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混合動力新選擇 Hybrid Air空氣也混種


刊登時間: 2013/05/11

文 許鴻德

近10年來原油價格不斷攀昇,「高油價」成為每位車主心中揮之不去的陰影。「節能科技」與「替代燃料技術」成為目光焦點,不論是大家熟悉的柴油引擎、Hybrid油電混和動力系統,亦或是生化柴油、氫動力甚至燃料電池都或多或少存在著限制其發展的瓶頸。雖然日本對手在技術上遙遙領先,歐洲汽車品牌仍然迫切需要能夠提昇耗油表現的技術增加產品競爭力。而且最好具備重量輕、體積小、成本低等特色。

法國Peugeot Citroen集團正計畫與其他車廠協商共享其新近開發的低成本「Hybrid Air」空氣壓縮混合動力技術,氣壓式混合動力引擎在工作效率上絕不輸一般油電混合動力系統。

日系車廠仍在混合動力市場明顯領先
根據《日本經濟新聞》去年的報導,Lexus和Toyota品牌在全球已銷售102萬8900部混合動力車型, 2013年規劃的混合動力車產量更將達到120萬部!透過大量生產混合動力車的關鍵零組件,成本將逐漸降低,而Toyota最快將於今年秋季推出主力車型Corolla的混合動力版,預料這也將大幅提昇Toyota混合動力產品線的銷售量。相對於日系車廠,歐系車廠投入研發混合動力系統至今成效仍十分有限。由於Toyota與Honda等車廠與其零組件供應商Aisin、Denso共同投入研發Hybrid技術長達10餘年,因此擁有不少關鍵零組件的設計專利,而多數歐洲車款至今仍只能選擇歐系汽車零組件供應商Valeo與Robert Bosch所研發的「輕度混合動力系統」:Stop-Start;在車輛停止時引擎會關閉,一旦駕駛人的腳離開煞車踏板引擎便立刻啟動。它能提高車輛的燃油經濟性而無需改動引擎,只要更換一個更強勁的啟動馬達再增配部分電子元件,就能節約5~10%的燃油。

2013年Toyota規劃的混合動力車產量將達到120萬部!其中Prius車型已成為該廠節能科技的代表,產品線也逐步擴充。

Peugeot Citroen大力推動Hybrid Air 
然而歐洲汽車品牌在混合動力技術長期居於劣勢的局面很可能在不久的未來發生改變!根據《路透社》最近的報導,法國Peugeot Citroen正計畫與GM在內的其他車廠協商共享其新近開發的低成本「Hybrid Air」空氣壓縮混合動力技術,並有意在中國市場尋找合作夥伴。Hybrid Air由法國Peugeot Citroen集團與汽車零組件供應商Robert Bosch共同研發,其原理為採用壓縮空氣代替儲能電池作為車輛第二動力來源,在既有的內燃式汽油引擎和自動變速箱加上一個由壓縮空氣提供動力的液壓泵和馬達。值得一提的是液壓泵和液壓馬達都是液壓系統中的能量轉換裝置,不同的是液壓泵把驅動電動機的機械能轉換成油液的壓力能,是液壓系統中的動力裝置,而液壓馬達是把油液的壓力能轉換成機械能,是液壓系統中的執行裝置,整個系統完全不需要通電。

並非所有汽車品牌都選擇複雜昂貴的行星齒輪變速箱,Honda車廠就堅持成本較低的IMA混合動力系統並使用於Honda Insight車型內。

Hybrid Air有三種驅動模式:純汽油、純壓縮空氣、汽油與壓縮空氣混合模式,壓縮空氣扮演油電混合動力車中電池的儲能介質。空氣壓縮混合動力系統主要零組件包括:傳統內燃式引擎、特製液壓裝置、改裝的齒輪箱以及儲存和釋放能量的壓縮氣缸(位於車輛中控檯扶手正下方),空氣壓縮系統可回收車輛減速和煞車時損失的能量。Hybrid Air可以在零排放的純壓縮空氣模式下運轉,這時壓縮空氣被用來驅動液壓馬達,液壓馬達再驅動傳統系統,也能夠在僅由汽油引擎提供動力或者由汽油引擎和壓縮空氣同時驅動的模式下運轉。與油電混合動力系統相同,Hybrid Air的控制電腦會自動選擇最適合當時行車條件的動力來源,而壓縮汽缸在車子減速或煞車的時候會被液壓泵重新注滿空氣。法國Peugeot Citroen的測試顯示在市區內行駛時有60~80%的時間處於零排放(壓縮空氣驅動模式會在時速低於69公里時自動啟動),Hybrid Air可提昇市區駕駛的燃油經濟性達到45%,並提昇續航里程90%。由於無需使用成本高昂的二次電池,安裝Hybrid Air的車輛售價將比現有的油電混合動力車輛便宜大約1,000英鎊(約1,585美元)。

 

Peugeot Citroen研發總監Jean-Marc Finot在本屆日內瓦車展曾表示希望透過合作降低Hybrid Air的研發和製造成本,目標是削減至5億歐元(約合6.5億美元)以內。Jean-Marc Finot還透露搭載此技術的首款量產車型有望在2016年問世。雖然GM與法國Peugeot Citroen在2012年結為戰略同盟,在採購、研發等領域展開合作,GM發言人表示Hybrid Air「目前並不在雙方合作計畫中」,但不排除未來簽署合作協定。

也有歐洲汽車製造商研發更複雜的前後軸油電混合動力系統,希望與Toyota車廠有所區隔。

整合壓縮空氣與內燃式引擎設計亦是未來研究方向
目前除了Peugeot Citroen之外的其他團隊,也投入研究以壓縮空氣提昇引擎燃燒效率的可能性。 Honda執行長福井威夫就曾表示今天即便是最先進的汽油引擎,所浪費的能量仍超過65 %、因此仍有不少工程師認為「提高汽油引擎燃燒效率」還有許多發展潛力,甚至大於昂貴的電池或Hybrid油電混合動力系統!熟悉熱力學的讀者就會知道汽油引擎最大的缺點在於燃料利用效率低(僅33%)以及污染物的排放,雖然最近20年來直接噴油引擎的技術已經幫助燃料利用效率顯著超越過去的化油器時代、但仍無法讓人滿意。

多數歐洲車款至今仍只能選擇Stop-Start系統,只要更換一個更強勁的啟動馬達再增配部分電子元件,就能節約5~10%的燃油。

此領域的研究以Carmelo Scuderi家族的研究最具代表性:Carmelo Scuderi是一位熱力學工程師,這項學科研究機械運動、摩擦和熱能的相互關係、可說是引擎工作理論的精髓。基於前人「一分為二式」(Split-Cycle)構想,他對四行程內燃機的內部結構進行改良,在Scuderi的設計中,成對的汽缸同時運轉,改良後的四行程內燃機具有分別位於兩個氣缸內的一對活塞,一個汽缸負責進氣及壓縮行程,另一個用於燃燒及排氣過程,每個四行程循環在曲軸旋轉一圈完成。Scuderi Split-Cycle設計的關鍵部位是氣體交換通道(Crossover Passage):高速閥門控制被壓縮的油氣從壓縮汽缸進入到燃燒汽缸。

 

Carmelo Scuderi設計把一半的汽缸反向工作成為空氣壓縮機,當車輛煞車時將壓縮的空氣導入儲存室,而這些壓縮空氣之後可再導回汽缸之中來推動活塞運轉。Scuderi集團表示氣壓式混合動力引擎在工作效率上絕不輸一般油電混合動力系統,因為空氣的儲存與輸送都比電力快得多,而且少了沈重的電池模組,所以在重量上輕了許多,成本也遠低於油電混合動力系統。可惜2002年死於心臟病的Carmelo Scuderi沒有看到自己的根據理論付諸實現的那天。但家族其他成員繼續改良他的發明,甚至進一步發明了利用壓縮空氣的混合動力系統。隨著後人的持續研究,或許有朝一日Hybrid Air空氣壓縮混合動力技術將成為混合動力技術中不可或缺的一股力量。

Peugeot Citroen研發總監Jean-Marc Finot透露搭載空氣壓縮混合動力技術的首款量產車型有望在2016年問世,預計未來幾個月之內就能與潛在夥伴締造合作關係。

空氣壓縮混合動力系統主要零組件包括:傳統內燃式引擎、特製液壓裝置、改裝的齒輪箱以及儲存和釋放能量的壓縮氣缸(位於車輛中控檯扶手正下方),空氣壓縮系統可回收車輛減速和煞車時損失的能量。

與傳統混合動力系統相比,由於無需使用成本高昂的二次電池,安裝Hybrid Air系統的車輛售價將比現有的油電混合動力車輛便宜大約1,585美元,而且整個系統完全不需要通電。