启飞汽车

    在混合动力汽车上, 发动机作为唯一的耗油部件, 其性能和控制特性的好坏直接决定了整车的燃油经济性。由于混合动力汽车上还具备电动机驱动系统以及动力蓄电池组等电能储存单元, 发动机的工作过程和控制特性与常规汽车发动机有了明显的区别, 这也为混合动力汽车中发动机的优化奠定了基础。

常规汽车中发动机是唯一的动力装置, 不利于节油的原因在于:

    (1)具有怠速工作工况。
    (2)采用奥托循环, 部分负荷燃油消耗率高, 泵气损失大, 小膨胀比。
    (3)奥托循环发动机通过加浓混合气满足输出功率增加的需要, 浓混合气在发动机内并不能完全被利用, 作为 HC 排放物被排到大气中或者在催化器内被氧化掉, 降低了燃油利用率。
    (4)为满足整车动力性要求, 发动机后备功率大, 大部分工作于低负荷非经济区域。
    在混合动力汽车中, 由于电动机驱动系统的参与, 发动机的工作过程有了优化。 例如,可采用小径的曲轴, 减小发动机相对运动体的摩擦; 采用阿特金森 (Atkinson) 循环, 可设计非常小的燃烧室, 能显著地降低排气损失和节流损失。
    图1所示为丰田普锐斯混合动力汽车采用的阿特金森循环发动机, 图2所示为阿特金森循环与奥托循环的对比。阿特金森循环发动机是在奥托循环发动机的基础上增加了一个回流过程, 即包括进气、回流、压缩、膨胀和排气五个行程。阿特金森循环利用进气门晚关而不是节气门来控制负荷。 进气门晚关时刻是由气缸内充气量的多少来决定的, 也就是由负荷的大小来确定气门的关闭时刻。气门关闭后才是压缩行程的实际开始点, 而膨胀行程还是与原来的奥托相似或稍长, 这就减少了进气行程的泵气损失和压缩行程的压缩功。膨胀比比压缩比大, 能够更大程度地将热能转换为机械能, 提高发动机的指示热效率, 降低燃油消耗。另外, 进气门晚关使实际压缩比降低, 所以气缸内的燃烧温度降低, 有利于改善NO排放。
 

 
图1 阿特金森循环发动机
 
图2 阿特金森循环与奥托循环的对比

    阿特金森循环发动机具有较高的热效率是因为它降低了两方面的损耗: 一是在部分负荷时它工作在最佳膨胀比下, 燃料的热效率高; 二是进气行程中没有节气门的节流作用, 从而减少了泵气损失。虽然具有较高热效率, 但阿特金森循环却存在功率偏低的缺点, 特别是在低速低负荷下更加明显。混合动力汽车技术的出现弥补了这一缺陷, 在低速小负荷下可以使用电动机驱动系统驱动, 既发挥了电动机低速大转矩的优点, 又避开了阿特金森循环低速小负荷下的弱点, 使发动机主要工作在中、高速工况下, 充分发挥了阿特金森循环发动机热效率高的优点, 提高了整车的燃油经济性和排放性。在大部分负荷范围内没有节气门作用, 因此不存在额外的泵气损失。为了提高燃油的做功能力, 阿特金森循环发动机采用了较大的膨胀比, 在需要提供大的功率输出时, 混合动力汽车通过电动机、动力蓄电池输出能量辅助汽油机提供动力, 因而就弥补了传统汽油机通过使用过浓混合气增加功率输出的缺陷。因此,阿特金森循环发动机是混合动力汽车采用的理想的发动机。

来源：数据来源于网络整理
 

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