新能源汽車技術(shù)

孟憲臣 劉宏南 紀(jì)蓮 岳永輝

摘 要：豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)叫做THS（ Toyota Hybrid System），在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)又被稱為混合動(dòng)力單元。在混聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上，混合動(dòng)力單元通過幾種方式驅(qū)動(dòng)車輪，并且電動(dòng)機(jī)還能獨(dú)立承擔(dān)一部分驅(qū)動(dòng)功能，這樣就使得混合動(dòng)力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。豐田1NZ-FXE 1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)以其卓越性能，讓Prius混合動(dòng)力汽車名揚(yáng)天下。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；阿特金森循環(huán)；發(fā)動(dòng)機(jī)

1 阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

阿特金森循環(huán)是一種1882年由阿特金森（James Atkinson）發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)形式。阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)提高了效率，現(xiàn)階段用在某些混合動(dòng)力車輛上。

阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種能夠改變氣門開閉時(shí)機(jī)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是按照奧托循環(huán)的規(guī)律工作的，即一個(gè)工作循環(huán)包括吸氣、壓縮、 做功和排氣四個(gè)沖程。在奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)里，在吸氣沖程中油氣混合物被吸入汽缸，當(dāng)活塞到達(dá)下死點(diǎn)后，進(jìn)氣門關(guān)閉，在壓縮沖程中油氣混合物被封閉在汽缸中；在做功沖程中被壓縮的混合氣點(diǎn)燃做功，推動(dòng)活塞帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，這種配氣正時(shí)決定了發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比和發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比幾乎相等，很難提高膨脹過程中能量的利用率；與此相對(duì)照地，在阿特金森循環(huán)中，在活塞到達(dá)下死點(diǎn)后上升一段時(shí)間，進(jìn)氣門仍然開放，這樣就使得有一部分混合氣體被推回到進(jìn)氣歧管，也就是說有效氣體壓縮行程變短，而做功行程不變，相對(duì)增加的膨脹與壓縮比，就提高了爆炸的膨脹沖程后端的能量利用，利于提高燃油效率。

2 THS中配備的1NZ-FXE 1.5L特點(diǎn)

與以往油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型相比，1NZ-FXE 1.5L （1NZ-FXE中的“X”表示采用了阿特金森循環(huán)）具有低油耗，高輸出的特性。THS中配備的1NZ-FXE 1.5L用于混合動(dòng)力車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：

2.1 極高的熱效率

高膨脹比循環(huán)，膨脹沖程 > 壓縮沖程；進(jìn)氣門延時(shí)關(guān)閉，一般壓縮比在13左右。

長活塞沖程，可縮小燃燒室容積，以提高膨脹比，即等待爆發(fā)壓力在充分降低后才進(jìn)行排氣，這樣可充分利用爆發(fā)能量。

2.2 曲軸高旋轉(zhuǎn)化

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最高轉(zhuǎn)數(shù)已被提升至5000r/min，提高了輸出功率。在減少摩擦損失的同時(shí)提高了最高轉(zhuǎn)數(shù)，所以既增強(qiáng)了加速時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，又實(shí)現(xiàn)了低油耗。

2.3 配氣正時(shí)采用智能可變配氣正時(shí)（VVT-i）

智能可變配氣正時(shí)，減少了由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)造成的壓縮抖動(dòng)；還可根據(jù)行駛狀況細(xì)微地調(diào)節(jié)進(jìn)氣門的開閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)可變壓縮比，有效控制爆震；同時(shí)在各種旋轉(zhuǎn)帶進(jìn)行高效燃燒，為提高輸出功率、降低油耗提供了保證。圖1所示，阿特金森循環(huán)與奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)比較情況，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓縮容積通過VVT-i是可以改變的。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)

2.4 氣缸體

氣缸內(nèi)裝有設(shè)計(jì)緊湊的拉模鑄鐵薄壁氣缸套，因此，免去了精工鉆孔鏜缸。

2.5 偏置曲軸

曲軸軸線的偏置減少了活塞的側(cè)推力，同時(shí)也會(huì)改善在低速/低載情況時(shí)混合氣的燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

2.6 活塞

活塞結(jié)構(gòu)的變化減少了重量和摩擦；活塞環(huán)使用了低張緊力和超薄的活塞環(huán)以減少運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。

2.7 動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)皮帶系統(tǒng)布局

本款發(fā)動(dòng)機(jī)采用變頻電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，變頻電動(dòng)機(jī)直接與空調(diào)壓縮機(jī)制成一體，不再使用空調(diào)壓縮機(jī)皮帶輪；發(fā)電機(jī)與起動(dòng)機(jī)一體化，與發(fā)動(dòng)機(jī)分體，使皮帶布局設(shè)計(jì)得以簡化。

2.8 排氣系統(tǒng)

尾氣排放采用不銹鋼排氣歧管使整機(jī)重量大大減輕，同時(shí)也改善了三元催化的加熱能力。

三元催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中采用了高密度蜂窩陶器層；直接裝在排氣岐管下部。

2.9 進(jìn)氣采用電子節(jié)氣門智能控制系統(tǒng)（ETCS-i）

PRUIS采用了無拉索電子節(jié)氣門控制， 在THS系統(tǒng)里，節(jié)氣門初始張開角3°，可預(yù)防當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)被粘住節(jié)氣門體翻版；加速踏板位置傳感器由2個(gè)（主和副位置傳感器），加速踏板踏下程度與節(jié)氣門開度是不一致；節(jié)氣門由直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，而節(jié)氣門直流電機(jī)由 HV ECU 來控制。

2.10 冷卻系統(tǒng)

（1）電水泵：ECM調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的循環(huán)量以符合最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件。發(fā)動(dòng)機(jī)的電水泵能在發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候提供穩(wěn)定的加熱性能，預(yù)熱性能以及減少冷卻損失，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。

（2）散熱器：發(fā)動(dòng)機(jī)、變頻器散熱器和空調(diào)冷凝器集成在一起， 管路彼此獨(dú)立結(jié)構(gòu)一體化。

3 阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)

（1）獨(dú)特的進(jìn)氣方式在低速時(shí)扭矩顯得很差。

（2）長活塞沖程不利于發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于使用在混合動(dòng)力汽車上，低速時(shí)，由電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)工作；而發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作在中速高效區(qū)；又由于采用了更輕重量的運(yùn)轉(zhuǎn)部件；減小了活塞環(huán)的張力和氣門彈簧的反彈力；同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，這樣PRUIS阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就避開了自身存在的缺點(diǎn)。

4 結(jié)束語

THS可完美地分別使用電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或聯(lián)合工作來行駛，1NZ-FXE 1.5L油耗與低一等級(jí)排量/車體尺寸的車輛相當(dāng)，功率卻與高一等級(jí)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)；與發(fā)動(dòng)機(jī)排量相同的車輛相比，其低油耗性能居世界最高水平。

美國CARB認(rèn)定Prius排放級(jí)別為SULEV，比普通車NOx降低 90%，CO2降低50%。

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