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        新能源汽車技術(shù)

        2015-05-04 07:46:53孟憲臣劉宏南紀(jì)蓮岳永輝
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年13期
        關(guān)鍵詞:混合動力發(fā)動機

        孟憲臣 劉宏南 紀(jì)蓮 岳永輝

        摘 要:豐田混合動力系統(tǒng)叫做THS( Toyota Hybrid System),在混合動力電動汽車上,熱力發(fā)動機又被稱為混合動力單元。在混聯(lián)混合動力電動汽車上,混合動力單元通過幾種方式驅(qū)動車輪,并且電動機還能獨立承擔(dān)一部分驅(qū)動功能,這樣就使得混合動力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的熱力發(fā)動機。豐田1NZ-FXE 1.5L發(fā)動機以其卓越性能,讓Prius混合動力汽車名揚天下。

        關(guān)鍵詞:混合動力;阿特金森循環(huán);發(fā)動機

        1 阿特金森循環(huán)發(fā)動機的工作原理

        阿特金森循環(huán)是一種1882年由阿特金森(James Atkinson)發(fā)明的內(nèi)燃機形式。阿特金森循環(huán)發(fā)動機提高了效率,現(xiàn)階段用在某些混合動力車輛上。

        阿特金森循環(huán)發(fā)動機是一種能夠改變氣門開閉時機的新型發(fā)動機。傳統(tǒng)汽車發(fā)動機是按照奧托循環(huán)的規(guī)律工作的,即一個工作循環(huán)包括吸氣、壓縮、 做功和排氣四個沖程。在奧托循環(huán)發(fā)動機里,在吸氣沖程中油氣混合物被吸入汽缸,當(dāng)活塞到達下死點后,進氣門關(guān)閉,在壓縮沖程中油氣混合物被封閉在汽缸中;在做功沖程中被壓縮的混合氣點燃做功,推動活塞帶動曲軸旋轉(zhuǎn),這種配氣正時決定了發(fā)動機膨脹比和發(fā)動機的壓縮比幾乎相等,很難提高膨脹過程中能量的利用率;與此相對照地,在阿特金森循環(huán)中,在活塞到達下死點后上升一段時間,進氣門仍然開放,這樣就使得有一部分混合氣體被推回到進氣歧管,也就是說有效氣體壓縮行程變短,而做功行程不變,相對增加的膨脹與壓縮比,就提高了爆炸的膨脹沖程后端的能量利用,利于提高燃油效率。

        2 THS中配備的1NZ-FXE 1.5L特點

        與以往油電混合動力系統(tǒng)中安裝的發(fā)動機機型相比,1NZ-FXE 1.5L (1NZ-FXE中的“X”表示采用了阿特金森循環(huán))具有低油耗,高輸出的特性。THS中配備的1NZ-FXE 1.5L用于混合動力車輛的發(fā)動機具有以下特點:

        2.1 極高的熱效率

        高膨脹比循環(huán),膨脹沖程 > 壓縮沖程;進氣門延時關(guān)閉,一般壓縮比在13左右。

        長活塞沖程,可縮小燃燒室容積,以提高膨脹比,即等待爆發(fā)壓力在充分降低后才進行排氣,這樣可充分利用爆發(fā)能量。

        2.2 曲軸高旋轉(zhuǎn)化

        發(fā)動機曲軸的最高轉(zhuǎn)數(shù)已被提升至5000r/min,提高了輸出功率。在減少摩擦損失的同時提高了最高轉(zhuǎn)數(shù),所以既增強了加速時的驅(qū)動力,又實現(xiàn)了低油耗。

        2.3 配氣正時采用智能可變配氣正時(VVT-i)

        智能可變配氣正時,減少了由于發(fā)動機起動和停止時造成的壓縮抖動;還可根據(jù)行駛狀況細微地調(diào)節(jié)進氣門的開閉時間,實現(xiàn)可變壓縮比,有效控制爆震;同時在各種旋轉(zhuǎn)帶進行高效燃燒,為提高輸出功率、降低油耗提供了保證。圖1所示,阿特金森循環(huán)與奧托循環(huán)發(fā)動機一個工作循環(huán)比較情況,阿特金森循環(huán)發(fā)動機氣缸壓縮容積通過VVT-i是可以改變的。

        圖1 發(fā)動機的工作循環(huán)

        2.4 氣缸體

        氣缸內(nèi)裝有設(shè)計緊湊的拉模鑄鐵薄壁氣缸套,因此,免去了精工鉆孔鏜缸。

        2.5 偏置曲軸

        曲軸軸線的偏置減少了活塞的側(cè)推力,同時也會改善在低速/低載情況時混合氣的燃燒,提高發(fā)動機熱效率。

        2.6 活塞

        活塞結(jié)構(gòu)的變化減少了重量和摩擦;活塞環(huán)使用了低張緊力和超薄的活塞環(huán)以減少運動摩擦阻力。

        2.7 動力輸出驅(qū)動皮帶系統(tǒng)布局

        本款發(fā)動機采用變頻電動空調(diào)壓縮機,變頻電動機直接與空調(diào)壓縮機制成一體,不再使用空調(diào)壓縮機皮帶輪;發(fā)電機與起動機一體化,與發(fā)動機分體,使皮帶布局設(shè)計得以簡化。

        2.8 排氣系統(tǒng)

        尾氣排放采用不銹鋼排氣歧管使整機重量大大減輕,同時也改善了三元催化的加熱能力。

        三元催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中采用了高密度蜂窩陶器層;直接裝在排氣岐管下部。

        2.9 進氣采用電子節(jié)氣門智能控制系統(tǒng)(ETCS-i)

        PRUIS采用了無拉索電子節(jié)氣門控制, 在THS系統(tǒng)里,節(jié)氣門初始張開角3°,可預(yù)防當(dāng)?shù)蜏貢r被粘住節(jié)氣門體翻版;加速踏板位置傳感器由2個(主和副位置傳感器),加速踏板踏下程度與節(jié)氣門開度是不一致;節(jié)氣門由直流電機來驅(qū)動,而節(jié)氣門直流電機由 HV ECU 來控制。

        2.10 冷卻系統(tǒng)

        (1)電水泵:ECM調(diào)整發(fā)動機冷卻液的循環(huán)量以符合最佳的發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件。發(fā)動機的電水泵能在發(fā)動機不運轉(zhuǎn)的時候提供穩(wěn)定的加熱性能,預(yù)熱性能以及減少冷卻損失,進一步提高發(fā)動機工作效率。

        (2)散熱器:發(fā)動機、變頻器散熱器和空調(diào)冷凝器集成在一起, 管路彼此獨立結(jié)構(gòu)一體化。

        3 阿特金森循環(huán)發(fā)動機的缺點

        (1)獨特的進氣方式在低速時扭矩顯得很差。

        (2)長活塞沖程不利于發(fā)動機高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

        由于使用在混合動力汽車上,低速時,由電機獨立驅(qū)動工作;而發(fā)動機經(jīng)常工作在中速高效區(qū);又由于采用了更輕重量的運轉(zhuǎn)部件;減小了活塞環(huán)的張力和氣門彈簧的反彈力;同時發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)進一步進行了優(yōu)化,這樣PRUIS阿特金森循環(huán)發(fā)動機就避開了自身存在的缺點。

        4 結(jié)束語

        THS可完美地分別使用電動機、發(fā)動機或聯(lián)合工作來行駛,1NZ-FXE 1.5L油耗與低一等級排量/車體尺寸的車輛相當(dāng),功率卻與高一等級車輛發(fā)動機相當(dāng);與發(fā)動機排量相同的車輛相比,其低油耗性能居世界最高水平。

        美國CARB認(rèn)定Prius排放級別為SULEV,比普通車NOx降低 90%,CO2降低50%。

        參考文獻

        [1]康云龍.新能源汽車與電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2009,12.

        [2]趙勝全.新能源汽車運用技術(shù)[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,2013,7.

        [3]旋艷靜.混合動力汽車結(jié)構(gòu)與檢修[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社,2013,12.

        [4]付鐵軍.新能源汽車技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2014,5.

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