阿特金森循環(huán)發(fā)動機的案例
基于阿特金森循環(huán)的增程式電動車能量控制策略
目前混合動力電驅(qū)動系中所用的發(fā)動機，大多采用傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)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(huán)發(fā)動機的熱效率較高，燃油經(jīng)濟性較好，越來越多混合動力車采用阿特金森循環(huán)發(fā)動機。高膨脹比阿特金森循環(huán)可以有效提高混合動力汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，并通過合理的匹配控制可以獲得最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性和排放性。
E-REV能量管理控制策略是整車控制的關(guān)鍵。國內(nèi)外對增程式電動汽車控制策略的研究主要分為基于規(guī)則的控制策略、基于優(yōu)化的控制策略和智能控制策略。其中，基于優(yōu)化的控制策略，如瞬時優(yōu)化控制策略，全局優(yōu)化控制策略算法均需要大量的運算，對整車控制系統(tǒng)硬件要求較高，不利于實際應(yīng)用。近年來，隨著智能控制(如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等)算法的發(fā)展，智能控制策略也被廣泛應(yīng)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(fù)雜的訓(xùn)練過程而難以在實際車輛上應(yīng)用。目前實車廣泛采用基于規(guī)則的控制策略。
1.阿特金森發(fā)動機工作特點
在阿特金森循環(huán)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(tài)，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(dāng)汽缸內(nèi)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(tǒng)發(fā)動機與阿特金森發(fā)動機配氣圖解。阿特金森發(fā)動機可產(chǎn)生較高的熱效率，燃油經(jīng)濟性也較好。
阿特金森循環(huán)發(fā)動機在低速運行時，進氣門晚關(guān)閉會使氣缸內(nèi)混合氣變少，導(dǎo)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(jīng)濟性，但行程較長也限制了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，不利于發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)。阿特金森循環(huán)發(fā)動機通過控制氣門開閉時間實現(xiàn)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 什么是阿特金森循環(huán)
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(qū)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(huán)發(fā)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(huán)的發(fā)動機熱效率高，又可以提高燃油的經(jīng)濟性，所以市面上混動車都采用了阿特金森循環(huán)發(fā)動機。
混動汽車發(fā)動機的選擇及其關(guān)鍵技術(shù)分析
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(tǒng)奧托循環(huán)發(fā)動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
(3)過濃的混合氣：傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)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(nèi)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(jīng)濟性。
2．混合動力車用阿特金森循環(huán)發(fā)動機
針對傳統(tǒng)奧托發(fā)動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環(huán)發(fā)動機在混合動力汽車發(fā)動機的設(shè)計和選擇過程中顯現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。阿特金森循環(huán)發(fā)動機是在奧托循環(huán)發(fā)動機四個循環(huán)行程的基礎(chǔ)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(fā)動機有效排量f進氣量)進行調(diào)節(jié)來控制缸內(nèi)氣體質(zhì)量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機負荷。
展開 混合動力乘用汽車發(fā)動機的選擇及其關(guān)鍵技術(shù)分析
而傳統(tǒng)的汽油機常采用奧托（Otto）循環(huán)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(jīng)濟性。具體原因包括;
⑴泵氣損失：節(jié)氣門在部分開度時造成的節(jié)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(dǎo)致能量損失。采用節(jié)氣門控制負荷的發(fā)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(jié)氣門全開才不存在額外的進氣管節(jié)流損失。
⑵膨脹比：發(fā)動機的熱效率與膨脹比密切相關(guān)，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(zhuǎn)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(tǒng)奧托循環(huán)發(fā)動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
⑶過濃的混合氣：傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)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(nèi)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(jīng)濟性。
2.混合動力車用阿特金森循環(huán)發(fā)動機
針對傳統(tǒng)奧托發(fā)動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環(huán)發(fā)動機在混合動力汽車發(fā)動機的設(shè)計和選擇過程中顯現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。阿特金森循環(huán)發(fā)動機是在奧托循環(huán)發(fā)動機四個循環(huán)行程的基礎(chǔ)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(huán)行程與奧托循環(huán)行程對比示意圖
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汽車大觀｜WEY瑪奇朵：一匹攪動中國混動市場的“千里瑪”
公開資料顯示，豐田THS技術(shù)主要依靠行星齒輪，實現(xiàn)混合動力輸出，而本田i-MMD技術(shù)則強調(diào)電機與發(fā)動機各司其職，低速時主要靠電機驅(qū)動，高速時發(fā)動機直接介入。換言之，豐田THS和本田i-MMD的技術(shù)優(yōu)勢集中在中低速區(qū)間，在高速狀態(tài)下會出現(xiàn)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(shù)則有更多巧思。據(jù)了解，WEY瑪奇朵搭載的智能混動DHT系統(tǒng)主要由一臺最大功率71kW的1.5L阿特金森循環(huán)發(fā)動機、115kW的TM電機、1.7kWh的HEV電池包和支持發(fā)動機兩擋直驅(qū)的DHT變速機構(gòu)組成。
其中，兩擋變速機構(gòu)是這套智能混動DHT系統(tǒng)的最大亮點。在兩擋變速機構(gòu)的加持下，WEY瑪奇朵發(fā)動機直接驅(qū)動車輪的車速范圍更廣，如在更低車速時，發(fā)動機即可介入動力表現(xiàn)更好，在高速行駛時，又可以適當(dāng)降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，能讓W(xué)EY瑪奇朵擁有比豐田THS和本田i-MMD車型更出色的NVH、燃油經(jīng)濟性和動力表現(xiàn)。
工作模式方面，得益于智能混動DHT系統(tǒng)，WEY瑪奇朵擁有EV（純電）模式、混動串聯(lián)模式、混動并聯(lián)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(xù)航可達1100km。具體而言，EV模式主要用于起步至低速區(qū)間，這此時靠電機輸出，動力線性且響應(yīng)迅捷；混動串聯(lián)模式用于中速區(qū)間，發(fā)動機給電機供電（多余電量儲存至電池組），再由電機直驅(qū)車輪；混動并聯(lián)模式用于急加速時，由發(fā)動機直驅(qū)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(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也有頗多亮點。例如，本田i-MMD技術(shù)的雙電機為同軸布置結(jié)構(gòu)，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(shù)的雙電機不僅是平行軸布置結(jié)構(gòu)，而且采用的是扁線繞組電機。
展開 為什么說CR-V銳·混動e+是插混車型里的“最佳”選項？
純電模式時動力強勁，駕駛平順而寧靜；混動模式下則完美兼顧動力性與節(jié)能性的平衡；而在高速巡航時，發(fā)動機直接參與驅(qū)動，盡可能少的介入到動力直傳，從而更好的保證燃油經(jīng)濟性。
此外，CR-V銳·混動e+采用的2.0L阿特金森循環(huán)發(fā)動機，這臺發(fā)動機已經(jīng)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(jīng)濟性，都是有口皆碑。
包括電池模組在內(nèi)的三電系統(tǒng)，CR-V銳·混動e+采用的都是進口部件，與眾多的國產(chǎn)車型以及合資車型相比，都有著更高的品質(zhì)和更穩(wěn)定可靠的性能。可以說，東風(fēng)Honda把最好的電動化技術(shù)都給到了CR-V銳·混動e+。
再回到文章開頭，當(dāng)前我國的新能源汽車發(fā)展還處于初級階段，無論是技術(shù)水平還是配套設(shè)施都還不完善，消費者在使用新能源汽車時會遇到諸多不便捷的地方。所以，兼顧了動力、經(jīng)濟、便利、續(xù)航和平順等諸多優(yōu)點的CR-V銳·混動e+，無疑是當(dāng)下用車的最優(yōu)解。
技術(shù)東風(fēng)Honda，為出行賦能
近年來，中國汽車消費者變得越來越理性，顏值和配置等加分項并不足以滿足他們對一款高品質(zhì)座駕的需求。所以當(dāng)硬件堆砌讓汽車產(chǎn)品變得越來越同質(zhì)化時，能夠提供真正核心技術(shù)的汽車產(chǎn)品開始受到消費者的青睞。
在技術(shù)方面，CR-V銳·混動e+區(qū)別于其他插混車型一個很明顯的優(yōu)勢在于，其他品牌利用DCT實現(xiàn)的插電混動系統(tǒng)，在行駛過程中會有DCT變速造成的頓挫感，而CR-V銳·混動e+則通過E-CVT和發(fā)動機啟動控制技術(shù)，帶來了更加平順、高級的駕駛體驗。
展開 汽車大觀｜試駕WEY瑪奇朵：混動圈的實力新寵
動力方面，WEY瑪奇朵搭載的長城DHT混動系統(tǒng)主要由一臺最大功率71kW的1.5L阿特金森循環(huán)發(fā)動機、115kW的TM電機、1.7kWh的HEV電池包、支持發(fā)動機兩擋直驅(qū)的DHT變速箱組成。
資料顯示，這套DHT混動系統(tǒng)由EV模式、混動串聯(lián)模式、混動并聯(lián)模式三大工況組成，綜合扭矩為370N·m，百公里加速為8.5s，滿油續(xù)航可達1100km
據(jù)介紹，EV模式主要用于起步至低速區(qū)間，這時候靠電機輸出，動力線性且響應(yīng)迅捷；混動串聯(lián)模式用于中速區(qū)間，發(fā)動機直接給電機發(fā)電（多余電量儲存至電池組），再由電機直驅(qū)車輪；混動并聯(lián)模式用于急加速時，由發(fā)動機直驅(qū)車輪，同時電機靠電量支撐，隨時輔助加速。而且，SOC會自行切換最適合的模式，任何工況下車輛的動力響應(yīng)、油耗經(jīng)濟性都有保證。
在實際駕駛中，車輛起步時電機能瞬間釋放最大扭矩，動力十分強勁。中高速路況中，發(fā)動機直接驅(qū)動，加上電機參與動力輸出，車輛的加速能力也非常不錯。更關(guān)鍵的是，筆者完全感覺不到車輛的油電切換，其平順性可以媲美純電車型。
在舒適度方面，得益于ANC主動降噪、前排雙層隔音玻璃等配置，瑪奇朵延續(xù)了WEY品牌旗下車型的特性，即優(yōu)于同級的靜謐性。此外，通過試駕筆者感受到，WEY瑪奇朵的底盤調(diào)校也是偏向于舒適的，在市區(qū)內(nèi)其底盤不但擁有優(yōu)秀的貼服性，也能提供柔軟的懸浮感。在較差的路況下，WEY瑪奇朵的底盤也有不錯的濾震效果。
寫在最后：
在“雙碳”目標(biāo)、汽車行業(yè)電動化加速以及消費者需求的多重壓力下，混動系統(tǒng)似乎正成為汽車產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的最佳過渡方法。而在這一時間節(jié)點上，WEY品牌憑借智能混動DHT技術(shù)打造的高品質(zhì)智能混動SUV瑪奇朵，也或?qū)⒊蔀榧毞质袌龅男聵?biāo)桿
展開 汽車大觀｜“高性能版”的威蘭達，能一炮而紅嗎？
高性能車通常是指搭載大排量的發(fā)動機、經(jīng)過專業(yè)的動力總成及底盤技術(shù)調(diào)教，主要的用車場景為賽道。而威蘭達所謂的“高性能”卻不是如此。
據(jù)了解“高性能版”威蘭達就是在一套成熟可靠的豐田THS混動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了高功率大容量電池和充電器。
此前，威蘭達已有HEV雙擎版本，采用的是2.5L阿特金森循環(huán)發(fā)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(tǒng)基礎(chǔ)上拓展而來，動力性能得到了強化。發(fā)動機功率微微上調(diào)至132kW，前電機功率也從雙擎版的88kW提升至134kW，E-Four四驅(qū)車型的后橋還搭載了可以輸出最大40kW以及121N·m的后驅(qū)電機，最終整車綜合最大輸出功率達到306Ps。
強勁的動力系統(tǒng)可為該車帶來6.6秒的0-100km/h加速表現(xiàn)，算得上是合資緊湊級SUV市場中的“翹楚”。據(jù)部分試駕成績來看，“高性能版”威蘭達目前是最快的國產(chǎn)豐田車。
此外，威蘭達車型有三套四驅(qū)系統(tǒng)，分別是DTC智能四驅(qū)、DTV動態(tài)矢量四驅(qū)、E-FOUR 電子四驅(qū)，而PHEV版本的四驅(qū)系統(tǒng)是其中性能最優(yōu)的E-FOUR四驅(qū)。所以，從動力表現(xiàn)和四驅(qū)兩個層面看，威蘭達 PHEV可以稱得上是威蘭達所有產(chǎn)品系列中的高性能版。
官方信息顯示，在滿電狀態(tài)下威蘭達高性能版百公里綜合工況油耗低至1.1L，總續(xù)航里程高達1152km。其中，EV純電動駕駛模式的續(xù)航里程為95km，加上熱泵自動空調(diào)系統(tǒng)保障寒冷天氣下純電續(xù)航里程，可滿足日常通勤0油耗、0排放出行。當(dāng)動力蓄電池電量低時，威蘭達高性能版能夠自動切換HEV混動駕駛模式，HEV模式下百公里綜合工況油耗低至5.2L,續(xù)航里程可達1057km。
值得一提的是，在充電基礎(chǔ)設(shè)施無法保證的情況下，威蘭達PHEV搭載的THS系統(tǒng)，能夠保證出色的燃油經(jīng)濟性和駕駛性能。
展開 汽車大觀｜市場持續(xù)升溫 PHEV要逆襲純電？
該系統(tǒng)搭載了驍云插混專用1.5L阿特金森循環(huán)發(fā)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(tǒng)地破解用戶的續(xù)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(yōu)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。
與此同時，在不少業(yè)內(nèi)人士看來，當(dāng)前汽車原材料漲價、燃油漲價、純電動車型漲價、新能源補貼退坡的背景下，PHEV車型的多方面優(yōu)勢也在進一步凸顯。
“消費者的選擇和市場表現(xiàn)，是檢驗產(chǎn)品價值的有效方式，PHEV車型市場銷量突飛猛進式的增長，表明了其技術(shù)上有獨家之長，市場上有獨特優(yōu)勢。”中國市場學(xué)會（汽車）營銷專家委員會秘書長薛旭表示。
是短期爆發(fā)還是長期利好？
由于相比純電動汽車，PHEV對燃油車的革命并不徹底，從一開始這一技術(shù)路線就被視為是“騎墻”的新能源方案。
因此，在以特斯拉、蔚來、小鵬等為代表的高端電動汽車銷量暴增，以長城歐拉、宏光MINI為代表的中低端電動汽車,在全國持續(xù)性開疆?dāng)U土?xí)r，資本市場對PHEV技術(shù)并不看好，投身研發(fā)這一技術(shù)路線的車企也不多。
不過，正如“任何趨勢的發(fā)展都不是一帆風(fēng)順的”這一哲學(xué)定律所說，限于純電動汽車?yán)m(xù)航里程、充電時間等短板短時間內(nèi)無法得到有效解決，PHEV車型作為從燃油車到純電動汽車之間的一種銜接方式，存在的意義也開始愈發(fā)凸顯。
那么，今年以來PHEV車型銷量的高速增長，究竟是短期爆發(fā)，還是長期利好？
在回答這個問題之前，我們不妨先將時間軸拉長至2021年。
展開 【CATIA】設(shè)計CAE | 達索系統(tǒng)百世慧?
發(fā)動機仿真
對火花點火和壓縮點火發(fā)動機進行建模，以執(zhí)行進氣/排氣流、排放和扭矩評估：
可輕松自定義以調(diào)查新技術(shù)，例如可變凸輪軸正時和阿特金森循環(huán)發(fā)動機
增加渦輪增壓、增壓機和相關(guān)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(xiàn)切換。
熱力學(xué)系統(tǒng)
該庫特別適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化，例如制冷循環(huán)和混合、熱泵、吸收和吸附系統(tǒng)：
通過節(jié)省實際測量來節(jié)省成本：Thermal Systems Library 提供了準(zhǔn)確且經(jīng)過行業(yè)檢驗的模型，并且已經(jīng)過實驗室測量的驗證。
憑借可伸縮、穩(wěn)定且高性能的建模，快速優(yōu)化符合您需求的最佳散熱系統(tǒng)。
利用一套全面的隨時可用零部件和示例，節(jié)省散熱系統(tǒng)性能評估的時間。
汽車傳動系統(tǒng)
對汽車傳動系統(tǒng)的特性進行建模和仿真，包括汽車的結(jié)果運動：
使用發(fā)動機、變速箱、離合器、傳動系統(tǒng)和底盤模型及零部件，對傳動系統(tǒng)進行快速建模和仿真。
預(yù)測汽車的特性，例如性能、燃油經(jīng)濟性和駕駛性能。
在多實體汽車動態(tài)模型上考慮傳動系的 3D 機械效果，并將模型用于實時仿真目的，例如硬件在環(huán) (HIL) 測試。
動力總成仿真
為旋轉(zhuǎn)多幾何體系統(tǒng)提供建模和仿真，例如汽車動力系統(tǒng)。它允許您在車輛測試中預(yù)測變速箱的行為：
通過駕駛員對油門的要求，預(yù)測車輛的駕駛體驗。
解決車輛動力傳動系統(tǒng)內(nèi)關(guān)于混合化和控制的復(fù)雜多專業(yè)難題。
評估最高效的動力傳動系統(tǒng)，以增強車輛的性能和效率。
懸架系統(tǒng)仿真
針對車輛動力學(xué)開發(fā)主動懸掛系統(tǒng)，包括道路、駕駛員和穩(wěn)定性控制模型。該庫包括一整套懸掛、桿架、實驗?zāi)Ｐ秃湍０澹?在適用于主動懸掛系統(tǒng)的多專業(yè)方法中，更快速地研究車輛操縱系統(tǒng)。
展開 日野汽車混合動力技術(shù)
最近，日野汽車在輕卡上（圖1）又推出了Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)，除了卓越的環(huán)保性能和燃油效率外，Hino Dutro Hybrid還提供了高水平的駕駛性能，通過匹配專用發(fā)動機和專用變速箱，燃油消耗水平可達到13.2 km/L，其節(jié)油水平比2015年燃油效率標(biāo)準(zhǔn)提高了15%。
圖1 日野輕卡混動車型[3]
2.1 Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)
Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)的主要動力結(jié)構(gòu)組成為“發(fā)動機+離合器+電動機+變速器”（圖2）。在發(fā)動機和電動機之間安裝了一個離合器,這是經(jīng)歷了大量的研發(fā)試驗后形成的新的混合動力構(gòu)型。2011年前日野采用的是“發(fā)動機+電動機+離合器+變速器”這樣的構(gòu)型。日野第5代卡車將配置“發(fā)動機+離合器+電動機+變速器”[1]，通過這樣的變更，操作控制離合器有效利用能量，有助于提升燃油效率。
圖2 日野輕卡混合動力構(gòu)型（并聯(lián)式構(gòu)型）[4]
通過使用混合動力系統(tǒng)專用的清潔阿特金森循環(huán)柴油發(fā)動機N04C-UL（圖3），以及強有力的輔助發(fā)動機驅(qū)動的電動機的強化控制，完美地實現(xiàn)了燃料效率和動力性能。另外，在車輛減速時，電動機用作發(fā)電機，通過將車輛的動能轉(zhuǎn)換成電能，對動力電池充電來有效地利用能量。
圖3 日野輕卡混合動力總成示意圖[3]
2.2 PCU（功率控制單元）和混合動力電池
PCU作為集成了支持混合系統(tǒng)的計算機、逆變器和混合動力電池的裝置，除了減輕重量外，它還可以實現(xiàn)良好地安裝緊湊性和整車匹配性能。
PCU為兩層結(jié)構(gòu)。在上層是電池相關(guān)器件，如電池和電腦以及電池的冷卻系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇和具有飛濺分離功能的冷卻管道。在底層，安裝了控制單元，如逆變器、混動電腦。
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