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2020/11·汽车维修与保养69福特房车价格
(接上期)
通过回流行程可以对发动机有效排量(进气量)进行调节来控制缸内气体质量，从而调节发动机负荷。发动机有效排量(进气量)的调节主要利用可变气门正时技术(VVT)，采取推迟进气门关闭时刻与加大节气门开度(理论上可以取消节气门)使一部分在进气行程中已经进入气缸的新鲜空气被压缩行程上行的活塞推回进气道，减少了缸内气体质量。在理想情况下，整个进气过程中进气道和缸内的压力基本可以保持在大气压力，因此，在进气过程中活塞移动不需要克服活塞两端压力差做功，这样就减少了发动机进气行程的泵气损失和压缩行程的压缩功，如图7所示。另
混合动力乘用汽车发动机的
选择及其关键技术分析(二)
◆文/江苏 高惠民
高惠民(本刊编委会委员)
曾任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
外，在活塞压缩行程中，进气门推迟关闭时刻才是压缩行程的实际开始点，这就使有效压缩行程减小，而膨胀行程与奥托循环相似或稍长(调节排气门在下止点前延迟打开再进行等压放热，增加有效膨
胀行程)，形成膨胀比大于有效压缩比的效果，更大程度地将热能转化为机械能，提高发动机的指示热效率，降低燃油消耗。同时有效压缩比减小，使缸内燃烧温度降低，有利于降低发动机爆燃，可以提高发动机的几何压缩比(丰田第三代普锐斯
图7 阿特金森循环发动机与奥托循环发动机泵气损失对比(P-V曲线)图8 1.6L阿特金森循环发动机与奥托循环发动机外特性图对比
DOI:10.hina.2020.11.021
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2RZ-FXE阿特金森循环发动机的几何压缩比提高到13:1)，等于提高了膨胀比，使发动机指示热效率得到提高。
图8所示为1.6L奥托汽油发动机改装阿特金森发动机后的外特性图，阿特金森循环发动机与原机相比，在转速低于3 500r/min的中低转速范围内，动力性略有下降，外特性扭矩降幅为1.8%～4.3%，在转速高于3 500r/min的中高转速范围内，扭矩基本相同；功率与原机相比，只在低于3 500r/min的中低转速范围内功率略有降低，降幅不超过4.3%，在高于3 500r/min 的中高转速范围内，功率基本相同，在5 500r/min工况点处，阿特金森循环发动机与原机相比功率升高3.2kW，增幅为3.9%；有效燃油消耗率对比，阿特金森循环发动机除5 000r/min工况点处有效燃油消耗率比原机相比升高2.1%外，其余工况有效燃油消耗率均得到了明显改善，最大降幅在3 500r/min工况点处，达到了9.1%，外特性不同转速下平均有效燃油消耗率改善率达到了4.5%以上。
对阿特金森循环发动机与原机万有特性有效燃油消耗率对比曲线如图9所示，阿特金森循环发动机与原机相比相同等油耗线更为平缓且覆盖面积更大。其中250g/(kW·h)等油耗线区域与原机相比扩大了一倍以上，其覆盖范围包括了1 250r/min到3 500r/min的转速范围与83N·m～130N·m的扭矩范围，几
乎与原机260g/(kW·h)等油耗线覆盖区域重合，乘用车常用工况均在250g/(kW·h)等油耗线区域范围之
内。而原机250g/(kW·h)等油耗线覆盖范围仅为2 000r/min～3 250r/min的转速范围与110N·m～135N·m扭矩范围这块较小区域。
阿特金森循环发动机虽然具有较高的热效率，但是，由于部分进入缸内的空气被上行活塞推回进气道，降低了充气系数，使发动机低速、小负荷时的输出转矩下降。而混合动力技术可以弥补这一缺陷，即在低速、小负荷工况下发动机不起动，可使用“动力蓄电池+电机”的纯电动驱动方式，充分发挥如图10所示的电机工作特性场的优势。避开阿特金森循环发动机低速、小负荷动力不足的缺陷。使发动机主要工作在中高速下，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能。阿特金森循环发动机在大部分负荷范围内(小负荷除外)，由于节气门开度加大，节流作用减小，不存在额外的泵气损失，高膨胀比又提高了燃油的做功能力。在需要提供大输出功率时，混合动力汽车通过电机和动力蓄电池组输出能量，辅助发动机提供动力，避免传统发动机使用过浓混合气提高输出功率的缺陷。由此说明阿特金森循环发动机是混合动力汽车的理想发动机。
图10 电机工作特性场
3.优化混合动力汽车发动机万有特性曲线
混合动力汽车驱动系统实现功率耦合，为得到动力与有效燃油消耗率更好的万有特性曲线，在其所限制的工况区域对发动机的动力匹配进行优化。例如，丰田1997年推出第一代普锐斯和2004年推出第二
代普锐斯，都搭载1NZ-FXE的1.5L汽油机，最大功率分别为53kW和57kW，最大转矩均为115N·m，压缩比
为13:1，最低有效比油耗230g/kW·h，该发动机可以称为丰田
戴姆勒东北亚图9 1.6L阿特金森循环发动机与奥托循环发动机万有特性对比
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第一代混合动力汽油机。2009年丰田又推出第三代普锐斯，搭载2ZR-FXE的汽油机，排量改为1.8L，最大功率73kW，最大转矩142N·m，最低有效比油耗220g/kW·h，压缩比仍然是13:1，该发动机可以称为丰田第二代混合动力汽油机。两代混合动力汽油机均采用了阿特金森循环。如图11所示为丰田两代混合动力汽油机的燃油消耗经济区对比，图中红实线和蓝实线分别代表丰田第一代1.5L混合动力和第二代1.8L混合动力汽油机运行的最佳油耗线。从图中可以看到：1.8L汽油机的230g/kW·h 油耗区比1.5L汽油机更宽广；1.5L汽油机由于受到最大输出功率的限制，当整车需要输出大功率时，发动
机工作点超出最佳油耗区，而采用1.8L汽油机，其工作点依然能保持在最佳油耗区域内，而转矩和功率都有很大的提高。
图11 丰田两代混合动力汽油机燃油消耗经济区对比
四、混合动力车用发动机关键控制技术
1.可变气门正时控制系统(VVT-i)
阿特金森循环通过进气门晚关来实现。其一是对配气机构进行合理的设计以达到在不同的工况点实现合适可变的进气门关闭时刻，来控制缸内燃油混合气的量，从而控制发动机的负荷；其二是发动机的控制系统，控制系统要能够根据发动机的转速、负荷和排放等关键参数来控制进气门的配气正时量以及燃油喷射的量以达到对发动机的全面控制。因此对阿特金森循环发动机来说，关键是如何实现可变进排气定时，达到控制负荷和膨胀比。如图12所示是丰田2RZ-FXE(阿特金森发动机)和2RZ-FE(奥托发动机)发动机的配气相位图。可见阿特金森循环进气门从下止点后40°到102°的延迟关闭的范围。采用电子控制的VVT-i系统利用油压来调整进气凸轮轴转角，对进气门配气正时进行调整，以获得最
适合发动机工况的气门正时，VVT-i系统控制如图13所示。
VVT-i系统的构造部件包括调整进气凸轮轴转角的VVT-i控制器和控制机油流向的凸轮轴正时机油控制
阀，如图14所示。VVT-i控制器由定时链条驱动的外壳和固定在凸轮轴上的叶片组成。来自进气凸轮轴提前或延迟侧的通道转送的液压油使VVT-i 控制器的叶片沿圆周方向旋转，从而连续不断地改变进气门的
图13  VVT-i系统控制图
a4图12 丰田2RZ-FXE(阿特金森循环)与2RZ-FE(奥托循环)
polo新劲取发动机的配气相位图
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混合动力汽车价格表
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配气正时。当发动机停止时，进气凸轮轴被调整(移动)到最大延迟状态以维持启动性能。在发动机起动后，油压还未立即输送的VVT-i控制器时，锁销便锁定VVT-i控制器的作动机械部件以防止撞击产生噪声。凸轮轴正时机油控制阀是接收来自发动机ECU输出的占空比电流，选择流向VVT-i控制器的液压油通道，
图14 凸轮轴转角的VVT-i控制器与凸轮轴正时机油控制阀结构图
图15 凸轮轴向正时提前方向旋转
图16 凸轮轴向正时延迟方向旋转
图17 凸轮轴保持当前正时位置
VVT-i控制器利用液压油使进气凸轮轴旋转到提前、延迟或保持的进气配气正时的该当位置。发动机ECU根据发动机转速、进气量、节气门位置和冷却液温度计算出各种运行条件下的最佳气门正时以便控制凸轮轴正时机油控制阀，并且ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器信号计算出实际气门正时相位，进行反馈控制达到目标气门正时。(1)提前
由发动机ECU控制凸轮轴正时机油控制阀所开启的通道位置，如图15所示的状态时，液压油作用于气门提前侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的提前方向旋转。(2)延迟
由发动机ECU控制的凸轮轴正时机油控制阀的所开启的通道位置，如图16所示的状态时，液压油作用于气门延迟侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的延迟方向旋转。(3)保持
发动机ECU根据相关信息进行处理，计算出目标气门正时角度，当达到目标气门正时以后，凸轮轴正时机油控制阀关闭油道来保持油压，如图17所示的状态，保持当前气门正时的状态。
(未完待续)