混合动力的前世今生（上）：内外交困的前世

  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，全世界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一马当先的优势，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，全世界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，纯电续航能力短，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。

  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，这只有专业技术人员才能操作。

  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。

  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。

  1→2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；

  2→3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；

  3→4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4→5做功行程；

  5→6排气门打开，释放剩余压力并排出废气，接着活塞上行，完成2→1排气行程。

  其中，5→6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。

  上图是阿特金森循环和奥托循环对比示意图，奥托循环是1→2→3→4→1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1→2→3→4A→1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1→2，而做功膨胀是3→4A，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。

  其中“Cycle Engine”比较紧凑，能应用到车辆上。从动画能够准确的看出，其曲柄连杆机构是多连杆机构，比起奥托循环，这套机构更为复杂，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。

  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。

  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。

  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。

  假设汽油价格从始至终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）……混合动力今生是如何的，我们下篇继续。

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