发动机和混合动力系统都分别有各自的ECU和控制软件,将它们集成在混合动力车辆中后,利用CAN总线将它们连接起来,实现信息共享和统一指挥。实现了当混合动力系统工作时,发动机按混合动力系统的指令工作。当混合动力系统关闭或有故障时,发动机按油门踏板指令工作。混合动力汽车的控制系统有以下的功能。 1.使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现在内燃机汽车的水平。 2.最大限度地发挥电动机驱动的辅助作用,使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低,实现发动机的节能化。 3.实现多能源控制,混合动力汽车关键的控制技术,是对内燃机驱动系统和对电动机驱动系统实现双重控制。发动机与电动机系统的动力系统应进行最有效的组合和实现最佳的匹配。 4.在环保方面,达到“超低污染”的环保标准。 5.操作装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要操作装置和操纵方法。 在保证车辆动力性能情况下,使发动机动力性能适中,保证电力驱动系统发挥最大效率。既能满足车辆对动力性能的要求,以接近内燃机汽车的动力性水平,又能降低燃料消耗和减少排放。因此,必须经过动力匹配计算和优化设计来选择所需的发动机。
混合动力汽车的燃油经济性能高,而且行驶性能优越,混合动力汽车的发动机要使用燃油,而且在起步、加速时,由于有电动马达的辅助,所以可以降低油耗。简单地说,就是与同样大小的汽车相比,燃油费用更低。而且,辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力。因此,车主可以享受更强劲的起步、加速。
为了让学生更好地了解混合动力汽车的发动机,下文将主要介绍混合动力汽车的发动机的阿特金森循环技术。
在混合动力电动汽车上,热力发动机又被称为混合动力单元。在并联混合动力电动汽车上,混合动力单元通过传动轴驱动车轮,同时电动机也承担一部分功能,因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机;在串联混合动力电动汽车上,混合动力单元驱动一台发电机产生电能,由于汽车的行驶与发动机没有直接的联系,因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机,且其运行工况可以固定于较小的高功率区。
1.阿特金森循环发动机的定义。
阿特金森循环是1882年由詹姆士·阿特金森发明的内燃机形式,如图4-53所示。阿特金森循环发动机提高了效率,现阶段用在某些混合动力车辆上。
在常规奥托发动机的做功冲程完成后,封闭在汽缸内的气体压力仍然有3~5个大气压。在排气冲程中,这部分气体的热量白白地排放到大气中。如果提高做功行程的做功量,在膨胀行程末,汽缸内的压力降为稍高于大气压,再将排气气门打开,则会提高燃油效率,这种工作循环被称之为阿特金森循环,具有这种循环的发动机被称之为阿特金森循环发动机。
阿特金森发动机巧妙地只用一个飞轮带曲柄连杆机构实现了四个冲程。阿特金森发动机的特点是可以通过推迟进气门关闭,在压缩冲程从进气门排出部分燃气,减少进气量。
现代阿特金森循环发动机( ATkinson cycle engine)使用电子控制装置和进气阀定时装置,使燃烧在气缸中的油/气混合物的体积膨胀得更大,借此让动力装置能更高效地利用燃油。
2.阿特金森循环发动机的工作原理。
阿特金森循环发动机其实并不需要在普通发动机上做太大修改,只是改变气门开闭的时机。普通汽车发动机是基于所谓奥托循环的,它包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程。在奥托循环发动机里,在吸气行程中油气混合物被吸入汽缸,当活塞到达下死点后,进气门关闭,油气混合物被封闭在汽缸中;在压缩和做功行程中分别被压缩和点燃。这样,膨胀比就几乎等于发动机的压缩比,很难提高。与此相对照地,在阿特金森循环中,在活塞到达下死点后上升时,吸气气门仍然开放,这样有一部分混合气体被推回到进气歧管,进而提高了爆炸的膨胀比,利于提高燃油效率。
3.阿特金森循环发动机的缺点。
(1)独特的进气方式让低速扭矩很差。
在低速时,本来就稀薄的混合气在“反流”之后变得更少,这让该类发动机低速扭矩表现很差用于车辆起步显然动力不够,发动机的动力和对油门的响应都不如普通发动机,但是,仍然可以看出电动机的扭矩很好地弥补了发动机扭力不足的缺点,特别适合城市工况行驶。
(2)长活塞行程不利于高转速运转。
较长的活塞行程确实可以充分地利用燃油的能量,提升经济性,但也因此限制了转速的升高加速性能也变差,并且“升功率”这个性能指标会很低。而追求性能,尤其是追求高速性能的赛车发动机,往往行程与活塞直径的比值会很低。在民用车上,为了平衡,通常行程与缸径两个数据是接近的。
4.阿特金森循环发动机的应用。
在1885年,阿特金森循环的实现是通过曲柄和气门等机构,其燃烧室的容积用以保持固定的压缩比,而膨胀比是随着载荷变化而变动以此来优化燃油效率。在20世纪初,工程师试图通过复杂的连杆机构以期实现不同的冲程,事实证明这种做法并不适用。后随着电子技术的发展,可变气门配气相位(VVT)使得阿特金森循环真正成为可能。福特和丰田公司已经将阿特金森循环发动机商品化应用于其混合动力汽车上。
目前,油电混合动力汽车中,基本上对于发动机进行了重新设计或重大改进。如丰田普锐斯Prius的1.5升汽油机( 1NZ-FXE)采用了阿特金森循环,它是在1NZ-FE的基础上改造得到的。这种循环发动机具有高热效率、高膨胀比、紧凑型倾斜挤气燃烧室(以形成有利于燃烧的挤气涡流)以及铝合金缸体,其主要目的是追求高的热效率而不是高功率。由于电机承担了功率调峰的作用,发动机可以舍弃非经济工作区的动力性能而追求经济工作区的高效率。如,日本丰田Pius所用的发动机的工作区域设定在1000~4500rpm。
