轉(zhuǎn)矩之局

文 宋喜秀

轉(zhuǎn)矩在物理學(xué)中指力矩的大小，等于力和力臂的乘積，所以又稱扭力或扭矩。而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。它的準(zhǔn)確定義是：活塞在汽缸里做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每一次往復(fù)都會(huì)做一定的功，在每個(gè)單位距離所做的功就是轉(zhuǎn)矩。與此相對(duì)應(yīng)，在每個(gè)單位時(shí)間所做的功是功率；在每個(gè)單位時(shí)間所轉(zhuǎn)過的曲軸圈數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩是汽車啟動(dòng)、加速、載重、爬坡等動(dòng)力特性的決定性因素，是汽車性能指標(biāo)體系中的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。

用Pe、Te、n分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，則有如下關(guān)系式：

發(fā)動(dòng)機(jī)的物理特性決定了離合器、變速器等動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)的存在。變速器通過離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，變速器的輸入軸與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸則按選擇的變速比來輸出速度與相應(yīng)的動(dòng)力。駕駛員通過變速器換擋使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳動(dòng)力性能狀態(tài)下工作。功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間既相互依存又相互博弈，為我們展示了豐富多彩的轉(zhuǎn)矩之局。

轉(zhuǎn)矩

1 燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)之憂

1.1 燃油發(fā)動(dòng)機(jī)之“優(yōu)”

伴隨渦輪增壓、高壓共軌、汽車CAN總線(Controller Area Network)等技術(shù)的廣泛運(yùn)用，傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)中，特別是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，越來越“人性化”：既有助于負(fù)重爬坡的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)，又有利于啟動(dòng)加速及節(jié)油的中高速轉(zhuǎn)矩區(qū)間優(yōu)勢(shì)，所以一度成為交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及國防裝備的主導(dǎo)動(dòng)力。圖1為YC6K1242-30型柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，表1為該型發(fā)動(dòng)機(jī)配置表。

表1 YC6K1242-30型發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)及配置

由轉(zhuǎn)矩曲線可以看出此柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的顯著特點(diǎn)。在1000～1400 r/min常用轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)具備2100 Nm的最大轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩輸出愈大象征著承載能力愈大，加速性能愈好，爬坡能力愈強(qiáng)，換擋次數(shù)愈少，從而汽車的機(jī)械磨損也會(huì)相對(duì)減少。這種發(fā)動(dòng)機(jī)適合低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩工況的車型，如大型客車、礦用自卸車、汽車起重機(jī)等需要長時(shí)間“負(fù)重爬坡”的車型。

1.2 燃油發(fā)動(dòng)機(jī)之“憂”

1893年世界上第1臺(tái)柴油機(jī)誕生——DIESEL ENGINE(狄塞爾)。德國MAN公司于1923年推出了第1臺(tái)裝備在卡車上的狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)。如今看來，歷經(jīng)百年滄桑的柴油機(jī)技術(shù)已經(jīng)爐火純青。但成熟技術(shù)表現(xiàn)出來的動(dòng)力特性優(yōu)勢(shì)也在不知不覺中誤入歧途而成為隱憂——這就是燃油汽車3大怪。

1.2.1 汽車當(dāng)作火車開

GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》規(guī)定，當(dāng)3軸貨車驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎(即俗稱的“后8輪”)且裝備空氣懸架時(shí)，允許總質(zhì)量的最大限值為26000 kg；當(dāng)具有雙轉(zhuǎn)向軸的4軸汽車驅(qū)動(dòng)軸為每軸每側(cè)雙輪胎且裝備空氣懸架時(shí)，允許總質(zhì)量的最大限值為32000 kg；具有6軸的汽車列車允許總質(zhì)量的最大限值為49000 kg。與國內(nèi)貨運(yùn)市場的實(shí)際情況對(duì)照一下，我們會(huì)對(duì)無車不超的“中國國情”啞然失笑。

古人云，有一利必有一弊。柴油機(jī)“低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩”的超強(qiáng)動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，常常被一些急功近利的商家理解為超載超限的資本而進(jìn)行毫無止境的消費(fèi)乃至揮霍。無論是上坡下坡，還是裝貨卸貨，只要車能啟動(dòng)，超載多多益善，不僅超過國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定限值，還一度超過火車車皮60000 kg的載質(zhì)量。如2013年12月20日晚，在駐馬店市驛城區(qū)朱古洞鄉(xiāng)窯后村(107國道確山南路超限站附近)，一名駕駛員在卸車時(shí)，因所載貨物嚴(yán)重超重，升降液壓桿被壓斷，滿載河沙的車廂重重落下，駕駛員被當(dāng)場砸死。

1.2.2 貨車當(dāng)作賽車賽

柴油機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速而變化，功率隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，差不多到了最大轉(zhuǎn)速(標(biāo)定轉(zhuǎn)速)仍未出現(xiàn)曲線的最高點(diǎn)；轉(zhuǎn)矩曲線變化平緩，在不同轉(zhuǎn)速位置變化量不大。因此，靈活變速比的美好理想便寄托在了變速器身上。于是，AT(Automatic Transmission，自動(dòng)變速器)、MT(Manual Transmission，手動(dòng)變速器)、AMT(Automated Mechanical Transmission，電控機(jī)械式自動(dòng)變速器)應(yīng)運(yùn)而生。

AT是由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達(dá)到變速變矩。其中液力變扭器由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪等構(gòu)件組成，兼有傳遞轉(zhuǎn)矩和離合的作用，是AT的核心部件。MT采用齒輪組換擋變速，由于每個(gè)擋位的齒輪組的齒數(shù)是固定的，各擋的變速比都是定值，所以是有級(jí)變速器。AMT是在機(jī)械變速器上進(jìn)行改造，改變手動(dòng)操作系統(tǒng)的換擋桿部分，通過電子控制單元(ECU)使發(fā)動(dòng)機(jī)供油、離合器的離合、變速器換擋3者動(dòng)作與時(shí)序達(dá)到最佳匹配，保留了絕大部分原總成部件，生產(chǎn)繼承性好，改造的投入費(fèi)用少，因性價(jià)比最高而得到生產(chǎn)廠家的廣泛接受。

選換擋控制是提高變速器性能的重要環(huán)節(jié)。目前，按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的不同，AMT的選換擋系統(tǒng)可分為電控氣動(dòng)、電控液動(dòng)和電控電動(dòng)3種類型。具有AT功能的變速器還有：裝備雙重離合器的直接換擋變速器(Direct Shift Gearbox)，依靠主、從動(dòng)輪和金屬帶來實(shí)現(xiàn)速比無級(jí)變化的“持續(xù)可換檔變速器(Continuously Variable Transmission)等新型變速器。

伴隨著變速器的不斷創(chuàng)新和傳動(dòng)比的逐級(jí)跟進(jìn)，面對(duì)高速公路的高效誘惑，柴油車的行駛速度被不斷刷新。因?yàn)檐囕v用途的多樣化和利益競爭機(jī)制的白熱化，近年來不斷有時(shí)速超過100 km/h的工程車問世，給工程施工和交通安全埋下了隱患。

1.2.3 排放越高越難賣

當(dāng)前普遍使用的柴油車也存在種種弊病，除了動(dòng)力嚴(yán)重過剩，更為嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來，世界各國對(duì)改善環(huán)境的呼聲日益高漲，要求燃油排放升級(jí)的政策壓力與日俱增。因?yàn)橥菩械谒碾A段燃油排放限值標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)升級(jí)將帶動(dòng)采購成本增加，上漲幅度可達(dá)30%左右，所以很多購買者并不情愿為此“買單”。面對(duì)“排放越高越難賣”的尷尬局面，經(jīng)銷商只能一方面為數(shù)以百計(jì)的“國III”排放標(biāo)準(zhǔn)車型提前上戶，以填補(bǔ)實(shí)施“國IV”排放標(biāo)準(zhǔn)的市場緩沖期；另一方面，通過各種促銷手段翹首以待新車型銷量大增以消化成本。

為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商分別選擇了EGR＋DPF或SCR技術(shù)，前者對(duì)用戶采購成本影響較小，但油耗升高；后者可以滿足嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，但需額外加裝設(shè)備，增加配置費(fèi)用。此外，很多業(yè)內(nèi)人士表示，目前油品本身含硫量較高，難以滿足高壓共軌柴油機(jī)的使用需求，甚至還可能導(dǎo)致傳感器“休克”。如果國內(nèi)燃油的含硫量快速下降，則我國的運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械等柴油動(dòng)力裝備就有可能跨越現(xiàn)有的技術(shù)和成本障礙，實(shí)現(xiàn)彎道超車。

2 新能源的綠色之慮

汽車當(dāng)作火車開，貨車當(dāng)作賽車賽，排放越高越難賣。傳統(tǒng)汽車3大怪的出現(xiàn)，說明燃油汽車的生命周期已經(jīng)跨入高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、高功率的“三高”衰老期。取而代之的新概念車型呼之欲出。電動(dòng)汽車、空氣動(dòng)力車、LNG汽車等新概念車型脫穎而出，成為汽車世界里炙手可熱的“高富帥”。然而，時(shí)尚之始，正是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存之時(shí)，處于高新技術(shù)開發(fā)前沿的汽車新能源技術(shù)的局限性也日趨明朗、飽受爭議。

表2 電動(dòng)汽車之電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)

2.1 電源之源，污染提前

純電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來自于定子磁力對(duì)帶電轉(zhuǎn)子的作用力，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以由磁力定律及轉(zhuǎn)矩公式推論出來：

電磁轉(zhuǎn)矩公式表明，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)(轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT由結(jié)構(gòu)決定)，并與電樞繞組的氣隙磁通Φ/(Wb)及電樞電流Ia/(A)成正比。電樞電流與電壓是電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的決定性因素，也是電動(dòng)汽車重要的性能指標(biāo)之一。

電動(dòng)汽車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源電力系統(tǒng)和輔助支持系統(tǒng)等3部分組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)(M)、定比減速器(FG)、差速器(D)、電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器和車輪組成，目前有電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)方式。2種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)如表2。

電源電力系統(tǒng)目前有蓄電池、燃料電池和電網(wǎng)電力3種。

(1)蓄電池。蓄電池是能量存儲(chǔ)裝置，通過外界充電儲(chǔ)存電能，并通過電化學(xué)反應(yīng)釋放電能，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。電動(dòng)機(jī)充放電1次稱為1個(gè)循環(huán)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)充電時(shí)間長(6～10 h)，放電時(shí)間短，因此電動(dòng)汽車的續(xù)航里程十分有限。此外，蓄電池制造成本高，循環(huán)壽命短(400～1200次)，又使其折舊費(fèi)居高不下。數(shù)以千百計(jì)的蓄電池組合成一個(gè)能量包，如果有一個(gè)或幾個(gè)蓄電池性能衰減，造成的短板效應(yīng)也會(huì)使“能量包”總體性能下降。所以，以蓄電池為能源的電動(dòng)汽車的發(fā)展預(yù)期，長期局限在微型低速短程的底端市場徘徊不前。

(2)燃料電池。燃料電池是燃料與氧化劑通過電極反應(yīng)將其化學(xué)能直接轉(zhuǎn)為電能的能量生成裝置。燃料電池不需要充電，只要外部不斷地供給燃料和氧化劑，就能連續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。電動(dòng)汽車燃料電池的燃料為氫(H2)和甲醇(CH3OH)。與其有關(guān)的3類電池的參數(shù)如下表3。

表3 3類燃料電池的參數(shù)

由表3可知，質(zhì)子交換膜氫燃料電池的預(yù)期壽命最長，但造價(jià)昂貴，中國也沒有反應(yīng)所必需的催化劑——貴金屬鉑，所以此夢(mèng)難圓。

(3)電網(wǎng)電力。驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)離不開電網(wǎng)電力。交流異步電動(dòng)機(jī)沒有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，其定子中的電樞繞組既是勵(lì)磁繞組，又是轉(zhuǎn)矩繞組，與一般直流電動(dòng)機(jī)相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，所以其勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩間的耦合控制曾經(jīng)相當(dāng)困難，對(duì)于工況頻繁變換的電動(dòng)汽車尤其困難。近年來隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和運(yùn)動(dòng)控制理論的逐步運(yùn)用，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)完成了飛躍，交流異步電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步，并成功運(yùn)用于大功率混合動(dòng)力公交車、純電動(dòng)公交車制造系統(tǒng)。如果高速公路能像高速鐵路那樣有穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)一路相伴，公路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)能將另當(dāng)別論。

電動(dòng)汽車無法取得突破性進(jìn)展的仍然是蓄電池電池組，令人遺憾的電能衰減及很難自圓其說的“零排放”問題。一方面，電池需要充電，那么交流電從何而來？據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，80%以上的電能仍然來自于使用煤炭、石油、天然氣3大傳統(tǒng)能源的火電站，所謂“零排放”只不過是污染方式的轉(zhuǎn)移而已。另一方面，電池儲(chǔ)電能力衰變到一定限度時(shí)，大量報(bào)廢的電池會(huì)不會(huì)帶來二次污染，仍然是不容回避的現(xiàn)實(shí)問題。此外，電池釋放電能的化學(xué)過程始終無法精確控制和掌握，過半的手機(jī)電量，常常在一個(gè)電話之后就突然“罷工”，續(xù)航里程十分有限的電動(dòng)汽車會(huì)不會(huì)突然拋錨當(dāng)然無法保證。

2.2 氣體之體，難燃易漏

石油資源的世界性短缺，汽車排放對(duì)大氣污染比重的上升，使人類不得不尋找新的清潔能源。液化天然氣(LNG)的主要成分是甲烷(化學(xué)分子式CH4),無色、無味、無毒且無腐蝕性，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，質(zhì)量僅為同體積水的45%左右，1 m3的天然氣熱值約為9300 kcal，1 t的LNG可產(chǎn)生1350 m3天然氣，可發(fā)電8300度。由于LNG真空隔熱罐儲(chǔ)存技術(shù)的日益完善，“西氣東輸”等天然氣項(xiàng)目的逐步完工，使我國綠色能源汽車研究應(yīng)用具備了必要的技術(shù)條件，具有了堅(jiān)實(shí)的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。

LNG汽車開辟了氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的新時(shí)代。LNG汽車一般分3種形式：完全以LNG為燃料的純LNG汽車，LNG與柴油混合使用的雙燃料汽車，LNG與汽油交替使用的雙燃料汽車。這幾種LNG汽車的燃?xì)庀到y(tǒng)基本相同，都是將LNG儲(chǔ)存在車用LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，通過汽化裝置汽化為0.5 MPa左右的氣體供給發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要構(gòu)成有LNG儲(chǔ)氣罐、汽化器、減壓調(diào)壓閥、混合器和控制系統(tǒng)等。LNG從液態(tài)氣罐進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的流程如圖2所示，圖3是某LNG汽車的動(dòng)力特性曲線。

從LNG汽車的結(jié)構(gòu)原理和工作特點(diǎn)，很容易發(fā)現(xiàn)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的局限性。

首先是溫柔平順的保守性。對(duì)于高速標(biāo)載運(yùn)輸，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)和柴油機(jī)完全一樣，即使是拉煤拉礦等重載運(yùn)輸，天然氣卡車也毫不遜色。但是，由于LNG的燃點(diǎn)為650℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽油的427℃和柴油的260℃，所以LNG汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式是點(diǎn)燃，這與壓燃式的傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，那種穩(wěn)定持久的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩特性就會(huì)稍遜一籌，而一般普通汽車加裝燃?xì)庀到y(tǒng)以后,雖然換來了更清潔的尾氣和更低的行駛成本，但發(fā)動(dòng)機(jī)的功率卻會(huì)下降30%左右。LNG汽車在低速啟動(dòng)及爬坡性能方面的差異性提醒我們，那些在彎道、坡道比較多的地方從事貨物運(yùn)輸?shù)纳碳遥瑫簳r(shí)還是不宜選用個(gè)性偏于溫柔的LNG卡車。

其次是無孔不入的滲透性。LNG需要在－163℃儲(chǔ)存，氣化后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。汽車在正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過氣化的天然氣被充分消耗，不會(huì)出現(xiàn)泄漏。但在停車較長時(shí)，管路和閥門的漏氣將使汽車上的低壓氣體容器內(nèi)的氣壓上升而造成危險(xiǎn)，因此不得不在氣體容器上設(shè)置安全閥排氣，造成大氣污染。因而采用先進(jìn)技術(shù)保證真空隔熱儲(chǔ)氣罐及相關(guān)附件的氣體泄漏量控制在安全范圍內(nèi)，這方面的專業(yè)技術(shù)也須進(jìn)一步跟進(jìn)。

再次是氣體加注的復(fù)雜性。LNG加注的方便性、可靠性和安全性有待改進(jìn)。LNG的加注時(shí)間太長，加注方式過于復(fù)雜都會(huì)影響LNG汽車的推廣。

最后是冷能利用的經(jīng)濟(jì)性。LNG在氣化時(shí)產(chǎn)生大量的冷能(860～883 kJ/kg),在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)或汽車設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮這一副產(chǎn)品的開發(fā)利用問題，特別是在低溫冷藏車、醫(yī)療救護(hù)車等保溫類專用汽車上面還有許多值得注意的利用空間。

當(dāng)然，解決以上問題，不僅需要技術(shù)進(jìn)步的支撐，更需要生產(chǎn)工藝的突破，因此產(chǎn)生的數(shù)以萬計(jì)的高昂費(fèi)用差價(jià)，正是LNG發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“富二代”的原因所在。

2.3 空氣之氣，難在封閉

在層出不窮的新概念車型中，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝備的氣動(dòng)汽車形象最酷最“帥”。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)是利用高壓壓縮空氣工作,將高壓空氣中儲(chǔ)存的壓縮能轉(zhuǎn)換其它機(jī)械能的一種動(dòng)力裝置。在資源和環(huán)境問題日益突出的情況下,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有諸多優(yōu)點(diǎn),因而在車輛、發(fā)電、航空等方面得到越來越多的應(yīng)用,在國外已成為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑之一。國內(nèi)外研究的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要有往復(fù)式、葉片式、旋轉(zhuǎn)式3種結(jié)構(gòu)形式。此外，以液態(tài)氮?dú)狻⒁簯B(tài)空氣吸熱后膨脹做功為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)也屬于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的范疇。

壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放出來的尾氣比空氣還干凈，是真正意義上的“零排放”發(fā)動(dòng)機(jī)。

同時(shí)，給氣動(dòng)汽車充氣快速方便，比燃油車加油干凈環(huán)保，比電動(dòng)車充電迅速快捷。但是，氣動(dòng)汽車氣路多，氣壓控制繁瑣。往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是，活塞與氣缸之間的摩擦運(yùn)動(dòng)是動(dòng)摩擦，對(duì)兩者之間的密封十分不利，所以在實(shí)際運(yùn)用中，因?yàn)闅飧茁獗容^嚴(yán)重，而使發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率普遍不足80%；而葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)子、定子、葉片之間接觸面積相對(duì)較大，葉片與定子之間的頻繁摩擦不僅造成發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的快速磨損和高壓氣體的大量泄漏，還容易形成不容忽視的噪聲污染；偏心旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)依靠2個(gè)以上氣室依次輪流膨脹推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，能夠連續(xù)輸出相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，摩擦力相對(duì)較小，但在氣室工作及換氣期間的空氣泄漏問題仍然比較嚴(yán)重。

面對(duì)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的密封難題，有人提出，大幅提高空氣壓力和容量，可以有效補(bǔ)償空氣泄漏損失。殊不知壓力和容量上去了，整車質(zhì)量也就上去了，行駛阻力也就增加了，補(bǔ)償泄漏的因果關(guān)系也就陷入了死循環(huán)的悖論之中。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)密封難題引發(fā)的低效率問題，還一度受到工程學(xué)專家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表示懷疑，“空氣壓縮機(jī)是轉(zhuǎn)化電能效率最低的機(jī)器之一，為什么不像電動(dòng)汽車一樣直接使用電能？從能源利用的角度來說，空氣動(dòng)力汽車并沒有什么意義?！?/p>

事實(shí)上，法國、印度、澳大利亞以及中國不止一家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)利用壓縮空氣動(dòng)力技術(shù)試制成功了公交車、出租車、家庭用車和小型貨車。隨著降壓節(jié)流、熱力循環(huán)及高溫密封技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，耐高壓儲(chǔ)氣罐制造工藝的不斷創(chuàng)新，特別是風(fēng)電、核電、潮汐電等綠色電力比重的持續(xù)提高，由電網(wǎng)電力進(jìn)行次能量轉(zhuǎn)換，又以壓縮空氣作動(dòng)力的氣動(dòng)汽車大眾化的日子已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。

3 混合型“雙贏”之爽

怎樣將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)與節(jié)能相結(jié)合呢？汽車工程師們構(gòu)想出了一個(gè)兩全其美的辦法，開發(fā)生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車。所謂混合動(dòng)力汽車，是指車上裝有2個(gè)以上動(dòng)力源：或油電混合，或油氣混合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)動(dòng)力與新能源的互補(bǔ)雙贏。

最早出現(xiàn)的混合動(dòng)力汽車是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)與蓄電池的汽車，也就是將電動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力單元組合在一輛汽車上做驅(qū)動(dòng)力，輔助動(dòng)力單元實(shí)際上是一臺(tái)小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)電機(jī)組。這種混合動(dòng)力汽車的英文縮寫為HEV(Hybrid Electric Vehicle)。HEV既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長，動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又運(yùn)用了電動(dòng)機(jī)無污染、低噪聲的好處，二者“并肩戰(zhàn)斗”，取長補(bǔ)短，占盡了2種動(dòng)力特性的天時(shí)、地利與人和。我國各大汽車集團(tuán)都在進(jìn)行混合動(dòng)力汽車研發(fā)。

HEV的關(guān)鍵是混合動(dòng)力系統(tǒng)，它直接決定整車性能。經(jīng)過20多年的發(fā)展，混合動(dòng)力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和變速器一體化發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)。

混合動(dòng)力總成以動(dòng)力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等3種。

串聯(lián)式HEV汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)3部分動(dòng)力之間用串聯(lián)方式組成動(dòng)力單元系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)上，由電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，大負(fù)荷時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)車輛處于啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)車輛處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，因而在城市公交上的應(yīng)用比較多。

并聯(lián)式HEV汽車為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬2套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系提供轉(zhuǎn)矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車加速爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持該速度。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動(dòng)－發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復(fù)雜的路況，非常適合中國國情。

混聯(lián)式HEV的特點(diǎn)在于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，2套機(jī)構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。

插電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in Hybrid Vehicle，簡稱PHV)是一種新型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。區(qū)別于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力與電驅(qū)動(dòng)結(jié)合的混合動(dòng)力，插電式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)單元都與電動(dòng)車無異，可以當(dāng)作一輛純電動(dòng)車來使用。之所以稱其為混合動(dòng)力，是因?yàn)檐嚿涎b備有一臺(tái)為電池充電的發(fā)動(dòng)機(jī)。采用了雙擎雙模技術(shù)的PHV，短途用電完全可以滿足代步使用需求,長途可用混合動(dòng)力模式，以內(nèi)燃機(jī)為主行駛，并適時(shí)向電池充電。

繼HEV、PHV之后，受困于LNG汽車轉(zhuǎn)矩特性的局限性，催生了LNG汽車家族的雙胞胎兄弟：LNG與柴油混合使用的雙燃料LNG汽車及LNG與汽油交替使用的兩用燃料汽車。油汽混合LNG汽車的供油供汽2個(gè)供應(yīng)系統(tǒng)共用一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，保留壓燃點(diǎn)火方式，通過限制燃油噴射量，用天然氣替代的方式“限油補(bǔ)氣”，2種燃料進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)摻燒為汽車提供動(dòng)力，柴油與LNG消耗量約為25%和75%。LNG與柴油混合使用的雙燃料LNG汽車原理如圖8。

兩用燃料汽車采用定型汽油車改裝，在保留原車供油系統(tǒng)的情況下，增加一套“LNG型車用壓縮天然氣裝置”，啟動(dòng)時(shí)用油，預(yù)熱后轉(zhuǎn)氣，氣用完后自動(dòng)轉(zhuǎn)油，幾千元的改裝費(fèi)用，平均每天10元左右，跑上一年就能節(jié)省回來。而加氣的費(fèi)用只是加油的一半，甚至更少，油改氣混合動(dòng)力技術(shù)因?yàn)榻拥貧?，在家用汽車中得到了廣泛響應(yīng)。

面對(duì)油電復(fù)合與油氣復(fù)合的相繼成功，空氣動(dòng)力技術(shù)研發(fā)人員是否應(yīng)該受到啟發(fā)？因?yàn)槊芊庠蛟斐傻牡托蕟栴}既然無法快速得到解決，能否嘗試與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)互補(bǔ)雙贏呢？互補(bǔ)“合作”初期，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)所占動(dòng)力比例可以適當(dāng)大一些，隨著空氣動(dòng)力技術(shù)的逐步完善，再逐步縮小傳統(tǒng)技術(shù)的比例，何樂而不為呢？