浅谈混动专用发动机(一)

浅谈混动专用发动机(一)的图1

   概  述

很多人都有个疑问,在现在汽车浩浩荡荡的电动化趋势下,真的敢把未来所有的赌注压在电动汽车上吗?无疑这是关乎未来很多年后,我们是选择在充电站排队,还是继续潇洒地像前辈那样,开门就走?随着现在车辆电动化技术的爆发式发展,其实我们面临的情况无非是两个选择,其一是整车的电动化;其二是发动机的电动化。前者造就了纯电车型,而后者,造就了多种形式的混合动力。在从业于动力总成领域十余年的工程师眼里,其实发动机还有很多能够提升的空间。所谓混动专用发动机,是指适用于油电混合动力车辆,并且针对性进行了结构性优化设计的发动机,它和传统的燃油发动机,都有哪些显著的区别呢?今天的电气化,所造就的混动专用发动机,其实早已脱胎换骨。过去,汽油发动机热效率很难突破37%,而现在,混动发动机热效率动辄就在40%以上,这又是如何产生的呢?
浅谈混动专用发动机(一)的图2

“偏科”的设计之发动机燃烧系统的变化


混动专用发动机在设计思路上,就是借助于电动化的技术,使发动机的设计可以更加向高热效率的工况倾斜。

其实在发动机诞生的早期,工程师就在琢磨着提高燃油经济性。在燃烧循环的改良方面,本质上就是延长在每循环中活塞下行膨胀的时间占比。由此应运而生了阿特金森循环和米勒循环。这两种燃烧循环都具有膨胀比高于奥托循环的特点,带来了更高的热效率优势。但为什么不能被广泛采用呢?这就是传统内燃机要做性能平衡性牺牲的设计思路了。其一,传统内燃机的追求高扭矩输出。在那个年代,没有什么性能比高扭矩输出更有说服力。然而在油电混动动力总成领域,车辆已经不再单纯依靠发动机扭矩的输出,驱动电机(EM)和内燃机(ICE)的协调工作,实现了“1+1>2”的效果。


浅谈混动专用发动机(一)的图3


其效果不仅仅在于动力性的变化,在下面一张图中,可以看到混动专用发动机能够“专心”在理想工况区工作:不再进入重污染的高NOx排放工况,也无需在1800r/min以下的小负荷区域进行无谓的高油耗运行。


浅谈混动专用发动机(一)的图4


显然可以看到在驱动电机的加持下,混动发动机的常用工况区域得以大大缩小,而总体扭矩却大大提高。混动发动机不需要再兼顾低效的低负荷,高扭矩区域也完全可以被动力电机的驱动所替代。在混动车辆上,所对应的起步、低速巡航状态下,发动机完全可以睡眠;即便是强加速,高扭矩也由发动机和驱动电机的扭矩叠加实现。那么混动型发动机就只需要考虑缩小区间内的工况,并且更加“偏科的”来设计燃烧系统。


浅谈混动专用发动机(一)的图5


“鱼腹式进气道”是应这种趋势的主流设计。这种进气道的特点是具有很高的进气滚流比,高滚流配合更高压缩比,能够实现更充分的均质混合气,以及大大提高的火焰传播速度。对于直喷发动机,由于燃料混合气需要在缸内形成,只有足够强的滚流才能构成均质态混合,那么这个设计就是必然的。更高的燃烧速度就意味着更长的燃料燃烧做功时间,这对提高发动机热效率有直接显著的作用。


浅谈混动专用发动机(一)的图6


牺牲也是有的,由于进气流滚流比大,其扰动阻力大,气道进气流量系数偏低,造成缸内充量稍低,扭矩动力性低。但这个指标对混动机而言,可以靠驱动电机的高扭矩来补偿,因而显得不再那么重要了。

浅谈混动专用发动机(一)的图7

 “偏科”的设计之电动附件系统

发动机附件的电动化。传统车上的低压发电机,空调压缩机,水泵,助力转向泵等附件由轮系多楔带驱动,并且还要借助张紧轮和惰轮等机构。这样的轮系复杂,摩擦损耗也较高,其摩擦损耗能占据总体摩擦功损失的14%~18%,即便是附件不运行空载,其造成的损失功耗也较为可观。尤其是水泵,始终处于工作状态下,其受迫驱动冷却液流动,往往造成可观的能量损失以及散热损失,实际上,在低温环境下,还影响了发动机的热机速度,对驾驶循环的初期排放具有负面影响。


浅谈混动专用发动机(一)的图8


为解决这个问题,在混动专用发动机上采用的电动附件系统,发动机的曲轴皮带轮没有驱动外围附件,而这些附件则被电动化的部件代替。这是一台典型的混动发动机外观:传统发动机的附件不见了,取而代之的是对应各功能的电动化模块。


浅谈混动专用发动机(一)的图9


采用电动水泵来替代机械水泵,因此水泵的转速和排水量不再直接受发动机转速影响,而是由ECU根据标定模型,通过采集发动机工况数据控制水泵的转速,从而完全做到散热系统的冷却液流量根据需要实时控制,做到排水量与发动机实际需要相适应,大大缩短暖机时间,对冷机阶段排放量实现了有效抑制。


浅谈混动专用发动机(一)的图10


同时,还降低了发动机驱动水泵造成的能量损失;节温器也采用电子化控制,发动机ECU检测到缸体和缸盖的温度后,根据自己内部设定的温度模型,合理的打开节温器开度,有利于实现较短的暖机时间,和较长的保温时间,使发动机工作循环内实现更理想的热管理控制,对燃烧和润滑性能都有正面的影响,从而实现更好的排放和经济性能。

发动机摩擦功属于内部消耗,这部分功只能阻碍性能。而电动化附件对减摩擦功带来了改善,某机型从二代产品升级到混动发动机,通过一系列减磨措施,摩擦功指标分解总体实现了较可观的下降水平。


浅谈混动专用发动机(一)的图11


电动压缩机取代了传统的机械压缩机。传统机械压缩机对发动机的能耗影响明显的。当开启空调功能,ECU会提升发动机转速予以补偿,这样往往会造成不少于15%的油耗增加。同时,机械压缩机由于转速和发动机直接耦合,无法实现实际需求制冷量和能耗的最佳匹配,又带来了能量的耗费。而采用电动压缩机以后,压缩机转速与发动机转速解耦,排量就可以根据需求变化,从而实现精准的制冷量调整,总体能耗得以进一步降低。
电子助力转向器取代了传统的机械转向器,助力电机仅根据转向需要助动,而无需始终跟随发动机旋转泵压,这部分能降低约10%的消耗。
混动专用发动机脱胎于传统汽车发动机,具有比传统发动机更先进的技术,更清洁的排放,更高的燃油效率意味着更低的碳排放;同时也集成了传统发动机的使用方便,维护简单,补能无忧,酷暑严寒的季节条件下行车无惧的强悍优势。正如我们在历尽多种尝试和理性分析后,清醒的认识到:内燃机并未过时,在混动技术的整合下体现了产品特性的最优解。

注:文章中引用数据和图片来源网络


文章来源:汽车动力总成

(1条)
默认 最新
赞👍
评论 点赞
点赞 1 评论 1 收藏 2
关注