混動發動機的選擇及其關鍵技術分析

          來源:網絡   發布時間:2022-08-17   瀏覽:248次  

          1.傳統車用奧托循環發動機的缺點


          從混合動力驅動系統動力分配可見,混合動力汽車在其運行的大部分工況條件下依然依靠汽油機提供動力,所以混合動力汽車的燃油經濟性與排放性很大程度上取決于其選用的汽油機。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:

          (1)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。


          (2)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。


          (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。


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          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。


          發動機有效排量(進氣量)的調節主要利用可變氣門正時技術(VVT),采取推遲進氣門關閉時刻與加大節氣門開度(理論上可以取消節氣門)使一部分在進氣行程中已經進入氣缸的新鮮空氣被壓縮行程上行的活塞推回進氣道,減少了缸內氣體質量。


          在理想情況下,整個進氣過程中進氣道和缸內的壓力基本可以保持在大氣壓力,因此,在進氣過程中活塞移動不需要克服活塞兩端壓力差做功,這樣就減少了發動機進氣行程的泵氣損失和壓縮行程的壓縮功,如圖所示。


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          另外,在活塞壓縮行程中,進氣門推遲關閉時刻才是壓縮行程的實際開始點,這就使有效壓縮行程減小,而膨脹行程與奧托循環相似或稍長(調節排氣門在下止點前延遲打開再進行等壓放熱,增加有效膨脹行程),形成膨脹比大于有效壓縮比的效果,更大程度地將熱能轉化為機械能,提高發動機的指示熱效率,降低燃油消耗。


          同時有效壓縮比減小,使缸內燃燒溫度降低,有利于降低發動機爆燃,可以提高發動機的幾何壓縮比(豐田第三代普銳斯2RZ—FXE阿特金森循環發動機的幾何壓縮比提高到13:1),等于提高了膨脹比,使發動機指示熱效率得到提高。


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          圖所示為1.6L奧托汽油發動機改裝阿特金森發動機后的外特性圖,阿特金森循環發動機與原機相比,在轉速低于3500r/min的中低轉速范圍內,動力性略有下降,外特性扭矩降幅為1.8%~4.3%,在轉速高于3500r/min的中高轉速范圍內,扭矩基本相同;功率與原機相比,只在低于3500r/min的中低轉速范圍內功率略有降低,降幅不超過4.3%,在高于3500r/min的中高轉速范圍內,功率基本相同,在5500r/mini工況點處,阿特金森循環發動機與原機相比功率升高3.2kW,增幅為3.9%;有效燃油消耗率對比,阿特金森循環發動機除5000r/mini工況點處有效燃油消耗率比原機相比升高2.1%外,其余工況有效燃油消耗率均得到了明顯改善,最大降幅在3500r/minq工況點處,達到了9.1%,外特性不同轉速下平均有效燃油消耗率改善率達到了4.5%以上。


          對阿特金森循環發動機與原機萬有特性有效燃油消耗率對比曲線如圖所示。


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          阿特金森循環發動機與原機相比相同等油耗線更為平緩且覆蓋面積更大。其中2509/(kW/h)等油耗線區域與原機相比擴大了一倍以上,其覆蓋范圍包括了1250r/min至3500r/min的轉速范圍與83Nm~130Nm的扭矩范圍,幾乎與原機2609/(kW·h)等油耗線覆蓋區域重合,乘用車常用工況均在2509/(kW·h)等油耗線區域范圍之內。而原機2509/(kWh)等油耗線覆蓋范圍僅為2000r/min~3250r/min的轉速范圍與110Nm~135Nm扭矩范圍這塊較小區域。


          阿特金森循環發動機雖然具有較高的熱效率,但是,由于部分進入缸內的空氣被上行活塞推回進氣道,降低了充氣系數,使發動機低速、小負荷時的輸出轉矩下降。而混合動力技術可以彌補這一缺陷,即在低速、小負荷工況下發動機不起動,可使用“動力蓄電池+電機”的純電動驅動方式,充分發揮如圖所示的電機工作特性場的優勢。


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          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。在需要提供大輸出功率時,混合動力汽車通過電機和動力蓄電池組輸出能量,輔助發動機提供動力,避免傳統發動機使用過濃混合氣提高輸出功率的缺陷。由此說明阿特金森循環發動機是混合動力汽車的理想發動機。


          3.優化混合動力汽車發動機萬有特性曲線


          混合動力汽車驅動系統實現功率耦合,為得到動力與有效燃油消耗率更好的萬有特性曲線,在其所限制的工況區域對發動機的動力匹配進行優化。


          例如,豐田1997年推出第一代普銳斯和2004年推出第二代普銳斯,都搭載1NZ—FXE的1.5L汽油機,最大功率分別為53kW和157kW,最大轉矩均為115Nm,壓縮比為13:1,最低有效比油耗2309/kW·h,該發動機可以稱為豐田第一代混合動力汽油機。


          2009年豐田又推出第三代普銳斯,搭載2ZR—FXE的汽油機,排量改為1.8L,最大功率73kW,最大轉矩142Nm,最低有效比油耗2209/kW·h,壓縮比仍然是13:1,該發動機可以稱為豐田第二代混合動力汽油機。兩代混合動力汽油機均采用了阿特金森循環。


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          如圖所示為豐田兩代混合動力汽油機的燃油消耗經濟區對比,圖中紅色實線和藍色實線分別代表豐田第一代1.5L混合動力和第二代1.8L混合動力汽油機運行的最佳油耗線。從圖中可以看到:1.8L汽油機的230g/kW·h油耗比l.5L汽油機更寬廣;1.5L汽油機由于受到最大輸出功率的限制,當整車需要輸出大功率時,發動機工作點超出最佳油耗區,而采用1.8L汽油機,其工作點依然能保持在最佳油耗區域內,而轉矩和功率都有很大的提高。


          二、混合動力車用發動機關鍵控制技術


          1.可變氣門正時控制系統(VVT—i)


          阿特金森循環通過進氣門晚關來實現。其一是對配氣機構進行合理的設計以達到在不同的工況點實現合適可變的進氣門關閉時刻.來控制缸內燃油混合氣的量,從而控制發動機的負荷:其二是發動機的控制系統.控制系統要能夠根據發動機的轉速、負荷和排放等關鍵參數來控制進氣門的配氣正時量以及燃油噴射的量以達到對發動機的全面控制。


          因此對阿特金森循環發動機來說,關鍵是如何實現可變進排氣定時,達到控制負荷和膨脹比。


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          如圖所示是豐田2RZ-FXE(阿特金森發動機)和2RZ—FE(奧托發動機)發動機的配氣相位圖??梢姲⑻亟鹕h進氣門從下止點后40°到102°的延遲關閉的范圍。采用電子控制的VVT-i系統利用油壓來調整進氣凸輪軸轉角,對進氣門配氣正時進行調整,以獲得最適合發動機工況的氣門正時,VVT-i系統控制如圖所示。


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          VVT-i系統的構造部件包括調整進氣凸輪軸轉角的VVT-i控制器和控制機油流向的凸輪軸正時機油控制閥,如圖所示。


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          VVT-i控制器由定時鏈條驅動的外殼和固定在凸輪軸上的葉片組成。來自進氣凸輪軸提前或延遲側的通道轉送的液壓油使VVT-i控制器的葉片沿圓周方向旋轉,從而連續不斷地改變進氣門的配氣正時。當發動機停止時,進氣凸輪軸被調整(移動)到最大延遲狀態以維持啟動性能。


          在發動機起動后,油壓還未立即輸送的VVT-i控制器時,鎖銷便鎖定VVT—i控制器的作動機械部件以防止撞擊產生噪聲。凸輪軸正時機油控制閥是接收來自發動機ECU輸出的占空比電流,選擇流向VVT-i控制器的液壓油通道,VVT-i控制器利用液壓油使進氣凸輪軸旋轉到提前、延遲或保持的進氣配氣正時該當位置。


          發動機ECU根據發動機轉速、進氣量、節氣門位置和冷卻液溫度計算出各種運行條件下的最佳氣門正時以便控制凸輪軸正時機油控制閥,并且ECU根據、據凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器信號計算出實際氣門正時相位,進行反饋控制達到目標氣門正時。


          (1)提前

          由發動機ECU控制凸輪軸正時機油控制閥所開啟的通道位置,如圖所示的狀態時,液壓油作用于氣門提前側的葉片室,使進氣凸輪軸向氣門正時的提前方向旋轉。


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          (2)延遲

          由發動機ECU控制的凸輪軸正時機油控制閥的所開啟的通道位置,如圖所示的狀態時,液壓油作用于氣門延遲側的葉片室,使進氣凸輪軸向氣門正時的延遲方向旋轉。


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          (3)保持

          發動機ECU根據相關信息進行處理,計算出目標氣門正時角度,當達到目標氣門正時以后,凸輪軸正時機油控制閥關閉油道來保持油壓,如圖所示的狀態,保持當前氣門正時狀態。


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          2.電子節氣門控制系統(ETCS—i)


          ETCS—i是使用計算機控制節氣門開度的系統。ETCS—i系統組成如圖所示,包括加速踏板位置傳感器、發動機ECU和節氣門體。


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          節氣門體的結構如圖所示。


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          節氣門體包括控制進氣量的節氣門、檢測節氣門開度狀態的節氣門位置傳感器、打開或關閉節氣門的驅動馬達、使節氣門返回固定位置的回位彈簧。節氣門驅動馬達采用了反應靈敏度高、耗能小的直流馬達。


          節氣門位置傳感器由霍爾元件和可繞其轉動的磁鐵制成的霍爾IC構成,磁鐵安裝在節氣門軸上,與節氣門一起轉動。


          當節氣門開啟時,磁鐵也同時轉動,改變位置,使磁通量發生變化,霍爾IC因磁通量變化從VTA1和VTA2端子輸出霍爾效應電壓,此電壓信號被輸送到發動機ECU作為節氣門位置信號。


          此傳感器不僅能精確檢測節氣門開啟程度,還采用了無接觸方式,結構簡單,不易發生故障。而且,為了保證傳感器的可靠I生,還具有不同輸出的兩個輸出信號的冗余設計,如圖所示。


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          霍爾型加速踏板位置傳感器的構造和工作原理同霍爾型節氣門位置傳感器基本相同,為確保元件較好的可靠性,兩個輸出信號都有各自的電路構成,如圖所示。


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          常規機械連接的節氣門系統中,節氣門開啟與關閉是由從加速踏板到節氣門體之間的一根油門拉索來控制。在ETCS—i系統里,油門拉索已被廢除,而是根據加速踏板的踩壓量大小,發動機ECU使用節氣門驅動馬達來柔性控制節氣門的開啟或關閉。


          尤其是在混合動力汽車上,發動機怠速及低負荷停止工作,使得節氣門的開度與加速踏板位置已是非線性關系,而是由混合動力系統HV-ECU根據駕駛員的操作信息,例如,加速踏板位置、制動踏板位置、擋位、空調工作狀態、SOC狀態、減速與加速等信息。


          這些信息通過多路通信傳輸給發動機ECU,ECU將這些信息計算出發動機的轉矩,再根據當前曲軸位置、凸輪軸位置、進氣充量、冷卻液溫度和節氣門位置等信息對節氣門轉角期望值進行補償,得到節氣門的最佳開度,并且換算成節氣門驅動馬達的電流矢量,控制馬達轉動或維持。


          然后通過減速齒輪打開或關閉節氣門,節氣門的實際開啟角由節氣門位置傳感器檢測并反饋給發動機ECU,形成閉環的節氣門位置控制。當沒有電流流向馬達時,節氣門回位彈簧使節氣門開啟在大約7°的固定位置。


          ETCS—i系統調節發動機扭矩有兩條可供選擇的路徑,如圖所示。


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          一條是漸進反應路徑,它受節氣門(帶ETCS—i)觸發控制,快速控制點火正時和/或停止噴油。另一條是較慢的路徑,也被稱為充量(進氣量)控制路徑,是針對平穩的操作。對一個給定的扭矩計算得出的充量要求決定汽缸進氣量,然后將這個充量轉換成節氣門開度。


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          如圖所示給出了發動機各運行模式與加速踏板角度和節氣門開度曲線。


          對于帶有扭矩激活傳動系控制縱向力加速度的車輛,采用節氣門開啟角度小于或大于加速踏板的踩壓角度,改變節氣門開啟速率,以便于車輛的縱向加速度逐漸上升,來達到平穩的車輛加速行駛,如圖24所示ETCS—i系統控制車輛傳動系扭矩曲線圖。


          ETCS—i失效保護功能,如果發動機ECU檢測到ETCS—i系統出現故障,它將點亮組合儀表上的故障指示燈以通報給駕駛員。例如,加速踏板位置傳感器信號或節氣門位置傳感器信號輸出電路中的冗余電壓出現反常差別時,發動機ECU都會將車輛轉換到跛行模式(故障慢行模式)。


          加速踏板傳感器故障跛行模式控制中,使用剩余一條電路輸出電壓來計算加速踏板位置的開啟角度,并將車輛在節氣門開啟角度大于正常值的有限條件下行駛。節氣門位置傳感器故障跛行模式,發動機ECU會切斷驅動馬達的控制電流,這時由回位彈簧將節氣門開啟到固定的位置,而噴油量和噴射時間都由加速踏板位置信號來控制。雖然發動機輸出功率受到很大限制,但車輛仍能行駛。


          3.廢氣再循環控制系統(EGR)


          廢氣再循環技術(Exhaust Gas RecircuIafion,EGR)是將一部分內燃機燃燒產生的廢氣重新導入到進氣系統中,與新鮮充量混合后~同進入汽缸,再次參與缸內燃燒,這項技術主要用來降低缸內最高燃燒溫度,抑制NOx的生成與排放。而對汽油機而言,引入EGR還能夠在部分負荷下降低泵氣損失,從而降低燃油消耗率。


          EGR系統的分類有很多種。根據廢氣進入汽缸是否通過發動機的進氣系統,EGR可以分為外部EGR系統和內部EGR系統。內部EGR循環是通過可變氣門正時機構改變配氣相位來實現的,其優點是結構簡單,不需要改變發動機的機體構造,但其對EGR率的控制非常困難。外部EG R循環是在發動機上加裝外部管路,將廢氣從排氣管引入進氣系統,中間還需加裝冷卻系統、EGR閥等,結構雖然相對復雜,但是可以通過電控系統精確調節EGR率。


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          如圖所示為EGR系統廢氣循環示意圖。


          發動機在燃燒后排出的廢氣中氧含量極低,近乎為零,因此排出的廢氣與新鮮空氣充量混合后會使總的進氣中氧氣濃度降低,這樣比空氣的合氧量還低的進氣充量在缸內燃燒會使燃燒速率下降、最高燃燒溫度降低,從而破壞了NOx生成的條件,抑制了NOx的生成。


          另外試驗結果表明,與不引入EGR的缸內燃燒相比,EGR中高比熱容的C02和H20會大量吸收缸內燃燒釋放的熱量,如果兩種情況中燃燒釋放的熱量相同,那么引入EGR的缸內燃燒的最高燃燒溫度必然降低。


          同時EGR中的二氧化碳、水以及N2等成分基本不參與燃燒,引入EGR相當于稀釋了總的進氣充量,這樣導致了缸內燃燒的火焰傳播速度降低,燃燒放熱率減緩,同樣使得最高燃燒溫度下降。EGR通過以上兩個方面的綜合作用抑制了NOx的生成與排放。


          EGR不僅影響發動機的排放性,還影響經濟性。例如豐田混合動力發動機在高負荷工況下引入冷卻廢氣再循環,一方面降低缸內燃燒溫度,提升大負荷工況發動機的抗爆性,從而降低油耗:另一方面,發動機長期在大負荷工況工作,排氣溫度偏高,利用冷卻EGR也可以降低排氣溫度,原來阿特金森循環技術可使油耗降低85%,冷卻EGR技術可使油耗在此基礎上進一步降低1.7%。


          三、減少發動機機械損失技術


          圖所示為豐田混合動力發動機電控冷卻液循環系統示意圖。


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          豐田采用電動水泵替代發動機曲軸皮帶驅動機械水泵,并由電機操縱冷卻液流循環,實現不同工況下對冷卻液流量的自由控制,在高負荷工況下增加流量增強發動機的散熱效果。


          由于混合動力發動機主要工作在中高負荷,其缸內負壓相對傳統發動機較小,加上1.8L汽油機在相同的輸出功率時相比1.5L汽油機轉速更低,因此豐田適當減小了活塞環壓緊力,最終使得1.8L汽油機機械損失比1.5L汽油機減小了26.8%,發動機機械損失構成及減少量如圖所示。


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          在排放后處理方面,針對發動機冷啟動工況及高轉速低負荷工況,豐田利用電動水泵減少冷卻液流量,利用排氣熱量回收系統收集排氣余熱對催化劑進行快速預熱,優化排放性能,縮短暖機時間,降低冷啟動油耗,使整車在冬天的燃油經濟性提高19%。


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