對于制造混合動(dòng)力產(chǎn)品的新能源車企來說，除了需要攻克三電系統(tǒng)作為核心技術(shù)以外，為了達(dá)到續(xù)航里程以及效率的最大化，內(nèi)燃機(jī)的熱效率也是非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。我在之前的專欄當(dāng)中介紹過上汽的 EDU 混動(dòng)系統(tǒng)，通過 CAE 模擬，從油電混動(dòng)本身的策略以及控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)比豐田普銳斯更高效的燃油驅(qū)動(dòng)效率。
但是由于上汽沒有高熱效率的內(nèi)燃機(jī)，導(dǎo)致配備了 EDU 的榮威 550 混合動(dòng)力版實(shí)際油耗要高于普銳斯不少。所以，對于所有的混動(dòng)車型來說，內(nèi)燃機(jī)的熱效率是能夠?qū)崿F(xiàn)更長的續(xù)航里程更高的燃油使用效率的關(guān)鍵。本期來為大家介紹本田 Clarity PHEV 發(fā)動(dòng)機(jī)是如何通過一系列改進(jìn)實(shí)現(xiàn)高于豐田普銳斯內(nèi)燃機(jī)熱效率的。
阿特金森循環(huán)是提高熱效率的最直接手段
本田為 Clarity 配備的是一臺 1.5 升排量，直列4氣缸的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。這臺發(fā)動(dòng)機(jī)源自本田飛度混合動(dòng)力版。但是在飛度的基礎(chǔ)上通過一系列的技術(shù)升級，把熱效率提升了1%達(dá)到了罕見的 40.5 %。
所謂阿特金森循環(huán)英文縮寫為 ATK，由于阿特金森這個(gè)名字被豐田注冊用于廣告宣傳，導(dǎo)致其它車企通常都不叫這個(gè)名字，不過技術(shù)原理都是一致的。通過將進(jìn)氣氣門延時(shí)關(guān)閉，讓活塞在壓縮行程（向上運(yùn)動(dòng)）的時(shí)候，將一部分油氣混合物推回到進(jìn)氣管中，待進(jìn)氣門關(guān)閉才正式進(jìn)入壓縮行程，所以氣缸當(dāng)中被壓縮的油氣混合物并沒有實(shí)際排量那么多。當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)火花塞點(diǎn)火引燃混合氣體膨脹做功后，活塞會被推到下止點(diǎn)再進(jìn)入排氣行程。
如果這個(gè)過程不好理解，我們可以簡單的把它看成壓縮點(diǎn)燃了更少的混合氣，但燃燒做功的膨脹比沒變。所以我們可以理解為降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，但沒有降低膨脹比。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力來源于膨脹比。膨脹比越高熱效率越高，這也是為什么壓縮比越高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率會越高一樣，因?yàn)槠胀?沖程發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高就意味著膨脹比越高。但是壓縮比太高會導(dǎo)致爆震，所以通過降低“排量”的方式來燃燒更少的燃油獲得更高的膨脹比就是 ATK 發(fā)動(dòng)機(jī)提升熱效率的最根本原理。
通過提升滾流比來提高油氣混合效率
直噴發(fā)動(dòng)機(jī)之所以省油是因?yàn)楫?dāng)汽油被直接噴射進(jìn)氣缸后，汽油和空氣是在氣缸當(dāng)中混合而不是在進(jìn)氣歧管中混合。所以可以通過燃燒室和活塞頂部的各種特殊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)分層燃燒和稀薄燃燒，讓發(fā)動(dòng)機(jī)燒更少的油爆發(fā)出同樣的動(dòng)力。
本田 Clarity PHEV 發(fā)動(dòng)機(jī)雖然源自飛度混動(dòng)版，但進(jìn)氣氣門進(jìn)行了改進(jìn)，通過優(yōu)化氣門和進(jìn)氣道口形狀形成了同一方向的滾流。
通過滾流比的提升可以大幅提升熱效率，豐田的普銳斯也是這么干的。從第三代到第四代普銳斯，滾流比從 0.8 提升到了 2.8，節(jié)油效果明顯。而改進(jìn)方法幾乎是把噴油器垂直布置，使得氣缸內(nèi)部形成統(tǒng)一方向的強(qiáng)渦流，從而讓燃油和空氣可以充分混合。
通過燃燒室形狀優(yōu)化提升熱效率
飛度混動(dòng)版的燃燒室為傳統(tǒng)燃油車型發(fā)動(dòng)機(jī)中最常用的半球形燃燒室。這種燃燒室形狀加工成本比較低，相比早期的兩氣閥燃燒室和 OHV 頂桿發(fā)動(dòng)機(jī)有較小的表面積，從而可以減少燃燒室散熱損失。
而 Clarity 的發(fā)動(dòng)機(jī)雖然源自飛度混動(dòng)版，但燃燒室也做了充分的優(yōu)化改進(jìn)，把半球形燃燒室升級到了屋頂型燃燒室。傳統(tǒng)半球形燃燒室會在活塞周邊形成擠壓進(jìn)氣的區(qū)域，而屋頂型燃燒室再配合活塞頂部的凹陷設(shè)計(jì)，可以在活塞頂部形成擠壓進(jìn)氣的區(qū)域，降低了燃燒室表面積，從而降低了冷卻損失。再配合高滾流比設(shè)計(jì)，使得熱效率得到了雙重提升。
輕量化活塞和減少摩擦策略
活塞的輕量化是提升熱效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。不僅僅是新能源車，傳統(tǒng)燃油車型也會通過輕量化活塞來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性和燃油效率?；钊亓吭捷p，運(yùn)動(dòng)慣量越小，運(yùn)動(dòng)慣量損耗越小，所以可以提高熱效率。本田 Clarity 通過削減活塞裙部的材料達(dá)到減重的效果。同樣這也是在飛度混動(dòng)版發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。除此之外，通過改進(jìn)氣缸壁的處理工藝獲得更加低的活塞和活塞環(huán)與氣缸壁之間的摩擦系數(shù)，來提升熱效率。
通過這一系列的技術(shù)疊加，本田 Clarity 將這臺源自飛度混動(dòng)版的 1.5 升直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率足足提升了 1 %。要知道，飛度混動(dòng)版 1.5 升發(fā)動(dòng)機(jī)原本已經(jīng)是一臺阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)了，而 Clarity 通過改進(jìn)提升滾流比，改進(jìn)燃燒室和活塞頂部形狀，優(yōu)化活塞重量，改進(jìn)氣缸壁制造工藝把熱效率提升了 1 %。雖然 1 %是一個(gè)很小的數(shù)字，但是如果換算到長年累月的行駛里程里去，將可以獲得相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)性的提升。
結(jié)論 重?zé)嵝识皇侵厣β什攀腔靹?dòng)車的核心競爭力
基于前文所說的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)原理，熱效率的提升并不意味著升功率的提升，甚至還會損失掉很多升功率，因?yàn)閷τ?ATK 發(fā)動(dòng)機(jī)來說，相當(dāng)于降低了實(shí)際排量，這也是為什么豐田本田 2.0 排量的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，功率扭矩?cái)?shù)值僅僅相當(dāng)于一臺 1.6 升排量的發(fā)動(dòng)機(jī)。
但是熱效率的提升直接帶來的是燃油消耗量的減少，續(xù)航里程更長，經(jīng)濟(jì)性更好。高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)是混動(dòng)車生產(chǎn)企業(yè)必須掌握的核心技術(shù)，特別是對于本田 Clarity 來說，由于平臺具有極大的擴(kuò)展性，這臺發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要用于 PHEV，還可以用于增程式混動(dòng)，只需要改進(jìn) VCU 控制程序這臺高效的發(fā)動(dòng)機(jī)就能變成一臺增程器。
