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作者:徐業良(2010-05-13);推薦:徐業良(2010-05-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年六月號,史丹福專欄。

未來汽車動力科技競爭誰會勝出?

上個禮拜國小六年級女兒期中考,幫她複習她不太拿手的社會科,其中有一段提到18世紀蒸汽機的發明,帶動了西方工業革命等等。

女兒問我,蒸汽機是什麼?現在還有人用嗎?我只能含含糊糊地回答,蒸汽機像是燒開水一樣,用開水的蒸汽來推動機器、火車、輪船之類的。古早的東西,早就沒有人在用啦…

您知道,咱們現在也正處在另一個人類科技文明歷史重大改變的當口,使用石化燃料汽油、柴油等為能源,存在一百多年的傳統內燃機引擎汽車,也勢必要逐漸走入歷史,走入國小的社會課本…

地球石油的蘊藏量只能再維持四五十年,是個重要原因,使用石化燃料的二氧化碳排放造成地球暖化等環保因素,更是直接而強大的壓力。找出一條讓汽車可以永續的出路,幾乎是目前所有汽車廠優先度最高的事,事實上未來的汽車動力科技的競爭幾乎已經到了「決戰點」,哪一種動力科技可以勝出,也許就能掌握汽車未來的,well,也許至少又是一百年。

當然大部分人-車主或汽車廠-都還不願意立即放棄手中開了一百多年的內燃機引擎汽車,各種引擎技術的改良還在不斷進行之中,事實上現代汽油和柴油引擎技術已經進步到一個程度,甚至十年前被認為完全達不到的動力輸出和廢氣排放標準,現在都已經可以做到了。

直接噴射供油控制技術和渦輪增壓技術的精進,是汽油引擎油耗、廢氣排放還可以持續下降、動力卻還能不斷提升的重要原因;先進的電子控制技術可以將引擎燃燒過程做非常精密的控制,更使得古老熱力學「奧圖循環(Otto Cycle)」理論可以成真,所謂「HCCI引擎」成為內燃機引擎研究非常熱門的關鍵字。

HCCI全名為“Homogeneous Charge Compression Ignition”,中文不知道該怎麼翻譯,「均勻進氣壓縮點火」?基本來說,HCCI過程中,燃料和空氣在燃燒室中均勻混合,且空氣比例非常高(也就是稀薄燃燒,lean mixture的狀況),當壓縮行程中活塞行進至上死點時,壓縮空氣做功產生的熱可以自動點燃油氣混合氣。

聽起來怎麼像是柴油引擎的動力行程?的確,HCCI技術能夠讓汽油引擎有柴油引擎的高效率,但是卻沒有柴油引擎NOx之類的排放問題。HCCI的稀薄燃燒方式使得引擎省油率提升15%CO2NOx等廢氣排放卻都大幅降低。

高效率、低污染,古老的美夢成真。HCCI引擎控制技術並不容易,但好幾家車廠已經著手開發HCCI引擎,動作最快的福斯車廠已經有一部Golf 2.0量產版HCCI引擎車。

現代柴油引擎技術的進步也十分快速,柴油引擎有先天上省油、耐用的低成本優勢,低轉速就有大扭力輸出,加上許多歐洲車廠致力於改善柴油引擎的精緻度和降低污染,近十年來柴油引擎車已經有完全脫胎換骨的改變,您心目中的歐洲品牌高級車,朋馳、BMW、福斯等,都有配置柴油引擎的高級車款,雖然NOx的排放還是柴油引擎需要解決的問題。

看起來汽油、柴油引擎還會被使用好一陣子,使用傳統的石化燃料,或者使用比較環保的再生能源,像是生質柴油或酒精。

生質柴油(biodiesel)流行的時候,常常看到很誇張的「廚餘變黃金」之類的新聞報導,像是把麥當勞炸薯條的廢油或是肥豬肉轉化成生質柴油之類的。不過這也正透露出生質柴油的重要問題,生質柴油缺乏標準,每一種不同來源的生質柴油-儘管都叫做生質柴油-化學成分都不盡相同,柴油引擎很難適應這些各式各樣的生質柴油。

柴油引擎究竟是為了石油基柴油設計、校調的,舉例來說,石油基柴油的「雲點」大約在攝氏零下15度,而生質柴油-您知道,可能是紅燒肉提煉出來的-在攝氏零度時便會開始「雲化」,油脂會凝結成白色黏稠狀,低溫時很容易堵塞汽車油路。此外您要上那兒找那麼多炸薯條的廢油來製造足夠的生質柴油供汽車使用,也是個現實上無法達到的問題,所以基本上生質柴油在汽車上的應用,前途不那麼被看好。

比起生質柴油,汽車使用酒精當燃料似乎就合理許多,至少所有的酒精-不管來源是甘蔗還是高梁-化學成分都完全一樣,汽車的燃油系統不需太多的校調,就可以使用酒精燃料。酒精是土地裡種出來的再生能源,目前該算是汽車使用再生能源的主力,盛產甘蔗的巴西早已大量在汽車上使用酒精做燃料;歐洲大部分加油站賣的汽油,都已經攙了5%的酒精;歐盟規劃在2015年時8%的汽車燃料是再生能源,酒精也是實現這項規劃的希望所寄,。

酒精燃料曾經遭人詬病的主要問題,是酒精生產過程中也會消耗大量能源、產生大量二氧化碳,然而近年來酒精製程不斷改良,新的製程產生二氧化碳已經降低90%以上,而且可以從糖、澱粉、甚至植物纖維(像是稻草)等各種來源提煉酒精。當然除了這些技術性的問題之外,廣泛種植能夠生產酒精的「能源作物」,可能和糧食生產發生排擠,甚至造成熱帶雨林被砍伐等等環境問題,也是酒精燃料必須面對的非技術性議題。

汽油、柴油引擎應該還不會太快走入歷史,另一個原因是電動馬達搭配引擎的Hybird油電混合動力汽車大行其道。油電混合動力汽車出現在1997年推出的Honda InsightToyota Prius,開始時不怎麼受到重視,但現在Hybrid已經被認定是未來量產汽車發展的重要方向,擁抱這項技術的車廠越來越多。

早期的油電混合動力汽車多半採用「平行式動力架構」設計,也就是說電動馬達和內燃機引擎同時能提供汽車動力,電動馬達在內燃機引擎性能比較弱的低段轉速作補強。新的油電混合動力汽車則轉向「序列式動力架構」設計,內燃機引擎動力不是直接驅動車輪,而是轉換成電力後提供給電動馬達運轉再驅動車輪,讓內燃機引擎能在工作效率較佳的轉速範圍運轉,可以用一個較小、較輕、較便宜的引擎定速運轉來對蓄電池充電,而讓電動馬達做實際驅動汽車的工作。這種架構內燃機引擎更省油、廢氣排放低,汽車蓄電池也不會被用到完全沒電,進入電池專業術語的「深循環(deep cycled)」,使得電池的壽命也較長。

可充電式(plug-in)的需求也是目前油電混合動力車的重要訴求,所謂Plug-in Hybrid,就是Hybrid車的電蓄電池除了由內燃機引擎充電外,也可以像純電動車一樣直接把插頭插在家中插座上充電,像是2009年推出最新的第三代Prius便是一部Plug-in Hybrid

扯到這裡,先和您確認一下這項汽車界的共識:未來汽車一定是電動車。

未來汽車動力科技真正的決戰點是電動車電能供應的方式。像是序列式動力架構的油電混合動力汽車基本上是用內燃機引擎來為電動車發電,常被視作從內燃機引擎汽車轉換到純電動車過渡時期的作法。「純電動車」的電力來源則有兩大主流競爭,鋰離子電池和使用氫能源的燃料電池。在汽車產業的強烈需求下,鋰離子電池技術進展十分快速,成本降低、壽命延長,在未來汽車動力科技的競爭中似乎較燃料電池佔了上風。

尋找一個能對鋰離子電池快速充電的方法,鋰離子電池能應用在汽車上優先度最高的問題,近幾年來這個問題已有所突破,也是鋰離子電池能佔到上風的重要原因。電池充電除了研發技術上的解決方式外,汽車廠也不斷從其他角度思考如何解決這個問題,讓純電動汽車至少在短中途交通上能夠是一個實用的選擇。像是設計快速簡易的拆換電池方式,如此可以不設加電站而改設「電池交換站」;電池電力的基礎建設也在慢慢演化之中,家中車庫、工作場所和公有停車場設置充電站,都可以供應純電動車在市區短程交通所需電力,

使用氫能源的燃料電池如何應用在汽車上,長期以來一直很受到重視,各國(包括台灣)都正在進行燃料電池的大型研究計畫,汽車廠也投入大筆經費發展燃料電池汽車,但直到目前為止似乎還沒有很有說服力和實用性的成果,馬路上還沒有看到量產的燃料電池電動車。

燃料電池應用在汽車上的問題,除了成本、壽命等鋰離子電池也必須考慮的因素之外,燃料電池有一個和鋰離子電池基本不同的特性,燃料電池(fuel cell)是一個化學發電機,不是蓄電池。像是所有發電機一樣,燃料電池最有效率的設計是持續產生穩定的電流,應用在汽車上要求燃料電池依照駕駛人踩踏油門做快速的動力提升和反應,是非常困難且成本非常高的技術。

因此燃料電池電動車最新的思考,是仿照油電混合動力車的作法,以燃料電池對一個蓄電池充電,由蓄電池來驅動電動馬達,Mmm,可充電式的燃料電池混合動力車。

當然燃料電池電動車加氫站基礎建設也是一個困難的問題,要解決氫氣的儲存和運送,可能遠比設置加電站或「電池交換站」還要困難。燃料電池電動車?可能會發生,可能不會。也許在經濟、環保上比較合理的作法,是用氫能源燃料或其他再生能源來經營電動車發電站,而不是直接對燃料電池汽車加氫。

三十年後汽車動力科技競爭塵埃落定,國小社會課本提到這一段人類科技文明史,不知道會如何撰寫…