減碳科技：使地球永續轉動–節能車
102/03/15
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20158
蕭瑞陽｜
南台科技大學機械工程系
一口井若不超過10個人使用，它是足夠的；但如果有幾百個人要用，它就不敷使用了。人類剛發現石油時，因為需要用到它的人不多，所以顯得非常充裕。隨著工業化和科技的進步，人們對石油的仰賴程度與日俱增，石油的消耗量急速上升，各國都面臨相同的問題，什麼時候沒有石油可用？大家都在尋找哪裡還有石油，然而在尚未找到新來源時，應先檢討當前使用能源的方式是不是可以更有效率。
全球有許多在車輛節省能源方面的研究，從引擎效率、車體結構、傳動結構、輪胎等觀點切入，多年來已有長足的進步和收穫。現在就根據筆者比較了解的幾個面向，並以「南台車隊」為例來報導，讓一般大眾對車輛節能有進一步的認識，進而更珍惜我們的能源環境，隨時隨地節約能源，甚且投入解決這個遲早都必須面對的問題。
車身輕量化
根據牛頓運動定律，欲達到某個加速度，車體越重，需要越大的力量。再根據功的定義，在相同位移下，越大力量作的功就越大。因此，車體越重代表消耗越多的能量。車身輕量化後，除了有利於加速、降低油耗外，由於避震器的負載較小，能使駕駛者更容易操控，並減少震動，轉向、煞車、乘坐舒適性等功能也會隨著提升。
一部汽車的組成零件超過2萬個，加上配備愈來愈豐富，要有效減輕車身重量，自然得從每個部分下手，才能達到節省能源的目的。除了靈巧的外形設計外，更重要的是車體結構所使用的材料。
目前多採用質輕、剛性充足的高張力鋼材製作。鐵是地球上分布最廣的金屬之一，在地球上都以化合物的狀態存在。鐵的取得比較容易，從汽車問世至今，鋼鐵一直是汽車使用最多的材料。鋼鐵堅固耐用，可以保護車內人員的安全，然而它的重量也成為節省能源的頭號殺手。要減輕車體質量，必須使用高強度又輕量化的材質取代鋼材。
鋁的密度約為鐵的三分之一，是地殼上含量最多的金屬，許多研究者戮力於鋁材料的研發。最近二、三十年來，鋁合金技術臻於成熟，使得鋁合金足以代替鋼鐵。鋁合金通常使用銅、鋅、錳、矽、鎂等合金元素。鋁不僅質量輕，可以節省汽油的消耗，而且加工性優良，能適應各種結構的配合。它的強度足以抵抗巨大的撞擊力量和吸收能量，又能形成一個不透水的三氧化二鋁表面，防止進一步的氧化。此外，還可以回收重熔再利用，現今已經大量取代鋼鐵的地位。
1971年，鈦以鈦礦的形式在英格蘭被發現，被譽為「太空金屬」。鈦比強度相若的鋼合金輕45％，不具磁性，又是不良的導熱和導電體。鈦的密度雖比鋁多60％，但它的強度是常見的鋁合金強度的兩倍，然而在自然界的含量不像鐵、鋁那麼豐富，價格較高。
目前最夯的是碳纖維，又輕又堅硬、耐水、耐高溫、耐腐蝕、防輻射，然而製造成本高，應用上比較不經濟。
車輛的車架和人體的骨骼相似，它決定內部各個機件的擺設。車架的設計須考慮駕駛員舒適的操控空間、引擎室的安裝空間和傳動系統的安排。為節省能源，必須用質量輕的車架，而強度仍然要足夠，以防止傳動系統在加速或轉向時的側向推力，和通過不平路面時造成的變形。
在這些考量下，南台車隊早期的車架以7075-T6方形鋁管為材料，依照駕駛者的身高、手腳長度、肩膀寬度、駕駛者姿勢等資料，決定車架長度和寬度。接著擬定軸距、輪距和駕駛艙大小，使用Solidworks繪圖軟體繪製架構，再依據整體重量設計底盤結構。確定車架尺寸後，開始製作鋁車架，並運用飛機桁架設計的方式使車架和傳動系統一體成型。
近三、四年，南台車隊運用預浸布碳纖維製作車艙和車架，更改變製程，使車架一體成型，不但強度更高且可以減少材料的浪費。但碳纖維車體製程複雜、施工不易且有不可回收的特性，在製作前必須審慎評估。
造形設計
車輛外形的設計重點除了美觀外，站在節能的觀點，更重要的是降低風阻。一般空氣阻力有3種形式，第一是氣流撞擊車輛正面所產生的阻力；第二是空氣和車身產生的摩擦阻力；第三是外形阻力。以一般車輛能行駛的最快速度來說，摩擦阻力和其他阻力相比幾乎可以忽略。車輛高速行駛時，外形阻力是最主要的空氣阻力。外形所造成的阻力來自車後方的真空區，真空區越大，阻力就越大。一般來說，轎車的外形阻力會比掀背式休旅車小。
由於車輛迎風阻力和車身形狀、受風面積以及車輛與風速間的相對速度有關。要降低風阻，外形必須流線，而流線型的外觀有很多種形狀。受風面積是車輛在運動方向的正射影面積，風阻和受風面積大約成正比，車速愈快，所受風阻愈大，風阻大約和車速的平方成正比。
運用學者在流體力學上研究的成果，先選定喜愛的流線造形，依駕駛者的身材和人體工學訂出可以輕鬆操作的最小車內空間。引擎系統的選取會影響造形，也必須事先考慮。再以電腦模擬設計好外觀的車身模型，利用computational fluid dynamics（CFD）軟體，給適當的空氣流速、氣溫等，依計算結果設計低風阻的車輛外形。經過不斷的試驗，選取理想風阻係數的車形，才著手進行車體的製作。
南台車隊在2000年第七屆省油車大賽時，使用保麗龍造形，外表覆蓋皺紋紙，塗覆環氧樹脂，使得車身外殼和車架構成一體。並且自製瓊麻葉片抽絲，經由自製的瓊麻織布機施工編織成瓊麻布後，塗覆環氧樹脂做成堅固的駕駛座艙。
2001年，以全鋁車架為主要造形，取其質輕兼具環保再生的特性。2002年榮獲省油車冠軍車則是仿效輕型飛機的製作方法，利用硬質保麗龍直接塗覆環氧樹脂做為車身材料，待環氧樹脂乾固後，再把保麗龍挖出就可成型為車殼。這方法是較簡單且快速的成型方法，但有強度低、重量較重等缺點。
2005年，學校派其他老師前往大阪產業大學學習預浸布碳纖維成型技術。雖需經高溫烘烤成型，且必須先製做出凸模和凹模，製作方法複雜、成本高且時程較長，但成品有質輕、高強度和易於塑造成型的優點。
動力傳送
車輛的能量是引擎把燃料的化學能經燃燒產生熱能和氣體，利用它們推動機械設備以轉換為機械能。利用燃料燃燒產生的熱加熱介質，再利用介質膨脹作功的引擎，稱為外燃機。外燃機的燃燒過程發生在汽缸之外，例如，在一個外置的鍋爐內燃燒產生的熱氣，經管線導入汽缸或渦輪機內，推動活塞或渦輪扇葉產生推力。外燃機是最早使用的引擎，因效率低已不再使用。
燃料在有限空間內燃燒後，利用自身的膨脹直接作功的引擎，稱為內燃機。內燃發動機中最常見的是往復式發動機，燃燒後的氣體推動活塞作往復運動，活塞再透過曲軸把原本直線往復的動力輸出轉為旋轉運動。活塞式內燃機的氣缸需要承受燃料爆炸時的巨大壓力，對材料的工藝要求較高，因此內燃機的發展晚於外燃機，然而是當今車輛最常見的動力來源。
選取引擎的兩項原則是高效率密度和低制動燃料消耗。高效率密度是引擎每單位重量輸出的功率比較高，低制動燃料消耗是在相同功率輸出下引擎消耗的燃料質量比較低。增加壓縮比、削薄活塞裙、增大排氣量、改良燃料供應系統等都有助於提高引擎效率，但須注意改裝加工後機件的運動平衡和空燃比穩定等問題。
南台車隊在選定引擎後，經過無數次量測其在不同節氣度和不同轉速下，輸出扭力值和燃料消耗值，也進行最佳行駛模式時，傳動系統的減速比估算。
為減少不必要的傳動效能損失，南台車隊選擇一對一直接驅動，在動力端和車輪之間的連結，只經過一段減速比，以減少動力傳遞時不必要的能量耗損。至於傳遞方式也是很重要的一環，必須重視效率高、設計容易、安裝快速且材料取得容易的特點。
轉向機構
車輛行駛中，轉向機構的良窳關係到車輛的方向性、操控性及安全性。優良的轉向機構必須具備直行和過彎時的穩定，操控的輕巧和準確，且不因路面凹凸不平造成方向盤的抖震而影響安全。
車輛在轉彎時要平順，各個車輪必須盡可能減少和地面產生滑動，因此必須有一個瞬時中心，各個車輪依這瞬時中心迴轉，產生的阻力才會最小，這就是著名的「阿克曼轉向原理」（Ackerman Principle）。這類轉向機構是一個四連桿組機構，利用兩等長而不平行的曲柄，使兩前輪的輪軸中心延長線和後輪的輪軸中心延長線交於一點，這一點就是轉向中心的點。
南台車隊依據這原理，搭配艾略特式（Elliot type）轉向機構或直接用橫桿固定前輪，以橫桿中心為轉軸，精確校正車輪的正直度和轉向性能。其中，艾略特式的優點是過彎後回正，繼續穩定直行的效果甚佳，直接用橫桿固定前輪的優點則是可精確依阿克曼轉向原理過彎。
南台車隊結合了兩者的優點，使用四連桿機構做為前輪轉向的機構。這機構在轉向時，左輪和右輪的轉向角度略有不同，使車輛在轉彎時和地面的滑差減少至最小。而滑差變小可以使車輛更平順地轉向，減少不必要的動能損失，進而提高能源使用效率。
基於節能的原則來生產車輛，為了使每輛車行駛在路上可以省下很多的能量，許多外在環境也應配合，才能真正達到整體的節能效果。
節約能源不是口號，大家要身體力行，地球將因為大家的節能而永續地運轉。
