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混合动力的前世今生(上):内外交困的前世

【前言】

每当油价持续上涨,汽车产业总会出现巨大的变局。

在汽车诞生的初期,纯内燃机并不是唯一的主角,当时电力革命兴起,新一轮技术革命是由电力驱动的,所以在20世纪初电动车还曾试图和内燃机一较高下。

到了1970年代,第一次石油危机发生之后,日本车企利用小排量发动机的省油优势,成功进入了全球最大的汽车市场。从此之后,全球汽车产业从欧美主导变为了欧美日三足鼎立的阶段,「省油耐用」也成为了日系车标签。

到了1990年,第三次石油危机因海湾战争而起,只用了三个月时间就让原油价格从每桶17美元涨到36美元。油价上涨的压力传递到消费端,美国三巨头生产的耗油量巨大的皮卡、大排量轿车、厢式货车等等,被消费者再次抛弃。

尽管三巨头试图用电动车确保自己的领先优势,却不料半路杀出个“普锐斯”。这款搭载了一套被称为“Toyota Hybrid System”的全新内燃机+电机总成的驱动系统,成为高油价时代最成功的消费品。

时过境迁,2022年全球原油价格因为俄乌战争飙升至接近130美元/桶,这迫使美国油价上涨到每加仑4.14美元,打破了2008年以来的最高价格。就连中国国内油价也全面超过9元/升。

在如此高的油价之下,全球汽车产业必然也会迎来一次洗牌,那么这次走势又会如何呢?

混合动力发展至今,凭借节油性能,在汽车市场已占有终于占有一席之地。它诞生在100多年前那个机械和电气百花齐放的年代,然而处于内外交困的混动,当时的结局让人惋惜。

1839年世界上第一台纯电动车出现,受制于电池技术,纯电续航里程短,一直没大规范推广。德国工程师奥托(Nicolaus Otto)在1876年发明了内燃机,让发电机组小型化成为可能。

1901年,23岁的德国人费迪南德·波尔舍(保时捷创始人)将汽油发电机组搭载在纯电动车上,解决了电动汽车里程短的问题,于是世界上第一台混合动力汽车出现了。

这套混动基本结构其实与现在日产的e-POWER一样,叫串联式混合动力,又叫增程式混合动力。

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▲费迪南德 波尔舍的混合动力电动车

一开始,这套混动颇有卖头,因为纯电动车里程短得离谱,而燃油车需要手动换档,要知道当时手动换挡器是没有同步器的(带同步器的手动变速器在1928年开始装车),换挡时需要两脚离合器,这只有专业人士才能操作。

但后来,随着变速器的改进以及用户对车辆性能需求的提高,混合的弱点暴露了出来——成本高、最高车速低、耐久性等方面都不及传统燃油车,连燃油经济性都远远落后。于是混动进入了冬眠期,少有人问津,一直到1960年代现代电子电气技术陆续涌现才开始为混动赋予新的生机。

混动关键技术——能量制动回收,在1967年由美国汽车公司 Amitron 开发,并于1982年进化为电力辅助驱动和能量制动回收,有了这项技术的加持,现代混动的样车出现了。这里不得不提到维克多·沃克——混合动力汽车之父,他在1960~1970年代做了许多混动研究,并制造了第一辆现代混动的样车,这是一辆安装了16kW电机的别克Skylark。

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▲维克多·沃克和别克Skylark

尽管由电机-发电机-电池组成的混动系统能改善整车燃油经济性约10~20%,但依然不够,于是工程师将阿特金森发动机搭载在混动车辆上,这能让混动系统如虎添翼。

传统燃油车搭载的发动机就是大家熟知的四个冲程发动机,包含了进气、压缩、做功和排气。

▲四冲程发动机

其运行时表现出的热力学循环是奥托循环,这是以内燃机发明者奥托命名。

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▲理想的奥托循环 – 热力循环图

12是进气行程,进气门打开,排气门关闭,活塞下行,气缸体积变大,气体压力比大气压略小;

23是压缩行程,进气门和排气门都关闭,活塞上行消耗机械能,气缸体积减小,压力增大;

34燃烧过程中气缸内压力和温度急剧提升;然后推动活塞向下做功,即45做功行程;

56排气门打开,释放剩余压力并排出废气,接着活塞上行,完成21排气行程。

其中,56是靠剩余压力进行排气,尽管这时候气缸压力已经不高,但是如果利用起来做功,热效率也能有所提升。于是,在奥托发明内燃机后仅仅过了六年便迎来挑战者,在1882年,英国工程师詹姆斯阿特金森 (James Atkinson)为了改善效率,发明了阿特金森循环内燃机。

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▲阿特金森循环(浅黄+橘色)和奥托循环(浅黄)对比

上图是阿特金森循环和奥托循环对比示意图,奥托循环是12341围成的浅黄面积,面积大小即单循环做功大小,而阿特金森循环是1234A1围成的浅黄和橘色之和,其中,1和4和4A围成的橘色面积就是从废热中榨取出来功的大小(堪比当时的资本家)。

需要注意到,压缩是从12,而做功膨胀是34A,意味着,整套机构的膨胀比必须比压缩比更长,为实现这一目标,聪明的阿特金森巧妙地设计了三套机构。

▲阿特金森 “Differential Engine”, 1882

▲阿特金森“Cycle Engine”1887

其中“Cycle Engine”比较紧凑,可以应用到车辆上。从动画可以看出,其曲柄连杆机构是多连杆机构,比起奥托循环,这套机构更加复杂,在那个没有CAE/CAD等软件加持的“冷兵器(铅笔+尺子)”时代,能设计和调试出这套多连杆,想想当时的人是多牛。

从动图来看,有没有觉得很熟悉,没错!又是日产…日产可变压缩比发动机也是多连杆机构,和这套机构十分类似。

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据悉,当时这套Atkinson “Cycle Engine”的热效率比奥托循环高出20%~30%,由英国某家内燃机公司量产并持续销售近10年。

由于阿特金森发动机存在两大缺点——紧凑性不如奥托循环发动机、升功率较低,在那个年代并没有太多人愿意为了热效率而牺牲内燃机的动力性能,只能说生不逢时。

1957年, 美国工程师米勒(Ralph Miller)在船动力和发电厂上再次引入了“阿特金森”循环并克服了紧凑性问题,他只通过配气机构便实现了膨胀比大于压缩比的目标。怎么实现的?他设计出一个超高压缩比的发动机,这样膨胀比也同步提升,然后调整配气机构将进气迟后角增大,从而让进入气缸的一部分混合气又排回进气歧管,这防止了因过大压缩比而产生爆燃爆震。

▲奥托循环和米勒循环(阿特金森循环)

这种循环被命名为米勒循环,其热效率改善没有阿特金森循环那么明显,但是解决了阿特金森发动机紧凑性差的缺点,因而存在较高的商业化价值。

1993年,马自达解决了阿特金森的升功率低的缺点并首先将其商用。KJ-ZEM V6发动机是马自达当时最为先进的发动机,排量2.3升,V6结构,在1995~1998年连续入选“沃德十佳发动机”。

该发动机加入了机械增压机构以增加升功率,最终实现的升功率为70kW/L (总输出162kW),但是机械增压消耗了一部分功率,因此,从米勒循环上压榨出来的额外功率又“挥发”掉一部分,最终节能效果差强人意。

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▲马自达Millenia轿车(搭载米勒发动机)

由于混合动力有电机辅助,升功率低并不会成为致命问题,而节油却能让混合动力如虎添翼——这就是现代混动系统普遍采用阿特金森(米勒)发动机的原因。

至1980年代末,混动所需的技术已经配齐,具备与传统燃油车竞争的条件。尽管技术内因解决了,但是外因却一直笼罩着混合动力,那外因就是廉价的汽油。

假设汽油价格一直保持在低位且没有政府等力量的干涉,那么混合动力的问世将会推迟小几十年。这个逻辑同样存在当前的能源领域,现代技术已经可以实现“种植”清洁能源(风光水电),但是大多数国家还在“采集”化石能源,原因是化石能源便宜。

上天给了混合动力机会,1990年代初海湾战争引发油价飞涨,每桶价格从17美元涨到36美元。

各国汽车厂商开始注重汽车燃油经济性,尤其是日本厂商,资源匮乏的日本承受不了高油价,混合动力自然成为开发预算中最青睐的对象,1997年丰田普锐斯问世具有划时代意义,从此进入了混合动力发展的黄金时代(今生)……混合动力今生是怎么样的,我们下篇继续。

文|吃虾的猫

图|网络

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