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2011-04-11
〔汽車知識〕豐田油電混合車的引擎…

近正夯的 Hybrid Drive 油電混合車,凌志(Lexus)推出了新車型。很多汽車網站都有相關的介紹,但是大部份都是著眼於車輛本身的內裝、駕駛操控性、混合動力的轉換感受…之類的報告說明。很少人去注意到,這台油電混合車使用的引擎,它的作動原理和我們一般知道的不太一樣哦!

  它所配搭的是稱為 Atkinson 循環引擎,和大都份汽油引擎使用的 Otto 循環、柴油引擎用的 Diesel 循環運作的工作方式有很大的不同。雖然都是進氣、壓縮、燃燒、排氣這四個基本動作,就輸出的動力而言,同樣是四行程引擎,性能差異性真的非常大。

借用〔YouTube〕的影片來說明一下…


  我們可以注意到影片中第三種引擎的工作模式,這就是 Atkinson 循環。其中有三個重點︰
一、活塞是經由搖桿機構再連接到曲軸。
二、燃燒(動力)行程比較長。
三、四個行程(進、壓、爆、排)完成,曲軸只轉一圈。

  這顆引擎的循環工作原理並非最新觀念,而且也不是首次應用在這輛新發表的車型上。早在 1882年就己經有相關模型發表,而目前以網路上查到的,己含豐田、凌志、現代、福特等車廠開發出來的油電混合車,都也有相關的應用。
  既然那麼早期就有了相關的理論出來,那為什麼直到現在才被大量的使用在油電混合車呢﹖其它一般的汽車難道不能用﹖  這個就到開始談談 Atkinson 循環引擎的特性了。

  我們先排除機械作動的說明,單就工作原理方面來講…

  為了省油的引擎設計,理論上,動力(燃燒)行程是愈長愈好,以增加燃油效率;而其它進氣、壓縮及排氣行程則愈短愈好,以減少機件之間的磨擦。以槍械的例子來說︰在相同的條件下,火藥一樣、口徑一樣,槍管長度愈長,子彈的有效距離就愈遠。同樣的,引擎的動力行程只要加長,那就可以把燃燒(爆發)的能量多〔壓榨〕一點出來。傳統直上、直下,活塞直接曲軸的引擎是無法達到要求。因此效能高的 Atkinson 循環引擎就這麼出現了﹗

  進階來講,一般汽、柴油引擎為了排氣順暢,在動力行桯尚未將活塞壓到最低點,就先把排氣閥打開;如此一來,很多能量就因為動力尚未完全轉換到機械上就排放出去而浪費掉了﹗
  我知道你們在想什麼。是不是把排氣閥多延遲一些角度再打開,不就可以解決問題嗎﹖  是的,只不過排氣閥是開啟在燃燒爆發的最大壓力值過後,再晚一點開啟的話,引擎就會變得非常的無力﹗

  雖然 Atkinson 循環引擎能量轉換率佳,可是呢,這顆引擎還是非常、非常的無力﹗以汽車的使用環境來說,低速完全不能用,只有在中高速才能發揮省油的實力。因而這型不實用的引擎只能放在教科書中當參考。

  另外再提到,在引擎的設計基礎中,跑車引擎的活塞移動行程是比較短,汽缸和活塞的磨擦距離比較小,所以引擎的加速性能會比較好,但是由於燃燒距離也比較短(在這裏先不講燃燒時間),能量使用率會降低。相反的,貨車引擎的活塞移動行程就比較長,所以引擎加速性雖然不是很快,但是動力輸出卻會比較好。
  不要跟我講什麼跑車可以跑得很快、又省油、又有力…您以為日產那台 3500 C.C. 的超跑引擎裝在日野同樣 3500 C.C.的拖車頭上,它能跑得過我 50 C.C.的小羊嗎﹖

  說到要省油,最單純的辦法,就是使用電力﹗電動車是以電力來驅動馬達運轉車輛行駛。雖然起動的扭力很大,在市區低速時非常的實用,但是一旦到了中、高速,電動馬達就〔使不上力〕了。電動馬達還是有它的實用限制在。並且電瓶的電力也沒辦法持續的供應足夠的電能。

  要如何解決這個問題呢﹖  是的,聰明的您己經想到了(只是晚了好幾年,不然就可以申請專利)﹗在低速時就讓它跑電動,在中高速時就讓它吃汽油,並且還可以回充電能。油電混合車的概念就應需要而誕生了﹗在此同時 Atkinson 循環引擎也就如天生就要和電動馬達配對一樣,廣泛的被各車廠應用在油、電混合車的開發中。

  插花一下。您以為所有的〔油電混合車〕都是使用 Atkinson 循環引擎嗎﹖

  首先要說明一點,目前以我個人知道的,油電混合車主要有分三種類型:
一、動力切換式。
  如同前面說明的,低速時由電動馬達驅動,中速時由引擎驅動。
二、全時作動式。
  引擎正常運轉。車輛行駛時,電動馬達會一起作動,可以減輕引擎負荷。電動馬達和引擎是同步運作的。
三、動力輔助式。
  也是引擎正常運轉,但是電動馬達只有在起步時或加速時才作動。輔助引擎的起動扭力。

  這三種類型,各有優缺點,但以回答上面的問題而言,只有第一類型的才有用到 Atkinson 循環引擎。主要因素還是在動力的輸出方式。

  汽車科技一日千里,很多應用在車輛上的新玩意兒,如果不知道它的差異性,非常有可能在不知覺中就被修車的〔老〕師傅給搞壞了﹗目前網路搜尋資料還滿方便的,對這種〔異類〕引擎有興趣的話,推薦上網查看一下,您可以從中學到很多。

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