汽車替代能源種類概述

1. 汽車替代能源種類概述 班級：四技電機四甲 組員：49305132 蔡宏典 49305134 黃毓修

2. 前言 • 在現今原油價格飆漲，以及環保意識抬頭的情況下，各個車商皆開始致力研發替代燃料來驅動的汽車。目前所知，已發展出的種類包括：瓦斯、氫、生質燃料、空氣、油電。雖然短期內還難以普及，但發展替代能源以成為世紀課題；尤其，石油用罄時我們可以開什麼車？

4. 瓦斯 • 國內目前所稱的「瓦斯車」，嚴格說來應是以LPG（Liquefied Petroleum Gas）液化石油氣與汽油為動力的雙燃料車型。 • LPG的主要來源有兩種，一為「天然氣分離」而得，另外一種則為「原油煉製」過程中產生的副產品，主要由丙烷與丁烷依一定比例混合而成。 • 此系統為瓦斯及汽油交互切換使用系統，引擎啟動時均是以汽油系統啟動，切換至瓦斯氣桶啟動時，仍是以汽油系統啟動，達到設定之引擎溫度及轉速時，才自動切換至瓦斯系統。

6. 油氣雙燃料車的優點 • 價格較低簾，目前國內LPG較汽油燃料價格低廉，約為汽油營運價格的60%，對一般營業汽車而言，可以降低其業成本。 • 燃燒性好 LPG在常溫常壓下為氣態，較液態之汽油易於和空氣完全混合燃燒，有助於提昇燃燒效率。 • 排氣污染少 因使用LPG燃燒較完全，故污染量明顯降低。使用LPG為燃料的車輛排氣成份中二氧化碳較汽油車少，對溫室效應影響較低。同時LPG車的排氣中幾乎不含苯，可降低對人體健康的危害。 • 行駛性能佳 LPG之辛烷值（約110～125）較汽油（約92～98）高，因此抗爆品質佳，較不易產生爆震。一方面可提升效率，一方面可降低噪音及機件磨損。 • 含硫量甚低，降低觸媒轉換器損耗。

7. 瓦斯車V.S.汽油車 溫室氣體排放量數據表

8. 省油能力，LPG不突出。原因是LPG空燃比例要求與汽油不同，一公升所能行駛的里程數大約只有汽油的八～九成，但是環保的排放指數與約為95無鉛汽油一半的價格，是LPG最顯而易見的實質省錢功效。省油能力，LPG不突出。原因是LPG空燃比例要求與汽油不同，一公升所能行駛的里程數大約只有汽油的八～九成，但是環保的排放指數與約為95無鉛汽油一半的價格，是LPG最顯而易見的實質省錢功效。 目前LPG牌價為每公升17.7元，只要LPG車種在環保署認證名單之中，國家將會提供每公升2元的補助，加上某些加氣站本身亦有1.5元的優惠，東減西扣下，每公升只需14.2元。 據義大利BRC LPG代理商工程師表示，就算每個人駕駛方式不同，LPG平均仍可以省下三～四成的油資開銷，改裝回本速度比柴油車還要快。 最大缺點加氣站過少以及鋼瓶佔用後行李廂空間，改裝LPG的最佳人選，對住家或公司附近設有加氣站的人會較為適合。

9. LPG最大缺點 鋼瓶佔用後行李廂空間

10. LPG優點 LPG目前一公升價格約為95無鉛汽油的一半

11. 氫氣 • 大家印象最深的應該就是二次大戰前的飛船，利用氫氣比空氣還要輕的特性而讓它可以在空中飛行，但因為安全的考量，氫氣可應用的範圍並不大，直至近年才又受到重視。 • 燃燒所產生的是純淨的水，對環境沒有污染，因此工程師們發展出氫氣內燃機引擎。 • 內燃機引擎在燃燒爆炸產生動力之前需要先將燃料與空氣等比例混合，一般的汽油引擎其汽油所佔比率要在體積百分比1.3~1.7%之間，也就是說如果進入內燃機的汽油與空氣比率沒有在1.3~1.7%之間，則內燃機將無法正常運作，甚至會熄火。若是氫氣引擎，則氫氣所佔體積百分率在9~26%之間即可正常運作。 • 可見氫氣引擎的穩定性較高，先將氫氣儲存於儲氫合金中，透過定體積噴射系統(CVI)，將氫氣與空氣以固定體積比射入氫氣內燃機，點火爆炸後產生動力。目前氫氣引擎車的造價當然無法與傳統汽油引擎車匹敵，但是可以和電動汽車競爭。迎接二十一世紀零污染的未來，氫氣引擎車將是環保的新尖兵。

12. 氫氣引擎的運作過程與汽油引擎幾乎完全相同，氫氣引擎的運作過程與汽油引擎幾乎完全相同， 差別在於控制介面與設定。

13. 氫氣可供汽車使用的範疇 包括燃料電池與氫氣引擎，傳統汽油引擎經過微幅修改後即可使用氫氣為燃料，目前BMW及Mazda在這方面的技術已非常成熟。氫氣動力未來應該還有非常大的進步空間，甚至能與Hybrid系統結合，用氫氣引擎來取代汽油引擎而成為先進的Hydrogen Hybrid！如此更可減少氫氣使用量並帶來更為經濟的表現。

14. 第一部掛牌的氫氣車RX8 Hydrogen RE

15. 生質燃料 • 一般而言，所謂生質燃料，即是以農作物作為原物料，用來生產如生質酒精、生質柴油等燃料。現行生質燃料主要有兩種，一是乙醇（生質汽油）由甜菜、小麥、玉米與甘蔗等製成，使用於汽油燃料引擎；另一則是榨取自菜籽油、向日葵油、大豆油與棕櫚油再混合柴油燃料製成的生質柴油，使用於柴油引擎。 • 生質燃料與其他容易產生大量二氧化碳的能源相當不同的是，由於其燃燒時所產生的二氧化碳，即是生質作物進行光合作用從大氣中所獲取的，故而理論上較不會增加大氣中二氧化碳的淨含量，是而被視為更為「乾淨、環保」的能源，更有助減緩全球暖化的速率。 • 生質燃料並非毫無爭議，由植物提煉的生質燃油一開始頗被看好，但幾年下來證明它排出的廢氣污染比汽油引擎更嚴重，且造成農作物價格快速飆漲，靠它並無法救地球。

16. 生質燃料的正負面衝擊 • 玉米酒精的整體生產過程所消耗的能源是否比產出的多？ • 溫室氣體減排效應為何？ • 生質乙醇的生產是否消耗太多水資源？ • 土地使用的負荷如何？是否會造成對糧食作物的排擠效應？

17. 相關的研究結果 • 科學家對油菜籽和玉米製生質燃料所排放的氣體進行檢測，發現兩者產生的溫室氣體分別比礦物燃料高出百分之七十和百分之五十，即產生的溫室氣體要比汽油等還多。尤其關切氧化亞氮（N2O）的排放，這種氣體的溫室效應比二氧化碳強二九六倍。 • 英國環境信託組織發表與其以生產生質燃料的途徑來減輕全球暖化效應，不如以造林模式來達成目的的研究結果。 • 康乃爾大學的昆蟲學家David Pimentel指出 ，美國種植玉米實際上消耗大量的水資源，每生產一加侖的玉米乙醇，就會消耗掉1,700加侖的水。此外，種植玉米需要施灑大量的氮肥，經由溢流(run-off)，這些化學物質被排到溪流與大海中，墨西哥灣的「死亡地帶(dead zone)」即是因為中西部施灑大量氮肥與磷肥，排入密西西比河再入海而造成的生態破壞地帶。

18. 相關的研究結果 • 全球森林聯盟（Global Forest Coalition，GFC）的成員高列特（Sandy Gauntlett）說明巴拉圭為因應歐洲大豆的需求，擴增大豆種植面積；隨著大豆價格上漲，巴拉圭為了獲得更多種植大豆的土地，開放砍伐鄰近的森林。 • 聯合國糧農組織（FAO）和經濟合作暨發展組織（OEDC）的報告則提出警訊：全世界未來10年對生質燃料的日益依賴，可能造成貧窮國家的糧食價格高漲，而這些國家目前已經面臨愈來愈大的消費壓力。糧農組織表示：「大量的使用穀類作物、糖、榨油用種子以及蔬菜油，用以滿足迅速擴大的生質燃料工業需求，是未來驅使農產品價格上漲的主要因素之一。」

19. 空氣 • 拜油價節節高漲及環保意識風行之賜，法國設計師蓋．尼可拉（Guy Negre），於2002年10月巴黎國際汽車展覽會上，一種不需要用燃油，而用壓縮空氣推動引擎的小型汽車城市之貓「City cat」，空氣車的壓縮空氣引擎和傳統的汽油引擎相較，最大區別在於傳統引擎是通過汽油和空氣混合燃燒釋放的能量提供動力，空氣車則是通過氣體的壓縮和膨脹來推動引擎。

20. 空氣車的工作原理 • 壓縮空氣儲存在一個纖維容器內，利用其壓力來推動發動機的活塞。在整個過程中，不需要燃燒，無有害氣體的排放問題，不會對環境造成污染。不需燃燒，故意謂發動機不需要耐高溫和高壓，可大幅降低成本，且因使用空氣，潤滑油每50,000公里才須更換一次。MDI引擎工作循環 (The cycle of the MDI cycle)壓縮階段：在引擎中，經由活塞壓縮大氣空氣至 20 Bar，且在此過程中會增溫至400℃。空氣注入階段：當活塞停下時，儲氣槽會把同環境溫度的壓縮空氣注入氣鋼。擴張階段：注入的空氣導致快速的壓縮和擴張來推動活塞反覆動作，推動曲軸提供動力給引擎。

21. 空氣車系統簡圖

22. 油電複合 (Hybrid) • 油電混合動力是這兩年來新興的替代動力，除了極為明顯的省油能力之外，扭力表現優異的電馬達驅動也能兼顧行車的順暢性。 • Hybrid複合動力技術主要在引擎與變速箱之間加入電動馬達與大型發電機，透過控制機構而進行引擎或電動馬達的切換來驅動變速箱，低速及市區行車只使用電動馬達，蓄電量即將用完時則以引擎帶動發電機運轉而進行充電。現今最新型態的Hybrid系統甚至已可讓引擎與馬達在低速狀態下同步運轉，可作為增強低速扭力之用，甚至還可運用馬達可逆轉的特性而轉為煞車系統的一部分。 • 油電混何車牌浪二氧化碳的數量，比排氣量1800cc的傳統汽車減少50％。

23. Hybrid的動力結構由汽油引擎與電馬達所組成

24. Hybrid系統種類 • 串聯式系統：引擎發動驅動發電機發電，電能通過電動馬達驅動車輪的形式。 • 並聯式系統：發電機與電動馬達共同驅動車輪的方式。 • 混聯式系統：使用電動馬達、引擎、或兩者同時運動為動力來源。由於混聯式系統已把發電機整合在內，因此系統可根據行車狀況，在行駛時同時為電池充電。

25. 油電系統示意圖

26. 動作原理： • 啟動：由於汽油引擎在低速時，無法有效率產生扭力及動力，而電動馬達則能夠提供一個非常平穩的起步。 • 中低速：然由引擎在中低速的狀態下是最不經濟的速度。但電動馬達在低速的次範圍內卻能夠產生最有效率的輸出功率，故在此速率下是由電動馬達使用電池中的電能來動作。(如果電池存量偏低，汽油引擎會適時運轉並產生動能提供給發電機。) • 一般行駛：根據行車狀況(如駕駛踩油門力道、行車速度等)綜合協調使用電動馬達及汽油引擎來驅動，已達到最佳運作效率。(當電池電力偏低時，系統將把汽油引擎的動力直接轉動發電機，適時將動力充至電池)

27. 藉由引擎與變速箱之間所增設的電動馬達、發電機與轉換介面，在低速行車狀態下可只以電力行駛。藉由引擎與變速箱之間所增設的電動馬達、發電機與轉換介面，在低速行車狀態下可只以電力行駛。

28. 動作原理： • 高速行駛：行車速度提高後，使用汽油引擎為主要動力來源，當汽油引擎產生過多的動能，多餘的動能亦會自動轉變成電能透過發電機儲存回電池中。 • 減速:當系統偵測到駕駛者踩油門踏板力到消失，會自動將汽油引擎與電動馬達等驅動力量暫停，同時利用車輪轉動的動能帶動電動馬達成為發電機的電力，並回充及儲存至電池中，因此電池電力完全不需要從外界補充。

29. 結語 • Carl Benz發明汽車，Henry Ford成立量化的汽車生產線，目的為的是讓所有民眾都買的起車，這些發明皆造就了社會經濟的快速發展，汽車也成為民眾生活不可獲缺的必需品，但實際上引擎所排放的二氧化碳也慢性的侵蝕了地球的健康，科學家在’90年代提出的警告雖然促成聯合國於1997年12月在日本京都通過二氧化碳排放限制條約（通稱：京都議定書），但仍未受到重視，直至現在地球暖化所造成的氣候異常現象終於讓人們得到教訓，並開始省思如何保護環境。