¿Cómo escribir un artículo sobre el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas para automóviles?
Desde finales del siglo pasado, los países y las principales empresas automovilísticas de todo el mundo, así como las principales 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 hecho grandes progresos. 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 recargables.
Presentó la descripción general del desarrollo de la tecnología de vehículos de nueva energía y presentó algunas 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”, Basado principalmente en gas natural comprimido (GNC), se utilizan como combustible gas natural licuado (GNL) y gas natural adsorbido (ANG), y los más comunes son el gas natural comprimido vehicular (GNCV). Los coches de GLP utilizan GLP como combustible. El GNC y el GLP son combustibles ideales para motores de encendido. Tienen una composición única, alta pureza, mezcla uniforme con el aire, combustión completa, bajas emisiones de CO y partículas, baja temperatura de combustión y, por lo tanto, bajas emisiones de óxido de nitrógeno, buenas características de combustión pobre y arranque a baja temperatura. y baja temperatura Buen rendimiento operativo y otras ventajas. Sus desventajas son que el rendimiento de almacenamiento y transporte es peor que el del combustible líquido, la eficiencia volumétrica del motor es baja y el período de retardo de encendido es largo. Ambos tipos de vehículos utilizan principalmente sistemas de combustible dual, es decir, sistemas de gasolina o diésel y sistemas de gas natural comprimido o gas licuado de petróleo. Los vehículos pueden ser conducidos por cualquiera de los sistemas y se pueden convertir fácilmente de un sistema a otro. Cummins y el Departamento de Energía de EE. UU. están colaborando para desarrollar una nueva generación de motores de gas natural llamado Sistema Avanzado de Motor Alternativo (ARES). Según los objetivos de desarrollo, la eficiencia térmica del motor es 50 (el calor y la potencia combinados son más de 80), las emisiones de óxido de nitrógeno son inferiores a 0,1 g/km, el coste de fabricación es de 400.450 dólares estadounidenses/kW y el coste de mantenimiento es menor. superior a 0,065438 dólares americanos 0//kwh.
1.2 Coches con alcohol
Los coches con alcohol son coches que utilizan metanol, etanol y otras sustancias alcohólicas como combustible. El etanol se utiliza ampliamente, proviene de una amplia gama de fuentes y su tecnología de preparación es madura. La última tecnología para producir etanol a partir de materias primas celulósicas incluye casi todos los desechos agrícolas y forestales, los desechos orgánicos domésticos urbanos y los desechos orgánicos industriales. En la actualidad, los vehículos con alcohol funcionan principalmente con combustibles flexibles mezclados con etanol, gasolina o diésel en cualquier proporción, no necesitan modificar el motor y tienen buenos efectos de ahorro de energía y reducción de emisiones. Sin embargo, para obtener una potencia equivalente a la de la gasolina o el diésel, se debe aumentar la cantidad de inyección de combustible. Cuando la proporción de mezcla de alcohol es superior a 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, alto rendimiento antidetonante, buena volatilidad, distribución uniforme de la mezcla, alta eficiencia térmica y puede reducir la contaminación de los gases de escape de los vehículos en más del 30%. Este coche fue desarrollado originalmente por Ford a mediados de los años 1980. A finales de 2003, había más de 2,3 millones de vehículos a etanol en los Estados Unidos, en su mayoría camionetas Dodge y Chrysler; en 2003 se vendieron 233.466.
1.3 Vehículos impulsados por hidrógeno
El hidrógeno es un combustible limpio. Para utilizar hidrógeno como combustible, los motores de encendido por bujía convencionales sólo requieren modificaciones menores. Su eficiencia de combustión es mayor que la de la gasolina y la mezcla se puede diluir en gran medida, lo que favorece el ahorro de combustible. También se puede añadir hidrógeno a otros combustibles como el GNC para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones de NO2. El hidrógeno tiene la mayor densidad de energía en masa de todos los combustibles, pero la densidad de energía en volumen más baja. Los mayores obstáculos para su uso son el almacenamiento y la seguridad. BMW ha estado comprometida con la investigación y el desarrollo de motores de hidrógeno y ha desarrollado varios vehículos con motor de hidrógeno. Sus coches de la Serie 7 equipados con motores de hidrógeno V12 son los primeros motores de hidrógeno del mundo y pueden utilizar hidrógeno y gasolina al mismo tiempo.
1.4 DME automóvil
El dimetiléter (DME) es un gas incoloro e inodoro con excelente rendimiento de combustión, limpieza, alto índice de cetano y buen rendimiento energético, menor contaminación. Cuando está ligeramente presurizado, es líquido, lo que lo hace ideal 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. La empresa japonesa NKK desarrolló con éxito equipos para producir dimetiléter a partir de carbón de calidad inferior y completó un experimento con dimetiléter como combustible para automóviles en 1998 con Sumitomo Metal Industries. Los vehículos de dimetiléter (DMEV) no emiten gases negros que contaminan el medio ambiente y producen un 20% menos de NOX que el diésel.
1.5 Coches Neumáticos
Coches que utilizan aire comprimido, aire líquido, nitrógeno líquido, etc. Un vehículo que actúa como medio y proporciona energía motriz mediante la absorción y expansión de calor se denomina vehículo neumático. El motor neumático no tiene combustión ni otras reacciones químicas, y emite aire o nitrógeno. No hay radiación contaminante, logrando realmente una contaminación cero. En la actualidad, el vehículo propulsado por aire comprimido (APV) se ha desarrollado con éxito. Su principio de funcionamiento es similar al de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna, excepto que la energía para impulsar el mecanismo de biela del pistón proviene del aire a alta presión. Las fuentes de medios de APV son convenientes y limpias, y los costos de construcción de infraestructura social son bajos y fáciles 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 actual y la tasa de conversión de energía del APV 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 MDI. En 2000, MDI lanzó un APV llamado "evolution" con una masa de sólo 700 kg, una masa de motor de sólo 35 kg, una velocidad de 120 km/h/h y una velocidad de conducción de 2000 km/h cuando estaba lleno de aire comprimido. El costo de inflación es de solo US $ 0,30 y se puede conducir en la ciudad durante aproximadamente 10 horas, lo que se puede completar en 2 minutos en una estación de aire comprimido y 3 horas con una bomba de aire.
Coche eléctrico 1.6
El primer coche eléctrico del mundo fue fabricado por estadounidenses en los años 90. Los vehículos eléctricos se pueden dividir a grandes rasgos en vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV). Una característica común de los vehículos eléctricos es que pueden lograr emisiones bajas o nulas al ser propulsados total o parcialmente por motores eléctricos.
Los vehículos eléctricos de batería son los primeros vehículos eléctricos. La potencia y la autonomía de los vehículos que utilizan baterías de plomo-ácido son significativamente diferentes de las de las locomotoras de combustión interna tradicionales. El uso de baterías de níquel-hidruro metálico de alto rendimiento o baterías de litio aumentará considerablemente el costo. Sin embargo, JtBEV requiere una cierta cantidad de tiempo de carga y el equipo de carga correspondiente, por lo que sus ocasiones de uso son limitadas. La pila de combustible tiene una tasa de utilización de energía de casi el 65% y puede lograr cero emisiones y poco ruido. Las pilas de combustible de alto rendimiento recientemente desarrolladas en el extranjero han podido alcanzar casi el mismo rendimiento energético que los vehículos tradicionales con motor de combustión interna y tienen buenas perspectivas de desarrollo, pero el costo es el cuello de botella que restringe su industrialización. Las pruebas de demostración realizadas en Canadá demostraron que el costo de fabricación de un vehículo propulsado por combustible es de 6.543.820 CAD, mientras que el costo de fabricación de un vehículo propulsado por un motor diésel es de sólo 275.000 CAD.
Los vehículos eléctricos híbridos combinan las ventajas de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna y los vehículos eléctricos, superando sus desventajas. En los últimos años, han logrado un rápido desarrollo y han logrado la industrialización y comercialización.
El éxito de los vehículos híbridos Prius e INSIGHT ha demostrado el encanto y el enorme potencial de mercado de la tecnología híbrida.
1.7 Coches que utilizan aceite vegetal
Para encontrar nuevas fuentes de energía que puedan sustituir al petróleo, los científicos también han centrado su atención en el aceite vegetal. Están utilizando aceites vegetales como el aceite de soja. , aceite de maíz y aceite de girasol como materias primas para el desarrollo de aceite para motores de combustión interna. Los científicos todavía están estudiando el biodiésel, un combustible a base de aceite vegetal, como futuro sustituto del diésel en camiones y barcos. El biodiesel no contiene azufre, por lo que no supone una amenaza de lluvia ácida para el medio ambiente. Para producir biodiesel, los químicos esterifican los aceites vegetales, convirtiéndolos en compuestos de éster metílico que se queman de manera más limpia y dejan menos residuos en los motores.
2 Desarrollo de vehículos de nueva energía en China
China es rica en recursos de gas natural y está ampliamente distribuido. Hainan, Beijing, Shanghai, Chongqing y otras provincias y ciudades han sido catalogadas como ciudades clave a nivel nacional para la demostración de vehículos a gas. Los vehículos de gas natural comprimido y los vehículos de gas licuado de petróleo se desarrollan y modifican sobre la base de vehículos de combustible en varios lugares y se utilizan principalmente para taxis, autobuses, vehículos grandes e instalaciones de ingeniería. FAW-Volkswagen desarrolla Jetta GLP, la Universidad Jiao Tong de Shanghai desarrolla sedanes de GLP y desarrolla conjuntamente autobuses urbanos de GLP modificados con Sunward Bus, y Beijing desarrolla autobuses urbanos de GNC.
Shanxi es una importante provincia productora de carbón. El proyecto del vehículo de metanol se ha llevado a cabo durante muchos años y ahora ha llegado a la etapa de operación comercial. Los vehículos de metanol utilizados tienen sistemas de combustible flexibles que pueden funcionar con metanol o gasolina, utilizando etanol como combustible oxigenado. Ahora se promueve en Hebei y Heilongjiang. Al mismo tiempo, el país ha formulado normas pertinentes para el combustible de gasolina con etanol. La planta de automóviles Datong de la empresa china Yungang Automobile Company ha desarrollado un minibús de metanol.
China es rica en recursos de carbón y el gobierno apoya proyectos que utilizan carbón como materia prima para producir combustible para vehículos. Se está ejecutando activamente el proyecto 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 para sintetizar combustibles para automóviles como el petróleo o el éter dimetílico a partir del carbón. Después de cinco años de investigación colaborativa, la Universidad Xi'an Jiaotong y el Instituto de la Industria Química del Carbón de la Academia de Ciencias de China desarrollaron el "Vehículo DME de emisiones ultrabajas" en 2000. Mediante la prueba de quema de éter dimetílico en el motor diésel monocilíndrico TYll00 producido por Dalian Diesel Engine Factory y la furgoneta equipada con el motor diésel CA498, se descubrió que la potencia del motor se puede aumentar entre un 10% y un 15%, la eficiencia térmica puede aumentar. se puede aumentar en un 2-3% y el ruido se puede reducir en 65438.
Hay más de 20 empresas nacionales dedicadas a la investigación de pilas de combustible. 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. Por ejemplo, los automóviles extranjeros utilizan pilas de combustible PEM con una potencia de 50 a 80 kW, mientras que la potencia de la pila de combustible PEM más grande de China es de 5 kW, lo que está lejos de la potencia utilizada en los automóviles. La tecnología de pilas de combustible metálicas de China ha alcanzado el nivel avanzado del mundo.
El nivel técnico de las baterías de hidruro metálico de níquel y de litio de mi país también ha alcanzado el nivel avanzado internacional. El vehículo eléctrico E1 exhibido por BYD en el Salón del Automóvil de Shanghai 2005 ya tiene un buen rendimiento energético.
En la actualidad, la Universidad de Zhejiang tiene la mayor cantidad de informes sobre vehículos propulsados por aire comprimido en China. Desarrollaron una plataforma de investigación para motocicletas propulsadas por aire comprimido y exploraron muchas conclusiones útiles, que están bajo investigación adicional. Además, la Universidad de Chongqing y la Universidad de Tongji también han realizado algunas investigaciones exploratorias. Cabe decir que el desarrollo del APV en China acaba de comenzar.
3 Las perspectivas de desarrollo de los vehículos de combustible alternativo
Entre los diversos combustibles alternativos para automóviles, 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 un rendimiento energético medio. En los últimos años, los vehículos a gas natural han representado una gran proporción de los autobuses nuevos en Estados Unidos. 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 dimetil éter tienen buenas características de emisión y tendrán buenas perspectivas de aplicación, especialmente como alternativa al diésel para 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 los avances de la tecnología de células solares, tal vez los vehículos eléctricos puros puedan marcar el comienzo de una buena situación de desarrollo. Aunque los vehículos propulsados por aire comprimido alcanzan una contaminación cero, su rendimiento general dista mucho del de los vehículos tradicionales y sólo pueden utilizarse en un pequeño número de ocasiones específicas.
Las pilas de combustible son la fuente de energía del automóvil con mayor índice de utilización de energía en las condiciones técnicas actuales. La energía específica de las pilas de combustible puede alcanzar 200-350 Wh/kg, que es 2-3 veces mayor que la de las baterías de iones de litio. La eficiencia de conversión de energía es tan alta como 60 ~ 80, que es 1,5 ~ 2 veces mayor que la de un motor de gasolina o diésel. Puede lograr una contaminación ultrabaja o incluso nula, y la energía del hidrógeno utilizada en 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 con el fin de aprovechar una ventaja en el futuro desarrollo del automóvil. De 1993 a 2000, Daimler-Benz Cars lanzó los FCEV de las series Necari-Necar IV y Nebas. En mayo de 2001, el Necar4 fue probado en Estados Unidos, con una potencia de 55 kW, una velocidad máxima de 145 km/h y una autonomía a plena carga de 450 km. El último Necar V-FCEV utiliza pilas de combustible de metanol. En 1997, Ballard Power y Ford Motor Company fundaron Xcellsis para desarrollar vehículos 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 vehículos de pila de combustible más poderosa del mundo. El Instituto Central de Investigación de Energía Eléctrica de Japón está desarrollando completamente pilas de combustible utilizando cerámica resistente al calor. La batería funciona a una temperatura alta de 1000°C y tiene una eficiencia de generación de energía muy alta. La potencia de salida del electrolito alcanza 1w/cm2, que es cinco veces mayor que la de las pilas de combustible tradicionales. EvomR está comprometida con el desarrollo de pilas de combustible de aluminio-zinc y ha alcanzado un nivel considerable.
En resumen, la evaluación integral de los combustibles alternativos debe considerar los siguientes factores: costo del combustible; costo del vehículo; dependencia del petróleo importado; contaminación por emisiones de efecto invernadero; y seguridad de las instalaciones de carga de riego; kilometraje de carga y tiempos de reabastecimiento de combustible; En base a estos factores, el GNC y el GLP son actualmente los combustibles alternativos más fáciles de utilizar. Los indicadores 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 gas licuado de petróleo, el gas natural comprimido y el etanol siga aumentando. La cuota de mercado del dimetiléter y del diésel sintético crecerá rápida y constantemente en diez años. Los vehículos eléctricos híbridos seguirán desarrollándose y aumentarán rápidamente su cuota de mercado. Los vehículos de pila de combustible se industrializarán dentro de 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 segmento de 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 para la gasolina y el diésel son cada vez más altos, y La tecnología de los motores se desarrollará rápidamente y mejorará la eficiencia energética. Se utilizarán rápidamente combustibles alternativos, los vehículos a gas natural y los vehículos a etanol serán los primeros en utilizarse a gran escala, y el éter dimetílico y los combustibles sintéticos ampliarán gradualmente su ámbito de 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 de la industria del automóvil durante al menos 30 años. Por lo tanto, debemos integrar recursos, acelerar el desarrollo de vehículos híbridos y alcanzar nuevas alturas en el desarrollo de la tecnología automotriz.
Las pilas de combustible son la fuente de energía automotriz más prometedora y la principal fuente de energía para los automóviles del futuro. ¡La industria petrolera nacional debería desarrollar conjuntamente tecnología avanzada de pilas de combustible con la industria automotriz para tomar la vanguardia de la futura tecnología automotriz avanzada!