“Semper Vivus”的技术

辉煌历史

具有历史意义的“Semper Vivus”是史上独一无二的杰作。它是Ferdinand Porsche对串联式混合动力驱动理念的一次大胆尝试。因此,这款史上第一辆重混合动力汽车只有极少数设计工程图纸、文件和图片保留至今。它们是制造Semper Vivus复制品的基础。

凭借其混合动力驱动理念,Semper Vivus率先实现了目前计划投向市场的增程型电动车的最初构想。这款车通过由蓄电池主要供电的电动机驱动。如果电能耗尽,驾驶者可以启动连接至发电机、可用于产生电流的两台内燃机继续行驶。在混合动力原型车中,由Ferdinand Porsche发明并于1896年前后获得专利的两个转向轮毂电机作为驱动装置。因为他怀疑各类变速箱是造成动力损失和部件磨损的来源。尽管这些电机的壳体由铸铝制成,但每台电机的重量却约为270 kg。它们被设计成外转子电机,其中定子位于中心,转子围绕定子转动。不受冲击影响的平板集电器和82组单独的电枢线圈使电机能够按照要求采用盘形设计。从电学上来讲,它相当于8极串励电机,即转子与定子串联。这一工作原理的优势在于电机从一开始即可产生约300 Nm的最大扭矩。

极重的前轮在转向节上运转,它被连接至管架而非悬挂上。为了确保最低限度的驾乘舒适性,并且不会因崎岖路面对无阻尼轮毂电机和乘员造成冲击,车轮配备了尺寸为880 × 120 mm的充气轮胎。Semper Vivus采用转向节转向系统。传动比为6:1的蜗杆齿轮转向系统将驾驶者的转向脉冲传送至转向系统横拉杆。配1150 × 100 mm全橡胶轮胎的后轮装在一个刚性车桥的两端,刚性连接至车架。

底盘由一个简单的矩形圆钢管车架组成,并使用卡箍连接。为了保持相对较低的上层结构和重心,Ferdinand Porsche没有将蓄电池这个最重的部件安装在车架上,而是用四个螺旋弹簧将其悬置在矩形箱体中。原车蓄电池是一个重约420 kg、由44个电池单元组成的铅/酸蓄电池。在空载条件下,可提供88 V电压和110 Ah电荷存储容量。出于安全原因,Semper Vivus复制品配备了重量、存储容量和外形尺寸均与其相当的铅胶蓄电池。这种悬置方式不仅可以保护存储能量的敏感铅板不受破坏性冲击;座椅、电流发生器和驱动控制系统也可安装在蓄电池盒上,从后桥延伸到前排座椅下面。转向柱从簧下驾驶者脚坑凸出来;转向柱旁边是脚制动杆。驾驶者通过安装在膝部位置前镶板内的电压表和电流表获取能量平衡的信息;煤油大灯和两个散热器通过外部螺栓连接至帆布饰面木镶板。

驾驶者座椅后面的两个单缸发动机使Semper Vivus成为了汽车史上的一座里程碑。发动机并非以机械方式连接至驱动桥,而是被专门用于通过发电机为轮毂电机产生电流,从而第一次实现了串联混合动力驱动理念。Semper Vivus复制品中配备了两台完全相同的DeDion-Bouton四冲程发动机,排量均为0.7升,在1,200 rmp转速下可产生约3.5 hp输出功率。曲轴箱由铝制成,活塞则用灰铸铁制成。发动机通过水套冷却,由水泵完成水的循环。在原车上,这些部件连同曲轴安装在车桥上,在车辆前端将冷却液泵送至管式散热器,储水罐则安装在后排乘客座椅下方。在Semper Vivus的复制品中,两条冷却回路中安装了由蓄电池供电的小型电动泵。

混合气配制工作由早期的喷嘴化油器完成,其气流可通过连接到化油器节流阀的一个小手柄来调节。混合气通过所谓的喷气阀横向流入燃烧室,该阀门由于进气过程中产生的真空而开启,在压缩冲程之前通过弹簧负载又使其关闭。通过分电器点火系统完成压缩混合气的点火,该系统的火花塞横向布置在整体式封闭气缸的进气口和排气口之间。点火线圈的工作电压为12 V,在20世纪初,其电压通常从蓄电池的第六个电池单元获取。如今,这项任务通过铅胶蓄电池供电的现代电压转换器来完成。DeDion-Bouton发动机根据逆流原理而设计,因此通过侧阀控制的废气从喷气阀下面的燃烧室排出。

在车辆行驶过程中,每台内燃机的前曲轴轴端通过弹性离合器片驱动并激发电机的转子。在该车型中,激励线圈和电枢并联电连接。由于励磁线圈仅需要部分电枢电流,即使在交变载荷下,并激发电机也能平稳运转。这种设计可以将直流发动机用来驱动轮毂电机,并给蓄电池提供必要的过电压。然而,由于第一代混合动力车辆的技术所限,Semper Vivus无法在利用发动机电流驱动的同时给蓄电池充电。因此,在复制版Semper Vivus的设计中,由于严格遵守充电电压的要求,只能在车辆静止状态下为蓄电池充电。当然,也可以通过充电器利用市电来替代发电机电流。这在110年前也是可以实现的,无需费尽周折地利用电阻器从110 V的直流市电充电。

两台发电机分别重140 kg,总重约280 kg。每台发电机同时又作为其内燃机的起动机。和所有组合驱动单元的其他控件一样,驾驶者座椅后面的起动机开关从后排座椅控制。一旦内燃机起动,发电机立即切换到发电模式,在1,200 rmp转速下可产生约20 A的电流及90 V的电压。由于两台发电机并联在一起,因此可产生约3.6 kW的供电量。

驾驶全球第一台重混合动力汽车与驾驶一辆传统的现代汽车的感觉完全不同。速度不是通过油门踏板控制,而是通过开关6速控制器的横向控制杆来完成。早在1900年,它就被称为控制器。驾驶者拉出主开关后,汽车就会挂一档起步。然后,控制器(一个带不同电流电路触点的驱动轮)连接两个串联轮毂电机的励磁线圈和电枢线圈。高达80 A的电流流经轮毂电机,平稳地驱动Semper Vivus向前行驶。如有障碍物等妨碍汽车起步,该电流电路中的串联电阻器能够确保系统不会过热。这款混合动力先驱车型完全能够应对约7%的坡度。

一档速度能达到约10 km/h;电流消耗之后降至约20 A,此时驾驶者必须进行换档,以便继续加速。在二档,控制器继续连接两个串联励磁线圈,但给电枢提供并联电流。通过电枢电流产生的轮毂电机扭矩由于电枢电阻的降低而再次增加,从而使车速进一步加快。在约20 km/h的车速下,挂入三档;此时,控制器激发轮毂电机的并联励磁线圈和电枢线圈。最后,在平直路面上,Semper Vivus 达到约35 km/h的最高时速。

如果驾驶者不希望在节气门全开(或者更准确地说,全电流)的情况下行驶,只需轻轻踩下制动踏板,结合开关操控,在所选速度下周期性地接通和切断电流供应即可。如果驾驶者以最高时速行驶,则重量为1.7吨的Semper Vivus充满电可在平坦路面上行驶约50 km。之后,驾驶者可以启动发电机,并利用燃油箱内的40升汽油继续行驶(续驶里程未知)。

但有时驾驶者不得不进行制动。为此,他要再次操作控制器的横向控制杆并切换至减速档。现在两台电机的电流供应断开,并通过一个8欧姆电阻器短路;行驶车辆的质量惯量产生的电流将被转换成热量。1900年所拥有的技术还不可能回收能量用于给蓄电池充电。如果轮毂电机的制动扭矩不够,驾驶者还可以用力踩下踏板,通过后轮的两个外部带式制动器进行制动。出于安全考虑,Semper Vivus的复制品额外配备了一个当年原车上可能并未安装的外部带式停车制动器。此外,还配备了锁爪形式的防滑溜系统;在上坡时,该系统启动,并啮合制动鼓的内齿。

控制器的五档让电机反向转动,是Semper Vivus的倒车档。六档实际上是空档,在空档时汽油发动机可在施加手动制动时启动。

驾驶Semper Vivus的一个深刻体验就是比较耗力。前桥和后桥载荷分别为1,060 kg和830 kg,没有助力的转向的确非常费力。作为补偿,超出地面约两米的个性化座椅可为驾驶者提供出色的视野,最高点——驾驶者座椅靠背的顶部边缘——正好高于路面1,830 mm。相比之下,全球第一辆串联式混合动力汽车的地板面积仅相当于一辆2.64 m(长度)×2,260 mm(轴距)×1,370 mm(轮距)×1,540 mm(后轮距)的现代紧凑型汽车。

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Egger-Lohner-Elektromobil Modell C.2 Phaeton („P1“)
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重现1900年“Semper Vivus”(“活力无限”)混合动力汽车风采