淺談混動專用發動機(一)

淺談混動專用發動機(一)的圖1

   概  述

很多人都有個疑問,在現在汽車浩浩蕩蕩的電動化趨勢下,真的敢把未來所有的賭注壓在電動汽車上嗎?無疑這是關乎未來很多年后,我們是選擇在充電站排隊,還是繼續瀟灑地像前輩那樣,開門就走?隨著現在車輛電動化技術的爆發式發展,其實我們面臨的情況無非是兩個選擇,其一是整車的電動化;其二是發動機的電動化。前者造就了純電車型,而后者,造就了多種形式的混合動力。在從業于動力總成領域十余年的工程師眼里,其實發動機還有很多能夠提升的空間。所謂混動專用發動機,是指適用于油電混合動力車輛,并且針對性進行了結構性優化設計的發動機,它和傳統的燃油發動機,都有哪些顯著的區別呢?今天的電氣化,所造就的混動專用發動機,其實早已脫胎換骨。過去,汽油發動機熱效率很難突破37%,而現在,混動發動機熱效率動輒就在40%以上,這又是如何產生的呢?
淺談混動專用發動機(一)的圖2

“偏科”的設計之發動機燃燒系統的變化


混動專用發動機在設計思路上,就是借助于電動化的技術,使發動機的設計可以更加向高熱效率的工況傾斜。

其實在發動機誕生的早期,工程師就在琢磨著提高燃油經濟性。在燃燒循環的改良方面,本質上就是延長在每循環中活塞下行膨脹的時間占比。由此應運而生了阿特金森循環和米勒循環。這兩種燃燒循環都具有膨脹比高于奧托循環的特點,帶來了更高的熱效率優勢。但為什么不能被廣泛采用呢?這就是傳統內燃機要做性能平衡性犧牲的設計思路了。其一,傳統內燃機的追求高扭矩輸出。在那個年代,沒有什么性能比高扭矩輸出更有說服力。然而在油電混動動力總成領域,車輛已經不再單純依靠發動機扭矩的輸出,驅動電機(EM)和內燃機(ICE)的協調工作,實現了“1+1>2”的效果。


淺談混動專用發動機(一)的圖3


其效果不僅僅在于動力性的變化,在下面一張圖中,可以看到混動專用發動機能夠“專心”在理想工況區工作:不再進入重污染的高NOx排放工況,也無需在1800r/min以下的小負荷區域進行無謂的高油耗運行。


淺談混動專用發動機(一)的圖4


顯然可以看到在驅動電機的加持下,混動發動機的常用工況區域得以大大縮小,而總體扭矩卻大大提高。混動發動機不需要再兼顧低效的低負荷,高扭矩區域也完全可以被動力電機的驅動所替代。在混動車輛上,所對應的起步、低速巡航狀態下,發動機完全可以睡眠;即便是強加速,高扭矩也由發動機和驅動電機的扭矩疊加實現。那么混動型發動機就只需要考慮縮小區間內的工況,并且更加“偏科的”來設計燃燒系統。


淺談混動專用發動機(一)的圖5


“魚腹式進氣道”是應這種趨勢的主流設計。這種進氣道的特點是具有很高的進氣滾流比,高滾流配合更高壓縮比,能夠實現更充分的均質混合氣,以及大大提高的火焰傳播速度。對于直噴發動機,由于燃料混合氣需要在缸內形成,只有足夠強的滾流才能構成均質態混合,那么這個設計就是必然的。更高的燃燒速度就意味著更長的燃料燃燒做功時間,這對提高發動機熱效率有直接顯著的作用。


淺談混動專用發動機(一)的圖6


犧牲也是有的,由于進氣流滾流比大,其擾動阻力大,氣道進氣流量系數偏低,造成缸內充量稍低,扭矩動力性低。但這個指標對混動機而言,可以靠驅動電機的高扭矩來補償,因而顯得不再那么重要了。

淺談混動專用發動機(一)的圖7

 “偏科”的設計之電動附件系統

發動機附件的電動化。傳統車上的低壓發電機,空調壓縮機,水泵,助力轉向泵等附件由輪系多楔帶驅動,并且還要借助張緊輪和惰輪等機構。這樣的輪系復雜,摩擦損耗也較高,其摩擦損耗能占據總體摩擦功損失的14%~18%,即便是附件不運行空載,其造成的損失功耗也較為可觀。尤其是水泵,始終處于工作狀態下,其受迫驅動冷卻液流動,往往造成可觀的能量損失以及散熱損失,實際上,在低溫環境下,還影響了發動機的熱機速度,對駕駛循環的初期排放具有負面影響。


淺談混動專用發動機(一)的圖8


為解決這個問題,在混動專用發動機上采用的電動附件系統,發動機的曲軸皮帶輪沒有驅動外圍附件,而這些附件則被電動化的部件代替。這是一臺典型的混動發動機外觀:傳統發動機的附件不見了,取而代之的是對應各功能的電動化模塊。


淺談混動專用發動機(一)的圖9


采用電動水泵來替代機械水泵,因此水泵的轉速和排水量不再直接受發動機轉速影響,而是由ECU根據標定模型,通過采集發動機工況數據控制水泵的轉速,從而完全做到散熱系統的冷卻液流量根據需要實時控制,做到排水量與發動機實際需要相適應,大大縮短暖機時間,對冷機階段排放量實現了有效抑制。


淺談混動專用發動機(一)的圖10


同時,還降低了發動機驅動水泵造成的能量損失;節溫器也采用電子化控制,發動機ECU檢測到缸體和缸蓋的溫度后,根據自己內部設定的溫度模型,合理的打開節溫器開度,有利于實現較短的暖機時間,和較長的保溫時間,使發動機工作循環內實現更理想的熱管理控制,對燃燒和潤滑性能都有正面的影響,從而實現更好的排放和經濟性能。

發動機摩擦功屬于內部消耗,這部分功只能阻礙性能。而電動化附件對減摩擦功帶來了改善,某機型從二代產品升級到混動發動機,通過一系列減磨措施,摩擦功指標分解總體實現了較可觀的下降水平。


淺談混動專用發動機(一)的圖11


電動壓縮機取代了傳統的機械壓縮機。傳統機械壓縮機對發動機的能耗影響明顯的。當開啟空調功能,ECU會提升發動機轉速予以補償,這樣往往會造成不少于15%的油耗增加。同時,機械壓縮機由于轉速和發動機直接耦合,無法實現實際需求制冷量和能耗的最佳匹配,又帶來了能量的耗費。而采用電動壓縮機以后,壓縮機轉速與發動機轉速解耦,排量就可以根據需求變化,從而實現精準的制冷量調整,總體能耗得以進一步降低。
電子助力轉向器取代了傳統的機械轉向器,助力電機僅根據轉向需要助動,而無需始終跟隨發動機旋轉泵壓,這部分能降低約10%的消耗。
混動專用發動機脫胎于傳統汽車發動機,具有比傳統發動機更先進的技術,更清潔的排放,更高的燃油效率意味著更低的碳排放;同時也集成了傳統發動機的使用方便,維護簡單,補能無憂,酷暑嚴寒的季節條件下行車無懼的強悍優勢。正如我們在歷盡多種嘗試和理性分析后,清醒的認識到:內燃機并未過時,在混動技術的整合下體現了產品特性的最優解。

注:文章中引用數據和圖片來源網絡


文章來源:汽車動力總成

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