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什么是所谓的混动汽车电机和电控技术?

2018-11-27 14:54:50  责任编辑:  来源:  点击数:

当前的汽车行业正在由传统的内燃机技术向新能源技术转型过程中。汽车的核心技术也正在从发动机、变速箱、底盘的 " 三大件 ",转变为电机、电控、电池为主的 " 新三大件 "。除了电池主要由供应商提供,电机和电控系统则成为了各品牌最核心的技术环节。

今天的文章里,博世整车标定工程师何先生就会和大家聊聊:

" 低油耗与高性能对立的「世纪难题」怎么破?"

设想一下,当你买一台车的时候,你最希望他能满足你什么要求?

是不是得动力好,加速快,还省油?要还外观美那最好不过了,可是 4S 店的销售都告诉我们:你想多了!

确实,发动机发展至今,一直饱受诟病的就是热效率与高性能的不可兼得:要么牺牲动力获取高的热效率(低油耗),要么反之。

所以在发动机的发展史上,关于怎样平衡热效率与高动力,工程师们从未停止过探索,而且这个探索从百年前的奥托就开始了。

提高压缩比能提高热效率

100 多年前内燃机刚被发明出来时,机器刚刚开始取代马车或者人力,虽然用内燃机驱动的机器有着马车无法比拟的动力输出,但只有两个冲程的内燃机热效率极低,不到 4%,为此德国发明家奥托苦恼不已,他发明的内燃机每天要消耗大量的燃料,不利于推广。

1861 年的一个早上,奥托在吃早餐,他毫无食欲不停的捏玩着面包,面包体积也时大时小,突然他灵机一动,想到了一个词: [ 压缩 ] 。

为何不在点火之前将燃料压缩一下,既能提高点火前温度,也能进更多的燃料,提高效率。

于是,在 1876 年,奥托的团队做出了世界上第一台具有压缩冲程的四冲程内燃机,热效率直接提高到了两位数,这是当时世界上热效率最高的机器了。

第一次内燃机有了压缩比这个概念,也知道了通过压缩来提高热效率和发动机性能。

压缩比是什么?

所谓压缩比就是发动机的汽缸总容积和燃烧室容积的比值,你也可以简单理解为压缩前后缸内气体体积之比。

那么热效率都和什么相关,翻开内燃机学课本,我们读到了这么一句话:

汽油机目前的燃烧循环为等压加热循环,提高压缩比可以提高工质最高燃烧温度,使循环热效率增加。

通俗的说,热效率就和压缩比是正相关的,提高压缩比能获得高热效率。

对于高压缩比高热效率的追求,在以大众为首的欧洲众汽车厂商上得到反映,他们相信柴油发动机才是未来发动机技术的发展之路。

在欧洲,50% 以上的乘用车为柴油车。

由于柴油机压缩比高,一般都在 16 以上,而相比汽油机只有 10 左右,高压缩比意味着工质长的膨胀行程,经过了充分的膨胀做功。

内能充分转化成了机械能,因此造就了柴油机比汽油机高得多的热效率,柴油机比同排量的汽油机省油 30% 左右,更难能可贵的是,柴油机比汽油机动力也高很多。

如果没有尾气门事件暴露了相比汽油机之下,柴油机处理起来复杂又昂贵的尾气污染问题,人们或许会以为柴油机技术的发展就代表着未来发动机技术的发展方向。

但过高的压缩比带来额外风险

不管是柴油机还是汽油机,当我们需要大的动力时,都需要喷足够多的燃油以获得足够的动力输出,此时发动机处于大负荷状态。

而大负荷虽然发动机热效率高,但是发动机高速运转,缸内温度也升高,爆震的风险也随之而来,爆震会对缸体产生强烈的冲击,发出很大的敲缸声,发动机运行不平稳,严重时会对缸体和活塞造成损坏,缩短发动机寿命。

对于增压发动机来说,由于已经很大程度上压榨了发动机的动力,所以在高转速大负荷时,爆震风险更大;

因此增压发动机压缩比设计一般比自然吸气发动机要小,这样就造成了低转速发动机效率没有同类别的自然吸气发动机高。

这是一个世纪难题:热效率与动力性很难兼得。为此,一代又一代的工程师们为此绞尽了脑汁。

比如运用先进电控技术实现对燃烧的精准控制,配以特殊设计的硬件不断的挖掘发动机的潜力。

以英菲尼迪 VQ 系列发动机为例:

为了达到理想的燃烧效果,该款发动机使用了多达 12 孔的喷油器,而一般汽油机只会配 4-8 孔的喷油器,效果就是燃油雾化更好,燃烧更为充分和迅速,快速的燃烧就能避免爆震发生。

同时,压缩比提高会使燃烧室面积更加紧紧凑,为了配合燃烧室的设计,VQ 发动机使用了铱金火花塞,直径比一般的火花塞小 1/3,并且点火强度比普通火花塞提高 2.5 倍。

尽管发动机技术在进步,但是社会对于发动机的要求越来越严苛。

在中国,我们要求发动机能够达到堪称世界最严格的国六排放法规,简直比空气还清洁;

在欧洲和美国同样有严格的排放法规来管控发动机,不能达到标准意味被淘汰;

为了排放,要牺牲很多动力性能。

除了排放,还有油耗法规,最新的油耗法规要求企业乘用车油耗在 5L/100KM 以下,这对于普通的发动机来说,不大可能。

但是不达标,你甚至都没有上市机会。

困难就摆在眼前,油耗和动力,你只能有所偏重,看上去技术的发展已经来到了一个瓶颈,发动机究竟应该如何自我救赎?

前面说过提高压缩比乃是获得低油耗和高性能的不二方法。

其实,油耗与动力并非不可兼得,如果在需要动力的时候用低压缩比,需要热效率的时候用高压缩比呢?

于是,可变压缩比被提及:

在发动机大负荷时,热效率本来就高,可以使用较低的压缩比,降低爆震风险;

低负荷时,爆震可能性不大,但是油耗偏高,此时若能提高压缩比,则能大大降低油耗。

世纪难题不再—— VC-Turbo Engine

对于可变压缩比,很多公司都有过研究。比如:

曾经的萨博,在 20 世纪初推出了 1.6L 的可变压缩比发动机,压缩比可在 8-14 之间变化,但是后来公司都破产了;

标致曾在 2009 年推出过可变压缩比的车型,后来也是不了了之;

英菲尼迪也是很早就开始研究可变压缩比发动机,并且极早的实现了突破。

1998 年,英菲尼迪就推出了可变压缩比的概念,但当时加工以及控制精度没达到理想要求;

2002 年,英菲尼迪造出了一台可变压缩比的样机,但当时连杆强度不稳定;尽管如此,英菲尼迪始终坚信这项技术可以实现,没有放弃;

到 2016 年,在克服了加工,材料,及发动机舱的布置问题后,英菲尼迪推出了 2.0T VC-Turbo(Variable Compression Turbocharged)可变压缩比发动机,并搭载在全新一代的 QX50 上。

VC-Turbo 发动机最高能够获得 200KW 的功率,380N.m 的最高扭矩。

作为评价发动机强化程度的重要指标——升功率,VC-Turbo 达到了 100KW,而普通发动机这个数值只有 80kw 左右。

并且,新一代的 QX50 比起上一代,燃油经济性提高了 35%,而四驱车型燃油经济性也提高了 30%,真正做到了「低油耗」与「高性能」的兼顾。

也许我们都会好奇与困惑,这个世纪难题就这么「轻而易举」解决了么?

为了解密我们的「困惑」,可以从硬件和理论两方面来了解「世纪难题」的解决方法:

从硬件上,VC-Turbo 发动机通过多连杆机构实现压缩比可变。

压缩比如何实现可变,有几个关键部件要了解:

电动机

减速齿轮

多连杆机构

我们可以看到,在原来曲轴连杆的位置,出现了一个复杂的多连杆机构,多连杆机构通过减速齿轮驱动,而减速齿轮又是电机驱动的。

所以,改变压缩比的重任其实落在了电机身上。

当电动机接到 ECU 命令改变压缩比时,电机通过控制臂驱动减速齿轮转动,随着减速齿轮转动,多连杆机构也随之发生移动,活塞上止点位置也随之调整,就这样压缩比被改变了。

从理论上,可变压缩比实现了高性能燃烧,才使得「世纪难题」被解决。

QX50 的 VC-Turbo 发动机提供了 8:1(高性能)和 14:1(高效率)之间的任何压缩比的选择,同时还可以在两种燃烧方式之间切换:阿特金森循环和奥拓循环。

当 VC-Turbo 运行在高压缩比下时,燃烧方式为阿特金森循环。

这种燃烧方式发动机活塞行程长,膨胀比大于压缩比,燃烧室内的燃料能够膨胀到更大的体积,燃料释放的热量得到充分的利用,从而获得更高的效率。

随着压缩比的下降,发动机将恢复到正常的奥拓循环。

除了变化压缩比,VC-Turbo 发动机还采用 MPI(多点喷射)和 GDI(汽油直喷)灵活调节喷油方式。

GDI 提高了燃烧效率和性能,并使发动机避免在更高的压缩比下爆震,比较适合在高压缩比下工作。

MPI 可以提前混合燃料和空气,低负荷下能在燃烧室内完全燃烧,从而获得更高的效率。

就这样,在可变压缩比的辅助下,VC-T 发动机完美的解决了 [ 世纪难题 ] 。

值得一提的是,由于多连杆系统的设计,活塞连杆机构在上下运动过程中几乎是垂直的,而不是像在传统的曲轴旋转中,连杆会与垂直线有一角度。

这呈现了理想的往复运动,不需要平衡轴来平衡往复运动的惯性力和旋转力,稳定性堪比 6 缸机。

尽管目前「新能源」汽车来势汹汹,相比之下内燃机看似黯淡无光,但是作为现代工业文明的产物,推动世界变革的力量,内燃机正在以一次革命性发明,来证明自己仍然是引擎世界的绝对主力。

作为「始作俑者」,究竟 VC-Turbo 将以怎样的姿态证明自己能够扛起新时代发动机技术的大旗,在即将上市的 QX50 上我们将会看到答案。

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