1、自从内燃机汽车被大量生产以来便改善了人类生活目錄 : 引言.P.1 Hybrid Electric Vehicle (HEV)簡介P.2 HEV 分類. P.3 主要部件及功能. P.4 運作原理圖文版. P.5-7 其他節省汽油的措施. P.8 能源及環保效益. P.9 HEV 早期發展. .P.10 HEV 量產時代. .P.11 HEV量產先驅-Toyota. .P.12 HEV第二大廠商-Honda. .P.13 HEV 後起之秀-DaimlerChysterP.14-15 HEV商務汽車巨頭-Mitsubishi Fuso.P.16 科學報告背後.P.17-20引言自從內燃機汽車被大
2、量生產以來便改善了人類生活，言而汽車卻為環境帶來很大影響。空氣污染汽車引擎燃燒汽油時，除了會產生各式各樣危害人類健康的廢氣外，同時亦會排放大量損害自然環境的溫室氣體；汽車過量排放CO2已成為引起全球暖化的主因之一，雖然一輛汽車的廢氣排放量不高，但當數以億計的汽車行走時污染數據便相當驚人。石油短缺全球現時有5億多輛車，並以每年生產約7,000萬輛持續增長，這使汽車成為耗用石油比例最高的交通工具，言而全球石油存量卻開始見頂，石油的剩餘量約剩40 年，逐年下降的產油量實在不能滿足汽車的需要，求過於供的情況下令油價持續升高。 午夜起X牌汽油每公升加價x毫這類消息時有聽聞有鑑於此，各國紛紛提出替代能源方
3、案，而各大汽車製造廠亦各出奇謀，研發新一代低污染而高效益的汽車，目的在於減少汽油的使用量，或者直接採用其他能源。現時的新技術包括BlueTec、燃料電池、生質柴油車另一款則是以下將會介紹的混合動力汽車。Hybrid Electric Vehicle (HEV)簡介 研發背景：石油使用對環境污染日益惡化，存量亦是有限，目前能源學家已證實氫氣、乙醇是石油的最佳替代品，它們的發展潛力超然，而汽車工業亦已發展出相關技術的汽車；但由於這些科技仍處於起步階段，能源輸送的配套亦未普及，因此不少車廠便開發一種從汽油時代到新能源時期之間的過渡車種：HEV混合動力汽車。定義：HEV指多於一種的能量轉換器能為車輛提
4、供動力，這個能量可是汽油、柴油，甚至甲醇、酒精、石油氣等，車內系統會以最適當之能源分配，進行最具效率之車輛驅動。目標：一般汽油引擎的燃燒效率約只有20%，汽油只有20%用於推動汽車，其餘的則被轉化為廢氣，同時受轉速的限制，排氣及耗油相當嚴重；而HEV則透過能源分配系統，交替使用汽油引擎及電動馬達驅動汽車，一方面希望在石油能源枯竭前將它們做到最有效的利用，從而延長他們的使用期，另一方面減少汽車的廢氣排放，達致環保。運作原理：HEV主流方向是以電動馬達及引擎發動，利用電力及汽油作為能源，這種車輛啟動或慢速行駛時，由一個或多個電動馬達推動；而引擎動能主要負責為電池充電，當需要大量推力時 (例如加速或
5、高速巡航），引擎會直接提供動力 (或協同馬達提供最大動力) 前進，當煞車或減速時，流失的動能就會被馬達轉為電能，並儲存在電池裡。HEV分類 1. 串聯式系統（Series Hybrid System）利用引擎驅動發電機，為電動馬達提供電力以驅動車輪。這類引擎可直接向馬達供應電力，或一邊給電池充電一邊行駛。2. 並聯式系統（Parallel Hybrid System）使用引擎及馬達兩種動力來驅動車輪，系統以電池來驅動馬達，當減速時車輪轉動的力量便會反過來驅動馬達發電，為電池充電，馬達要同時兼顧發電機的工作，所以不能一邊發電一邊用來行駛，而引擎亦不能為馬達充電。Honda Insight屬此型。
6、3. 混聯式系統（Series Parallel Hybrid System）混聯式的結構是最精密，它結合了串聯及並聯式的特點，根據行駛條件的不同，可以僅靠引擎動力來行駛，或者利用引擎驅動發電機和馬達行駛。利用動力分離裝置將引擎的動力分成兩份，一部分用來直接驅動車輪，另一部分用來發電，給馬達和電池供應電力。豐田的Prius 及福特的 Escape屬此型。HEV主要部件及功能 (TOYOTA PRIUS 2)大部分HEV主要有以下七個部件(1)汽油引擎 Petrol Engine一, 產生動力直接驅動汽車。 二, 行駛其間為發電機提供動力發電。(2)電動馬達 Electric Motor一, 把
7、電力轉化為動能，供電力行駛模式介入時使用。二, 把煞車及減速時產生的動能回收，並轉化為電力。(3)HYBRID電池 Nickel -Metal Hydride Battery大功率輸出鎳氫化物(Ni-Mh) 電池，用以儲存行駛中由引擎運轉產生電力，以及由煞車減速而產生電力。(4)電力控制系統 Power Control Unit主要用以控制及改變系統電力的功率或流動方式 (交流/直流)，以應付全車系統的電力需要。(5)動力分配系統 Power Split Device透過行星齒輪組有效率地分配動力，把引擎動力分別傳送至發電機，或同時驅動車輛前進。(6)發電機 (啟動馬達) Generator透
8、過引擎動力轉動發電機的轉片，從而產生直流電力，供應電動電達所需的能量。(7)減速齒輪軸 Regenerative Braking System減速齒輪軸是利用剎車及減速時車輪剩餘的旋轉動力，讓電動馬達進行能量回收及轉化，產生再生電力。HEV運作原理圖文版 (TOYOTA PRIUS 2)起步及中低速行駛 (純電力)混合動力汽車起步及低速行駛( 55km/h 以下 )時，由於車子是靠電動馬達為動力來源，汽油引擎並無運作，所以起步的步驟及感覺亦有所不同。駕駛者插入鑰匙後，再輕輕踩踏煞車並按動Power按鈕，車子便會處於Ready狀態，此時駕駛者只需輕輕踩踏油門，車子便會平穩寧靜地起步前進。HSD車
9、子的啟動情況不會像發動引擎那樣，出現震動與噪音，轉速提高時也不會發出擾人的排氣聲浪。(從靜止到1200rpm這段區域，電動馬達可以產生40.8kgm的扭力，相當於一顆四公升汽油引擎的推力。)(空調是以電力來驅動的電子式壓縮機，引擎關閉時冷氣仍可運作。)一般行駛或高速情況時速55公里以下Prius通常以電力行駛，視乎踩踏油門的力道及深淺。當HSD系統感應到駕駛者踩踏油門的力度漸強或突然增強時，Prius便會透過動力分配系統中的齒輪綜合協調使用電動馬達及引擎驅動汽車，以達至最佳運作效率。當兩者共同使用，這讓能把汽油保持最低消耗。(如果電池電力偏低，引擎會直接把動力轉動發電機，適時把動力回收到電池)
10、圖片乃第一代Prius系統但混作情況與第二代相同. 急加速及爬坡當需要大量動力驅動汽車 (如超車或爬坡)，HSD系統偵測到油門踏板的力道進一步加強，此時電池會把額外電力給電動馬達，並促使引擎及馬達共同發揮最大性能。 (配合引擎及馬達使用, Prius最大馬力輸出113hp, 輸出扭力更可高達48.7kg-m, 0-100km加速只需10.9秒)煞車及減速當HSD偵測到駕駛者踩踏油門的力道消失，系統會自動暫停汽油引擎和電動馬達的運作，同時利用車輪剩餘的動能帶動電動馬達發電，並回收到Hybrid電池。由於HSD汽車能產生再生能源，所以這系統電力無需外在補助。Ford Escape (與Prius同
11、屬混聯型HEV, 運作方式類同)(以上乃Toyota Prius II的運作方式, 個別種類HEV的運作方式稍有不同)HEV其他節省汽油的措施 (TOYOTA PRIUS 2) Underbody cover空氣動力學性能風阻大小是影響汽油消耗量的因素之一，兩者成正比例，減低風阻的方法是改善汽車的空氣動力學設計。Prius車體從一般房車三箱式設計(引擎蓋, 擋風玻璃連車頂至尾窗, 尾箱)改用較流線型的一體掀背式設計，並在尾部、底盤前後加設擾流板，配合底盤平面化設計，這三項措施使通過車身的氣流更加流暢，Prius風阻系數僅達0.26。引擎燃燒效率引擎燃燒效率的高低是直接影響油耗表現的，Prius
12、裝配高膨比的INE-FCE引擎，引擎採用更小型、扁平內燃室設計，使燃燒能更均勻和迅速；同時引用VVT-i 技術，根據行車條件調整進氣閥間隙時間，這些改進都提高了燃燒效率、功率輸出和燃油效率。車身重量車身總重量同樣會影響油耗，重量越高便需要更大的能量協助前進。Prius則對車體及各機械部分採用了極度輕量化的設計，大量採用鋁質及高張力鋼板，這樣令到搭載Hybrid相關系統的Prius總重量1325Kg，與現時2000cc的房車相約。HEV的能源及環保效益HEV以節省汽油，低廢氣排放及優越動力表現見稱，一般HEV平均可改善30-40%，其中Toyota Prius II的性能更具代表性，其能源及環保
13、效益冠絕汽車業界。油耗及動力表現透過油電混合系統，配合車體輕量化、高性能引擎和低風阻的空氣動力學設計，使Prius無論在油耗及爆發力均優於一般房車。Prius每公升汽油可行使23.3公里，比一般2000cc汽車的油耗量足足節省50%。而引擎及電電動馬達配合下最大扭力為48.7kg-m，0-100km加速僅需10.9秒，換句話說Prius的續航力比普通汽車高一半，反應也來得更敏銳。廢氣排放PRIUS有效抑制二氧化碳以及其他化學物質排放，減少80%的排放污染，廢氣產生僅是一般房車的十分一。低排放表現使PRIUS成功通過世界各地最嚴苛的排放標準，包括：美國加州AT-PZEV、日本SU-LEV及EUR
14、O-IV(2008年實施)法規。香港推行HEV的狀況HEV對改善污染有顯注功效，不少國家均鼓勵國民使用這類環保車輛。香港政府為鼓勵市公所購買環保汽車，於二零零七年四月推行稅務優惠，凡購買已被環境保護署簽發環保私家車證明書汽車之車主，他們將可獲寬減該輛汽車首次登記稅的30%，寬減上限為每輛港幣五萬元，目前已有超過14款環保汽車獲發環保私家車證明書。HEV早期發展：1898年德國工程師費迪南保時捷 Ferdinand Porsche首次發展出全球首輛混合動力汽車- Lohner - Porsche。它使用內燃機發電，然後以後輪上的電動機推動車輛。這車輛1900的巴黎博覽會上展出，之後更以時速56公
15、里創下奧地利的汽車最高速度紀錄。1900年比利時汽車製造商Pieper製造了一部3.5匹馬力的小車，此車裝有一台小引擎及一個馬達，行車時馬達推動發電機為電池充電，上斜時馬達與引擎同時輸出動力協助加速。1916年芝加哥Woods Motor Vehicle Company發表了其油電混合動力汽車。此車只有兩個腳踏，一個為加速，一個為制動，行車時毋須轉檔，其設計與現今的自動排檔汽車相似。車輛可以純汽油、純電力或兩者配合下使用，在行駛16 - 46km/h、落斜或減速時引擎可以為電池充電，可惜此車銷售不佳並於三年後停產。 Woods宣傳單張二十世紀早期雖然已發展出混合動力型汽車，但技術仍不成熟，成本
16、高昂，而且當時的環境污染及石油能源問題不大，因此並未大量生產。真正量產而又性能良好的HEV汽車要到1997年才出現。量產HEV時代基於環境生態及能源問題日益嚴重，為了達到減低排放污染和能源再生的目標，各車廠於二十世紀中期加速研發HEV。目前全球主要生產HEV的車廠分別是Toyota、Honda、GM、DaimlerChrysler不過在HEV領域中獨佔鰲頭的莫過於日本汽車製造廠。發展 (以下僅列出部分1997至2005年的日系HEV)：1997年Toyota發表了第一代Prius，全世界第一台正式量產的HYBRID車輛。1999年Honda推出自家第一台量產HEV-Insight，其平均耗油量
17、只有35km/L。2002年Honda首次把HYBRID技術引進入旗下第八代Civic車系中。2003年Toyota推出了性能大幅提昇的的第二代PRIUS。2004年Honda在豪華房車系列Accord (2005年型號)推出汽油Hybrid。2005年Toyota旗下品牌Lexus推出全球首輛四輪驅動SUV - RX400h。HEV量產先驅-ToyotaTHS (Toyota Hybrid Synergy Drive) 油電複合動力Toyota研發THS系統屬於混聯式，引擎與馬達的功率相若。THS相比串聯或並聯混合動能系統，它的優勝之處是對能量的控制較為精細，行駛模式也較為廣泛。首款THS汽
18、車是1997年的Prius I。THS整個動力系統的主要部件包括鎳氫電池、電動馬達、電力控制系統、動力分配系統車輛的變速僅靠一套行星齒輪組，沒有傳統的機械波箱和離合器，行星齒輪結構巧妙地將差速器、發電機和馬達等動力部件結合在一起，同時行星齒輪又負起無段變速波箱的功能，結構十分緊湊，車內電子系統根據行駛狀況 (油門大小及電池電量) 來分配引擎及電動馬達動的輸出模式，以達至最有效的能源效益。(參閱P.3 P.6) 至於4WD汽車THS系統，Toyota利用三個馬達及PCU動力控制系統結合而成，三個馬達中兩個負責前輪，一個負責驅動後輪，以做出四輪驅動的效果。除了Prius車系外，Toyota已為以下
19、四款已有車系推出Hybrid 版汽車，它們分別是兩輛多功能汽車Estima、Alphad、運動休旅車Highlander及高級行政車Camry。現時Toyota Hybrid汽車的全球累積銷量已超過50萬，穩佔HEV全球第一大廠商地位，車廠並且計劃在2010年前，合共有14個型號配備THS系統，產量比現時增加一倍，銷量提升4倍。HEV第二大廠商-Honda (HEV全球銷量累積12萬)IMA（Integrated Motor Assist）整合動力輔助系統Honda研發的IMA系統是並聯式混合動力系統，整套裝置主要有動力管理系統、電動馬達及鎳氫電池。IMA的設計是把馬達/發電機安置在引擎及無段
20、變速箱之間，它的優點是結構比HSD簡單，與HSD相比，它對傳統汽車驅動系統的改變較小，成本亦較低。除結構不同外，與HSD另一不同之處是系統以引擎為主要動力來源，馬達/發電機用來添加動力及動力再生之用，車輛不能單獨以電動馬達行駛運作 (除第四代IMA)。IMA系統會根據不同的行駛狀況來調整引擎及電動馬達的動力輸出比例，例如是慢速行駛時由馬達作主要動力來源，當需猛烈加速時引擎便會加大輸出，馬達作為額外補助，當達到穩定的巡航速度時引擎動力會被調低，由馬達提供主要動力。為加強環保效能，IMA 系統汽車會配合NOx 觸媒轉化器及高效能引擎使用，第一代IMA汽車是1nsight。2006年款CIVIC H
21、YBRID為進一步減少排放和降低耗油量汽車運行成本，除使用第四代功率更大的IMA系統外，另外還引入3段可變活瓣引擎（3-Stage i-VTEC）。由於IMA系統不能在減速及停車時停止引擎運作，這時引擎處於空轉狀況，進出汽缸的空氣會對產生阻力，所以車輛油耗量是會提高；而3-Stage i-VTEC引擎則可根據行駛情況來調整汽缸活瓣的運作，當減速或停車時它會把部分或全部汽缸關閉，保持氣缸內的密封，降低進排氣時產生的阻力，這樣可減少50%的機械磨損，能量回收量提高了10%，令Civic Hybrid的平均耗油量達到20.4km/L，CO2排放為116g/km。HEV後起之秀-DaimlerChry
22、ster面對日本品牌在混合動力汽車項目的壟斷局面，歐美汽車集團DaimlerChryster展開大反攻，2005年，DaimlerChrysler與寶馬及GM合作開發Two-mode Full Hybrid系統，並與旗下品牌Mercedes-Benz發展Bluetec Hybrid。並在2006年5月發表其合作成果。Two-mode Full HybridTwo-mode Full Hybrid是並聯式系統，但它的突破之處是以一支杠桿把傳統四前速自動波箱與兩個精巧的高性能電動馬達連接起來，馬達的體積比起一般One-mode Hybrid系統的細小近一倍。由於馬達與波箱比較接近，可減少傳送中的動
23、力流失。兩個馬達又搭配了兩個分別為低及高速電子無段變速波箱（ECVT），系統分為低速模式Mode 1及高速模式Mode 2兩個模式，對減少動力流失率及油耗有更大幫助，估計安裝了Two-mode Full Hybrid後可令車輛的燃油效益增加25%。Two-mode Full Hybrid亦准許純引擎及純馬達行駛，同時可與汽油或柴油引擎連接，又可配置在前驅、後驅或四驅的汽車上使用，即是無論房車、跑車或卡車均可使用這個系統，其靈活性是各個混合動力系統之最，首部使用Two-mode Full Hybrid系統的量產車輛是GM出產的Chevrolet Tahoe及GMC Yukon，此技術也被引用至B
24、MW 概念車Concept X6 ActiveHybrid中。DaimlerChryster-BlueTec潔淨柴油引擎是目前最流行的汽車環保技術之一，它的優點是既能保持傳統柴油引擎高燃油效率及高扭力的特點，又可改善柴油車高污染的問題，而其中一款就是由DaimlerChryster研發的Bluetec技術；這項技術主要是透過經改良的引擎(CDI)、AdBlue添加劑、NOx氮氧化合物觸媒轉化器和SCR選擇性觸媒轉化器等儀器，除去廢氣中的有害物質，2006年首部E320 Bluetec於底特律車展亮相，並成為首部通過美國加州AT-PZEV及EURO-V法規的Bluetec汽車。DaimlerCh
25、ryster-Bluetec Hybrid至於BlueTec Hybrid方面，它的原理則是在潔淨柴油車的基礎上加入混合動力技術，即是把柴油引擎配合電動馬達使用，同時採用動力再生技術，從而進一步提高能源效益及減低排放。首部引入BlueTec Hybrid概念的汽車是平治S-Class豪華轎車，其中一款型號是S300，該車在2007年法蘭克福車展中展出。S300僅透過直列式四汽缸柴油引擎與高效能電動馬達，就讓它擁有224hp與57.1kgm最大動力輸出，動力表現不僅直逼V8汽油引擎，油耗更達到5.4L / 100km；而CO2排放則是142g / km，排放標準比普通S-Class減少了30%，
26、這使S300 BlueTec Hybrid具備通過EURO-VI與美國BIN5兩項嚴苛的污染排放標準的潛力。該公司預計於2010年將為C-Class、E-Class及M-Class提供Bluetec Hybrid版本發售。 HEV商務型汽車巨頭-Mitsubishi Fuso2004年Mitsubishi Fuso (三菱扶桑卡客車有限公司) 推出全日本首輛量產HEV巴士-Aero Non-step，此車以柴油引擎為動力來源，電動馬達驅動車輪，亦即是所謂Series-Hybrid串聯型式。目前，這種座位城際客車運行於日本的遠州、名古屋、靜岡等地。2006年Mitsubishi Fuso再推出全
27、球最乾淨的量產貨車Canter Eco Hybrid，此車柴油引擎配電力驅動，屬於混聯式（Parallel Hybrid System）HEV，有效降低41%的氮氣化合物與46%的微量物質，同時增加提升20%燃油燒效率，Canter Eco Hybrid將符合2015年的環保法規標準。總結HEV技術無論在房車或商務車輛方面均極為成熟，不少車廠陸續發展出性能更加先進的HEV，並在部分新車系中推出Hybrid版，甚至美國軍方亦計劃為其耗油巨獸Hummer軍車引入Hybrid版；另一方面DaimlerChryster汽車集團率先把其他環保技術與Hybrid結合，例如是Bluetec Hybrid，研
28、製環保效益更佳的車輛，由此可見Hybrid未來前景可科學報告背後製作報告原因 :這是我畢業前的最後一份科學報告， 最初製作報告的目的是為了下學期成績表提供參考分數。 但由於當時暑假臨近 (7天後)， 時間極短的情況內本身已經難以妥善完成， 加上電腦在限期長出現問題， 最終仍未能在暑假 (畢業) 前繳交。 其實這份功課過期後可以取消， 而我亦曾考慮放棄這份功課， 但是本人一直被視為品學兼優的學生， 而且我也曾經答應老師把它完成， 一旦不了了知的話， 那麼建立多年的良好形象將會留下陰影， 至少我未能通過自己的心理關口， 於是我便在假期內繼續這份報告。 由於沒有時間限制， 所以我便可以重新規劃， 經
29、過接近兩個月的努力後， 我終於完成了這份報告。 或者一份中三程度的報告用上如此長久的時間才能完成， 這會有點誇張， 但過程實情就是這樣。感想 :每次接到專題研習等功課時， 我也不太樂意接受， 今次也是一樣。 就是賴於應付這些複雜又費時的功課。 那不過， 每次我也是用盡110%的全力去完成。 原因是這樣的， 身邊許多人對我的評價一向甚高， 而我也自覺自己學習上的表現有頗佳的水準， 並且相信自己能把事情幹得完美， 就是這三方面逼使及推動了我必須盡力地完成所有事情。 這樣我才能夠接受人家或是自己的好評。 另一方面， 完成本報告雖然花了很大努力， 但當看到自己的作品按計劃完成， 一切接近完美， 這種感
30、覺為我帶來一點成功感的， 先前的努力也算是值得。自評 :自問我對這份科學報告非常滿意。 我在搜集資料的過程中， 看過了一些同類型中學生製作的報告， 發現大部分作品都是由兩至三人共同完成， 而且介紹的車種及技術亦只有Toyota的THS。 最大不足是圖片展示方式及質素非常低、賣相毫不吸引， 我可以大膽說一句， 我的報告比它們的較為優勝。 我估計他們的問題是缺乏後期製作所致。 另一原因應該是受時間限制， 無法投入大量時間製作， 而這正是我的優勢。 我的自評可能給你人自我吹捧的感覺， 但我所說的話全都是由心而發， 而且當你了解我的製作過程， 便會明白。製作過程 : 製作這份16頁圖文並茂的報告， 本人花了不少心思及時間。 特別是處理圖片方面。 為提高報告的可觀性， 每張圖片都是經過長時間精搜索和挑選， 絕大部分更是經過圖像軟件處理， 而非直接引用網上圖片。 部分圖片包括 : P.1 汽車產生廢氣的平均成份它的資料是在同類型報告中得來的， 原本它以表單表達， 看起來極度乏味， 那麼我便以汽車排放黑煙的方式展示出來。 這樣一來可以提高趣味性， 二來可更加凸顯汽車帶來的嚴重空氣污
