Pregunte a un experto: ¿Cómo escribir un artículo que analice brevemente el estado de desarrollo de las nuevas tecnologías energéticas para automóviles?

Lizhi Automobile Manufacturing Network A medida que la crisis energética mundial y los problemas de protección ambiental se vuelven cada vez más prominentes, la industria del automóvil enfrenta severos desafíos. Por un lado, hay escasez de recursos petrolíferos. Además, la eficiencia térmica actual de los motores de combustión interna es baja. Sólo se utiliza entre el 35% y el 40% de la energía térmica generada por la combustión de combustible. para la conducción real de automóviles El aumento de la propiedad de automóviles ha intensificado esta contradicción. Por otro lado, el uso extensivo de automóviles ha agravado la contaminación ambiental en un 82% de CO, un 48% de NOx, un 58% de HC y un 8% de partículas. La atmósfera urbana proviene de los gases de escape de los automóviles. Además, la gran cantidad de CO2 que emiten los automóviles intensifica las emisiones de gases de efecto invernadero, el ruido de los automóviles es uno de los principales contenidos de la contaminación acústica ambiental. Como importador de petróleo y segundo consumidor de petróleo, mi país está gravemente contaminado. 16 de las 20 ciudades más contaminadas identificadas por el Banco Mundial se encuentran en China. El nivel de los productos automovilísticos nacionales es muy diferente al de los países extranjeros. El consumo medio de combustible es entre un 10% y un 30% mayor y las emisiones son entre 15 y 20 veces mayores. La industria del automóvil se enfrenta a una mayor presión.

Desde finales del siglo pasado, países de todo el mundo y las principales empresas automovilísticas, así como importantes instituciones de investigación científica y universidades nacionales, se han comprometido a desarrollar vehículos limpios y que ahorren energía, así como nuevas energías. Los vehículos han alcanzado un desarrollo considerable. La gasolina y el diésel son las fuentes de energía de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna. Los vehículos que utilizan otras fuentes de energía para proporcionar energía a vapor pueden denominarse vehículos de nueva energía. Las nuevas fuentes de energía que se están desarrollando actualmente incluyen gas natural, gas licuado de petróleo, alcoholes, éter dimetílico, hidrógeno, combustibles sintéticos, biogás, aire y pilas de combustible de carga.

Este artículo presenta la descripción general del desarrollo de la tecnología de vehículos de nueva energía y presenta opiniones sobre sus perspectivas de desarrollo.

1 Tipos y características de los vehículos de nuevas energías

1.1 Vehículos de gas natural y vehículos de gas licuado de petróleo

Los vehículos de gas natural también se denominan vehículos de "potencia azul". Utilizan principalmente gas natural comprimido (GNC), gas natural licuado (GNL) y gas natural adsorbido (ANG) como combustible, y los más comunes son los vehículos a gas natural comprimido (GNC). Los vehículos de gas licuado de petróleo (GLP) utilizan gas licuado de petróleo (GLP) como combustible. El GNC y el GLP son combustibles ideales para motores de encendido. La composición del gas es única, de alta pureza, se mezcla uniformemente con el aire y se quema por completo. Las emisiones de CO y partículas son bajas. La temperatura de combustión es baja y, por lo tanto, las emisiones de NOx son bajas. Tiene excelentes características de combustión pobre y buen rendimiento de arranque y funcionamiento a baja temperatura. Sus desventajas son que el rendimiento de almacenamiento y transporte es peor que el del combustible líquido, la eficiencia volumétrica del motor es menor y el período de retardo de encendido es más largo. Estos dos tipos de automóviles utilizan principalmente sistemas de combustible dual, es decir, un sistema de gasolina o diésel y un sistema de gas natural comprimido o gas licuado de petróleo. El automóvil puede ser impulsado por cualquiera de los sistemas y puede pasar fácilmente de un sistema a otro. . Cummins y el Departamento de Energía de EE. UU. están cooperando para desarrollar una nueva generación de motores de gas natural llamado "Sistema avanzado de motor alternativo (ARES)". Según los objetivos de desarrollo, el motor tiene una eficiencia térmica del 50% (más del 80%). en calor y energía combinados) y emisiones de NOx inferiores a 0,1 g/km, el coste de fabricación es de 400.450 dólares estadounidenses/kW y el coste de mantenimiento es inferior a 0,01 dólares estadounidenses/kwh. Si bien cumple estos objetivos, el motor tiene una alta fiabilidad. .

1.2 Coches a base de alcohol

Los coches a base de alcohol son coches que utilizan metanol, etanol y otras sustancias alcohólicas como combustible. El más utilizado es el etanol, que tiene una amplia gama de sustancias. Fuentes y tecnología de producción madura, la última tecnología para producir etanol a partir de materias primas celulósicas, sus materias primas disponibles incluyen casi todos los residuos agrícolas y forestales, residuos orgánicos domésticos urbanos y residuos orgánicos industriales. En la actualidad, los vehículos a base de alcohol funcionan principalmente con combustibles flexibles mezclados con etanol y gasolina o diésel en cualquier proporción. Esto no requiere modificación del motor y tiene buenos efectos de ahorro de energía y reducción de la contaminación. tan bueno como la gasolina o el diésel. Para obtener una potencia considerable, se debe aumentar el volumen de inyección de combustible. Cuando la tasa de mezcla de alcohol es superior al 15% -20%, se debe cambiar la relación de compresión del motor y el ángulo de avance del encendido. El combustible de etanol tiene una relación teórica aire-combustible baja, bajos requisitos en el sistema de admisión de aire del motor, bajo rendimiento de autoignición, alto índice de octanaje, altas propiedades antidetonantes, buena volatilidad, distribución uniforme de la mezcla, alta eficiencia térmica y puede reducir La contaminación por gases de escape de los vehículos se reduce en más del 30%. Este tipo de vehículo fue desarrollado por primera vez por Ford a mediados de la década de 1980. A finales de 2003, había más de 2,3 millones de vehículos de etanol en Estados Unidos, la mayoría de los cuales eran camionetas Dodge y Chrysler; en 2003 se habían vendido 233.466.

1.3 Vehículos impulsados ​​por hidrógeno

El hidrógeno es un combustible limpio. Utilizando hidrógeno como combustible, sólo se necesitan ligeras modificaciones respecto al motor de encendido por bujía convencional. Su eficiencia de combustión es superior a la del motor. gasolina, y la mezcla puede ser más pobre en mayor medida, requiere menos energía de ignición, lo que es beneficioso para el ahorro de combustible. También se puede añadir hidrógeno a otros combustibles (como el GNC) para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones de NO2. El hidrógeno tiene la mayor densidad de energía en masa entre varios combustibles, pero la densidad de energía en volumen más baja sus mayores barreras para su uso son los problemas de almacenamiento y seguridad. BMW se ha comprometido con el desarrollo de motores de hidrógeno y ha desarrollado varios automóviles con motor de hidrógeno. Su sedán Serie 7 equipado con un motor de hidrógeno V12 es el primer motor de hidrógeno producido en masa del mundo. El motor puede utilizar tanto hidrógeno como gasolina como combustible. .

1.4 Vehículos de Dimetil Éter

El dimetil éter (DME) es un gas incoloro e inodoro con excelentes propiedades de combustión, limpieza, alto número de cetano y comportamiento dinámico. Es bueno, menos contaminante y se convierte en líquido bajo ligera presión. Es muy adecuado como fuente de energía alternativa para motores de encendido por compresión. Los vehículos que utilizan este combustible pueden cumplir con los estándares de emisiones ultrabajas de California, EE. UU. La empresa japonesa NKK desarrolló con éxito equipos para producir dimetiléter a partir de carbón de baja calidad y completó una prueba utilizando dimetiléter como combustible para automóviles con Sumitomo Metal Industries en 1998. Los vehículos de dimetiléter (DMEV) no emiten gas negro y contaminan el medio ambiente. Produce un 20% menos de NOX que el diésel.

1.5 Vehículos Neumáticos

Un vehículo que utiliza aire comprimido, aire líquido, nitrógeno líquido, etc. como medio y suministra energía motriz mediante expansión endotérmica se denomina vehículo neumático. El motor no se quema ni otras reacciones químicas emiten aire o nitrógeno sin radiación contaminante, logrando realmente una contaminación cero. El vehículo desarrollado con mayor éxito en la actualidad es el vehículo propulsado por aire comprimido (APV). El principio de funcionamiento es similar al de un vehículo tradicional con motor de combustión interna, excepto que la energía que impulsa el mecanismo de biela del pistón proviene del aire a alta presión. Los medios APV son convenientes y limpios, y los costos de construcción de infraestructura social no son altos y es más fácil de construir. No existe un proceso de combustión de combustible, bajos requisitos de materiales del motor y una estructura simple. Puede aprender de la tecnología existente de motores de combustión interna, por lo que el ciclo de investigación y desarrollo es corto y el diseño y la fabricación son sencillos. Sin embargo, la densidad de energía APV y la tasa de conversión de energía actuales no son lo suficientemente altas y la autonomía es corta. En 1991, el ingeniero francés Guy Negre obtuvo la patente para un motor propulsado por aire comprimido y se unió a la empresa MDI. En 2000, la empresa MDI lanzó un APV llamado "evolution" con una masa de sólo 700 kg. La masa del motor es de sólo 35 kg y su velocidad. Puede alcanzar los 120 km/h. Una vez lleno, puede recorrer 200 km. El coste del inflado es de sólo 0,3 dólares estadounidenses. Puede conducir durante unas 10 horas en la ciudad. El inflado se puede completar en 2 minutos. estación aérea y 3 horas con bomba de aire.

1.6 Vehículos eléctricos

El primer vehículo eléctrico (EV) del mundo fue fabricado por estadounidenses en la década de 1890. Los vehículos eléctricos se clasifican en términos generales en vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV). Una característica única de los vehículos eléctricos es que el vehículo es impulsado total o parcialmente por electricidad a través de un motor, lo que puede lograr emisiones bajas o nulas.

Los vehículos eléctricos de batería son los primeros vehículos eléctricos en aparecer. Existe una gran brecha entre la potencia del vehículo y la autonomía de los automóviles que utilizan baterías de plomo-ácido y los automóviles tradicionales con motor de combustión interna, y el uso de baterías de níquel-hidruro metálico de alto rendimiento o baterías de litio aumentará considerablemente el costo. JtBEV requiere un cierto tiempo de carga y el equipo de carga correspondiente, y sus ocasiones de uso están restringidas. Las pilas de combustible tienen una tasa de utilización de energía de casi el 65% y pueden lograr cero emisiones y poco ruido. Las últimas pilas de combustible de alto rendimiento desarrolladas en el extranjero han podido lograr un rendimiento energético casi equivalente al de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna. Las perspectivas de desarrollo son buenas, pero el coste es un obstáculo para su industrialización. Las pruebas de demostración realizadas en Canadá muestran que el coste de fabricación de un coche público que utiliza combustible-electricidad es de 1,2 millones de dólares canadienses, mientras que el de un coche público que utiliza motor diésel es de sólo 275.000 dólares canadienses.

Los vehículos eléctricos híbridos combinan las ventajas de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna y los vehículos eléctricos al tiempo que superan las deficiencias de ambos. Han logrado un rápido desarrollo en los últimos años y han logrado la industrialización y comercialización tanto de PRIUS como de INSIGHT. de este coche híbrido ha mostrado a la gente el encanto y el enorme potencial de mercado de la tecnología híbrida.

1.7 Vehículos propulsados ​​por aceite vegetal

Para encontrar nuevas fuentes de energía que puedan sustituir al petróleo, los científicos también han centrado su atención en el aceite vegetal y están desarrollando vehículos basados ​​en aceite vegetal como como aceite de soja, aceite de maíz y aceite de girasol. Los científicos también están estudiando el biodiésel, un combustible a base de aceite vegetal que algún día podría utilizarse en grandes cantidades en camiones y barcos como alternativa al diésel. El biodiesel no contiene azufre y por lo tanto no representa una amenaza de lluvia ácida para el medio ambiente. Para producir biodiesel, los químicos están esterificando aceites vegetales en compuestos de éster metílico que se queman de manera más limpia y dejan menos residuos en los motores.

2 Descripción general del desarrollo de vehículos de nueva energía en mi país

Los recursos de gas natural de mi país son abundantes y están ampliamente distribuidos. Hainan, Beijing, Shanghai, Chongqing y otras provincias y ciudades. han sido catalogadas como ciudades de demostración clave a nivel nacional para vehículos de gas. Se han desarrollado y modificado vehículos de gas natural comprimido y vehículos de gas licuado de petróleo en varios lugares. Se utilizan principalmente para taxis, autobuses, vehículos grandes e instalaciones de ingeniería. FAW-Volkswagen desarrolló el Jetta LPG, la Universidad Jiao Tong de Shanghai desarrolló un automóvil de GLP y desarrolló conjuntamente un autobús urbano de GLP modificado con Sunward Bus, y Beijing desarrolló un autobús urbano de GNC.

Shanxi es una importante provincia productora de carbón. El proyecto de vehículos de metanol ha estado en progreso durante muchos años y ahora ha alcanzado la etapa de operación comercial. Los vehículos de metanol utilizan un sistema de combustible flexible que puede usar metanol o. La gasolina se utiliza como combustible aeróbico y ahora se está promoviendo el uso de combustible en Hebei, Heilongjiang y otros lugares. Al mismo tiempo, el país ha formulado normas pertinentes para el combustible de gasolina con etanol. La planta de fabricación de automóviles de Datong de la empresa Yungang Automobile Company de mi país ha desarrollado un minibús de metanol.

Mi país es rico en recursos de carbón y el gobierno apoya proyectos que utilizan carbón como materia prima para producir combustible para vehículos. Están en marcha activamente proyectos de licuefacción directa e indirecta de carbón para producir combustible para vehículos. Durante el período del "Décimo Plan Quinquenal", se establecieron plantas de demostración de licuefacción directa de carbón en Yunnan y Shaanxi, utilizando carbón como materia prima para sintetizar combustibles para vehículos como el petróleo o el éter dimetílico. Después de cinco años de investigación colaborativa, la Universidad Xi'an Jiaotong y el Instituto de Industria Química del Carbón de la Academia de Ciencias de China desarrollaron en 2000 el "vehículo de éter dimetílico de emisiones ultrabajas". Utilizando el motor diésel monocilíndrico TYll00 y el camioneta equipada con el motor diésel CA498 producido por la fábrica de motores diésel de Dalian. Las pruebas que utilizaron éter dimetílico para la combustión superior encontraron que la potencia del motor se puede aumentar entre un 10% y un 15%, la eficiencia térmica se puede aumentar entre 2 y 3 puntos porcentuales y la El ruido se puede reducir entre un 10% y un 15%.

Hay más de 20 unidades dedicadas a la investigación de pilas de combustible en nuestro país. La tecnología de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) ha logrado grandes avances, pero todavía existe una gran brecha con los países extranjeros. Los países extranjeros tienen una potencia de 50-50 celdas de combustible PEM de 80 kW que se utilizan en automóviles, mientras que la pila única de celdas de combustible PEM más grande de mi país tiene una potencia de 5 kW, que está lejos de usarse en automóviles. La tecnología de pilas de combustible metálicas de mi país ha alcanzado el nivel avanzado del mundo.

Los niveles tecnológicos de baterías de níquel-hidruro metálico y baterías de litio de mi país también han alcanzado el nivel avanzado internacional. El vehículo eléctrico E1 de BYD exhibido en el Salón del Automóvil de Shanghai 2005 ya tiene un muy buen rendimiento energético.

En la actualidad, la Universidad de Zhejiang tiene la mayor cantidad de informes de investigación sobre vehículos propulsados ​​por aire comprimido en China. Han desarrollado una plataforma de investigación para motocicletas propulsadas por aire comprimido y han explorado muchas conclusiones útiles. Además, la Universidad de Chongqing y la Universidad de Tongji también han realizado algunas investigaciones exploratorias. Cabe decir que el desarrollo del APV en el país apenas comienza.

3 Las perspectivas de desarrollo de los vehículos de combustible alternativo

Entre varios combustibles alternativos para vehículos, el GLP y el GNC son los más convenientes para su uso y ya cuentan con una buena infraestructura de apoyo. Tiene buenas perspectivas de aplicación en el campo del transporte público con requisitos de alto rendimiento económico y de emisiones, pero requisitos de rendimiento energético promedio. En los Estados Unidos, los vehículos a gas natural han representado una gran proporción de los autobuses nuevos en los últimos años. En un gran país agrícola como China, especialmente en algunas grandes provincias agrícolas, los recursos de etanol son abundantes y los vehículos de etanol tienen buenas perspectivas de aplicación. Los combustibles sintéticos como el dimetiléter tienen buenas características de emisión y también tendrán buenas perspectivas de aplicación, especialmente como sustituto del diésel en los vehículos híbridos. Los vehículos híbridos son sin duda la forma dominante de sistemas de propulsión de automóviles de próxima generación.

El rendimiento de los vehículos eléctricos con batería no es tan bueno como el de los vehículos híbridos y los de pila de combustible, y el coste es elevado. La eficiencia de utilización de energía de los motores de combustible de hidrógeno no es tan buena como la de las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno. Por tanto, las perspectivas de desarrollo de los vehículos eléctricos de batería y de los vehículos con motor de hidrógeno no son muy optimistas. Por supuesto, con el desarrollo y avance de la tecnología de células solares, tal vez los vehículos eléctricos puros marquen el comienzo de una buena situación de desarrollo.

Aunque los vehículos propulsados ​​por aire comprimido alcanzan una contaminación cero, sus prestaciones están lejos de las de los vehículos tradicionales y sólo pueden utilizarse en situaciones específicas dentro de un rango más reducido.

Las pilas de combustible son la fuente de energía de los vehículos con mayor índice de utilización energética en las condiciones técnicas actuales. La energía específica de las pilas de combustible puede alcanzar 200-350 Wh/kg, que es de 2 a 3 veces la de las baterías de iones de litio. La eficiencia de conversión de energía llega al 60%-80%, que es de 1,5 a 2 veces la de la gasolina. o motores diésel. Puede lograr una contaminación ultrabaja o incluso cero contaminación, y la energía del hidrógeno utilizada por las pilas de combustible es renovable. En la actualidad, la tecnología de pilas de combustible de metanol es la más madura. Las principales compañías petroleras y automovilísticas extranjeras están comprometidas con la investigación y el desarrollo de vehículos de pila de combustible para tomar la delantera en el futuro desarrollo del automóvil. De 1993 a 2000, Daimler-Benz Automobile Company lanzó sucesivamente los FCEV de las series NecarI-NecarⅣ y Nebas. En mayo de 2001, se probó el Necar4 en los Estados Unidos, con una potencia de 55 kW, una velocidad máxima de 145 km/h y un rango de carga. de 450 km. El último Necar V-FCEV utiliza pila de combustible de metanol. En 1997, Ballard Power Company y Ford Motor Company formaron Xcellsis para desarrollar automóviles de pila de combustible. Compañías petroleras estadounidenses como AR-CO, Shell, Texaco y California CARB se unieron sucesivamente para formar la alianza de desarrollo de automóviles de pila de combustible más poderosa del mundo. El Instituto Central de Investigación de Energía Eléctrica de Japón está desarrollando una celda de combustible que utiliza cerámica resistente al calor. La batería funciona a una temperatura alta de 1000 °C con una eficiencia de generación de energía muy alta. La potencia de salida del electrolito alcanza 1 W/cm2. equivalente a 5 veces el de las pilas de combustible tradicionales. EvomR está comprometida con el desarrollo de pilas de combustible de aluminio y zinc y ha alcanzado un nivel considerable.

En resumen, se deben considerar los siguientes factores en la evaluación integral de los combustibles alternativos: costo del combustible; costo del vehículo; dependencia del petróleo importado; contaminación por emisiones de efecto invernadero; , distribución, instalaciones de repostaje; kilometraje de carga y tiempos de repostaje; En base a estos factores, los combustibles alternativos más disponibles actualmente son el GNC y el GLP. Los índices de evaluación integral de electricidad, metanol y etanol son todos más bajos que los de la gasolina. Se puede esperar que la cuota de mercado del GLP y el GNC, así como del etanol, siga aumentando. La cuota de mercado del dimetiléter y del diésel sintético crecerá rápida y constantemente en diez años. Los vehículos híbridos se desarrollarán aún más y aumentarán rápidamente su cuota de mercado. Los vehículos de pila de combustible comenzarán a industrializarse en 20 años y aumentarán gradualmente su cuota de mercado. La participación de mercado de los vehículos tradicionales con motor de gasolina comenzará a disminuir significativamente en 20 años, pero los vehículos diésel seguirán manteniendo una alta participación de mercado en el campo de los vehículos pesados.

4 Conclusión

En los próximos 20 años, la gasolina y el diésel seguirán siendo las principales fuentes de energía para los automóviles, pero los requisitos de calidad de la gasolina y el diésel son cada vez más altos, y La tecnología de los motores se desarrollará rápidamente para mejorar la utilización de la energía. Se utilizarán rápidamente combustibles alternativos, los vehículos a gas natural y los vehículos de etanol se utilizarán primero a gran escala, y el éter dimetílico y los combustibles sintéticos ampliarán gradualmente su aplicación.

Los sistemas de energía híbridos se desarrollarán y aplicarán rápidamente, y los vehículos eléctricos híbridos serán la forma más viable de resolver los problemas energéticos y de contaminación en la industria automotriz durante al menos 30 años. Por lo tanto, se deben integrar recursos para acelerar el desarrollo de vehículos híbridos y alcanzar nuevas alturas en el desarrollo de la tecnología automotriz.

Las pilas de combustible son la energía para vehículos más prometedora y la principal fuente de energía para los vehículos del futuro. La industria petrolera nacional debería unir fuerzas con la industria automotriz para desarrollar tecnología avanzada de pilas de combustible y tomar la vanguardia de la tecnología automotriz avanzada del futuro. !