互动科普

蓄电池和燃料电池是解决问题的唯一途径吗？事实上，改进常规内燃驱动汽车的设计，就能使空气较为洁净并减少石油进口。

由于公众对人类值康与安全日益担扰，由于人类严重依赖于环境和石油，使得人们大有必要研制出性能更为优良的新型汽车。虽说导致交通拥挤和交通事故的原因，并非来自燃油的耗用，而是来自汽车的大量使用，但事实上，城市的空气污染、温室效应气体的释放以及石油进口带来的经济负担，大都可以直接归咎于燃油的大量耗用。如今，美国以及整个世界的汽车用量还在持续增长。若要防止与汽车燃油有关的各种问题变得更加严重，燃料效率至少得和汽车用量提髙得一样快。而要逐步解决上述问题，燃料效率就必须提高得更为迅速。

1993年9月，美国的汽车制造业和克林顿政府宣布，双方结成历史性的伙伴关系，在不影响汽车的舒适性、安全可靠性和驾驶性能的前提下，研制比现有汽车节能两倍的新型汽车。其主要的选择方案中，一是以蓄电池或燃料电池驱动的电动汽车，二是混合式汽车，这种车带有一个电传动轮系，以及一台使用多种燃料的内燃机。然而，在上述方案的研究验证期间，今后数十年内在道路上行驶的绝大多数车辆，极有可能仍是今日这类或用汽油或烧柴油的常规汽车，因为它们能以人们可以承受的费用，提供出色的安全可靠性、舒适性和实用性。此外，它们所赖以存在的，是一个巨大的经济基础结构——一个由汽车制造厂、炼油厂和修车厂构成的庞大系统，以及受训促使这一系统运转的所有各种人——从汽车制造工人到汽车修理工人。

同样，汽车技术生机勃勃的现状也会有助于常规内燃驱动汽车长久存在。尽管诸如卡尔•F. 本茨（德国汽车制造商本茨（今译”奔驰”）公司创始人）和鲁道夫•C. K. 狄塞尔（狄塞尔内燃机即柴油发动机的发明人）等汽车工业先驱早在一百年以前，就已预见到汽车技术上几乎所有日后将会实现的革新和改进，但也只是近几年来，随着新技术新工艺对汽车设计制造技术人员的解放，多种革新与改进才得以广泛应用。如今，微处理器、传感器和电子控制装置使得汽车的许多运作得到优化，制造汽车的材料也比以往更坚、更轻，适应性更强。电子计算机的运用使得设计人员能够迅速研制和改进车型。事实上，可用于改进常规小汽车和轻型卡车的多种技术进步，对于研究新型汽车也是必不可少的。虽说从长远的观点来看，在汽车技术上找到截然不同的途径或许是必要的，但事实上，一反常规的技术革新却并不是必不可少的，因为在21世纪的头10年里，20世纪末的技术能力能够在环保效益和经济效益这两方面，给人类带来显著的好处。

要提髙汽车的燃料效率，首先需要看一看，汽车是如何及在哪些方面耗用能量的。燃料的耗用取决于两点，一是司机怎样开车，二是汽车本身的性能。举例来说，在交通拥挤之时，汽车要耗用更多的燃料，因为在这种情况下，司机必须更频繁地起动和刹车。汽车技术人员把汽车那些需要耗用发动机动力的动作统称为“使用负荷”，其中包括刹车能耗、轮胎阻力、气动阻力以及附加能耗，如使用空调和动力转向之类。由于还需要克服整个传动轮系的能耗，这样要满足上述负荷的能耗，就必须大大增加能量。（传动轮系由发动机、传动装置和相关部件构成，它能将燃料所产生的能量转化为有用机械能，从而推动汽车行驶，带动辅助设备。）若是再除去燃料在燃烧过程中产生的热力以及汽车的摩擦阻力所要耗费的能量，那么，燃油所能产生的能量中，留给使用负荷粍用的，就只剩大约1/6了。换句话说，现有汽车的传动轮系在正常行驶过程中，只能提供约占燃料总能量17%的有效机械能。

为了估计提髙节能效率的可能性有多大，我们对一组低成本的设计改进作了分析研究，其中大多数已用于现已在用的某些车型。事实证明，通过减少摩擦阻力来改进传动轮系，实为提高燃料效率的有效途径。而减少使用负荷也是切实可行的办法。即使不对传动轮系作任何调整，对轮胎、气动性能以及汽车重量加以改进，也能减少汽车的能耗。通过降低使用负荷，每节省1个单位的能量，能量节省总量就能达到6个单位。由此看来，降低能耗的根本途径就是减少使用负荷。

减少汽车重量能够对汽车的燃料效率产生重大影响，这是因为汽车的重量会连带影响汽车的能耗。汽车的重量较轻，所需耗用的能量也就较少，因而所需配备的传动轮系组件也就较小，这样汽车的重量也就会进一步减小。现有的新轿车在加满油和水但不载人的情况下，平均重量接近3千磅。虽说缩小汽车尺寸看上去显然是减小汽车重量的有效途径，但我们的分析研究将这一途径排除在外了。相反，我们把较轻、较坚的新材料以及精良的设计和制造技术的采用视为有效的途径。通过采用新材料和较为妥善地利用汽车的空间，就能在不牺牲汽车尺寸和承载能力的前提下，减小汽车的重量。我们根据上述途径的采用，并加上保障安全所需的空气囊和车门加强嵌条的重量，估计出了汽车重量所能减小的程度。总的说来，采用现能做到的精良设计和新材料之后，汽车的重量可减少25%之多！

某些节油规则的反对者断言，减小汽车的重量会减弱汽车的安全性。然而，汽车的大重量所带来的安全性，却是以对人的更大损害为代价的。用轻质高强材料制造的汽车，能比现有的许多大重量汽车更有效地保护车内乘员，而在车辆相撞时，对其它汽车的乘员安全威胁也比较小。新型汽车的安全，主要依靠更优良的减震系统和对汽车结构与内表面的改进，它们能将汽车相撞时产生的破坏能中殃及车内乘员的部分减少到最低限度。撞击破坏力的减小，靠的并不是汽车尺寸或重量的减小，而是能够保护车内乘员的某些性能，它们和汽车的尺寸没有关系。

不管汽车的重量大小，若传动轮系效率低下，则都不利于节油。改进传动轮系的最佳途径，是减少发动机的摩擦阻力，因其消耗的燃料约占用量的一半。在汽车发动机的多个汽缸内，活塞往复运动，每运动一次即排出一定容量的燃气废气。膨胀的燃气就是靠推动活塞来产生动力的。所有汽缸的总容量就称为发动机的排量。排量较大的发动机能够提供的动力也较大，但同时也会产生较大的摩擦阻力。

摩擦阻力产生于发动机部件的运动过程，其中包括阀门、活塞、连杆和曲轴。诸如水箱风扇和水泵一类辅助设备也要产生一定的能量消耗。当油气混合物吸入汽缸以及废气排出汽缸时，抽吸摩阻也就随之而产生了。抽吸摩阻特别显著的部位，是节气阀，它调节着吸气量的大小。

设计、制造工艺，材料和润滑的改进，都能使摩擦阻力减到最低限度。对辅助设备作一些改进，例如采用只在必要时才开动的电风扇取代皮带传动风扇，也能减少其能耗。对吸气和排气过程采取智能控制，也能减少摩擦阻力。而上述所有摩阻产生的能耗，都可以通过采用尺寸重量较小的发动机而得以减少。

对摩擦阻力与发动机动力之间的关系作一番研究，就不难发现提高传动轮系效率的重要途径。发动机的动力输出随机内摩擦力的增大而减小。此外，发动机所产生的动力还必须满足使用负荷以及传动轮系的能耗需求。发动机的摩擦阻力同发动机的转速和排量成正比。不过，发动机的动力输出井非一定取决于上述因素。若是能够采用先进技术，在减低发动机正常转速或排量的同时提供所需动力，甚至在不需要动力的情况下关掉发动机，就能既满足动力需求，又减少发动机摩擦阻力。

许多燃料效率提高技术的价值在于，它们能对比功率即最大动力输出与发动机排量之比产生影响。提髙比功率的技术能在满足汽车使用负荷能耗需求的情况下，减小发动机排量。增加汽缸阀门的数量能够提高汽缸的排量。举例来说，4阀发动机的比功率比2阀发动机平均高出40%。同样，采用上凸轮轴设计，能使比功率平均提高20%以上。当然，这样做的结果，也会出现一些附带产生的弊病，例如，随着阀门的增加，发动机的摩擦阻力也会增大。带有上凸轮轴、每缸4个阀门的发动机是在发动机达到高转速的情况下实现峰值功率的。这样，要具备优良的驾驶性能，就必须对传动装置作相应的改进。提高燃料效率的设计要想获得成功，就得将上述问题都考虑进去，这样才能在成本可以接受的前提下，使汽车少耗油多跑路。

目前正在进行工业化应用的发动机技术改进中，或许意义最为深远的，是对汽车吸排气过程调控手段的改进。汽车的燃料点火发生在汽车发动机的汽缸内。对流入汽缸的油气混合物和流出汽缸的废气进行精细调节，就能提高发动机的机械效率。在传统的汽车发动机中，汽缸的阀门何时打开，打开多大，不是取决于发动机的转速或使用负荷，而是由活塞所在位置决定的。电子传感技术、电子控制技术以及精密加工技术的问世，使得人类有可能采用各种不同的手段来调节汽缸阀门。这种技术能在范围广泛的条件下，选定数值最佳的汽缸吸排气量。汽缸阀门开度越大，发动机的最大功率也越大，而发动机的排量则反而减小。在使用负荷低的情况下，缩短阀门开启时间大多能够取代节流阀的动作，从而减小汽缸的抽吸摩阻。

过去，由于成本过高，各种汽缸阀门可调控制装置的应用受到很大限制。如今，先进的设计和装配工艺使之有可能得到广泛应用。80年代末以来，日本的汽车制造商越来越多地将汽缸阀门可调控制装置应用于在国内和美国生产的汽车。1992年，日本的本田汽车公司对汽缸阀门调控装置作了一项显著的改进，并将装备了这种阀门可调控制装置的稀混合气发动机推向了美国市场。

大多数现在的汽油发动机都是靠完全燃烧所必需的混有精确含量氧气的油气混合物驱动的，而稀混合气发动机则由富气稀油混合物驱动，其好处是一能减小抽吸摩阻能耗，二能提高发动机热效率。然而，这类发动机所排出的二氧化氮（NO2）带来了一个问题，即在稀油条件下，很难减少氧化氮混合物的触媒剂。目前，对合宜触媒剂的开发是研究领域的热点，因为若能取得成功，就能更加普遍地应用稀燃技术。

另一项可能成功的技术改进也吸引了汽车制造业的注意力，那就是先进的2冲程发动机。与常规的4冲程发动机相比，这种发动机能以较少的冲程完成油气混合物的压缩和点火。而由于活塞往复运动的冲程较少，摩阻能耗也就相应减少了。2冲程发动机不仅比4冲程发动机要轻，而且成本也有可能比后者要低，并且也是靠稀油富气混合物驱动的。

不只是发动机本身的改进能够提高汽车的燃料效率，传动轮系的改进也能使能耗大大减少。尽管汽车轮对必须满足范围广阔的行驶速度之需，但只是在范围相对狭小的每分钟转速下，汽车发动机才能够做到噪声最小，效率最高。传动轮系有着一系列的齿轮速比，而传动轮系就是通过不同速比的齿轮系将发动机和轮对连为一体的。要想充分利用发动机小尺寸化所带来的好处，就必须设计出新型先进传动轮系，从而最大限度地增加汽车发动机高效率运转的时间。

微处理器使汽车研制技术人员有可能设计出一种新型传动轮系，它能使发动机转速和能耗需求达到最佳配合。给传动轮系增配齿轮能使之具备更多的齿轮速比，从而使范围有限的发动机转速较好地满足行车速度之需。发动机越小，就需要越频繁地改换齿轮速比，这会使在交通状况下行车的司机颇感困难。另一个办法是采用一种可连续无级变速的传动轮系，以一种可平滑地改变齿轮速比的传动装置取代不能作连续无级变速的齿轮系统。在采用以上任何一种方案的情况下，精良的设计和电子控制技术都能既有助于齿轮速比的平滑转换，又不牺牲驾驶性能。

我们以1990年应市的多种新车型为基础，对提高汽车燃料效率的可行性展开了一系列的评估。笔者先分析研究了可据以达到上述目标的现有技术的应用范围。由于稀混合气发动机和2冲程发动机尚存在氧化氮混合物释放量过大等问题，其普遍应用的前景还不太肯定，所以我们的中等范围预测没有将它们包括在内。在运用成本-效益分析法对现有技术作了筛选之后，我们估计，到2005年时，常规新轿车的节油效率可提高65%之多，即从现在的毎加仑燃油跑28英里，提高到46英里。由于轻型卡车的能耗与轿车相近，其节油效率也能提高到与轿车相近的水平。

要将轿车之类的节油效率提高到46英里/每加仑，其零售价就要增加800美元左右。与现有的每加仑油平均跑28英里的新轿车相比，节油效率提高到每加仑油跑46英里之后，按汽车寿命一般为12年计算，每辆轿车可省油2,100加仑，即使油价不上涨，价值也髙达2,500美元！若是按计划在21世纪头10年间使美国的轿车和轻型卡车的节油效率都得以提高到这等水平，那么，到2010年时，美国在一天之内就可以节约汽油280万桶，这样，全美国一年就可以省下燃油费710亿美元，大大超过采用新技术后每年要多花费120亿美元的估计数。

由于美国的石油进口量在逐年增大，全美国1天就节省汽油280万桶这一点，就意味着到2010年时，美国1天至少可以少进口石油200万桶！这一数量之惊人，大大超过开发美国近海的或极地国家野生动植物保护区的石油资源所能得到的。此外，大量地节约石油，还能大大减少环境污染。

减少燃油消费还能给环境带来其它好处。由于二氧化碳释放量是和燃油消费量成正比的，因而节油效率提高意味着温室效应气体的减少。而由于碳氢化合物释放量也和汽油消费有关，所以燃料效率提高也意味着碳氢化合物对大气的污染减少。碳氢化合物能同氧化氮发生反应，生成地面臭氧，它是一种主要的空气污染物，能够加重气喘病，并引起其它的呼吸道疾病。由于燃料效率的提高只是通过节省燃油而实现的，因而与之有关的二氧化碳释放量和碳氢化合物释放量的减少，不存在附带产生的其它代价。

对有害气体释放加强控制的新技术不仅能够提高节油效率，还能大大减少空气污染。目前在这一方面，美国的汽车制造业以及政府都在进行广泛的研究。遗憾的是，由于缺少对实际数据的足够分析，所取得的进展比预期的要慢得多。若是有害气体释放控制技术的开发能够更深入地扎根于基础科学，能够从严密的研究结果中找到更有力的根据，未来的进展想必就能较为乐观。

提高轿车和轻型卡车的节油效率还能给经济上带来广泛的好处。美国花在石油进口上的资金从经济的角度看，多半是损失掉了。由于采用从国外购进石油的消费模式，所投入的资金所应换来的职位也相应减少了。而由于节油效率提高，美国的消费者可以省下更多钱来换取商品和服务而不是汽车，由此产生的经济刺激定会促进包括汽车制造业在内的美国各类产业的发展，从而创造出更多的就业机会。在国会对克林顿政府和汽车制造业的新型汽车开发计划进行审议期间，美国汽车制造业宣称，提高燃料效率会导致就业机会减少。若是节油效率的提高是靠立即制造更小的汽车来实现的话，那么此看法还可以想象。但这一目标若是通过按计划分阶段逐步采用新技术达到的话，那么这一说法就大谬不然了。按照与本文所述相似的一种方案测算，美国经济到2010年时，将能净增10万至25万个就业机会。

笔者文中所说的新技术，大都已经在现有轿车上显露了。尽管从长远的观点来看，提高燃料效率显然能够节省燃料费用，但从目前情况看，应用新技术来减少石油消费几乎没有什么市场兴趣。汽油价格正处于空前的低价位，因此，眼下汽车制造商正热衷于采用各种新技术，通过加大汽车的尺寸和重量，来改善汽车性能，使之更加豪华，而不是致力于提髙燃料效率。市场上最有利可图的汽车，都是高性能车和豪华车。而在一定年份应市的各种车型中，节油效率较高的汽车，往往都是既小又慢，卖价最低的。

只有在和如今大不相同的形势下，节油效率高的轿车和轻型卡车销势才会看好。而能够促成这种形势的因素无非是以下两类，一是看国家是否推行适当的政策，例如实施节油规则，刺激汽车价格“大”降“小”升，或是大幅度提高燃油税等等；二看是否出现国际形势大转折，如发生大规模战争或者石油输出国组织限制石油出口。减少汽油消费所能带来的广泛好处将会证明，政府推行新的政策，促使广大民众使用高效节油新汽车，无疑是明智之举。

谈到提高汽车燃料效率，美国的汽车消费者和汽车制造商都面临着一个左右为难的问题。就当今的市场而言，消费者个人几乎没有兴趣以牺牲汽车的豪华和优良驾驶性能为代价，来换取较高的节油效率，因为形势并没有给他们带来直接的压力，迫使他们节省汽油。然而，作为关注形势的公民，他们中的许多人也希望能源问题和环境问題能够得到解决。只要采取某些措施，使每个美国公民都来参与解决这些问题，而不只是寄希望于新车购买者个人的选择，那么，即使节油新技术的采用缺乏市场兴趣，美国公众所关注的诸多问题也照样能够迎刃而解。

同样，利用技术改进来提高燃料效率的汽车制造商可能会有失去顾客的风险，而采用同样的技术来改善汽车性能的其它制造商或许会在当今的市场上大发其财。由政府颁行一些规则，促使所有汽车制造商都致力于提高燃料效率，就能免去由一位制造商孤军奋战会面临的风险。对所有汽车强力推行节油规则，既会对众多汽车制造商都起到这样的促进作用，又能在设计上给他们留下灵活处理的余地。汽车制造业可以对各个汽车系列采取不同的技术措施，同时保证实现减少燃油消费量的总目标。

为了提高市场兴趣，可以通过一些特别的刺激手段来完善节油规则，使之具有实用性，如对耗油量特别大的汽车扣以重税和对比一般的节油效率高的汽车减税等。节油规则和刺激手段必须公平地运用于各个汽车制造商，这样才能使全体制造商在同等压力下致力于提高汽车节油效率，从而使任何一个制造商所面临的风险减到最小。

某些经济学家指出，推行节油规则会带来一些有害副作用。燃料效率提高会使行车费用降低，从而使得人们乐于多用车，于是就部分抵消了节油量。一些经济学家因此而断言，加征汽油税是减少汽油消费量的最佳手段。然而，实验证据表明，有害副作用只会部分抵消节油规则所带来的好处。汽油价格对行车量大小的影响大大低于预测水平。相反，是否要停车费用，停车费用的大小以及筑路费用的多少，对行车量的影响则要大得多。因此，加征汽油税会有助于减少汽油消费量，并且会有种种理由（例如，目前的税收甚至没有完全包括公路费用）证明，这样做是合理的，而单单加征汽油税则对抑制汽油消费作用不大。

设计新颖全然不同的新型汽车终将取代当今这类汽油驱动的常规轿车和轻型卡车，这一结局的最终到来将会证明，我们今天在汽车技术的研究发展上付出巨大努力是正确的。然而，提高常规燃油汽车的燃料效率会迅速而不是迟缓地给人类带来大量实实在在的好处。我们今天所追求的许多常规汽车技术改进，特别是减少汽车使用负荷的各种措施，对于开发下一代采用电传动系和燃料电池的新型汽车，乃是必不可少的步骤。

若干年来，新轻型汽车的平均燃料效率一直未有明显提高，而提高汽车燃料效率，降低燃油消耗的最大障碍，是缺乏市场兴趣，而不是缺少有关技术。而要颁行更有力的节油规则和其它刺激措施来提高汽车节油效率，就需要发挥政府政策的领导作用。和现有的新轿车相比，各项技术有所改进的新型常规汽车将保持同样大小，运载能力和加速性能也将保持现有水平，但整车将更轻，气动性能更佳，抗撞击保护性能也会更强。与此同时，新车的有害气体释放量会有所降低，而燃料效率会更高，用同样多的油能跑更远的路。技术改进后，新型常规汽车能够直接为消费者节省燃油，能够减少石油进口，能够降低碳氢化合物和温室效应气体的释放量，还能为美国公众创造更多的就业机会。所有这些好处无疑证明，致力于提高常规汽车的节油效率，实为美国的最佳投资选择之一。

【张牛/译  赵学庆/校】