一、前言

　　法规依旧是汽车技术发展的重要动力。目前汽车尾气排放是法律法规关注的焦点，可以预料将来会更受关注，排放限制会越来越严格并向超低排放、零排放发展。另外，矿物燃料日渐减少并最终会枯竭、全球变暖和大气污染问题日益严重，使得汽车制造者和使用者比以往任何时候都更加关注节能和提高燃料经济性的问题，也迫使人们研究开发能最大限度地减少或消除对矿物燃料的依赖的代用动力装置，包括蓄电池、燃料电池、混合动力汽车、替代燃料汽车等。汽车安全也依然是汽车设计、制造、使用中的重要课题，是汽车发展的方向之一。当前，汽车上主要应用小功率电器，汽车与基地间的通信通过移动电话进行，汽车主要以钢质结构为主。预计到2010年，汽车上会有很多大功率电子设备，无线通讯系统将汽车与基地站及其它汽车连接在一起，铝、塑料、增强纤维复合材料等高强度轻质材料将成为汽车的主要材料。科技的迅猛发展、遵循Moore法则的计算能力的提高、数字技术、电子技术、信息通讯技术的发展、新型材料的开发、新技术新工艺的应用等将强有力地推动这些转变。这里仅就目前及将来汽车研究与发展中的几个主要技术问题进行讨论。

　　二、计算机控制和信息通讯技术

　　上个世纪70年代末，波许公司推出Motronic电控汽油喷射系统；福特公司推出了第一代发动机电子控制器(EEC-Ⅰ)，通用公司研制了单点燃油喷射系统。自此开始了发动机计算机综合控制的时代。利用各种传感器检测到的信号，相应系统可以控制点火正时、怠速、爆燃、燃油计量、EGR、油气净化碳罐、气门正时等。现在的豪华轿车有多达50-60个微处理器，控制功能扩展到整车，如防抱制动控制、安全气囊、驱动防滑控制、发动机和变速器管理、驾驶控制、车内气候控制等。对这些方面的研究仍在继续深入。

　　正在研究开发的汽车稳定性控制系统将用于协调汽车的制动、加速、转向以提高汽车行驶稳定性。主动防偏航控制(active yaw control)系统通过控制发动机输出扭矩并实施单侧制动，自动调整行驶方向，以保证汽车的行驶安全。

　　汽车驾驶员注意力分散极易导致车祸。正在投入应用的可以提高驾驶员注意力的技术有：正前方显示、语音识别与合成、人机工程更友好的内部设施、自动调光后视镜、速度感应音量控制。目前，这些系统均限量生产，10年内产量会有所增加。统计表明，驾驶员的平均年龄有增高的趋势，发生车祸的可能性也增大了。正在研究开发中的避免事故系统有：增强可视性和夜视系统、盲点和障碍物-行人探测系统、自适应巡航控制、位置示警系统。

　　越来越多的人乘坐汽车上下班，还有一些人没有固定的工作地点，通过汽车奔忙于各地。汽车已成为无以替代的交通工具。正在研发应用的信息通讯技术满足了这种需要。它将单车上各种仪器设备之间、仪器设备与人之间、汽车与外部信息基础设施(如Internet)之间的信息流融为一体。汽车成为具有双向通讯功能的移动办公室。汽车公司与计算机公司、软件公司合作，使汽车成为一种多媒体通讯电脑平台，支持信息处理、通讯、娱乐、安全和防盗等功能，提供家庭及办公环境。目前的移动电话仅仅是一个开端。未来的汽车将有Internet接口、自动交割功能(如自动缴纳通行费)，以及求应服务功能(如遥控锁门、关门及报告所在位置)。要实现这些，有赖于数字技术、电子技术、人工智能技术的突破。

　　三、新型42V/14V电压体系

　　未来的汽车电子设备将需要比目前容量大得多的车载电源，因而也使线束尺寸呈指数倍增长。正因为此，许多汽车专家都支持用新的42V/14V双电压体系代替目前的14V电压体系。

　　采用42V而不是更高的电压，根本原因是出于安全考虑。美国汽车工程师协会推荐60V(DC)为汽车明线制的最高安全电压。在考虑了过电压后，最大安全电压降到50V(DC)。推荐的42V/14V双电压体系符合这一安全原则，且与传统电气系统完全兼容。

　　42V电源可以提高现有电器设备的工作效率，为发动机电子控制气门和电动助力动力转向、三效催化器电加热器、电气悬架等较大功率的用电项目提供充足的电能，提高额定电压值可大幅降低额定电流，减小损耗，实现小型化。另外，新的复式起动机/交流发电机对充电系统和附件负载有更高的用电供电要求。14V电源用于在低电压下工作效率更高或更经济的功率负荷不大的部位或时段。

　　由于双电压供电，需要14V和42V两个电池组，导致附加承载、占用空间和成本增加。但最终，整个系统会采用42V电池，这时需要DC-DC转换器将42V变换到14V的低电压。存在的技术问题还有：新电气系统的瞬态特性评估、功率流向与分配、系统保护、DC-DC转换器设计、电能管理等。

　　四、内燃机技术

　　20世纪前半叶，传统内燃机仍是主要的动力源，人们追求的目标是效率最高和排放污染最低。由于采用提高压缩比、多气门和可变配气系统、增压、空燃比传感器/氧传感器、进气道汽油喷射、气缸内汽油直接喷射、稀混合气分层燃烧、EGR等技术，配合三效催化剂等排气后处理技术，汽油机的排放已降到未加控制前的1%以下。缸内直喷方式有望取代进气道喷射成为汽油喷射主要形式，代表汽油机的发展方向。存在的问题是缸内积碳、高压油泵的润滑和密封性、喷油器堵塞问题。如何有效而可靠地实现部分负荷下缸内混合气的分层与稀薄燃烧，是缸内直喷式汽油机的关键技术。

　　柴油机的燃油经济性优于汽油，如不用催化剂，柴油机的排放性能要优于汽油机。但柴油机的弱点是NOx、微粒和噪声较难控制。已采用的控制措施有24气门、增压中冷、电控高压喷油、滚流/螺旋气道、可变涡流、强紊流燃烧室等。电控共轨式柴油喷射系统是最有发展前途的喷油系统，可以自由控制喷油量、喷油压力、喷油速率和喷油定时。

　　未来柴油机将采用轻质材料、超高压喷油、高增压、智能EGR、多气门，汽油机将与柴油机逐步相互接近，界限会越来越模糊。甲醇、乙醇、CNG、LPG、DME、H2等代用燃料在内燃机上的开发应用会进一步发展，但由于社会基础设施等因素限制，短期内进展不会很快。

　　五、稀燃催化技术

　　发动机在氧气过量的稀混合气条件下燃烧具有良好的燃料经济性，可减少CO2的排放，也可以大幅降低HC、CO的排放量，这是内燃机的主要发展方向。然而稀气燃烧使三效催化剂失效，NOx的排放急剧增加。一般将NO、NO2这两种氮氧化合物总称为NOx，它是大气成分之一。在环境温度下，低浓度的NOx逐渐与O2和N2达到动态平衡以达到不对环境构成威胁的目的。当浓度较高时NOx 可与大气中的其它气体(如HC)在一定条件下反应而产生化学烟雾。这就意味着非平衡态的高浓度NOx长期存在于大气中，这对环境构成威胁。

　　研究人员已成功地开发出稀燃NOx催化剂以使发动机排气中的NOx、O2和N2达到平衡。目前，稀燃NOx催化剂分为选择还原型和NOx捕集型。但NOx催化剂存在技术问题，尚未达到商业应用水平。除了催化器系统的生产成本很高以外，汽车燃油中的残余硫分损害催化剂的寿命。燃油中的硫可与空气中的氧反应，生成的硫氧化物SOx覆盖在催化剂表面，将NOx与催化剂隔离，因而催化剂失效。选择还原型催化剂初期净化性能不高，但硫分的损害较小。NOx捕集型在使用初期净化效率高，但受硫分影响大。降低燃油中的含硫量是解决硫中毒的根本措施。

　　六、蓄电池

　　在传统汽车上，蓄电池用于起动供电、储存多余电能、补充供电。在前景看好的电动汽车上，蓄电池作为动力源是电动汽车的基本型式。如果不考虑电能的来源，电动汽车是目前唯一能达到零排放的机动车。

　　蓄电池主要镍镉型、铅酸型、镍锌型、锂型、钠镍型、钠硫型、镍氢型等。目前，各型蓄电池程度不同地存在一些问题，即成本高、寿命短、比能量低、比功率小、体积和重量大、充电时间长。目前还没有一种电池全面适合电动汽车，这使得蓄电池成为电动汽车发展和普及的瓶颈。必须解决的关键技术问题还有电机及其控制器、充电站、整车设计。

　　七、燃料电池

　　燃料电池是使H2与空气中的O2反应放电的装置，有碱性、质子交换膜、磷酸型、固体氧化物等几种型式，总热效率可高达80%，污染极少，是新世纪最有前途的动力源。随着低温质子交换膜(PEM)技术取得新的进展，燃料电池汽车(FCV)成为人们关注的焦点。FCV用燃料电池组代替内燃机提供动力，车上携带装氢气的燃料罐。

　　氢的制取存在成本和效率的问题。当前，矿物燃料制氢在能源利用上占有优势地位，利用热化学制氢和核能的高级高温反应堆(HTR)电解制氢有较高的预期效率。太阳能制氢的效率最低但最有前途，随着太阳能技术的进步，太阳能电池的成本大幅下降，氢必将替代矿物燃料。

　　气态高压储氢、深冷液化储氢、金属氧化物储氢等，不同程度地存在成本高、体积和质量大等问题，其中金属氧化物储氢有较大应用和发展潜力，关键是储氢金属的选用，要求价格便宜、性能稳定、质量轻、释氢容易。

　　作为过渡措施，可以采用催化重整装置(改质器)，汽油、甲醇、天然气、煤炭等燃料经催化重整产生氢气。尚待解决的问题是，汽车运行速度、负荷等运行工况参数的动态变化将引起汽车对氢燃料的需求量的变化，而催化重整装置输出氢气的量一般是稳定的，这对燃料重整技术是一个重要挑战。

　　八、混合动力汽车

　　燃料电池车是人们追求最佳燃料经济性和排放性能的最终梦想。另一个可行方案是混合动力汽车。它有两个驱动系统，一个是传统内燃机或代用燃料内燃机，一个是电动机。两个系统可以有串联、并联、串并联等几种组合方式。它在排放、节能等方面接近于电动汽车，动力性、续驶里程与普通燃油汽车相当。它可以回收利用制动损失的能量。传统汽车制动系将汽车的动能转化为不可逆的热能而浪费掉了。与此相反，混合动力汽车利用安装在车轮上的直流发电机将摩擦产生的热能转化为可以重新利用的电能储存起来。这大大提高了汽车燃料经济性，特别适用于走走停停的城市行驶工况。

　　混合动力汽车的技术关键是内燃机与电机最优耦合功率分配比的控制和实现、功率分配装置及其与变速器一体化的设计。另外，它的重量和制造成本可能会高于传统内燃机驱动汽车，因此需要进行优化设计。随着复式起动机/交流发电机、新型发动机飞轮和低成本电器设备的研发成功，到2010年会有数以百万计的混合动力汽车投入运行。尽管混合动力汽车有较优越的性能，但它毕竟只是内燃机汽车到纯电动汽车的过渡形态，一旦电池技术成熟了，它就没有存在的必要了。

　　九、结束语

　　21世纪的汽车整车发展趋势是系列化、模块化、轻量化、小型化、电子化、个性化。国外汽车研究开发计划涵盖了从电子设备、化学装置到高技术材料、整车计划等各个领域。随着中国、印度、巴西等发展中国家经济实力的增强，这些国家将成为具有诱人前景的潜在的汽车消费市场，成为世界各大先进汽车制造商角逐的舞台。

　　中国很快就会加人WTO，对中国的汽车制造商来说，这既是机遇更是严重冲击和重大挑战，缓冲的时间和空间都不大。中国的汽车工业要真正成为国民经济的支柱产业，必须在跟踪国外先进技术的同时，瞄准汽车发展中的高新技术进行重点攻关，比如缸内直喷技术、燃料电池、太阳能电池、新材料、能源储存技术、电子控制技术等。中国有必要效仿美国的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，政府、汽车制造商、大学、科研机构全面参与，统一协调，实现资金、技术、人力资源的优化配置，保持一些关键领域的创新和领先势头。在起点相差并不太远的领域抢占制高点是可能的，但是行动速度要快，否则中国的汽车制造商就只能成为跨国公司的加工厂或者被淘汰。