在欧美和日本混合动力驱动技术在商用车上应用方兴未艾。严格的排放法规,看好的产品市场,引发汽车及系统制造商不断地开发和改进这种混合动力驱动系统。现将这种混合动力技术在商用车上应用的最新情况及发展前景描述如下。
大客车的混合动力驱动技术
在美国,混合动力驱动技术在大客车领域的应用正出现新的动向,通用汽车子公司General-Motors-Tochter Allison与戴-克集团子公司Daimler-Chrysler-Tochter Orion之间的竞争也相当激烈。他们在北美已经销售了数百辆混合动力大客车,有迹象表明这种产品很畅销。例如Orion混合动力客车提供到纽约、旧金山以及加拿大。而采用Allison混合动力驱动系统的制造商有New Flyer,NABI,EI-Dorado和Gillig等,目前已经有500多辆混合动力客车行驶在费城、波特兰,加利福尼亚以及加拿大等地。
混合动力客车之所以如此畅销,其主要原因是在美国已经实施了环境保护政策,而且法规越来越严格。据称,将柴油机与电动机加以组合,视使用情况而定可以节油达到40%,并降低排放。相对于较高的购置成本,至少可以通过省油而得到一定的补偿。
在混合动力驱动问题上,首先由Solaris客车公司与变速器专业厂家Allison签署一个合同,从而成为从这家美国通用汽车子公司的经验中受益的第一家欧洲制造商。Solaris公司挑选的是一种Urbino-18-Hybrid铰接式公共汽车作为基础型汽车。
其车顶结构显示与通常的Urbino城市大客车不太一样。这种混合动力车背后所隐藏的不是任何天然气箱,而是一个大蓄电池和一个冷却系统、两个控制模块和一个称之为“双动力转换模块”(DPIM:Dual Power Inverter Module)。后者由直流和交流换流器所组成,因为电能只能以交流电形式产生和被利用,而蓄电池只以直流方式开始工作。在Allison系统中,使用的是一种重437kg的镍氢蓄电池,估计其寿命达到6-7年,DPIM模块重75kg。
然而按其系列,Urbino-Hybrid混合动力车装备是一种8.9L250kW的康明斯(Cummins)欧IV发动机,它布置在前桥后面,与Allison的电动单元Ev一起而构成动力传动系统。Allison的Ev代替了变速器,但是它作为混合动力系统的核心部分而将电动和柴油机驱动很好地加以协调。
与Orion混合动力有所不同,柴油机不仅驱动发电机而且按机械方式把力传递给铰接式大客车的第二从动桥。然而在这种情况下有两个电动机对其支持,电动机的能量是从放置
在汽车顶盖上的蓄电池获得的。2个电动机、3个行星齿轮传动机构和2个同步离合器一起构成417kg重的Ev模块。Ev模块在2个控制单元的管理之下而负责对电动和机械牵引进行无摩擦配合。
在实际应用中是这样作用的:本系统利用电起动,其扭矩从一开始就可全值动用。在正常工作情况下,电动机和柴油发动机并行运转,其中柴油机总是尽可能低转速下省油和无排放工作。只是在这种类型的牵引力不够充分及为了加速或者爬坡时需考虑全部推力的时候,柴油机才全力以赴工作。
可是驾驶员无需为这一切事而操心。一种所谓DNR单元(字母含义D=Drive<驾驶>,N=Neutral<挂空档>,R=Reverse<挂倒档>)犹如一个自动变速器的键盘,并同时用来调节制动强度。因为安全的缘故,这种Hybrid-Urbino混合动力车虽然装备有一个双回路制动系统连同ABS,ASR和磨损显示器,但通常情况下驾驶员仍然必须踩油门行驶,而且电动机是以反方向作为发电机而工作,还得到排气制动的支持,并限制速度,将制动能回馈给布置在车顶上的蓄电池。
自2004年底以来,在美国西雅图市就有235辆NewFlayer混合动力铰接式大客车投入使
用,其动力系统与Solaris相同。Allison利用这些汽车进行了最新的行驶试验,估计比传统的美国动力技术大约省油20~43%,NOx降低了10~39%,而微粒排放减少了51~97%。Solaris计划用Urbino 18进行类似的行驶试验,指望达到与前者的可比数值同全扭矩下顺利起动一样,驾驶员和乘员或许还受到稳定运行的柴油机低噪声工作所鼓舞。
为不超过最大允许重量28t,Urbino只允许搭载160位乘客而不是181位,不过Solaris因此而节省了100L的油箱容积,但却又附加一个40L的AbBlue(尿素-水溶液)容器。由于在起动时是电牵引,因此而省去了一个起动器。
混合动力载货汽车新概念
同样,混合动力载货车也为人们所期待。
DAF,MAN,Volvo等公司的实践证明,混合动力驱动技术具备内燃机+蓄电池载货车的突出优点。其间,戴-克集团的子公司Fuso最近也展示一种Canter Eco Hybrid混合动力车,在日本市场上已有顾客光顾,而在欧洲市场目前只是业内人士议论的话题,应用前景也处在公开讨论之中。据称,今天这种Canter混合动力载货车已经满足未来特别严格的日本废气排放法规要求,是一辆依照“世界上最清洁载货车”构思的Fuso车。
从数据上看,Canter Eco Hybrid可减少氮氧化物41%,减少微粒排放46%。很自然,这里显露的仅仅是混合动力技术的一部分功绩,其实在其背后还隐藏着一种安装微粒捕集器和冷却废气再循环的新型小排量柴油机组合所不可磨灭的功绩。
源于这混合动力驱动技术,是显著降低油耗。Fuso认为“达到20%”,这Hybrid Canter在油耗上低于其唯一柴油机驱动的家族系列产品。
因为电动机和柴油机可以并行连接,载货车通常一个较小的柴油机就已经足够。例如,DAF给自己的LF系列混合动力基型结构装备的就是新型欧IV款4.5L的PACCAR FR发动机,其最大功率为136kW,继续给予Eaton六档自动变速器提供动力。但DAF还在发动机和变速器之间安装一个兼起发电机作用的44kW强力电动机。
这种混合动力驱动联合体的第三个元件,是锂离子蓄电池。它不仅由发电机供电,而且通过回收制动能供电。根据锂离子蓄电池的充电状态,LF主计算机计算出电动机必须在什么时候和以什么样的规模作动。DAF车上的这种蓄电池单元重量100kg,由具有总共3.4V电池的锂离子蓄电池组成。这种蓄电池在全充电后无柴油机动力情况下完全能电驱动行驶大约2km路程。
Volvo试图走一条富有潜力的低成本(至少在蓄电池方面)道路。这新颖的蓄电池名曰“Effpower”,诠释为利用传统的铅酸(基)蓄电池来提供传统蓄电池加倍的电能,而且制造成本应该是更加低廉。这种陶瓷基蓄电池含铅量仅是迄今蓄电池的一半,它立足于双极性而非单极性电极技术。据制造商称,Effpower在价格上只大约是锂离子蓄电池的七分之一。而在其它大多数重要问题上,Volvo的设计方案都与几乎所有新式混合动力驱动方案的样机完全一致,例如:省重、小排量柴油机与电动机/发电机并行工作、自动变速器以及两种动力源的电子管理等等。而诸如伺服支持或者压缩机工作,则是由电动而不是由柴油驱动。
MAN公司对相同两种混合动力解决方案之一已经作了试验。这里所谈及的是TGL-Optistrang送货车,它具有一个与离合器壳结成一体的起动机-发电机。但是这种混合动力载货车TGL-EDA的未来仍在继续思考之中,其特点是创建一个与ZF合作开发的所谓电动起动单元(EDA—Elektrodynamisches Anfahrelment)。其优点是,EDA把混合动力驱动设备的省油潜力同一种无磨损的启动元件之优点联系一起。这是一个将电动(电动机位于发动机与变速器之间)同传动系连接一起的单级行星齿轮变速器。
这样一来,起动机、发电机、起动离合器或者变矩器等都统统被取消,使得成本得以显著降低。结构保持足够紧凑状态,所有的结构元件都安置在离合器壳里面。这个电动起动单元通过一个柔和协调的扭杆式减振器(weich abgestimmter Torsiondaempfer)与飞轮牢固地连接一起,从而使两个驱动单元能够同时或者各自单独被激活。停车时,两个机器间里立即充满安静。如果车辆重新挂档运行,那么电动机先提供牵引力,并让柴油机开动。这种起动性能大概相当于一个变矩器的性能。但与此同时,EDA还采用中央同步方式,即使用一个市场上可买到的非同步式爪齿啮合变速器。
借此,让这种并行工作的混合动力驱动设备的优点(诸如停止—起动—自动运行、增力或者制动力的产生)得以保证。此外还伴随其它一些舒适性操作,例如变矩器性能般的无磨损起动、持久地爬行(上坡或者下坡)或者调车,以及坡道上停车防滑功能等。
MAN称,“混合动力驱动技术的潜力似乎非常具有前途。汽车挂档”但同时警告不要乐观过早。“可以认为,这种混合动力系统的市场推广只还在中期阶段,因为其附加成本尚不能通过省油全部予以补偿。”
在研制混合动力驱动技术方面,美国伊顿(Eaton)和UPS公司也已生产出第一辆液力混
合动力试验车,其特点是使混合动力之一用液压取代电动。据Eaton称,这种液压传动技术与电动相比其优点是,该技术具有明显大的贮蓄在制动中生成自由能的能力。它可以在相对短的时间里一下子就释放出更多的能量。其缺点是:仅仅利用液压传动不大可能较长距离行驶,因为会很快变热。所以,UPS公司与美国环保局(US-EPA)以及国际发动机润滑油公司(Motorenschmiede von International)合作开发了基于液压马达以及高压蓄能器的汽车。
其作用原理是:一个位于发动机侧的高压油泵将液压传动油置于一种压力之下,足以能激活另一个安装在后桥中部位置的液压马达有效地工作。而在车架两侧各都布置有一个低压机油箱和一个高压蓄能器连同一个机油冷却器,液压液流就在它们之间经由高压油泵和后桥液压马达流动。据称,在早先的UPS试验(与传统的美国轻型运输车相比)第一次试验结果,节油达到60-70%。但这样令人满意的数据是否能在实际运行中得以保持,将拭目以待。
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