混合動力汽車的節(jié)油機理以及內燃機要求和改進措施

混合動力汽車的節(jié)油機理以及內燃機要求和改進措施摘要本文主要介紹混合動力汽車的主要分類和機構特點，以及控制系統(tǒng)方面的發(fā)展，并介紹混合動力汽車的節(jié)油機理和內燃機的技術要求和相關的改進措施。Thispapermainlyintroducesthemainhybridcarsclassificationandinstitutionscharacteristics,andcontrolthedevelopmentofthesystem,andintroducesthefuel-efficienthybridcarmechanismandtechnicalrequirementsoftheinternalcombustionengineandrelevantimprovementmeasures.混合動力汽車節(jié)油機理內燃機要求改進措施引言隨著世界各國環(huán)境保護的措施越來越嚴格，替代燃油發(fā)動機汽車的方案也越來越多，例如氫能源汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車等。但目前最有實用性價值并巳有商業(yè)化運轉的模式，只有混合動力汽車。混合動力汽車的關鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關系到混合動力汽車整車性能。經過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機與電機離散結構向發(fā)動機電機和變速箱一體化結構發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。燃料可以是汽油，柴油，也可以是甲醇，酒精,液化石油氣，天然氣等代用燃料.選用的原動機可以是內燃機.也可以是燃氣輪機，斯特林發(fā)動機等其它熱機.它主要包括內燃機，電動機，發(fā)電機，蓄電池以及控制系統(tǒng)等,根據汽車運行工況的要求，內燃機與電動機進行優(yōu)化耦合，以實現汽車的良好的動力性，燃油經濟性，排放性能,可靠性,它繼承了電動汽車低排放的優(yōu)點,又發(fā)揚了石油燃料高的比能量和比功率的長處，顯著改善了傳統(tǒng)內燃機汽車的排放和燃油經濟性，增加了電動汽車的續(xù)駛里程,在由內燃機汽車向電動汽車的轉變過程中扮演著承上啟下，繼往開來的角色。正文一混合動力汽車的主要分類和基本結構1?串聯(lián)式混合動力汽車SeriesHybridElectricVehicle(SHEV)串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)用電動機驅動車輪，電動機的電力來自發(fā)動機串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)利用發(fā)動機動力發(fā)電，從而帶動電動機驅動車輪。其基本結構是由電動機、發(fā)動機、發(fā)電機、HV蓄電池、變壓器組成。由一個小輸出功率的發(fā)動機進行準穩(wěn)恒性運轉來帶動發(fā)電機，直接向電動機供應電力，或一邊給HV蓄電池充電一邊行駛。由于內燃發(fā)動機的動力是以串聯(lián)的方式供應到電動機，所以稱為“串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)”。并聯(lián)式混合動力電動汽車ParallelHybridElectricVehicle(PHEV)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)使用電動機和發(fā)動機兩種電力來驅動車輪用發(fā)動機來給HV蓄電池充電，其基本結構是由電動機、發(fā)動機、HV蓄電池、變壓器和變速器組成。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中利用HV蓄電池的電力來驅動電動機。因電動機兼用為發(fā)電機，所以不能一邊發(fā)電一邊用來行駛。動力的流向為并聯(lián)，所以稱為“并聯(lián)式混合動力力系統(tǒng)”?；炻?lián)式(串、并聯(lián)式)混合動力電動汽車SplitHybridElectricVehicle(PSHEV)混聯(lián)式混合動力利用電動機和發(fā)動機來驅動車輪，并可用發(fā)電機來發(fā)電及自行充電?；炻?lián)式混合動力利用電動機和發(fā)動機這兩個動力來驅動車輪，同時電動機在行駛當中還可以發(fā)電。根據行駛條件的不同，可以僅靠電動機驅動力來行駛，或者利用發(fā)動機和電動機驅動行駛。另外還安裝有發(fā)電機，所以可以一邊行駛，一邊給HV蓄電池充電?；窘Y構由電動機、發(fā)動機、HV蓄電池、發(fā)電機、動力分離裝置、電子控制單元（變壓器、轉換器）組成。利用動力分離裝置將發(fā)動機的動力分成兩份，一部分用來直接驅動車輪，另一部分用來發(fā)電，給電動機供應電力和HV蓄電池充電。電動機擅長從低速帶開始發(fā)揮威力，而發(fā)動機則在高速帶大顯身手。本系統(tǒng)通過理想地控制二者，可在所有條件下提供高效率的行駛。混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構成。二混合動力汽車的控制系統(tǒng)在HEV上普遍采用以計算機為核心的現代計算機技術和自動控制技術，各種智能控制系統(tǒng)，包括自適應控制技術（MRAC）、模糊控制技術（Fuzzy）、專家控制系統(tǒng)（Expertsystem）、神經網絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworks）等也逐漸應用到EV、FCEV和HEV上，使HEV更加安全、節(jié)能、環(huán)保和舒適。能量管理系統(tǒng)采取層級式控制：最上層為整車能量管理系統(tǒng)，統(tǒng)一協(xié)調和控制各個低端控制器；中間一層包括五個低端控制器，即發(fā)動機控制器、發(fā)電機控制器、電動機控制器、離合器及制動器控制器和電池能量管理系統(tǒng)(BMS)等；最下層為各個執(zhí)行器，即發(fā)動機、電機、離合器等部件。HV蓄電池組豐田THSII采用大功率，高密度，輕量，壽命長的新開發(fā)的HV蓄電池。它是在舊型號THS采用的小型高性能鎳氫蓄電池基礎上，改進了電極材料與各單體蓄電池之間的連接結構，所以降低了蓄電池的內阻，提高了許可證電池的輸出密度。由于在THS2上采取了行車中保持一定充電狀態(tài)的控制，所以，不需要利用外部充電。HV蓄電池組包括HV蓄電池模塊，蓄電池計算機，系統(tǒng)主繼電器及維修插座，這些部件匯總裝在一個売體內，設置在后座位之后。蓄電池組的電池部分由28個模塊串聯(lián)而成，每個模塊是由6個1。2伏的單體蓄電池串聯(lián)而成，總共是168個單體蓄電池，由此可得到201。6v的高電壓。蓄電池計算機在保持充電狀態(tài)為適當值的同時，還將完成下列控制：1*4充電狀態(tài)的管理為了保證在加速等場合下放電，在減速時利用制動器回收充電的反復進行，HV蓄電池將一直向HV蓄電池計算機輸出充電狀態(tài)信號，HV蓄電池計算機利用充放電電流的累計值,將充電狀態(tài)值始終控制在目標范圍之內。1*5冷卻風扇的控制HV蓄電池的充放電將引起自身的發(fā)熱，為確保蓄電池性能，對冷卻風扇的工作方式進行控制。1*6外部充電器的控制指在利用內部充電器充電的過程中，監(jiān)視蓄電池狀態(tài)，保證適當充電所進行的控制。1*7與空調之間的通訊通過HV控制計算機，根據空調的要求來改變冷卻風扇的工作方式。1*8蓄電池狀態(tài)的監(jiān)控監(jiān)視蓄電池的溫度及電壓等，當檢測出有異常時，通過限制或停止充放電以保護蓄電池。此外，按要求使報警燈亮，輸出與記憶診斷代碼。1*9冷卻風扇當蓄電池的溫度升高時，冷卻風扇將按照蓄電池計算機的指令調節(jié)風量。此外，還可根據空調的要求，改變空調的工作方式。冷卻風扇的進風口設在座椅的右側。利用風機將從車廂內吸進的空氣引入到蓄電池組的右上方，使其由上而下地吹過蓄電池模塊之間，對其進行冷卻。冷卻后完成熱交換的空氣，從蓄電池組的右下方，經過后貨艙右側的排氣管，排至后貨艙與車外。1*10系統(tǒng)主繼電器（SMR）SMR按照HV控制計算機的指令，接通與切斷高壓電路電源。加上控制正負兩極用的在內，SMR共配置了3個繼電器，保證了動作的可靠。在接通高壓系統(tǒng)時，首先是接通SMR1與SMR3，接著接通SMR2，斷開SMR1，由于一開始就使控制電流通過附加電阻，所以防止高壓的大電流突然加到電路上。斷開電路時，依次斷開SMR2與SMR3,HV控制計算機將分別確認它們是否已可靠的斷開。在維修插頭與逆變器罩蓋上設有連鎖機構，連鎖機構用來檢測高壓部分的防護狀態(tài)并自動地斷開系統(tǒng)主繼電器。當連鎖機構動作時，儀表板上的主報警燈亮，以通知駕乘人員。在連鎖機構動作后，每兩次中有1次使系統(tǒng)主繼電器動作，以便恢復高壓電路。1*11維修插頭在檢查與維修時，應取下維修插頭，在HV蓄電池的中間位置處斷開高壓，從而確保安全操作。三混合動力汽車的節(jié)油機理混合動力系統(tǒng)節(jié)油基本原理：混合動力車型就是通過回收車輛的制動能量實現節(jié)油的，傳統(tǒng)車輛在制動時，通過制動摩擦片或緩速器將大量的動能變?yōu)闊崮芟牡袅?，而并?lián)式混合動力車則將動能通過電機回收變?yōu)殡娔軆Υ嬷羶δ芟到y(tǒng)中。在車輛驅動時，傳統(tǒng)車輛為駕駛員油門踏板直接控制發(fā)動機輸出驅動力矩，而并聯(lián)式混合動力車則為油門踏板控制發(fā)動機和電機共同輸出驅動力矩，此時電機將制動回收時儲存在儲能系統(tǒng)中的電能轉化為動能驅動車輛，這樣可以減少發(fā)動機的負荷以減少燃油的消耗。所以說，當并聯(lián)式混合動力車輛在傳統(tǒng)模式下運行時，工作原理就與傳統(tǒng)車輛完全相同，且油耗也與傳統(tǒng)車輛相同；而在混合模式下因為加入了制動回收能量及電機輔助驅動，所以較傳統(tǒng)模式能達到節(jié)油的效果。汽車省油最關鍵的是對動力系統(tǒng)的優(yōu)化。凱美瑞混合動力搭載了豐田新一代油電混合動力系統(tǒng)（THS-II）,以混聯(lián)的結構實現汽油和電力的最深度混合，也就是“強混技術”，電機功率達到了105千瓦。對比目前大多數混合動力車型采用并聯(lián)或串聯(lián)的弱混合動力系統(tǒng)，電動機只是起輔助作用，強混的凱美瑞混合動力革命性地提高了發(fā)動機和電動機動力的協(xié)同效應，實現了1+1>2的技術優(yōu)勢。而混聯(lián)式驅動系統(tǒng)的結構形式和控制方式充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配。在汽車低速行駛時，驅動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當汽車高速穩(wěn)定行駛時，則以并聯(lián)工作方式為主，從而在結構上保證了即使在更為復雜的工況下系統(tǒng)仍能工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此，既有利于降低排放和油耗，也有利于動力控制。此外，發(fā)動機一直以來都被稱為汽車的：心臟”。一款性能卓越的發(fā)動機，不僅能夠為汽車提供充沛的動力輸出，帶來平順的駕乘感受，而且能在行車過程中有效地降低油耗。凱美瑞混合動力配備的是高性能的“阿特金森循環(huán)發(fā)動機”：一款經過全新調校、全面優(yōu)化的高性能3AZ-FXE發(fā)動機，采用高熱效率高膨脹的阿特金森循環(huán)系統(tǒng)，其吸氣和壓縮行程比做功和排氣行程要短，通過推遲進氣門關閉，在壓縮沖程從進氣門排出部分燃氣，減少進氣量。通過縮小燃燒室容積，提高膨脹比，即等待爆發(fā)壓力在充分降低后才進行排氣，由此充分利用爆發(fā)能量。另外，在減少摩擦損失的同時提升發(fā)動機的最高轉數，從而實現了更低的油耗和更高的動力輸出。俗話說“好馬配好鞍”，無論多么節(jié)油的發(fā)動機，還要與技術先進的變速箱匹配才能發(fā)揮最大的功效。很多技術強大的節(jié)油發(fā)動機，因為搭配較差的變速箱而導致節(jié)油效果不理想的例子比比皆是。因此，變速器技術的高低，也直接影響著油耗。凱美瑞混合動力配備的是ECVT電子無級變速系統(tǒng)。它采用由齒環(huán)、行星齒輪、太陽齒輪、行星支架組成的行星齒輪組，突破了普通變速系統(tǒng)設定固定齒輪數目的局限，可以隨車輛的行駛狀態(tài)隨意組合齒輪，達到對發(fā)動機動力進行靈活、高效分配，確保整體效率最優(yōu)，在避免換擋沖擊帶來的不舒適感受的同時，更顯著提升了燃油經濟性。四混合動力汽車內燃機的技術要求和改進措施制動能量的回收作為和純電動汽車共通的混合動力電動方式的特點，制動能量是有可能回收的。在日本，美國，歐洲任何市內行駛工況下，從先驅號的例子來看，制動能量回饋對燃油經濟性提高的貢獻超過了20%，這樣就可以明白，和沒有制動能量回收的其它驅動系統(tǒng)汽車的差別是顯然的，因此可以說，為了提高燃油經濟性，混合動力方式是必要的條件。制動能量回收，就如同剎車，如果四輪同時進行就比較理想，因此就有必要將發(fā)電機和四個車輪同時連接，這對于4輪驅動車來說，需要在前后都備有電動機/發(fā)電機裝置，并且能前后分別控制轉矩。但是，這樣的4輪驅動車的價格是十分昂貴的，對于通常的行駛，就不需要反映雜餓裝置，因此是不可能實現的。一般來說，前輪驅動或者后輪驅動的2輪驅動車占大多數。因為汽車的重心比地面高，而且基本上都是前進行駛，所以當剎車制動時，前輪的載荷增加，后輪的載荷減小。在前輪驅動的情況下，因為發(fā)動機，變速箱前置，所以前輪的載荷原本就比較大，而且在制動時由于又增加了載荷，所以必要的制動力就增加，配置在前輪的發(fā)電機的制動能量回收相對來說是比較大的。相反，在后輪驅動的情況下，通過后輪進行能量回收的效果就不大顯著。后輪的制動力過大，在胎和路面之間超過摩擦極限后,會使車輪打滑，這時就使汽車不穩(wěn)定，偏離路面而碰到障礙物或者是橫向翻滾。為了避免此類事情的發(fā)生，通常，乘用車的制動力分配給前輪70%?80%。因此，前輪驅動車的制動能量回收和后輪驅動車的制動能量回收相比較的話，為70/30的程度，后輪驅動車的制動能量回收率最多也只有前輪驅動的一半。通常的汽車，在減速，制動的情況下，使用了發(fā)動機剎車。通過這個，因為在一定程度上進行了制動能量回收，因此如果不使用發(fā)動機剎車，全部由發(fā)電機來吸收制動能量是比較好的。Civic混合動力車為了降低發(fā)動機剎車的能量吸收在制動時，將四缸中的三缸停止運行。高爾夫混合動力在發(fā)動機和電機之間設置了離合器，清除了發(fā)動機剎車的影響。但是，這又帶來了離合器的重量，空軍和成本的問題。堵車時的停止和啟動在堵車時，反復停車啟動緩慢行駛的情況下，對于通常的發(fā)動機車，由于剛要切斷發(fā)動機時接著又要啟動發(fā)動機，比較麻煩，所以就直接將發(fā)動機怠速運行，這樣就對排放和燃油消耗都不利。為了解決這個問題，對于通常的汽車，對在一定時間以上的停車情況，將發(fā)動機自動停止，然后在下一次啟動時，直接通過加速踏板就能將發(fā)動機啟動來驅動車輛。在此情況下，設定停車到將發(fā)動機關掉的時間是比較困難的，而且也有發(fā)動機啟動時的振動和噪音問題。為此，混合動力車在停車時，直接將發(fā)動機關掉，車輛啟動時通過電機將車輛驅動到一定的車速，這樣就可以完成平順的駕駛。這樣，即使車輛啟動頻繁也具有抑制尾氣排放的優(yōu)點。發(fā)動機車的停止，啟動的思想雖然以前就有，但沒有普及的原因可以認為是反映了實現這樣的驅動系統(tǒng)的困難程度。儲能裝置即使發(fā)電機能夠產生大量的電能，如果沒有這些電能的儲藏設備，發(fā)電機的發(fā)電也是沒有意義的。因為電流不可能一次進行大量電能的充放電，所以為了能夠進行大量的能量回收，就必須增加電池的重量，空間和成本。為了解決這個問題，人們考慮使用超級電容，飛輪裝置或者蓄壓裝置等，雖然有一部分已經實用化但也不能說已經達到完善的程度。但是，日產柴油在2002年6月開始裝備了具有劃時代意義的新型超級電容的卡車，現在上市的本田燃料電池電動汽車上，也采用了新型的超級電容，因此可以說在這方面已經開始了一個新的時代。另外，和電動汽車為了提高續(xù)駛里程而重視電池的儲能密度不同，混合動力車用的儲能裝置在儲能密度比較小的情況下，要求調整，制造成輸入輸出能量，即功率密度比較大的儲能裝置。通過采用混合動力方式，提高了燃油經濟性，但有重量，搭載空間和成本增加的缺點，所以雖然和電動汽車的缺點相比還是比較小的，但電池在一定重量下對應的性能，價格和壽命成為成功與否的關鍵因素。鉛酸電池無法滿足這種性能要求，豐田采用新近開發(fā)的重量輕，體積小的鎳氫電池，開始有了突破口。對于壽命的評價，需要有時間，因此今后想進一步關注這方面的發(fā)展。從2003年左右開始，在美國和歐洲出現性能優(yōu)良的鋰離子電池，鋰聚合物電池等。起動機/發(fā)電機以大眾高爾夫為起點，在日野的重型車，本田的混合動力車等上使用了起動機/發(fā)電機或者電機/發(fā)電機，幾乎不需要變更尺寸，就可以安裝在原來的發(fā)動機的飛輪位置。綜合的重量，成本增加被控制在小的幾乎所有的傳統(tǒng)起動機，發(fā)電機和離合器的制造商，都進行這方面的商品化開發(fā)，而且有發(fā)表的成果。如果將來不需要傳統(tǒng)的起動機和發(fā)電機的話，對于這些制造商來說，或許理所當然就成為生死攸關的問題，大多數人認為，將來這種形式是混合動力的需要。如果能大量生產成本得以下降的話，