酷酷汽車

作者：陳昱宏、王以安 指導老師：廖丹敏老師

壹、研究動機：

因為我們在網路上看到了許多神奇的車子，像氫能車、懸浮車，引發我們對汽車方面的好奇與動機。

貳、研究目的：

了解汽車的發明史、發展趨勢、製作未來汽車的模型，進而假設未來汽車的應用及設計未來概念車。

参：研究問題：

一、汽車的發明與發展的趨勢

二、現今的汽車環保燃料

三、介紹現今的「酷酷汽車」

四、了解未來概念車

五、動手做太陽能車

肆、研究成果：

一、汽車的發明與發展的趨勢

1.汽車的發明

汽車，即本身具有動力得以驅動，不須依軌道或電力架設，得以機動行駛之車輛。廣義來說，具有四輪行駛的車輛，普遍多稱為汽車。雖然，長久以來學術各界對「誰是第一位汽車發明者」皆有不同的看法及論述，未有完全一致性的看法，但是，絕大部份學者皆將德國工程師卡爾•本茨視為第一位發明者。美國人亨利•福特首先大量生產平價汽車，是使汽車得以普及化的人。

2.汽車歷史年表

1620年

義大利人布蘭卡發明了「反擊渦輪式蒸汽輪機」，用以帶動輪車。

1766年

英國發明家瓦特(1736-1819)改進了蒸汽機，拉開了第一次工業革命的序幕。

1769年

法國陸軍工程師尼古拉•約瑟夫•居紐(1725-1804)製造出第一輛蒸汽機驅動的汽車。由於試車時轉向系統失靈，撞到般聖奴兵工廠的牆壁上粉身碎骨，這是世界上第一起機動車事故。

1771年

尼古拉•約瑟夫•居紐改進了蒸汽汽車，時速可達9.5000米，牽引4-5噸的貨物。

1794年

英國人斯垂特首次提出把燃料和空氣混合製成混合氣體以供燃燒的構想。

1796年

義大利科學家沃爾茲發明了世界上第一台蓄電池，這項發明為汽車的誕生和發展帶來了歷史性的轉折。

1801年

法國人勒本提出煤氣機原理。

1803年

法國工程師特利維柯(1771-1833)採用新型高壓蒸汽機，可乘坐8人，在行駛中平均時速13km，從此，用蒸汽機驅動的汽車開始在實際中應用。

1838年

英國發明家亨納特發明了世界第一台內燃機點火裝置，該項發明被世人稱之為「世界汽車發展史上的一場革命」。

1842年

美國人古德發明了硬橡膠輪胎。

1858年

法國工程師洛納因發明了世界上第一隻用陶瓷絕緣製成的電點火火花塞。

1859年

法國著名物理學家發明了鉛酸蓄電池，為汽車的用電創造了條件，被稱之為「意義深遠的發明」。

1860年

法國電器工程師萊諾製成了第一部用電火花點燃煤氣的煤氣機。

1862年

法國電器工程師萊諾研製出二衝程內燃機。其他人開始研究四衝程發動機。

1867年

德國工程師尼考羅斯•奧托(1832-1891)研製成功世界上第一台往複活塞式四衝程煤氣發動機。

1876年

尼考羅斯•奧托製造出第一台四部衝程內燃機製成了單缸臥式、壓縮比為2.5的3千瓦內燃機。

1885年

這是真正的現代汽車誕生的時刻。這一年德國工程師卡爾•賓士在曼海姆製造成一輛裝有0.85馬力汽油機的三輪車。這一輛裝有內燃動力機的汽車被認為才是世界上真正的第一輛汽車，因為它是真正以汽油為動力源的第一輛汽車，而不是蒸汽機。

1886年

曼海姆專利局批准卡爾•賓士為其在1885年研製成功的三輪汽車申請的專利，這一天被大多數人稱為現代汽車誕生日。次年德國人戴姆勒製成世界上第一輛四輪汽車。之後德國人尼考羅斯•奧托宣布放棄自己所獲得的四衝程發動機專利，任何人都可根據需要隨意製作。

1886年1月29日

卡爾•賓士取得世界第一項汽車引擎專利。同年7月，世界第一部四輪汽車正式販售。

1888年

法國自行車商人埃米爾•羅傑斯（Emile Roger）獲得奔馳的許可，開始生產商用汽車。

3.發展趨勢

這十大趨勢可劃分為三類：氣候、能源與自然資源類，人口、財富、社會與文化類。

氣候、能源與自然資源類趨勢包括：

趨勢一：環保主義―在未來，環保主義將越來越盛行和深入人心，人們將越來越重視保護環境、保護大氣層。

趨勢二：能源競爭―自然資源的缺乏會提高消費品價格，人們在加大尋找和開采新能源力度的同時，會更加重視可持續發展、資源循環利用和提升能源效率。

人口、財富、社會與文化類趨勢包括：

趨勢三：權力轉移―全球政治權力的轉移將與經濟地位的轉移同時發生，新的全球聯盟將會出現，資源擁有國將在國際上崛起。而跨國組織和非政府組織也將擁有更多權力，全球範圍內，政治、金融和社會體系的壓力將更大。

趨勢四：個性化需求―隨著全球人口受教育程度不斷提高，消費者喜好將變得更加多變和難以捉摸。另一方面，文化多樣性也將加大消費者需求的復雜性和產品用戶化的難度。

趨勢五：生活方式轉變―未來人們的生活模式和工作模式都將發生變化，傳統家庭結構會發生改變。婦女社會地位進一步提升並有更多女性會踏入職場。

趨勢六：互聯與生產力―未來各國的生產力也將因為現有技術的普及、專業化和自動化的應用而得到提高，並且數字化、虛擬化和互聯性的程度將增加。

人口與財富類趨勢包括：
趨勢七：人口結構改變——在未來，全球居民平均壽命的延長會導致人口增長，社會老齡化加劇，而更高的依賴率會讓收入分配變得更加均勻。
趨勢八：移民——全球間移民現象將不斷增加，種族社區將遍布全球，城市化進程也讓超大城市不斷湧現。
趨勢九：財富重新分配——位於社會等級金字塔底層的人口的角色將發生變化，很多人會通過努力成為新興的中產階級。未來的貧富兩極分化會更加嚴重，導致社會衝突增多。
趨勢十：商業全球化——全球供應鏈的不斷完善也會導致全球經濟的依賴性不斷增強，並進一步促進全球貿易。知識型社會將會出現，關於人才和創新能力的競爭也將在全球範圍內加劇。

二、現今的汽車環保燃料

科學家預估，20~30年內石油資源就會全部耗盡，而且15年內石油的價格一定會大幅調漲，使價格高到不符合經濟效益，無法使用，所以，世界上各大車廠及學術單位都致力於替代能源的開發，因此環保汽車與環保燃料這個主題一直是近幾年學術界及商業界的重點及訴求。

1.氫能
氣車分為兩種，(HICEV)是以內燃機燃燒氫氣（通常透過分解甲烷或電解水取得）及空氣中的氧產生動力，推動的汽車。而氫燃料電池車(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氫或含氫物質及空氣中的氧通過燃料電池以產生電力，再以電力推動電動機，由電動機推動車輛。這類車輛的發電廠把氫的化學能轉換為機械能，或者是通過燃燒的內燃機中的氫，或通過在燃料電池中的氧與氫反應來運行電動機。廣泛使用氫助長交通是在提議中的氫經濟的一個關鍵因素。

使用氫為能源的最大好處是它能跟空氣中的氧，產生水蒸氣排出，有效減少了其他燃油的汽車造成的空氣污染問題。
HICEV一般內燃機為基礎改良而成，要實現並不困難，困難之處在於如何降低成本及達至安全，以及安全地解決氫氣供應、儲存的問題後才可以推出市場。

氫能待解決的三個問題：
(1) 氫的密度很低，就算燃料以液態形式儲存在低溫瓶或壓縮氣體 瓶，在那些空間能夠儲存的能量十分有限。
(2) 製造在氫汽車提供電力的燃料電池，耗資頗高。科學家努力研究令燃料電池的成本盡量便宜，同時又有足夠硬度以抵受撞擊和震動這些汽車的基本問題。
(3) 氫可作為能量的攜帶者而非能源。它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失。

2.生質酒精

人類很早就會用糖類發酵製造酒精，這也是最早的幾項生物技術之一。

雖然古希臘及阿拉伯已有蒸餾的技術，但最早記載用酒蒸餾來製造酒精的是十二世紀義大利薩勒諾學校的鍊金家。第一個提到純酒精的是拉曼·魯爾。

1908年乙醇也是汽車的燃料之一，像福特T型車可以選擇汽油或是酒精做為燃料。乙醇也是常用酒精燈的燃料之一。

巴西的生質酒精

巴西九成的原油必須仰賴進口，國際原油價格的上下波動，對巴西的國際貿易收支影響頗大，因而巴西政府利用自己國內生產的蔗糖來提煉乙醇，當國際原油價格過高而且糖價相對較低時，巴西即大量將蔗糖提煉為乙醇做為汽車燃料使用，並鼓勵使用乙醇燃料的汽車。一公噸的甘蔗約可提煉出一百公斤的粗糖或八十公升的乙醇，因此，當國際糖價較有利可圖時，巴西較傾向於生產粗糖以賺取外匯，而國際糖價低迷時，則有利於製造乙醇來減輕進口原油的負擔。

3.太陽能

以台灣的自然條件而言，太陽能發電是最理想的發電方式，也不會產生噪音或製造污染，結合高科技和環保的精神，並能達到節省電費的實用功能。

太陽光電發電主要是利用太陽電池吸收光能，再將其光能轉換成電能，具有永續利用、受環境和地理限制小、應用廣泛、潔淨無噪音及安全無污染等特性，是眾多再生能源中最具發展潛力的再生能源。夏季同時也是陽光最強，發電量最高的時候，能紓解用電尖峰需求，達到發電的效益。

太陽光發電系統係由太陽晶片 (solar cell) 以半導體製程製作方式而成，發電原理乃將太陽日照光照射於太陽晶片上，使太陽晶片吸收太陽日照光能透過半導體，使產生負極及正極形成電壓降，再經導線傳送至負載。太陽光電模板所產生電力為直流電(電池就是直流電)，若該需求用電需提供電力給家電用品或各式電器交流電使用，則需加裝直(交)流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能使太陽光發電所發電力供電至一般家庭用電或其他用電。

4.混合動力車輛

(1)油電混合車

油電混合車(HEV)現在所指的混合動力車多為此類。使用汽油及內燃機加上可充電電池及電動機兩種動力來源。電池及電池機直接推動車輛，同時回收剩餘的動能為電池充電；而氣油及內燃機則視乎設計而定，可以是直接產生機械動力推動車輛，也可以是用作發電機推動電動機或為電池充電。

燃料電池和電池混合車

這是基於燃料電池電動系統(Fuel cell electric vehicle 簡稱FCEV)的設計，只是加裝了可充電電池，於是有燃料電池及電動機加上可充電電池及電動機兩種動力來源。與增程引擎電動系統的構造大同小異，不同的是把引擎換成燃料電池。燃料電池可以直接發電，為電動機供電，這就是原有的燃料電池電動系統，但後來發現電動機在加減速時會電池急劇變化而使高成本的燃料電池壽命大為減短，因此加裝可充電電池為電流作緩衝，降低燃料電池電流變化，從而增加燃料電池的壽命。附帶的好處是減低對燃料電池輸出功率的要求，降低了成本。

但是燃料電池的材料需要用到昂貴的稀土和貴金屬，因此成本極高。目前燃料電池的主流燃料是燃值最高的「氫」，但問題在於氫氣的儲存、補充，而製造生產氫氣同樣需要消耗能源並產生碳排放，所以難以普及。

三、介紹現今的「酷酷汽車」

1.[環保氫能]BMW Hydrogen 7

氫氣，分子裡面沒有含碳，因此在燃燒的時候，與氧結合只會產生出水，而且氫氣製造容易，如果未來技術更為成熟，甚至可以大量使用太陽能、風力、水力等等再生能源生產氫氣。只要掌握了製造技術，每一個地方都可以生產，而不需要倚靠進口能源。再加上氫氣燃燒快，燃燒效能好，BMW估計，如果達到理想的燃燒效能，六缸引擎最多可以搾出800匹馬力。

2.[油電混合車] Toyota Prius

是日本豐田汽車於1997年所推出世界上第一個大規模生產的混合動力車輛車款，隨後在2001年銷往全世界40多個國家和地區，其最大的市場是日本和北美。根據美國環境保護署2007年的資料， Prius是在美國銷售的汽車中最節省燃油的。美國環境保護署和加州空氣資源委員會根據二氧化碳排放量評價Prius是美國目前為止最乾淨的車輛。英國交通部公佈Prius是在英國銷售的車輛中第二最少二氧化碳排放。

四、了解未來概念車

汽車展覽中的概念車型比較像是一種原型車輛，主要是用來展示新型車款的風格、科技與整體設計。因為，概念車型僅是汽車公司向人們展示設計人員新穎、獨特與前衛的構想而已，不代表一定是即將會量產的車輛。而且，它在汽車展覽裏的重要性，對於展場精采度、參觀人氣上通常有著舉足輕重的地位。

[磁浮概念]Volkswagen Hover Car

2012年北京車展上，大眾的展臺上展現了不少以科技為主題的創作成果。不僅展現了一個具有前瞻性的作品，還同時體現了磁浮通勤的未來概念。

“Hover”是一輛雙座、無輪的磁浮球型概念車，依據大眾自造用戶王佳的創意”無輪車不是夢，智慧從此開始”而發想設計的磁浮球型車，可說是一輛極具前瞻性的未來交通工具。

強調可將地下的礦產資源轉換為能量，從而驅動汽車行駛，此外還具備自動駕駛功能，透過聲控系統開啟自動導航，並能通過安全感測器、根據自身行駛速度和周圍車輛的距離，計算出最安全的行駛路線。在可能發生危險時，Hover還會自動刹車，讓扁圓車體在地狹人稠的都會區自在穿梭，針對都會人士的通勤環境，安全且高效的滑行遍佈城市的電磁網路，並且減少碳排量及油耗，成為綠色環保的最佳通勤幫手。

[超級能源]MDI 空氣燃料車

由壓縮空氣所驅動的小客車，最快今年就會在印度上市。印度的塔塔(Tata)汽車公司近日與法國MDI公司簽約，將會投入九億五千多萬台幣，開始在印度生產由MDI所研發的空氣燃料車。

有別於現在滿街跑的化石燃料車，這輛車是以壓縮空氣當作燃料，民眾在家裏可以空氣壓縮機來為愛車打氣，需時大約四小時，而若是使用工業用的加氣設備，則大約僅需兩分鐘即可加完氣。車輛最快時速可達112公里，平均加一次氣在市區可跑300公里，高速則為100公里。

車輛在內的交通部門所排放的二氧化碳，約佔人類全體二氧化碳排放量的16%，如果空氣車的上市能減少化石能源的使用，將可減緩全球暖化的步伐。不過，當空氣車在加氣時，仍需用到電網的配電，因此如何讓電力來源脫離化石來源，並採用更多的可再生能源，將成為更急迫的問題。

五、動手製作模型車

(1)太陽能車

最近太陽能話題炒熱，許多地方紛紛舉行太陽能車比賽，想說我們可不可以製作一臺小型的太陽能車。

材料：馬達、太陽能板、軸齒輪、冠齒輪、鐵棒及薄保麗龍板。

步驟一：製作輪子

如圖，將冠齒輪串進鐵棒，四個輪子也可用冠齒輪替代。

步驟二：固定輪子

如圖，使用保麗龍板製作模型，將輪子固定，在車身後面蓋高臺，以固定馬達。

步驟三：咬合齒輪

將軸齒輪串進馬達，將軸齒輪及冠齒輪固定，確實咬合。

步驟四：連接太陽能板

將太陽能板及馬達連接，並固定在保麗龍板上。完成！

(2)｢飄飄磁鐵」

磁力也是一股無汙染的力量，我們想說可不可以做一臺小型的磁力車的模型，研究它的簡單的運作原理。

U 材料：紙板、長條型磁鐵	*2、圓形磁鐵*2。

步驟一：架設軌道。

U 將紙板裁成三塊，黏成U型。

步驟二：固定磁鐵

U 將長條型磁鐵黏在紙板外側，(N極朝內)。

步驟三：固定磁鐵

將圓形磁鐵放在U型的溝。完成。

相斥馬蹄鐵

實驗2是利用磁鐵異極相吸的原理，那相斥是不是也可以呢?

材料：馬蹄型磁鐵*2、L(U)型透明資料夾、白板筆、保麗龍板。

U 步驟一：固定檔板。

將L型透明資料夾彎成U型，固定在保麗龍板上。

U U 步驟二：固定磁鐵。

U U 將馬蹄型磁鐵固定在保麗龍板上。

步驟三：固定白板筆。

將白板筆固定在保麗龍板上。

步驟四：調整磁極

將另一個馬蹄型磁鐵放在馬蹄型磁鐵的正上方。注意：上方的磁鐵磁極，需要與下方磁鐵的磁極相同。完成。

伍：研究結論：

1.汽車，即本身具有動力得以驅動，不須依軌道或電力架設，得以機動行駛之車輛。

2. 1885年，這是真正的現代汽車誕生的時刻。這一年德國工程師卡爾•賓士在曼海姆製造成一輛裝有0.85馬力汽油機的三輪車。這一輛裝有內燃動力機的汽車被認為才是世界上真正的第一輛汽車，因為它是真正以汽油為動力源的第一輛汽車。

3.汽車未來的發展大概分為十個大趨勢，為環保主義、能源競爭、權力轉移、個性化需求、生活方式轉變、互聯與生產力、人口結構改變、移民、財富重新分配、商業全球化。

4. 科學家預估，20~30年內石油資源就會全部耗盡，而且15年內石油的價格一定會大幅調漲，使價格高到不符合經濟效益，無法使用石油，可用氫能、太陽能、混合動力、生質酒精等較環保的燃料替代。

5.汽車展覽中的概念車型比較像是一種原型車輛，主要是用來展示新型車款的風格、科技與整體設計。因為，概念車型僅是汽車公司向人們展示設計人員新穎、獨特與前衛的構想而已，不代表一定是即將會量產的車輛。

陸、研究建議：

1. 實驗的準備工作太浪費時間，應加快腳步進行。

2. 太陽能車因經費關係，只能買一個太陽能板，若經費許可，可多加一個太陽能板，增加能量。

柒、研究心得
昱宏:

這次做專題研究，我雖然有經驗，但是，卻不是想像中的那麼容易，要上網查一堆的資料，還要把它放進PPT。雖然我們這組的進度很慢，但我們還是做完，趕上了進度，發現這其實還蠻好玩的呢!希望下一次還有機會再做專題!

以安:

這次做專題研究，嘗試新的分組，我發現昱宏還滿有趣的，我們這組進度雖然有點稍慢，但最後還是在期限內趕完了，我最喜歡太陽能車的實驗，因為以前實驗都是用電池，太陽能車只要用太陽能板，完完全全的綠色模型車。

捌、參考資料：

http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B1%BD%E8%BB%8A--2013.9.30

http://data.book.hexun.com.tw/chapter-6291-1-7.shtml--2013.10.03

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AB%E6%B0%A3%E8%BB%8A--2013.10.17

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=NmcQlmfQa8E#t=84--2013.10.21

http://mypaper.pchome.com.tw/chyijane/post/1281696375--2013.10.21

http://roadtest.u-car.com.tw/5983.html--2013.11.18

http://blog.yahoo.com/_4F74C5PGW6SURVC6TZWSOBCIPE/articles/686273--2013.11.28

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B1%90%E7%94%B0%E6%99%AE%E9%8A%B3%E6%96%AF--2013.12.2

https://isp.moe.edu.tw/upload/resources/58655/1351362370826/rename1351362370826.ppt--2013.12.12

http://tw.polarbear-yenpen.com.tw/html-cn/image/1-gEGnVZTPjJtk-1-1.jpg--2014.1.2