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插混增程随意切,热效率超40%!本田Clarity发动机详解

电动邦 2020-01-20 08:47

对于制造混合动力产品的新能源车企来说,除了需要攻克三电系统作为核心技术以外,为了达到续航里程以及效率的最大化,内燃机的热效率也是非常重要的关键技术。我在之前的专栏当中介绍过上汽的 EDU 混动系统,通过 CAE 模拟,从油电混动本身的策略以及控制方式能够实现比丰田普锐斯更高效的燃油驱动效率。

但是由于上汽没有高热效率的内燃机,导致配备了 EDU 的荣威 550 混合动力版实际油耗要高于普锐斯不少。所以,对于所有的混动车型来说,内燃机的热效率是能够实现更长的续航里程更高的燃油使用效率的关键。本期来为大家介绍本田 Clarity PHEV 发动机是如何通过一系列改进实现高于丰田普锐斯内燃机热效率的。

插混增程随意切,热效率超40%!本田Clarity发动机详解

阿特金森循环是最直接手段

本田为 Clarity 配备的是一台 1.5 升排量,直列4气缸的阿特金森循环发动机。这台发动机源自本田飞度混合动力版。但是在飞度的基础上通过一系列的技术升级,把热效率提升了1%达到了罕见的 40.5 %。

所谓阿特金森循环英文缩写为 ATK,由于阿特金森这个名字被丰田注册用于广告宣传,导致其它车企通常都不叫这个名字,不过技术原理都是一致的。通过将进气气门延时关闭,让活塞在压缩行程(向上运动)的时候,将一部分油气混合物推回到进气管中,待进气门关闭才正式进入压缩行程,所以气缸当中被压缩的油气混合物并没有实际排量那么多。当活塞接近上止点火花塞点火引燃混合气体膨胀做功后,活塞会被推到下止点再进入排气行程。

如果这个过程不好理解,我们可以简单的把它看成压缩点燃了更少的混合气,但燃烧做功的膨胀比没变。所以我们可以理解为降低了发动机的排量,但没有降低膨胀比。发动机输出的动力来源于膨胀比。膨胀比越高热效率越高,这也是为什么压缩比越高的发动机效率会越高一样,因为普通4冲程发动机压缩比越高就意味着膨胀比越高。但是压缩比太高会导致爆震,所以通过降低“排量”的方式来燃烧更少的燃油获得更高的膨胀比就是 ATK 发动机提升热效率的最根本原理。

提升滚流比来提高工作效率

直喷发动机之所以省油是因为当汽油被直接喷射进气缸后,汽油和空气是在气缸当中混合而不是在进气歧管中混合。所以可以通过燃烧室和活塞顶部的各种特殊设计来实现分层燃烧和稀薄燃烧,让发动机烧更少的油爆发出同样的动力。

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本田 Clarity PHEV 发动机虽然源自飞度混动版,但进气气门进行了改进,通过优化气门和进气道口形状形成了同一方向的滚流。

通过滚流比的提升可以大幅提升热效率,丰田的普锐斯也是这么干的。从第三代到第四代普锐斯,滚流比从 0.8 提升到了 2.8,节油效果明显。而改进方法几乎是把喷油器垂直布置,使得气缸内部形成统一方向的强涡流,从而让燃油和空气可以充分混合。

通过燃烧室形状提升热效率

飞度混动版的燃烧室为传统燃油车型发动机中最常用的半球形燃烧室。这种燃烧室形状加工成本比较低,相比早期的两气阀燃烧室和 OHV 顶杆发动机有较小的表面积,从而可以减少燃烧室散热损失。

而 Clarity 的发动机虽然源自飞度混动版,但燃烧室也做了充分的优化改进,把半球形燃烧室升级到了屋顶型燃烧室。传统半球形燃烧室会在活塞周边形成挤压进气的区域,而屋顶型燃烧室再配合活塞顶部的凹陷设计,可以在活塞顶部形成挤压进气的区域,降低了燃烧室表面积,从而降低了冷却损失。再配合高滚流比设计,使得热效率得到了双重提升。

轻量化活塞和减少摩擦策略

活塞的轻量化是提升热效率的一个关键因素。不仅仅是新能源车,传统燃油车型也会通过轻量化活塞来提高发动机的响应性和燃油效率。活塞重量越轻,运动惯量越小,运动惯量损耗越小,所以可以提高热效率。本田 Clarity 通过削减活塞裙部的材料达到减重的效果。同样这也是在飞度混动版发动机的活塞基础上实现的。除此之外,通过改进气缸壁的处理工艺获得更加低的活塞和活塞环与气缸壁之间的摩擦系数,来提升热效率。

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通过这一系列的技术叠加,本田 Clarity 将这台源自飞度混动版的 1.5 升直列四缸发动机热效率足足提升了 1 %。要知道,飞度混动版 1.5 升发动机原本已经是一台阿特金森循环发动机了,而 Clarity 通过改进提升滚流比,改进燃烧室和活塞顶部形状,优化活塞重量,改进气缸壁制造工艺把热效率提升了 1 %。虽然 1 %是一个很小的数字,但是如果换算到长年累月的行驶里程里去,将可以获得相当可观的经济性的提升。

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结论

重热效率而不是重升功率才是混动车的核心竞争力

基于前文所说的阿特金森循环发动机原理,热效率的提升并不意味着升功率的提升,甚至还会损失掉很多升功率,因为对于 ATK 发动机来说,相当于降低了实际排量,这也是为什么丰田本田 2.0 排量的阿特金森循环发动机,功率扭矩数值仅仅相当于一台 1.6 升排量的发动机。

但是热效率的提升直接带来的是燃油消耗量的减少,续航里程更长,经济性更好。高热效率发动机是混动车生产企业必须掌握的核心技术,特别是对于本田 Clarity 来说,由于平台具有极大的扩展性,这台发动机不仅要用于 PHEV,还可以用于增程式混动,只需要改进 VCU 控制程序这台高效的发动机就能变成一台增程器。

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七芪Z 七芪Z湖北黄石

本田混动车是电机驱动,不需要考虑发动机的扭矩

01-20 22:14

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