阿特金森循環發動機
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-09
阿特金森循環發動機的實例教程
目前混合動力電驅動系中所用的發動機，大多采用傳統的奧托循環發動機。在上期推文增程式電動汽車中，我們提到阿特金森循環發動機的熱效率較高，燃油經濟性較好，越來越多混合動力車采用阿特金森循環發動機。高膨脹比阿特金森循環可以有效提高混合動力汽車發動機的燃油經濟性，并通過合理的匹配控制可以獲得最優的動力性、經濟性和排放性。
E-REV能量管理控制策略是整車控制的關鍵。國內外對增程式電動汽車控制策略的研究主要分為基于規則的控制策略、基于優化的控制策略和智能控制策略。其中，基于優化的控制策略，如瞬時優化控制策略，全局優化控制策略算法均需要大量的運算，對整車控制系統硬件要求較高，不利于實際應用。近年來，隨著智能控制(如模糊控制、神經網絡控制等)算法的發展，智能控制策略也被廣泛應用于增程式電動汽車的能量管理中，但由于其需要先驗知識和復雜的訓練過程而難以在實際車輛上應用。目前實車廣泛采用基于規則的控制策略。
1.阿特金森發動機工作特點
在阿特金森循環中，在活塞到達下一止點后上升一段時間，進氣門在這段時間仍然處于開啟狀態，有一部分混合氣體被推回到進氣歧管，降低了實際壓縮比。在膨脹行程末，當汽缸內的壓力降低至稍高于大氣壓時，再開啟排氣氣門，提高了膨脹沖程后端的能量利用，壓縮比小于膨脹比，如圖1，圖2為傳統發動機與阿特金森發動機配氣圖解。阿特金森發動機可產生較高的熱效率，燃油經濟性也較好。
阿特金森循環發動機在低速運行時，進氣門晚關閉會使氣缸內混合氣變少，導致其低速時扭矩較小。雖然長活塞行程能夠充分利用燃油的能量，提高經濟性，但行程較長也限制了發動機轉速的升高，不利于發動機高速運轉。阿特金森循環發動機通過控制氣門開閉時間實現對膨脹比和壓縮比的控制，降低了最高燃燒壓力和溫度，減少了NOx的排放和泵氣損失。
展開 但這兩個“缺點”卻正好可以被混動車型利用，這是因為混動車型在車輛起步階段，由電動機驅動，電動機低速扭矩大，使車輛快速加速，以此來彌補了阿特金森循環發動機的動力性不足的缺陷，而到了中高速勻速行駛時，阿特金森循環的發動機熱效率高，又可以提高燃油的經濟性，所以市面上混動車都采用了阿特金森循環發動機。
對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
(3)過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時也惡化了燃油經濟性。
2．混合動力車用阿特金森循環發動機
針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖所示。
通過回流行程可以對發動機有效排量f進氣量)進行調節來控制缸內氣體質量，從而調節發動機負荷。
展開 而傳統的汽油機常采用奧托（Otto）循環工作，由于其熱效率低、泵氣損失大、膨脹比小，具有怠速工況、部分負荷工況燃油消耗率高、后備功率大，不利于提高混合動力汽車的燃油經濟性。具體原因包括;
⑴泵氣損失：節氣門在部分開度時造成的節流，以及曲軸箱和進氣管的壓差對活塞下行造成的阻力都會導致能量損失。采用節氣門控制負荷的發動機即使在高速行駛時也存在泵氣損失，只有在全力加速或爬坡時節氣門全開才不存在額外的進氣管節流損失。
⑵膨脹比：發動機的熱效率與膨脹比密切相關，膨脹比為排氣門打開時的氣缸容積與混合氣被點燃時氣缸容積的比值。膨脹比越高，轉化為機械功的熱能越多。對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
⑶過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時也惡化了燃油經濟性。
2.混合動力車用阿特金森循環發動機
針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖6所示。
圖6 阿特金森循環行程與奧托循環行程對比示意圖
展開 公開資料顯示，豐田THS技術主要依靠行星齒輪，實現混合動力輸出，而本田i-MMD技術則強調電機與發動機各司其職，低速時主要靠電機驅動，高速時發動機直接介入。換言之，豐田THS和本田i-MMD的技術優勢集中在中低速區間，在高速狀態下會出現動力不足的問題。
相比之下，WEY瑪奇朵搭載的智能混動DHT技術則有更多巧思。據了解，WEY瑪奇朵搭載的智能混動DHT系統主要由一臺最大功率71kW的1.5L阿特金森循環發動機、115kW的TM電機、1.7kWh的HEV電池包和支持發動機兩擋直驅的DHT變速機構組成。
其中，兩擋變速機構是這套智能混動DHT系統的最大亮點。在兩擋變速機構的加持下，WEY瑪奇朵發動機直接驅動車輪的車速范圍更廣，如在更低車速時，發動機即可介入動力表現更好，在高速行駛時，又可以適當降低發動機轉速，能讓WEY瑪奇朵擁有比豐田THS和本田i-MMD車型更出色的NVH、燃油經濟性和動力表現。
工作模式方面，得益于智能混動DHT系統，WEY瑪奇朵擁有EV（純電）模式、混動串聯模式、混動并聯模式三大工況，綜合峰值扭矩為370N·m，百公里加速為8.5s，滿油續航可達1100km。具體而言，EV模式主要用于起步至低速區間，這此時靠電機輸出，動力線性且響應迅捷；混動串聯模式用于中速區間，發動機給電機供電（多余電量儲存至電池組），再由電機直驅車輪；混動并聯模式用于急加速時，由發動機直驅車輪，同時電機靠電量支撐，隨時輔助加速。
除此之外，WEY瑪奇朵搭載的智能混動DHT技術，在結構設計上也有頗多亮點。例如，本田i-MMD技術的雙電機為同軸布置結構，只能采用體積較小的電機，功率輸出會受到限制，而智能混動DHT技術的雙電機不僅是平行軸布置結構，而且采用的是扁線繞組電機。
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增加渦輪增壓、增壓機和相關零部件，例如中冷器。
通過常用模板，從平均值和曲軸角度模型輕松實現切換。
該系統搭載了驍云插混專用1.5L阿特金森循環發動機，擁有43.04%的超高熱效率值，配合上比亞迪的刀片電池和電機，能較為系統地破解用戶的續駛焦慮、充電焦慮、安全焦慮。
簡單地講，PHEV車型短途可以用電，長途可以加油，沒有排隊充電和北方冬季純電車型“掉電”的煩惱。而且，還具有降碳減排的優勢，新車售價上又大多要比純電車型更低，因此更容易打開銷路。
此外，CR-V銳·混動e+采用的2.0L阿特金森循環發動機，這臺發動機已經在Honda品牌旗下所有的電氣化車型上服役，無論是動力性還是經濟性，都是有口皆碑。
包括電池模組在內的三電系統，CR-V銳·混動e+采用的都是進口部件，與眾多的國產車型以及合資車型相比，都有著更高的品質和更穩定可靠的性能。
2.混合動力車用阿特金森循環發動機
針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖6所示。
圖6 阿特金森循環行程與奧托循環行程對比示意圖
避開阿特金森循環發動機低速、小負荷動力不足的缺陷。使發動機主要工作在中高速下，充分發揮了阿特金森循環發動機熱效率高的優點，提高了整車的燃油經濟性和排放性能。阿特金森循環發動機在大部分負荷范圍內(小負荷除外)，由于節氣門開度加大，節流作用減小，不存在額外的泵氣損失，高膨脹比又提高了燃油的做功能力。
但這兩個“缺點”卻正好可以被混動車型利用，這是因為混動車型在車輛起步階段，由電動機驅動，電動機低速扭矩大，使車輛快速加速，以此來彌補了阿特金森循環發動機的動力性不足的缺陷，而到了中高速勻速行駛時，阿特金森循環的發動機熱效率高，又可以提高燃油的經濟性，所以市面上混動車都采用了阿特金森循環發動機。
據了解，WEY瑪奇朵搭載的智能混動DHT系統主要由一臺最大功率71kW的1.5L阿特金森循環發動機、115kW的TM電機、1.7kWh的HEV電池包和支持發動機兩擋直驅的DHT變速機構組成。
其中，兩擋變速機構是這套智能混動DHT系統的最大亮點。
動力方面，WEY瑪奇朵搭載的長城DHT混動系統主要由一臺最大功率71kW的1.5L阿特金森循環發動機、115kW的TM電機、1.7kWh的HEV電池包、支持發動機兩擋直驅的DHT變速箱組成。
此前，威蘭達已有HEV雙擎版本，采用的是2.5L阿特金森循環發動機與E-CVT變速器動力總成，而PHEV版本就是在這套混動系統基礎上拓展而來，動力性能得到了強化。發動機功率微微上調至132kW，前電機功率也從雙擎版的88kW提升至134kW，E-Four四驅車型的后橋還搭載了可以輸出最大40kW以及121N·m的后驅電機，最終整車綜合最大輸出功率達到306Ps。
圖2 日野輕卡混合動力構型（并聯式構型）[4]
通過使用混合動力系統專用的清潔阿特金森循環柴油發動機N04C-UL（圖3），以及強有力的輔助發動機驅動的電動機的強化控制，完美地實現了燃料效率和動力性能。另外，在車輛減速時，電動機用作發電機，通過將車輛的動能轉換成電能，對動力電池充電來有效地利用能量。
