新能源汽車技術

孟憲臣 劉宏南 紀蓮 岳永輝

摘 要：豐田混合動力系統叫做THS（ Toyota Hybrid System），在混合動力電動汽車上，熱力發動機又被稱為混合動力單元。在混聯混合動力電動汽車上，混合動力單元通過幾種方式驅動車輪，并且電動機還能獨立承擔一部分驅動功能，這樣就使得混合動力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的熱力發動機。豐田1NZ-FXE 1.5L發動機以其卓越性能，讓Prius混合動力汽車名揚天下。

關鍵詞：混合動力；阿特金森循環；發動機

1 阿特金森循環發動機的工作原理

阿特金森循環是一種1882年由阿特金森（James Atkinson）發明的內燃機形式。阿特金森循環發動機提高了效率，現階段用在某些混合動力車輛上。

阿特金森循環發動機是一種能夠改變氣門開閉時機的新型發動機。傳統汽車發動機是按照奧托循環的規律工作的，即一個工作循環包括吸氣、壓縮、 做功和排氣四個沖程。在奧托循環發動機里，在吸氣沖程中油氣混合物被吸入汽缸，當活塞到達下死點后，進氣門關閉，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燃做功，推動活塞帶動曲軸旋轉，這種配氣正時決定了發動機膨脹比和發動機的壓縮比幾乎相等，很難提高膨脹過程中能量的利用率；與此相對照地，在阿特金森循環中，在活塞到達下死點后上升一段時間，進氣門仍然開放，這樣就使得有一部分混合氣體被推回到進氣歧管，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

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

2.1 極高的熱效率

高膨脹比循環，膨脹沖程 > 壓縮沖程；進氣門延時關閉，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，即等待爆發壓力在充分降低后才進行排氣，這樣可充分利用爆發能量。

2.2 曲軸高旋轉化

發動機曲軸的最高轉數已被提升至5000r/min，提高了輸出功率。在減少摩擦損失的同時提高了最高轉數，所以既增強了加速時的驅動力，又實現了低油耗。

2.3 配氣正時采用智能可變配氣正時（VVT-i）

智能可變配氣正時，減少了由于發動機起動和停止時造成的壓縮抖動；還可根據行駛狀況細微地調節進氣門的開閉時間，實現可變壓縮比，有效控制爆震；同時在各種旋轉帶進行高效燃燒，為提高輸出功率、降低油耗提供了保證。圖1所示，阿特金森循環與奧托循環發動機一個工作循環比較情況，阿特金森循環發動機氣缸壓縮容積通過VVT-i是可以改變的。

圖1 發動機的工作循環

2.4 氣缸體

氣缸內裝有設計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推力，同時也會改善在低速/低載情況時混合氣的燃燒，提高發動機熱效率。

2.6 活塞

活塞結構的變化減少了重量和摩擦；活塞環使用了低張緊力和超薄的活塞環以減少運動摩擦阻力。

2.7 動力輸出驅動皮帶系統布局

本款發動機采用變頻電動空調壓縮機，變頻電動機直接與空調壓縮機制成一體，不再使用空調壓縮機皮帶輪；發電機與起動機一體化，與發動機分體，使皮帶布局設計得以簡化。

2.8 排氣系統

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

三元催化器內部結構中采用了高密度蜂窩陶器層；直接裝在排氣岐管下部。

2.9 進氣采用電子節氣門智能控制系統（ETCS-i）

PRUIS采用了無拉索電子節氣門控制， 在THS系統里，節氣門初始張開角3°，可預防當低溫時被粘住節氣門體翻版；加速踏板位置傳感器由2個（主和副位置傳感器），加速踏板踏下程度與節氣門開度是不一致；節氣門由直流電機來驅動，而節氣門直流電機由 HV ECU 來控制。

2.10 冷卻系統

（1）電水泵：ECM調整發動機冷卻液的循環量以符合最佳的發動機運轉條件。發動機的電水泵能在發動機不運轉的時候提供穩定的加熱性能，預熱性能以及減少冷卻損失，進一步提高發動機工作效率。

（2）散熱器：發動機、變頻器散熱器和空調冷凝器集成在一起， 管路彼此獨立結構一體化。

3 阿特金森循環發動機的缺點

（1）獨特的進氣方式在低速時扭矩顯得很差。

（2）長活塞沖程不利于發動機高轉速運轉。

由于使用在混合動力汽車上，低速時，由電機獨立驅動工作；而發動機經常工作在中速高效區；又由于采用了更輕重量的運轉部件；減小了活塞環的張力和氣門彈簧的反彈力；同時發動機整體結構進一步進行了優化，這樣PRUIS阿特金森循環發動機就避開了自身存在的缺點。

4 結束語

THS可完美地分別使用電動機、發動機或聯合工作來行駛，1NZ-FXE 1.5L油耗與低一等級排量/車體尺寸的車輛相當，功率卻與高一等級車輛發動機相當；與發動機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認定Prius排放級別為SULEV，比普通車NOx降低 90%，CO2降低50%。

參考文獻

[1]康云龍.新能源汽車與電力電子技術[M].機械工業出版社，2009，12.

[2]趙勝全.新能源汽車運用技術[M].天津科學技術出版社，2013，7.

[3]旋艷靜.混合動力汽車結構與檢修[M].天津科學技術出版社，2013，12.

[4]付鐵軍.新能源汽車技術[M].機械工業出版社，2014，5.