和工程師用奧托發動機開始設計制造機動車。隨后，為奧托工作的戴姆勒改良了奧托發動機，采用電打火代替了奧托原有的點火裝置，并于1885年制造出了世界上第一輛摩托車。

汽車誕生奔馳

1885年，德國奔馳公司造出了一個汽車模型，1886年獲得專利，標志著第一輛汽車誕生。1893年汽化器的出現，為機動車發展掃除了主要技術障礙。奔馳汽車公司和戴姆勒汽車公司1926年開始合并，組成戴姆勒一奔馳汽車公司，開始生產梅賽德斯一奔馳車。

一些早期的汽車制造商在車型設計、工作性能和制造工藝方面都取得了飛速進步。最明顯的進步是在1901年，蘭塞姆·奧茲改良了通用零件，1908年卡迪拉克汽車公司的創始人亨利·利蘭使汽車養護和維修變得非常容易。自行車上使用的鄧洛普充氣輪胎也很快應用于汽車，能在當時粗糙的路面上行駛。亨利·福特1908年制造了T型發動機小汽車，價格低廉，普通工人也能買得起。福特公司持續下調價格，并于1914年采用了自行車生產中已使用的生產線，引進了一條裝配線，這樣在生產線上，部分裝配完畢的機車傳送到下一個裝配點，這一過程使得價格降得更低。福特T型車1908年最初的價格是850美元，到1925年降到了290美元。1912年，卡迪拉克引進了查爾斯·凱特林設計的電子起動器，更適合女性駕駛汽車。

汽車對美國社會的影響遠比對歐洲社會的影響更深遠。大城市修建了寬闊的馬路，市內交通有了有軌電車和地鐵。汽車的發明更是加速了城市周邊地區的發展，高速便捷的載重汽車代替火車運送大量的消費品和大宗工業產品。到20世紀20年代，州政府采用收取汽油銷售稅為建設和修護城際高速公路提供了直接的資金來源。按人均擁有汽車的最低人數計算，使用汽車最廣泛的國家是美國，其次是加拿大、澳大利亞和德國。然而，隨著經濟的迅速發展和社會需要的增加，在今后15年內，中國汽車保有量將以年均9％的速度增長。

尾氣能源浪費

我們知道，在汽車汽缸內燃燒的，不論是甲醇、乙醇還是各類石油化工產品，都要在發動機內的汽缸中爆炸燃燒后，產生一個巨大的推力，使汽缸內的活塞有一個向下的運動，而通過活塞鏈桿就會給曲軸一個向下運動的力。一般人可能不知道，傳統汽車至多只能把燃料所蘊含的30％的能量轉換為牽引力(日常轉換率甚至低于10％，其余90％都變為熱能消散。其中一小部分(5％)通過輻射，一部分(40％)進入冷卻回路，而更多(45％l則是通過尾氣排出)。換言之，以氮、水蒸氣和二氧化碳為主要成分的汽車尾氣，蘊藏著燃料中近一半的能量!這就有文章可做了，只要對其加以充分利用，便能有效節約能源。這樣不僅節省了開支，也將造福于地球。據統計，交通領域的二氧化碳排放占全球二氧化碳排放總量的23％，即每年約70億噸。其中，汽車排放量超過40％。因此，減少汽車能耗即成為解決全球氣候變曖問題的重要手段。從2000年至2050年，全球車輛總數將增長2倍，屆時車輛總數將達20億輛以上。因為耗能與二氧化碳排放息息相關，減少1％的能源消耗等于減少1％的二氧化碳排放。

當研究人員要實施這一想法時，卻遇到了一個技術難題。要知道汽車尾氣中的潛在能源并不是液態的，汽車尾氣的排放速度可以高達200千米，小時，而且柴油發動機的尾氣溫度高達650℃，汽油發動機的尾氣溫度則更高，800度!在此等情況下，如何讓這種潛在能源成為汽車工業可利用的能源呢?目前，研究人員終于攻克了這個長久以來的技術難題。不過，此項發明的技術專利正在接受測試，如能達到既定標準，能耗與二氧化碳排放量將從此至少降低20％!而這正是歐盟節能減排規劃希望在2015年左右達到的目標。尾氣的性質指示了兩條各自獨立的研究道路：一條動能，一條熱能。

早在上世紀40年代，人們便開始7尾氣動能利用研究。為了解決高空缺氧的難題，航空發動機專家想到利用燃氣的動能來使渦輪壓縮機的渦輪旋轉。20世紀70年代，汽車工業開始關注這一想法，并于近年在重型載重領域取得突破：渦輪的動能被直接用于推動曲軸(將活塞的垂直運動轉化為轉速的部件)，為發動機提供助力。這種改造簡單、輕便，成本合理《約幾百歐元)，但也有一個缺點：發動機排氣時可能產生反向壓力。從而影響其運行。除此之外，其節能效益也有限，最多只有10％(高速公路)，在城市就更少了。因此，這套對于基本恒速的重型卡車具有一定價值的系統從未被用于裝備普通汽車。

汽車發動機專家們則主要致力于開發尾氣中的熱能。他們設想在排氣管道中安裝一個交換器，將尾氣的熱量通過某種液體傳至發動機，轉化為機械能。德國寶馬汽車公司便在試驗這一模式，其裝置較為復雜，除了連接排氣管的水蒸氣熱回路外，還有一個連接冷卻回路的乙醇蒸氣回路。水蒸氣和乙醇蒸氣產生的壓力推動軸向活塞馬達，繼而帶動曲柄。寶馬公司稱，這種設置能在實際行駛中可以減少15％的能耗。日本本田汽車公司的蒸汽轉換器就簡單多了，僅利用尾氣熱能來驅動交流發電機，為混合動力汽車的電池充電，據稱能減少能耗13％。由此看來，尾氣熱能利用的前景遠遠優于動能。然而，這些系統既復雜又笨重，而且價格高達1000歐元，所以短期內不會被大面積商業推廣。

即便是寶馬公司這樣的高價發動機技術的先鋒，也認為這類技術的商業化還須至少等待10年，而這正是當前研究人員的突破所在。

商業前景誘人

目前，研究人員終于取得突破，甚至可望達到20％的節能效率!研究人員研發的尾氣能量再利用系統，同樣選擇了熱能利用，但他們摒棄了復雜的水和乙醇高性能液體轉換系統，改用壓縮空氣。他們所設計的系統是由一臺單氣缸引擎(通過離合器連接主發動機)、兩個氣體回路(一個冷回路，另一個熱回路)，以及兩個交換器構成。兩個交換器通過活塞相連。其中一個交換器借助尾氣的熱能加熱并壓縮氣體，另一個交換器用于冷卻并為氣體減壓。這樣，氣體的力量足以推動活塞，帶動曲軸，從而減輕發動機的負荷。

這真是一個很棒的主意!氣體在熱回路中通過主熱力發動機尾氣加熱膨脹，又在冷回路中通過氣體(或水)冷卻收縮，從而產生機械動力，減輕主發動機負擔。

目前根據模擬，安裝該系統的車輛在歐洲混合線路(包括城市和公路交通)上行駛可減少12％的能耗，而且還有提高的空間。利用這一系統提供的功率，研究人員可以縮小主發動機的氣缸工作容積，從而在不降低總功率的情況下，在混合線路中減少20％的能耗，在公路和高速公路上甚至能減少35％的能耗。

更為誘人的是，該裝置僅重15千克。成本僅300歐元左右!研究人員還指出，尾氣能量再利用系統與普及中的輕型混合動力系統可以形成有效互補。輕型混合動力系統在停車時關閉發動機，或許有時再輔以剎車能量回收系統，只在城市交通環境中起到明顯的節能效果；而尾氣能量再利用系統則在公路和高速公路環境中大有可為。