共軌柴油機和直接噴射汽油動力系統(tǒng)改善了發(fā)動機的性能，并且使之更加清潔，但是仍然需要進一步改進。歐洲和美國的排氣污染法規(guī)的規(guī)定越來越嚴格。制造商不得不生產(chǎn)更多的低污染新產(chǎn)品。
將來，氫氣發(fā)動機或者燃料箱可能成為汽車動力，但是這些制造工藝仍然處于初期階段。到目前為止，它們?nèi)狈ψ鳛榈湫图彝マI車動力的性能和可靠性。而且，氫氣發(fā)動機或者燃料箱的制造成本非常昂貴，難以批量生產(chǎn)。與此同時，汽車工業(yè)正在尋找有效的技術方法來減少污染?；旌鲜絼恿ο到y(tǒng)可能就是相應的解決途徑。
毫無疑問，豐田汽車憑借其“先驅(qū)”小型汽車在當前汽車領域占據(jù)領先位置，然而，其他制造商正在努力追趕，例如通用汽車、戴姆勒克萊斯勒汽車和福特汽車。
現(xiàn)在，擁有汽油、柴油發(fā)動機和氫氣動力系統(tǒng)的改進計劃已經(jīng)不成問題。歐洲和美國所使用的新一代汽車將會越來越多的采用混合式發(fā)動機?！跋闰?qū)”汽車的熱銷已經(jīng)證明，消費者的需求是至關重要的。唯一尚待分曉的是，它的優(yōu)勢能夠持續(xù)多長時間，以及何種類型的混合式系統(tǒng)是最有效的。
豐田汽車的混合動力系統(tǒng)聯(lián)合艾金森循環(huán)汽油發(fā)動機和發(fā)電機
混合式系統(tǒng)必須克服的問題之一就是，關于其實質(zhì)的混亂狀態(tài)“混合式”這個術語經(jīng)常適用于剎車和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)采用電力和水力的混合動力。
混合式系統(tǒng)是內(nèi)燃機和電動機的結合體。這個工藝技術以不同的方法綜合了兩種動力資源，以便在彌補它們的弱點的同時，從中尋求最佳效率。雖然混合式系統(tǒng)采用電動機，但是它們不像電動汽車那樣需要外部裝料。
使用中的混合式系統(tǒng)主要分為三種類型：串聯(lián)式、并聯(lián)式和串并聯(lián)式。在串聯(lián)式混合系統(tǒng)中，發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機，并且電動機運用其產(chǎn)生的電能驅(qū)動汽車。該系統(tǒng)能夠運行小功率發(fā)動機，穩(wěn)定的產(chǎn)生電能，供給馬達以及為電池充電。因為發(fā)動機是用來為馬達提供能量的，所以這兩個系統(tǒng)承擔大致一樣的工作量。
在并聯(lián)式混合系統(tǒng)中，發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動汽車。這兩種來源的驅(qū)動力根據(jù)行車條件來選擇使用，而且這兩種能源可以同時使用。電池是通過開關作為發(fā)電機的電動機來進行充電的，而且電池中的電能被用來驅(qū)動汽車該系統(tǒng)不能在為電池充電的同時驅(qū)動電動機，因為該系統(tǒng)只有一個發(fā)動機。發(fā)動機是主要電源。
串并聯(lián)式混合系統(tǒng)充分利用了兩個系統(tǒng)的優(yōu)勢。它擁有兩個發(fā)動機，而且根據(jù)行車條件，選擇只采用電動機，或者采用電動機和發(fā)動機兩種驅(qū)動力，以便達到最高效率。必要時，該系統(tǒng)采用發(fā)電機來驅(qū)動汽車。這就是豐田汽車所采用的系統(tǒng)。能量分裂裝置分割了發(fā)動機的能量，所以直接供給車輪和發(fā)動機的能量比是不斷變化的。
混合式系統(tǒng)在很多方面增加了能量效率。當汽車停下來時，該系統(tǒng)可以自動停止引擎空轉(zhuǎn)，減少燃料的正常損耗數(shù)量。
電力再生制動系統(tǒng)可能增加節(jié)省燃料的簡單方法，例如當汽車停止時關閉發(fā)動機。減速時作為熱能正常損耗的動能能夠恢復為電能。所以當駕駛者遇到紅綠燈時，發(fā)動機就會關閉。當交通信號燈變?yōu)榫G色時，他只需簡單地輕踩油門，就可以運用儲存的龜能繼續(xù)行使。當引擎無效率的空轉(zhuǎn)和排放標準較高時，采用電動機是比較劃算的。電動機還能夠減少交通噪音。
電動機還可以在加速時幫助發(fā)動機，而且能夠在發(fā)動機效率較低的工作條件下驅(qū)動汽車。當發(fā)動機效率較高時，電動機所產(chǎn)生的電能可以儲存起來。
能量效率意味著減少污染。還意味著低廉的燃料成本，這些可以說明豐田“先驅(qū)”汽車熱銷的某些原因。但是“先驅(qū)”汽車成功的主要原因在于容易發(fā)動。通常來說，排放標準和汽車驅(qū)動力之間存在某種平衡。豐田混合動力系統(tǒng)（THS）的目的在于使環(huán)境效果與驅(qū)動力相互兼容。
豐田汽車的系統(tǒng)是串并聯(lián)混合式，包括將驅(qū)動力分裂為兩個路線的裝置。在其中一個線路中，汽油發(fā)動機的動力直接被傳輸?shù)狡囓囕?。在第二個電路中，發(fā)動機的動力通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，以便驅(qū)動電動機或者為電池充電。
這個獨特結構發(fā)揮若干節(jié)約能源的功效。它能夠在汽車停止和空轉(zhuǎn)或者低速行使時關閉發(fā)動機。它還能夠在低速行使時采用電動機驅(qū)動汽車，以及在任何速度行使時幫助發(fā)動機。因為發(fā)動機具有較高的低速輪胎轉(zhuǎn)矩和巨大功率，它可以無需離合器或者傳送器而再生制動能量。市場銷售的混合協(xié)同驅(qū)動系統(tǒng)是最新一代的豐田動力系統(tǒng)，它在很大程度上增加了功率輸出、加速和環(huán)境性能。
混合動力系統(tǒng)Ⅱ比第一代有了顯著的改進。借助于高級的回轉(zhuǎn)發(fā)動機、電動機和發(fā)電機，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生1.5倍的驅(qū)動力。它擁有高性能電池以及最新的高電壓電路，高性能電池能夠改善電力供應。發(fā)動機和發(fā)電機之間的電源電路能夠顯著減少能量在傳輸過程中的損耗數(shù)量。因此，電動機動力和發(fā)動機動力共同運作效率更高，而且運轉(zhuǎn)更加流暢。
該系統(tǒng)的所有主要部分都是由豐田汽車單獨開發(fā)的。高電壓電源電路、發(fā)動機、發(fā)電機和電池都是為混合動力系統(tǒng)Ⅱ重新設計的。
該系統(tǒng)兩個動力來源：采用艾金森循環(huán)的汽油發(fā)動機；兼?zhèn)浒l(fā)電機、高性能鎳金屬氫化物（Ni—MH）電池和動力控制單元的永磁同步電動機。
“先驅(qū)”汽車的Ni-MH電池
動力控制單元包含 500 伏電源電路和交流電—直流電反向變流器。反向變流器將發(fā)動機和發(fā)電機產(chǎn)生的交流電與混合式電池產(chǎn)生的直流電進行轉(zhuǎn)換。其他關鍵組成部分包括動力分裂裝置，該裝置通過分派和聯(lián)合來傳送發(fā)動機、電動機和發(fā)電機產(chǎn)生的機械動力。
“先驅(qū)”汽車的反向變流器
該系統(tǒng)的基本前提是，當發(fā)動機效率較低時，引擎停止運作。因此，在汽車啟動以及中低速行使時，發(fā)動機根本不運轉(zhuǎn)。當在標準情況下行使時，發(fā)動機的驅(qū)動力由動力分裂裝置進行分割。某些動力傳送到發(fā)電機，繼而驅(qū)動電動機。其余的動力直接驅(qū)動車輪。
當駕駛者需要突然加速，電池就會提供額外動力，引擎和馬達相應的流暢和快速運轉(zhuǎn)。當汽車減速或者剎車時，馬達就成為汽車車輪驅(qū)動的大功率發(fā)電機。這個電力再生制動系統(tǒng)將動能恢復為電能，并且將它儲存在電池中。電池的儲存電量被謹慎運用。當它需要再次充電時，引擎驅(qū)動發(fā)電機將電池充滿。而且只要汽車靜止下來，引擎就會自動停止。
根據(jù)豐田汽車已經(jīng)發(fā)展成熟的工業(yè)技術，電動機在不斷發(fā)展，豐田汽車現(xiàn)在致力于電動汽車。通過在釩形成過程中加入永久磁鐵釹，傳動力矩得到改善，而且它的功率不斷增加。在電源從274伏特增加到500伏特的同時，功率輸出已經(jīng)從33千瓦增加到50千瓦。由于調(diào)制控制器系統(tǒng)改善了電脈沖的變化，中心功率已經(jīng)增加了百分之三十。
豐田汽車改善了發(fā)電機回轉(zhuǎn)器的強度，以便將回轉(zhuǎn)數(shù)量極限從6500增加到10000。這就為汽車在中等速度時增加更多動力。半導體開關裝置是絕緣柵雙極晶體管，能夠加大電池電源的電壓，以及為了驅(qū)動電動機，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。因為必須轉(zhuǎn)換的電流是大量的，所以熱量產(chǎn)生最小化是非常重要的。為了實現(xiàn)該目標，豐田汽車開發(fā)了獨特的晶體管，小心的調(diào)整至晶體標準。該晶體管比以前所采用的裝置小百分之二十。
通過改善電極材料和通過在它的單元之間采用全新的連接結構，Ni-MH電池的內(nèi)電阻已經(jīng)減少。因此，新電池的輸入/輸出密度比以前高百分之三十五。
汽油發(fā)動機仍然是豐田汽車混合動力系統(tǒng)的中心。這也將效率最大化。1.5升的單元體采用艾金森循環(huán)，這是加熱效率最高的高膨脹率循環(huán)。發(fā)動機原理允許獨立確定壓縮沖程和膨脹沖程的持續(xù)時間。燃燒室只有在活塞工作沖程上模完全落下之后才能被排空，允許發(fā)動機采用所有的活塞工作沖程能量。調(diào)整進氣閥的工作時間能夠使該系統(tǒng)的效率更高。理想的循環(huán)效率非常高，但是為了發(fā)動機不能輕易的提供大功率，它事實上沒有實際應用，除非與增壓器共同使用。
除了可變氣門正時之外，發(fā)動機采用具有傾斜擠壓角度的燃燒室。它的形狀能夠確?；鹧婵焖俅┻^燃燒室。鋁合金氣缸座和壓縮進氣歧管也有助于改善發(fā)動機的熱效率和規(guī)模。
自從 2004 年早期問世以來，“先驅(qū)”汽車在歐洲的銷售穩(wěn)步增長，在年末達到8500輛。豐田汽車公司已經(jīng)將其本年度銷售目標確定為 15000，并且擴大生產(chǎn)能力，以便向全世界銷售180000輛汽車。豐田汽車對工業(yè)技術的信心影響了其他制造商，他們現(xiàn)在努力開發(fā)他們自己的系統(tǒng)。戴姆勒—克萊斯勒、通用、福特、雷諾、日產(chǎn)、本田、羅孚、PSA標致雪鐵龍汽車、馬自達和沃爾沃都擁有管道系統(tǒng)。
汽車巨頭的合作
為了縮短開發(fā)時間，與他們的供應商和工程機構進行合作是非常普遍的，因此與其他汽車制造商之間的合作協(xié)議也非常普遍。福特汽車公司與豐田汽車公司進行合作，了解到關于混合動力系統(tǒng)Ⅱ的某些技術機密。戴姆勒—克萊斯勒汽車公司和通用汽車公司也聯(lián)合他們的資源共同開發(fā)混合動力系統(tǒng)。
戴姆勒—克萊斯勒汽車公司和通用汽車公司已經(jīng)協(xié)力開發(fā)了完整的混合燃料推進系統(tǒng)，應用于后輪和前輪驅(qū)動汽車。該系統(tǒng)將單獨應用于各自公司的汽車中。廣泛的方案也將為另外的合伙人提供機會，而且可能成為其他制造商的混合動力來源。
通用汽車公司計劃在2007年后期，在通用汽車兩個最流行的車型雪佛蘭豪放和GMC Yukon中開始研制它的第一個完全混合式運動型多用途車（suv）?！霸撓到y(tǒng)的性能、燃料經(jīng)濟性以及高效率組件使之廣泛應用于各種汽車和機動車，”通用動力集團副總裁湯姆史蒂芬說，“我們相信對于任何汽車構造來說，該系統(tǒng)是效率最高的混合式設計?！?/SPAN>
該系統(tǒng)是“雙?；旌鲜健?，包含用于不同機動車的兩個電動機。通過提供充分電力牽引或者增加發(fā)動機的推力，第一個模式能夠在城市中低速和頻繁停車操作中節(jié)約燃料。第二個模式用于公路速度，以便根據(jù)行使位置確定燃料經(jīng)濟性的最佳狀態(tài)，例如什么時候牽引拖車或者攀爬陡坡。
戴姆勒—克萊斯勒汽車的德國制造商梅賽德斯—奔馳汽車公司已經(jīng)將該工業(yè)技術用于其S系列豪華汽車。當豐田汽車采用小引擎綜合電力系統(tǒng)時，梅賽德斯汽車公司已經(jīng)將混合動力系統(tǒng)用于它的強大V8 CDI柴油發(fā)動機?！案鶕?jù)P1/2原理，我們的工程師已經(jīng)使內(nèi)燃機和電動機的協(xié)作達到完美程度，以至于運行方式之間的轉(zhuǎn)換現(xiàn)在已經(jīng)幾乎無法察覺，”梅賽德斯汽車公司的技術研發(fā)主任托馬斯韋伯博士說。
梅賽德斯汽車混合式動力傳動系統(tǒng)的最高功率為241千瓦。V8 CDI柴油發(fā)動機本身的功率為191千瓦和560Nm扭矩。這兩個電動機的聯(lián)合功率為 50千瓦，確定乘坐舒適性和加速的最佳狀態(tài)。性能對于梅賽德斯汽車來說是非常重要的賣點，而且汽車能夠在了7.6秒內(nèi)從0加速至每小時100公里。
憑借第二個電動機，柴油機可以無需轉(zhuǎn)化在任何時候開始運作，獨立于行使方式。1.9千瓦小時的Ni—MH電池安裝在汽車的后行李箱中，為電動機提供動力。制動期間能量得到恢復，而且當汽車行駛時，V8柴油發(fā)動機為電池再次充電。
混合動力系統(tǒng)原理是根據(jù)七種速度的七檔自動變速器和Pl/2混合變速器，以便確保S系列汽車持續(xù)處于最佳運作狀態(tài)。
“依靠啟動循環(huán)，能夠減少百分之十五至百分之二十五的燃料消耗，”韋伯說，“而且七檔自動變速器有助于提高舒適性，這在混合動力系統(tǒng)領域是獨一無二的?！?/SPAN>
戴姆勒—克萊斯勒汽車的美國品牌“道奇”也已經(jīng)開始采用混合工業(yè)技術?！暗榔婀颉陛p型載貨汽車采用混合動力系統(tǒng)改善燃料效率和性能，但是汽車還可以作為發(fā)電機，提供110/22伏特的交流電。該系統(tǒng)在建筑場地特別有用，用于休閑娛樂以及緊急備用動力斷電時。
在歐洲，戴姆勒—克萊斯勒汽車公司在它的梅賽德斯—奔馳“凌特”輕型商務車采用類似方法。“凌特”汽車采用“插入式”混合動力驅(qū)動與柴油發(fā)動機相聯(lián)合。插入式意味著汽車擁有動力插座，這樣電池就可以進行再次充電，即使當發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)時，例如晚上。有的混合動力驅(qū)動“凌特”汽車沒有設計再次充電插座。
插入式汽車采用功率70千瓦的電動機以及傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機。
就像梅賽德斯汽車的混合動力系統(tǒng)那樣，電動機從電容14千瓦/小時的Ni-MH日電池那里獲得能量。在純粹電力推進的情況下，運作距離最多只有30公里。電池還可以被工作人員或者應急服務機構用來操作工具和設備。
該系統(tǒng)也存在某些缺陷。電池再次充電只能部分通過電力再生制動系統(tǒng)完成，主要還是依靠主電源提供。因為再次充電時間大約為六小時，所以充電必須在晚上進行。該系統(tǒng)的體積也非常龐大，輔助設備重達350公斤?！叭绻捎苗H離子電池來代替Ni-MH電池，重量可以減少160公斤，”梅賽德斯汽車公司如是說。
沒有設計插座的“凌特”汽車擁有功率30千瓦的小型電動機以及電容只有3千瓦/小時的小型電池。當純粹依靠電力運轉(zhuǎn)時，汽車的行使距離只有3-4公里。
梅賽德斯汽車公司打算將混合動力系統(tǒng)馬上投入生產(chǎn)?！斑@不僅僅是調(diào)查研究——消費者試驗預計于2005年開始，”梅賽德斯汽車公司說，“混合動力驅(qū)動在理論上適合于連接燃料電池達到批量生產(chǎn)的成熟階段之前的過渡期?！?/SPAN>
福特獲得專家?guī)椭?/SPAN>
就像戴姆勒—克萊斯勒汽車和通用汽車那樣，福特汽車也著眼于采用混合動力來改善其汽車的燃料經(jīng)濟性以及減少污染。在美國，它的“冀虎” SUV越野車最先安裝完整的混合動力電能系統(tǒng)。該汽車同時具有零污染和節(jié)約燃料的特性，而且兼具“冀虎”汽車的越野性能和載貨能力。福特汽車公司認為，該汽車是世界上燃料效率最高的運動型多用途汽車。它在城市駕駛的燃料效率高于標準“翼虎”汽車百分之七十五，綜合效率大約高于百分之五十。
代替豐田“先驅(qū)”汽車占據(jù)領先位置，福特汽車采用艾金森循環(huán)汽油發(fā)動機，但是排水量為2.3升。動力系統(tǒng)是鋁制雙層上凸輪、16個閥門進油管路和4個發(fā)動機氣缸。聯(lián)合電力牽引馬達，加速度和性能類似于 V6“冀虎”車型。
“翼虎”汽車在6000 轉(zhuǎn)數(shù)/分時的峰值功率為99千瓦；4500轉(zhuǎn)數(shù)/分時的峰值扭矩為175Nm。電動機在3000-5000轉(zhuǎn)數(shù)/分時的功率為70千瓦，最高電壓為400瓦特?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的凈功率為116千瓦，并且與無級變速器相連。
“翼虎”汽車混合動力系統(tǒng)
污染情況也得到改善。燃料系統(tǒng)排放的未燃碳氫化合物、氮氧化物和蒸汽非常少，足以使“翼虎”混合動力汽車符合美國嚴格的“高科技組件零污染汽車”標準。該汽車產(chǎn)生的二氧化碳數(shù)量僅為傳統(tǒng)小型運動型多用途汽車的一半。
“突出的燃料經(jīng)濟性，特別是停車和啟動時，真正可以到處去的能力，載客和載貨能力，這些特性使該汽車不同干其他混合動力汽車，”福特汽車公司地區(qū)總裁史蒂夫.里昂斯說。
歐洲是小型汽車的大賣主，福特汽車公司已經(jīng)在其“嘉年華”小型汽車的基礎上開發(fā)“微型”混合動力車型。該汽車采用傳統(tǒng)的1.4升發(fā)動機，而不是艾金森循環(huán)發(fā)動機。雖然它沒有采用電力來推進發(fā)動機，但是它可以通過至少百分之五和至多百分之十五的頻繁停車啟動的城市駕駛，來改善燃料節(jié)約效率。
該系統(tǒng)采用法國供應商法雷奧開發(fā)的電力再生制動系統(tǒng)來實現(xiàn)節(jié)約燃料的目的。在發(fā)動機減速期間，特別研發(fā)的聯(lián)合起動機-交流發(fā)電機采用大負荷動力，以便將部分制動能量轉(zhuǎn)換為電能。法雷奧的綜合起動機-發(fā)電機僅僅比標準交流發(fā)電機大一點，是履帶式動力驅(qū)動。
福特汽年公司還在“全順”輕型商務車的微型混合動力車型方面與法雷奧進行合作?；旌蟿恿θ樒囉媱澾€涉及工程咨詢服務機構里卡多蓋茨公司，著眼于城市中所使用的低污染運載工具。該目標就是在適度原始成本范圍內(nèi)實質(zhì)節(jié)約燃料。
混合動力全順汽車的實驗用車型是福特T280柴油機全順汽車。法雷奧 4千瓦42伏特履帶式動力驅(qū)動起動機/交流發(fā)電機與之相符，還有法雷奧1.5千瓦14/42伏特DC/DC變流器、先進的36伏特鉛酸電池和法雷奧電池管理系統(tǒng)。履帶式聯(lián)合驅(qū)動起動機-交流發(fā)電機通過前端附件傳動裝置系統(tǒng)設計的閘門與發(fā)動機相連，而且汽車的停止／起動和電力再生制動功能是由生產(chǎn)中嵌入的里卡多監(jiān)督控制系統(tǒng)進行管理，派生出發(fā)動機控制單元。
柴油機停車/起動設計特別適合于城幣駕駛情況下的篷車使用，原因在于行使中頻繁的剎車和交貨。發(fā)動機與采用剎車期間所恢復能量的電氣系統(tǒng)共同起動汽車。
為了檢驗是否能夠像預計的那樣節(jié)約燃料，研制中的汽車需要通過繞世界兩周的行使周期來進行評定。該試驗周期數(shù)的根據(jù)是從用于城市運輸?shù)摹叭槨迸褴囮犓@得的數(shù)據(jù)。在按戶運輸周期中，該系統(tǒng)的燃料節(jié)約率為213％。在按領域運輸周期中，它的燃料節(jié)約率為63%。
“如果更多的廣泛混合作用可能適合于許多其他功能周期和應用，柴油機微型混合動力系統(tǒng)為城市運輸汽車提供實際有效的解決方法，”里卡多公司最高管理者羅德尼.威斯特海德。
越來越多的制造商達成共識，并且投資于工業(yè)技術。歐洲和美國的消費者已經(jīng)相對迅速的開始對工業(yè)技術感興趣。減少污染對于幫助企業(yè)限制其對環(huán)境的影響方面是非常重要和必要的。但是制造商發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)混合動力汽車的最佳動機是，工業(yè)技術是給予更多消費者所需的有效方式：更好的性能、更高的燃料節(jié)約率、更多功能和更加精致。
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