液压混合动力技术详解

　　转载自Southwest Research Institute(美国西南研究院 简称SwRI)出版的 Technology Today®

　　SwRI新的液压组件系统的设计开发(自顶部逆时针)，从设计图、计算机建模直至样机的完成液压动力零部件增加车辆效率、减少排放

　　在近几十年来，混合动力尤其是油电混合动力系统一直是业内的主要研究方向，并且在现有多种汽车产品上得以应用。它主要是通过将电动马达和电池整合到动力系统，在保持车辆性能和操控性的同时，缩小发动机尺寸，提高燃油效率减少排放。

　　与此同时，液压混合动力车辆则因为其高功率密度，即可以通过较小的零部件吸收和传送高水平的动力,以及技术的日渐成熟也开始得以成功开发。美国西南研究院(SwRI)的工程师们已经与美国环保局(EPA)协作为大型车辆开发液压混合动力技术。但是一如油电混合车辆，液压混合技术的有效应用也取决于车辆的使用工况，即车辆被使用的方式。

　　混合技术都是通过2个步骤来增强车辆效率和降低排放的。首先是通过能量回收，特别是在刹车时停车丢失的能量。再者是控制发动机在高效范围内运转。液压混合车辆的动力系统包括一台发动机、液压传动系统和一套液压蓄能器。蓄能器就像是电池储存电能一样用来储存液压能量。在制动时，液压传动系统能够从低压蓄能器向高压蓄能器抽送液压传动液，等待下一次的车辆加速。蓄能器令制动时的高水平动力存储下来供之后再利用。

　　在车辆运行中制动回收能量的大小取决于车辆的行驶工况。车辆的起停工况越多，可以回收的制动能量也越多，从而燃油效率也得到了更多的提高。相反，如果混合动力车的车主没有像生产商那样做到相当次数的起步停车，那么很可能会得到低于预期的燃油效率。有了这样的概念，18轮的卡车采用混合动力就变得不具优势，如果这样的卡车大部分时间是在高速路上以时速65英里/小时的速度行进，此类卡车也是经过多年的开发改良，才被设计在这种行驶条件下效率最高。但是，如果这样的卡车经常在起步停车下运行，混合动力技术将可以帮助降低燃油耗多达50%甚至以上。

　　液压混合车辆的动力系统包括一台发动机、液压传动系统和一套液压蓄能器

　　究竟哪些车辆可以有效运用混合动力技术?总体来说，就是那些处在需要进行频繁起步停车操作的车辆，例如公交车、送货车、垃圾车和大多需要交通高峰使用的车辆。液压混合动力技术对于那些无需承担产量任务的商业用途的大型车辆作用特别突出。因为这些车辆的运营目的往往乐于追求更低成本，而液压混合动力技术提供的就是最低成本解决方案。

　　在过去几十年的开发中，其努力的焦点是存储液压能量的蓄能器中的零部件和系统集成。蓄能器虽然概念看似简单，但正如大多其他动力系统组件一样，也是非常精尖的工程部件。在蓄能器内部，氮气被用来挤压制动条件下流入的液压油。此时，液压油和气体必须在蓄能器中完全分开，以确保在液压系统中气体没有被液体带走。气体的流失，特别是在高压蓄能器中，将会破坏系统储存能量的能力并且降低效率。

　　在这里，氮气的一个重要特性就是，当液压油在制动过程中被挤入高压蓄能器内，气体的压力要成倍增高。当压力越来越高，越来越多的液体被挤入蓄能器中，能量就在此时被存储下来。除了增加的压力，氮气通常会在压缩过程中加热，这通常会造成此情境下的能量流失。但是集成开放式塑料泡沫到蓄能器中能显著提高蓄能器的效率。目前，在起步停车交通状态下的制动能量在蓄能器中的储能效率可达98%。

　　由图可见，蓄能器效率超过98%，显示在曲线间非常小的区域，由使用了开放式塑料泡沫的蓄能器中所得到。

　　由复合材料组成的液压蓄能器，提供车辆能有效使用所需的强度重量比

　　蓄能器的安全性同样也不可忽视。SwRI已经与复合材料压力容器的生产制造商合作多年，确保他们的产品符合严苛的安全性法规。同时，相关的测试也在不断的进行着，保证他们在预期的最大内部压力下，能够承受极限强度。其他的评估也同时确保蓄能器在预计的寿命周期内可以承受周期性压力;检测蓄能器不会与汽车中的其他液体，包括汽油、柴油等燃料发生反应，以影响整体性能和可靠性。

　　液压组件已经在非道路车辆上应用了很长时间，出于一些原因它们在路上的使用就受到一定程度的限制和影响。比如，它们的许多运用液压系统的开发都是针对较少噪音来促使大众认可接受。

　　除了制动能量的恢复和再利用实现的效率收益外，液压系统也正在用于开发这些混合驱动汽车发动机的配件。单引擎驱动、可变排量泵可以为不同排量的液压马达提供动力，驱动风扇、发电机、空调压缩机、水泵、机油泵和动力转向系统。这个设置可以提高车辆效率，并且满足各组件源于发动机输出的动力需求。

　　例如，散热器风扇转速可以运用此系统从发动机转速中分离，为了风扇可以在任意转速下提供所需的最佳空气流动，从而可以冷却发动机到最合适状态。同时，发动机水泵运转在最佳速度上，提供冷却剂通过发动机所需的流量。因此，如果发动机在部分功率下运行或外部空气温度低，那么驱动这些零部件和发动机其它零部件的动力可以得到优化，从而节省了能量、燃料等。

　　美国西南研究院的工程师们经过研究测试确认球泵对于这种液压回路是很理想的。它使用了很高的容积、低成本的球形轴承组件。在1500磅/平方英寸(psi)或以下的温和压力下效率非常高。在这些压力下，这种泵的效率实际上明显高于昂贵的活塞泵。

　　液压回路为液压附件驱动系统最大限度提升驱动效率。在液体循环中，它包括一台发动机驱动的可变排量泵和不同排量的液压马达。

　　SwRI的团队推荐非道路设备工业，应该考虑替代使用多液压泵去满足设备中各种回路的需求，比如挖掘机。SwRI的一项仿真研究，就进行了对正在进行装车循环的的液压挖掘机进行了研究，结果显示运用了蓄热式液压回路后燃油耗减少了46%。

　　图片显示，SwRI工程师用计算机流体动力学分析模拟增强液压油的流动。颜色层次表示不同的流量。

　　蓄热式液压的概念对于西南研究院的研究人员并不是个新的概念，早在1991年，在开发一种适用于大型车辆油气悬挂系统中，它已经被SwRI申请了专利。SwRI当时设想了多个液压泵和马达的使用，每个连接单独的油气悬挂支柱，来控制车辆升沉、颠簸和辊。这个系统在一辆旅游大巴上得到验证。4个液压泵、马达被安装到大巴上，通过一个内联扭矩传感器获取运转信息。大巴的制造商要求，使用蓄热式主动液压系统车辆的被动弹簧刚度减少一半，车体颠簸和辊也减少一半。这个项目的目标是为悬挂系统在运行中达到75%驱动能量的恢复。

　　为一个散热器设计的蓄热式液压回路需要满足多个回路的需求。与处在相同工况的卡车相比，燃油耗降低了46%。

　　因为发动机转速不再与同车辆转速相关联，混合液压动力系统使发动机在最大效率下运行，液压组件提供了所需要的运行多样性。所有发动机在动力和速度相结合时，都有一个最佳的效率点。混合液压车辆可以在众多不同的运行条件下，保持发动机运行在这个最佳效率点的曲线上。

　　这张图显示了高效低成本的，用在车辆液压回路中的一个球泵/马达。

　　EPA得到了SwRI的协助，已经在多种液压商业运输车辆上应用了这些技术和成果。这些在仿真实验和实验室测试中得到的成果已经得到了实践的成功验证。尤其在货运卡车的实地试验中显示了非常可观的结果，在实际运输中燃油经济性得到了超过50%的提升。在设定的送货路线上，与相同没有使用液压混合技术的传统车辆相比节省了近一半的油耗。