【第三章】
车辆与行走机械应用静液压驱动技术的发展历程
环保机构助力油液混合动力
汽车技术
值得注意的是，在节能技术领域中堪称权威，并时常引领发展趋势的美国环保署(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)，在20世纪末启动了“清洁汽车技术”(Clean Automotive Technology)计划。
由其下属的先进技术分部( Advanced Technology Divison) 的交通与空气质量办公室( Office of Transportation and Air Quality, OTAQ ) 具体实施。
旨在研究、评估和开发先进的车辆的动力传动系统，提高燃料效率，减少氮氧化物 (NOx) 、细颗粒物 (PM) 以及CO2等温室气体的排放量。
这一期，我们继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第三章第十二节：方兴未艾的油液混合动力汽车技术的第三部分美国官方环保机构的强势介入以及引发的技术探索。
清洁汽车技术计划通过与国有的和私营的企业、院校、研究所以及军方相关部门签订"合作研究和开发协议"的方式组建了一个包容了多方面研制力量的伙伴团队，其中不乏美国著名的汽车整车与零部件制造厂商、液压元件制造厂商、市内公交车营运公司、港口码头营运商、快递公司、大学和权威的测试机构。
该计划在政府拨款和民间资金的支持下，侧重于开发与汽车工业发展相关，面向制造厂商和消费者的清洁、高效和具有经济效益的技术和产品。
在充分调研和评估了20世纪70年代起出现的各种节能减排技术以及多种新型能源动力系统的研发情况，并进行了全面的前景预测以后，从90年代中期起，EPA及其伙伴团队已将其规划的研究项目集中于车用清洁内燃机、油液混合动力车辆(HHV)技术和车用替代燃料这三个重点方向。
其中所有项目的任务目标中都还特别强调了装置成本效益的控制。
进入21世纪以后，EPA 组织了这些伙伴团队成员针对各种目标产品开展了一系列研发工作，取得了不少实际成果和技术突破。
其中在油液混合动力车辆技术方面重要的有以下几项：
1
“超级轿车”项目
EPA在1993 -
2000年间会同GM(通用机械)、Ford(福特)、Chrysler(克莱斯勒)等公司和一些政府机构开始实施每加仑燃料的行驶距离(MPG)超过80英里的“超级轿车”(
"Supercar")的研制工作。目的在于向工业界展示开发油液混合动力车辆和乙醇为燃料的高效内燃机等新技术。
在2000年，EPA团队研制了一台装有排量为1.9升的柴油机和串联型油液混合动力系统，尺度相当于流行的中型家用轿车的技术验证底盘(图121)。
图3-121 发动机排量1.9L的油液混合动力“超级轿车”技术验证底盘(EPA)
该底盘按照城市/高速公路混合道路模式的测试，MPG值超过了80英里(约合每百公里2.9L)，而从0 加速到 60英里/时(0 - 96.5km/h)的时间在8s以内。
研究表明，采用新的节能动力传动系统比常规设计所增加的重量不多，并不需要为维持正常的整备质量而采用昂贵的轻合金制造车身和车架。
新的动力传动系统中也没有采用难于加工处置的特殊材料。在扣除了被取代的传统传动部件的价值后，采购液压部件所增加的成本仅约为700美元。
2
改装并联型油液混合动力系统的
轻型卡车项目
该项目于2003年在一辆Ford F-550型卡车底盘上改装了一套并联油液混合动力系统，并进行了多方面的研究和测试，重点是此类混合动力系统在现成底盘上的改装方便性以及装置成本与使用成本的对比(图3-122a)。
参与该项目的包括美国陆军研究部门、整车制造厂商Ford、汽车零部件与液压元器件制造厂商Eaton和Parker-Hannafin公司、发动机制造研究单位FEV 发动机技术和Ricardo(里卡多)公司以及美密歇根州立大学、威斯康星大学以及西南研究所等高校和研究院所。
测试结果表明，改装样车实现了将燃油经济性提高20 – 30%的预期目标。此项目还获得了2003年米其林Bibendum节能挑战赛的每加仑燃油续驶距离项目的金奖和综合性能的银奖。同期也进行了Ford F-350型皮卡的改装试验(图3-122b)
图3-122 改装了并联油液混合动力系统的Ford F-550轻卡a)和皮卡底盘b)(EPA/Ford)
3
装备全串联型油液混合动力系统的
SUV项目
为了研究油液混合动力系统与柴油机共同运转所具有的节油经济效果， EPA与Ford合作，在一辆2003年版的具有非承载车身的Ford “探险者”(Expedition)四轮驱动的SUV底盘上改装了一套全串联型油液混合动力系统，并在美国汽车工程师协会(SAE)的2004年世界年会上进行了公开展示(图123)。
实际测试和测算表明，与原型车相比较，研究样车在不同的行驶条件下的燃油经济性改善了30 - 40 %以上，最高达55%;有害气体的排放量降低了30 - 40%。
改用混合动力装置后所增加的约2200美元的购车成本可望在用车后两年之内通过燃油费用的节省完全补偿和回收。
进而由于油耗的降低和制动器维修工作的减少，其全寿命使用成本则可节约4000 - 6000美元。这是一个令人振奋的结果。
图3-123 改装了串联型油液混合动力系统的1999年版Ford “探险者”SUV整车及其车身和底盘的分解展示(据EPA)
4
市内快递配送卡车项目
自2005年起，EPA 会同作为应用用户的UPS(联合快递)公司和美国陆军以及Eaton、International Truck and Engine(万国卡车与发动机)等制造厂商着手进行为市内快速配送商用车辆研制油液混合动力系统，其成果是搞出了被称为是世界上第一辆采用串联混合系统的市内商用卡车，而此前为此类作业车辆改装的油气混合动力系统采用的都是比较简单的并联型系统。
该系统应用了EPA的清洁发动机和油液混合动力专利技术，装备了Eaton研制的新型斜轴型静液压驱动元件。
通过UPS对于装有新型油液混合动力系统的商用车在华盛顿市内进行的商务性使用试验表明，总重约10.6t 的样车的燃油经济性比传统车型提高了70%，而温室气体的排放降低了40%。
此后2006 – 2007年UPS在密执根等城市内继续进行了更多样本的较大规模的试验，都获得了良好的结果。
这一研究项目被认为是各种混合动力商用卡车领域中的最佳案例。此后，其他快递公司也陆续加入了使用油液混合动力卡车的行列(图3-124 )。
图3-119 装有液压制动能量回收和再利用系统的垃圾清运车
上) 装备HRB型系统的的德国垃圾清运车(据Bosch Rexroth)
下) 美国德克萨斯和科罗拉多使用的安装了HLA系统的垃圾清运车(据Eaton)
5
码头集装箱转运牵引车项目
EPA从2009年开始致力于油液混合动力码头集装箱装运牵引车的研究项目，合作伙伴包括液压元件制造与系统集成厂商Parker-Hanniffin、港口转运车辆制造厂商Kalmar
Industries(卡尔玛)、汽车零部件厂商Webasto(威百斯特)、Sheppard(驰派达)以及纽约、新泽西和鹿特丹的港口当局等。
码头集装箱装运牵引车(图3-125)是一种码头专用的非公路型车辆。它与专用的“滚上滚下”(Ro –
Ro)模式作业的半挂托盘车配合，用于在滚装船舱和堆垛场地之间穿梭行驶，高效率地装卸集装箱类货物。
这种车辆在运行中加速和减速工况频繁交替，速度变化剧烈，具有回收和再利用制动能量以节能减排的较大潜力。
早些年间，Rexroth公司曾与德国MAFI等整车制造厂合作，研制过采用纯静液压驱动装置的此类牵引车，但没有批量投产。
EPA团队希望所研制的使用并联或串联系统油液混合动力的集装箱装运牵引车比传统产品的燃油效率提高50 –
60%，温室气体的排放减少30%，并使制动器等部件的维修费用显著降低。
图3-125 并联型油液混合动力码头集装箱装运牵引车(Kalmar)
6
轻型商用车项目
2011年1月，EPA与Chrysler(克莱斯勒)等签署一项新的合作研究和开发协议(CRADA)，启动了应用于市内轻型多座商用车的油液混合动力技术的研究项目，目标在于研制一型采用串联油液混合动力系统的MPV(图3-126)。
通过对实物样车的测试评估油液混合动力技术在轻型车辆的应用效益，体验和规范油液混合动力轻型车辆的驾驶习惯以及分析新技术存在的可能的安全隐患和应对措施。该项目计划在18– 24个月内完成，从2012年开始实验测试。
在这一项目中，EPA主要提供总体系统技术;具有丰富整车研制经验的Chrysler则负责工程设计、底盘部件研制、整车总装以及动力传动系统布局的优化，使新研制的样车在驱动性能、振动和噪声等指标方面能够满足当今各项交通和安全法规的要求。
该项目还得到FEV 的美国公司和美国西南研究所在系统动态仿真、工业设计等方面的技术支持。
EPA认为，装有排量较小的4缸发动机的油液混合动力商用车能够具备常见的装设V6发动机产品相仿的性能。
通过利用回收制动能量、降低发动机装机功率、减少发动机空转时间和优化发动机本身的运行工况等措施，这种完全采用美国技术研制的油液混合动力轻型商用车，将比油电混合动力汽车具有更低的成本、更短的投资回报时间和更高的储能节能效率。
预期在市内行驶的工况下可节省多达60%的燃料，而在混合路况的所有行驶工况下的节油率也将不低于30 –35%。在减少温室气体排放和维修费用方面同样会有明显的效益。
由于这一项目是针对拥有量大面广的客户群体的轻型商用车进行的，采用的又是技术门槛较高、价格较为昂贵的全静压驱动的串联式系统，其难度之高可想而知。
但一旦在技术和经济上都获得成功，它将对推广油液混合动力车辆技术的应用规模产生巨大的影响，特别是将促使其中所采用的静液压驱动元器件进入享有规模效益的经济批量的生产模式，又将反馈激励静液压驱动技术的进一步发展。
图3-126 研制中的油液混合动力MPV车型(Chrysler/EPA)
经过近20年循序渐进的探索和实践，在多个顶级研究和制造团队的辅佐和支持下，通过精湛的项目化管理、周全的排兵布阵和缜密的归纳演绎，EPA已将现阶段车辆节能减排的措施聚焦于构建在成熟技术基础上的清洁内燃机、油液混合动力传动链和新型替代燃料这三个方面，为当前技术条件下的“清洁汽车技术”勾勒出了一个明晰的发展图景。
EPA官员们按照前总统老布什鼓励人们“将技术突破从实验室中转移到街道上去”(“moving technology breakthroughs from the labs to the streets”)的思路，不仅在技术创新层面重视实际的节能减排效果的百分比数据，而且在价值工程层面也把体现跨越经济性门槛的全寿命成本效益指标作为重要的综合考核判据。
这些都体现了美国人偏于保守但长于务实的理性文化特质。在EPA项目的示范和推动下，美国在油液混合动力技术的发展和应用研究方面走上了快车道，许多著名的整车企业、汽车部件供应商和液压元件及系统供应商都把这一技术列入了自己的战略发展的计划纲领。
按照我们的观点，在“清洁汽车”的传动机层面上向基于静液压驱动技术的串联型油液混合系统倾斜确实体现了EPA的前瞻性，但在动力机方面完全聚焦于节能柴油机和清洁燃料而无视新型蓄电池等二次电力能源技术的发展，却似乎有些偏颇。
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