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混合式发动机备受欢迎 |
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欧洲和美国的排气污染法规的规定越来越严格。制造商不得不生产更多的低污染新产品。共轨柴油机和直接喷射汽油动力系统改善了发动机的性能，并且使之更加清洁，但是仍然需要进一步改进。
将来，氢气发动机或者燃料箱可能成为汽车动力，但是这些制造工艺仍然处于初期阶段。到目前为止，它们缺乏作为典型家庭轿车动力的性能和可靠性。而且，氢气发动机或者燃料箱的制造成本非常昂贵，难以批量生产。与此同时，汽车工业正在寻找有效的技术方法来减少污染。混合式动力系统可能就是相应的解决途径。
毫无疑问，丰田汽车凭借其“先驱”小型汽车在当前汽车领域占据领先位置，然而，其他制造商正在努力追赶，例如通用汽车、戴姆勒克莱斯勒汽车和福特汽车。
现在，拥有汽油、柴油发动机和氢气动力系统的改进计划已经不成问题。欧洲和美国所使用的新一代汽车将会越来越多的采用混合式发动机。“先驱”汽车的热销已经证明，消费者的需求是至关重要的。唯一尚待分晓的是，它的优势能够持续多长时间，以及何种类型的混合式系统是最有效的。
丰田汽车的混合动力系统联合艾金森循环汽油发动机和发电机
混合式系统必须克服的问题之一就是，关于其实质的混乱状态“混合式”这个术语经常适用于刹车和转向系统等，这些系统采用电力和水力的混合动力。
混合式系统是内燃机和电动机的结合体。这个工艺技术以不同的方法综合了两种动力资源，以便在弥补它们的弱点的同时，从中寻求最佳效率。虽然混合式系统采用电动机，但是它们不像电动汽车那样需要外部装料。
使用中的混合式系统主要分为三种类型：串联式、并联式和串并联式。在串联式混合系统中，发动机驱动发电机，并且电动机运用其产生的电能驱动汽车。该系统能够运行小功率发动机，稳定的产生电能，供给马达以及为电池充电。因为发动机是用来为马达提供能量的，所以这两个系统承担大致一样的工作量。
在并联式混合系统中，发动机和电动机共同驱动汽车。这两种来源的驱动力根据行车条件来选择使用，而且这两种能源可以同时使用。电池是通过开关作为发电机的电动机来进行充电的，而且电池中的电能被用来驱动汽车该系统不能在为电池充电的同时驱动电动机，因为该系统只有一个发动机。发动机是主要电源。
串并联式混合系统充分利用了两个系统的优势。它拥有两个发动机，而且根据行车条件，选择只采用电动机，或者采用电动机和发动机两种驱动力，以便达到最高效率。必要时，该系统采用发电机来驱动汽车。这就是丰田汽车所采用的系统。能量分裂装置分割了发动机的能量，所以直接供给车轮和发动机的能量比是不断变化的。
混合式系统在很多方面增加了能量效率。当汽车停下来时，该系统可以自动停止引擎空转，减少燃料的正常损耗数量。
电力再生制动系统可能增加节省燃料的简单方法，例如当汽车停止时关闭发动机。减速时作为热能正常损耗的动能能够恢复为电能。所以当驾驶者遇到红绿灯时，发动机就会关闭。当交通信号灯变为绿色时，他只需简单地轻踩油门，就可以运用储存的龟能继续行使。当引擎无效率的空转和排放标准较高时，采用电动机是比较划算的。电动机还能够减少交通噪音。
电动机还可以在加速时帮助发动机，而且能够在发动机效率较低的工作条件下驱动汽车。当发动机效率较高时，电动机所产生的电能可以储存起来。
能量效率意味着减少污染。还意味着低廉的燃料成本，这些可以说明丰田“先驱”汽车热销的某些原因。但是“先驱”汽车成功的主要原因在于容易发动。通常来说，排放标准和汽车驱动力之间存在某种平衡。丰田混合动力系统（THS）的目的在于使环境效果与驱动力相互兼容。
丰田汽车的系统是串并联混合式，包括将驱动力分裂为两个路线的装置。在其中一个线路中，汽油发动机的动力直接被传输到汽车车轮。在第二个电路中，发动机的动力通过发电机转化为电能，以便驱动电动机或者为电池充电。
这个独特结构发挥若干节约能源的功效。它能够在汽车停止和空转或者低速行使时关闭发动机。它还能够在低速行使时采用电动机驱动汽车，以及在任何速度行使时帮助发动机。因为发动机具有较高的低速轮胎转矩和巨大功率，它可以无需离合器或者传送器而再生制动能量。市场销售的混合协同驱动系统是最新一代的丰田动力系统，它在很大程度上增加了功率输出、加速和环境性能。
混合动力系统Ⅱ比第一代有了显著的改进。借助于高级的回转发动机、电动机和发电机，该系统能够产生1.5倍的驱动力。它拥有高性能电池以及最新的高电压电路，高性能电池能够改善电力供应。发动机和发电机之间的电源电路能够显著减少能量在传输过程中的损耗数量。因此，电动机动力和发动机动力共同运作效率更高，而且运转更加流畅。
该系统的所有主要部分都是由丰田汽车单独开发的。高电压电源电路、发动机、发电机和电池都是为混合动力系统Ⅱ重新设计的。
该系统两个动力来源：采用艾金森循环的汽油发动机；兼备发电机、高性能镍金属氢化物（Ni—MH）电池和动力控制单元的永磁同步电动机。
“先驱”汽车的Ni-MH电池
动力控制单元包含 500 伏电源电路和交流电—直流电反向变流器。反向变流器将发动机和发电机产生的交流电与混合式电池产生的直流电进行转换。其他关键组成部分包括动力分裂装置，该装置通过分派和联合来传送发动机、电动机和发电机产生的机械动力。
“先驱”汽车的反向变流器
该系统的基本前提是，当发动机效率较低时，引擎停止运作。因此，在汽车启动以及中低速行使时，发动机根本不运转。当在标准情况下行使时，发动机的驱动力由动力分裂装置进行分割。某些动力传送到发电机，继而驱动电动机。其余的动力直接驱动车轮。
当驾驶者需要突然加速，电池就会提供额外动力，引擎和马达相应的流畅和快速运转。当汽车减速或者刹车时，马达就成为汽车车轮驱动的大功率发电机。这个电力再生制动系统将动能恢复为电能，并且将它储存在电池中。电池的储存电量被谨慎运用。当它需要再次充电时，引擎驱动发电机将电池充满。而且只要汽车静止下来，引擎就会自动停止。
根据丰田汽车已经发展成熟的工业技术，电动机在不断发展，丰田汽车现在致力于电动汽车。通过在钒形成过程中加入永久磁铁钕，传动力矩得到改善，而且它的功率不断增加。在电源从274伏特增加到500伏特的同时，功率输出已经从33千瓦增加到50千瓦。由于调制控制器系统改善了电脉冲的变化，中心功率已经增加了百分之三十。
丰田汽车改善了发电机回转器的强度，以便将回转数量极限从6500增加到10000。这就为汽车在中等速度时增加更多动力。半导体开关装置是绝缘栅双极晶体管，能够加大电池电源的电压，以及为了驱动电动机，将直流电转换为交流电。因为必须转换的电流是大量的，所以热量产生最小化是非常重要的。为了实现该目标，丰田汽车开发了独特的晶体管，小心的调整至晶体标准。该晶体管比以前所采用的装置小百分之二十。
通过改善电极材料和通过在它的单元之间采用全新的连接结构，Ni-MH电池的内电阻已经减少。因此，新电池的输入/输出密度比以前高百分之三十五。
汽油发动机仍然是丰田汽车混合动力系统的中心。这也将效率最大化。1.5升的单元体采用艾金森循环，这是加热效率最高的高膨胀率循环。发动机原理允许独立确定压缩冲程和膨胀冲程的持续时间。燃烧室只有在活塞工作冲程上模完全落下之后才能被排空，允许发动机采用所有的活塞工作冲程能量。调整进气阀的工作时间能够使该系统的效率更高。理想的循环效率非常高，但是为了发动机不能轻易的提供大功率，它事实上没有实际应用，除非与增压器共同使用。
除了可变气门正时之外，发动机采用具有倾斜挤压角度的燃烧室。它的形状能够确保火焰快速穿过燃烧室。铝合金气缸座和压缩进气歧管也有助于改善发动机的热效率和规模。
自从 2004 年早期问世以来，“先驱”汽车在欧洲的销售稳步增长，在年末达到8500辆。丰田汽车公司已经将其本年度销售目标确定为 15000，并且扩大生产能力，以便向全世界销售180000辆汽车。丰田汽车对工业技术的信心影响了其他制造商，他们现在努力开发他们自己的系统。戴姆勒—克莱斯勒、通用、福特、雷诺、日产、本田、罗孚、PSA标致雪铁龙汽车、马自达和沃尔沃都拥有管道系统。
汽车巨头的合作
为了缩短开发时间，与他们的供应商和工程机构进行合作是非常普遍的，因此与其他汽车制造商之间的合作协议也非常普遍。福特汽车公司与丰田汽车公司进行合作，了解到关于混合动力系统Ⅱ的某些技术机密。戴姆勒—克莱斯勒汽车公司和通用汽车公司也联合他们的资源共同开发混合动力系统。
戴姆勒—克莱斯勒汽车公司和通用汽车公司已经协力开发了完整的混合燃料推进系统，应用于后轮和前轮驱动汽车。该系统将单独应用于各自公司的汽车中。广泛的方案也将为另外的合伙人提供机会，而且可能成为其他制造商的混合动力来源。
通用汽车公司计划在2007年后期，在通用汽车两个最流行的车型雪佛兰豪放和GMC Yukon中开始研制它的第一个完全混合式运动型多用途车（suv）。“该系统的性能、燃料经济性以及高效率组件使之广泛应用于各种汽车和机动车，”通用动力集团副总裁汤姆史蒂芬说，“我们相信对于任何汽车构造来说，该系统是效率最高的混合式设计。”
该系统是“双模混合式”，包含用于不同机动车的两个电动机。通过提供充分电力牵引或者增加发动机的推力，第一个模式能够在城市中低速和频繁停车操作中节约燃料。第二个模式用于公路速度，以便根据行使位置确定燃料经济性的最佳状态，例如什么时候牵引拖车或者攀爬陡坡。
戴姆勒—克莱斯勒汽车的德国制造商梅赛德斯—奔驰汽车公司已经将该工业技术用于其S系列豪华汽车。当丰田汽车采用小引擎综合电力系统时，梅赛德斯汽车公司已经将混合动力系统用于它的强大V8 CDI柴油发动机。“根据P1/2原理，我们的工程师已经使内燃机和电动机的协作达到完美程度，以至于运行方式之间的转换现在已经几乎无法察觉，”梅赛德斯汽车公司的技术研发主任托马斯韦伯博士说。
梅赛德斯汽车混合式动力传动系统的最高功率为241千瓦。V8 CDI柴油发动机本身的功率为191千瓦和560Nm扭矩。这两个电动机的联合功率为 50千瓦，确定乘坐舒适性和加速的最佳状态。性能对于梅赛德斯汽车来说是非常重要的卖点，而且汽车能够在了7.6秒内从0加速至每小时100公里。
凭借第二个电动机，柴油机可以无需转化在任何时候开始运作，独立于行使方式。1.9千瓦小时的Ni—MH电池安装在汽车的后行李箱中，为电动机提供动力。制动期间能量得到恢复，而且当汽车行驶时，V8柴油发动机为电池再次充电。
混合动力系统原理是根据七种速度的七档自动变速器和Pl/2混合变速器，以便确保S系列汽车持续处于最佳运作状态。
“依靠启动循环，能够减少百分之十五至百分之二十五的燃料消耗，”韦伯说，“而且七档自动变速器有助于提高舒适性，这在混合动力系统领域是独一无二的。”
戴姆勒—克莱斯勒汽车的美国品牌“道奇”也已经开始采用混合工业技术。“道奇公羊”轻型载货汽车采用混合动力系统改善燃料效率和性能，但是汽车还可以作为发电机，提供110/22伏特的交流电。该系统在建筑场地特别有用，用于休闲娱乐以及紧急备用动力断电时。
在欧洲，戴姆勒—克莱斯勒汽车公司在它的梅赛德斯—奔驰“凌特”轻型商务车采用类似方法。“凌特”汽车采用“插入式”混合动力驱动与柴油发动机相联合。插入式意味着汽车拥有动力插座，这样电池就可以进行再次充电，即使当发动机停止运转时，例如晚上。有的混合动力驱动“凌特”汽车没有设计再次充电插座。
插入式汽车采用功率70千瓦的电动机以及传统的柴油发动机。
就像梅赛德斯汽车的混合动力系统那样，电动机从电容14千瓦/小时的Ni-MH日电池那里获得能量。在纯粹电力推进的情况下，运作距离最多只有30公里。电池还可以被工作人员或者应急服务机构用来操作工具和设备。
该系统也存在某些缺陷。电池再次充电只能部分通过电力再生制动系统完成，主要还是依靠主电源提供。因为再次充电时间大约为六小时，所以充电必须在晚上进行。该系统的体积也非常庞大，辅助设备重达350公斤。“如果采用铿离子电池来代替Ni-MH电池，重量可以减少160公斤，”梅赛德斯汽车公司如是说。
没有设计插座的“凌特”汽车拥有功率30千瓦的小型电动机以及电容只有3千瓦/小时的小型电池。当纯粹依靠电力运转时，汽车的行使距离只有3-4公里。
梅赛德斯汽车公司打算将混合动力系统马上投入生产。“这不仅仅是调查研究——消费者试验预计于2005年开始，”梅赛德斯汽车公司说，“混合动力驱动在理论上适合于连接燃料电池达到批量生产的成熟阶段之前的过渡期。”
福特获得专家帮助
就像戴姆勒—克莱斯勒汽车和通用汽车那样，福特汽车也着眼于采用混合动力来改善其汽车的燃料经济性以及减少污染。在美国，它的“冀虎” SUV越野车最先安装完整的混合动力电能系统。该汽车同时具有零污染和节约燃料的特性，而且兼具“冀虎”汽车的越野性能和载货能力。福特汽车公司认为，该汽车是世界上燃料效率最高的运动型多用途汽车。它在城市驾驶的燃料效率高于标准“翼虎”汽车百分之七十五，综合效率大约高于百分之五十。
代替丰田“先驱”汽车占据领先位置，福特汽车采用艾金森循环汽油发动机，但是排水量为2.3升。动力系统是铝制双层上凸轮、16个阀门进油管路和4个发动机气缸。联合电力牵引马达，加速度和性能类似于 V6“冀虎”车型。
“翼虎”汽车在6000 转数/分时的峰值功率为99千瓦；4500转数/分时的峰值扭矩为175Nm。电动机在3000-5000转数/分时的功率为70千瓦，最高电压为400瓦特。混合动力系统的净功率为116千瓦，并且与无级变速器相连。
“翼虎”汽车混合动力系统
污染情况也得到改善。燃料系统排放的未燃碳氢化合物、氮氧化物和蒸汽非常少，足以使“翼虎”混合动力汽车符合美国严格的“高科技组件零污染汽车”标准。该汽车产生的二氧化碳数量仅为传统小型运动型多用途汽车的一半。
“突出的燃料经济性，特别是停车和启动时，真正可以到处去的能力，载客和载货能力，这些特性使该汽车不同干其他混合动力汽车，”福特汽车公司地区总裁史蒂夫.里昂斯说。
欧洲是小型汽车的大卖主，福特汽车公司已经在其“嘉年华”小型汽车的基础上开发“微型”混合动力车型。该汽车采用传统的1.4升发动机，而不是艾金森循环发动机。虽然它没有采用电力来推进发动机，但是它可以通过至少百分之五和至多百分之十五的频繁停车启动的城市驾驶，来改善燃料节约效率。
该系统采用法国供应商法雷奥开发的电力再生制动系统来实现节约燃料的目的。在发动机减速期间，特别研发的联合起动机-交流发电机采用大负荷动力，以便将部分制动能量转换为电能。法雷奥的综合起动机-发电机仅仅比标准交流发电机大一点，是履带式动力驱动。
福特汽年公司还在“全顺”轻型商务车的微型混合动力车型方面与法雷奥进行合作。混合动力全顺汽车计划还涉及工程咨询服务机构里卡多盖茨公司，着眼于城市中所使用的低污染运载工具。该目标就是在适度原始成本范围内实质节约燃料。
混合动力全顺汽车的实验用车型是福特T280柴油机全顺汽车。法雷奥 4千瓦42伏特履带式动力驱动起动机/交流发电机与之相符，还有法雷奥1.5千瓦14/42伏特DC/DC变流器、先进的36伏特铅酸电池和法雷奥电池管理系统。履带式联合驱动起动机-交流发电机通过前端附件传动装置系统设计的闸门与发动机相连，而且汽车的停止／起动和电力再生制动功能是由生产中嵌入的里卡多监督控制系统进行管理，派生出发动机控制单元。
柴油机停车/起动设计特别适合于城币驾驶情况下的篷车使用，原因在于行使中频繁的刹车和交货。发动机与采用刹车期间所恢复能量的电气系统共同起动汽车。
为了检验是否能够像预计的那样节约燃料，研制中的汽车需要通过绕世界两周的行使周期来进行评定。该试验周期数的根据是从用于城市运输的“全顺”篷车队所获得的数据。在按户运输周期中，该系统的燃料节约率为213％。在按领域运输周期中，它的燃料节约率为63%。
“如果更多的广泛混合作用可能适合于许多其他功能周期和应用，柴油机微型混合动力系统为城市运输汽车提供实际有效的解决方法，”里卡多公司最高管理者罗德尼.威斯特海德。
越来越多的制造商达成共识，并且投资于工业技术。欧洲和美国的消费者已经相对迅速的开始对工业技术感兴趣。减少污染对于帮助企业限制其对环境的影响方面是非常重要和必要的。但是制造商发现生产混合动力汽车的最佳动机是，工业技术是给予更多消费者所需的有效方式：更好的性能、更高的燃料节约率、更多功能和更加精致。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/27/2007) |
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