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混合动力技术还有没有进化空间?谈谈上海车展上的四组观察

2019-04-26 07:31

来自 :盖世大V说

作者 :姚青弋

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尽管今年上海车展上的新车企和大车企的电动汽车亮点众多,但在这篇文章里,造车新势力和电动汽车并不是主角,下面想分享的是:

 

1) 丰田:最高有效热效率41%的2.5L发动机和平行轴版THS混动系统(有些网友称之为THS IV);

2) 本田:搭载在混动奥德赛上的第三代i-MMD;

3) 上汽:搭载在eMG6上的第二代EDU;

4) 马自达:SPCCI发动机Skyactiv-X

一, 丰田2.5L四缸发动机和平行轴版THS混动

这一台Dynamic Force的机器早在两年半前就已发布,实物却是第一次见到。它以其最高40%的有效热效率(混动版41%)吸引了众多关注。当时我将这个机器称为「黑科技」。

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▲展出的Dynamic Force 2.5L发动机+电驱动系统

41%有效热效率的意义无需多说,最高热效率尽管只是一个稳态工况点的效率,却能够直观反映整体的发动机经济性优化水平。在1997年,丰田第一代Prius所搭载的1NZ-FXE发动机就已经应用了阿特金森循环,实现的最高热效率是37%。从1997年到2016年,量产发动机热效率从37%提高到了41%,丰田用了19年(2015年第四代Prius发动机最高热效率40%)。而在此之前的一百多年里,汽油机的热效率长期低于30%、乃至低于20%。两年后的今天,丰田、本田、马自达已经在实验室中向着50-55%的有效热效率迈进。

要知道发动机的热效率的边际提升是越来越难的,每个百分点提升的背后都是各式节能技术的应用;而与此同时,回顾过去二十年的技术进展,在日本公司的引领下发动机热效率的提升又是越来越快的。在十年前,我们可能还认为50%有效热效率是天方夜谭,而今天它已经在加速实现。

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▲图2 EGR管路设计

这台机器压缩比达到了14。混动机型的运行工况相对比较稳定,因此可以使用更大的压缩比提升循环效率(非混动版的压缩比为13),同时辅以更高的EGR来控制燃烧速率。缸内的进气设计没办法从展品看到,不过可以看到的是EGR管路的构造:如图2,该机器的EGR分别引入了各个进气歧管,而不是直接引入进气总管。这样的好处是通过对EGR支路的设计,可以让废气的分布更加均匀,使得进入每缸的进气组分和温度更加相近,从而有着一致的性能表现。这一点对于稀薄燃烧尤为重要,在较大EGR的使用下,燃烧状态对缸内气氛、组分较为敏感,进气的细微差异就可能导致燃烧状态的大不相同。

因此,精确控制EGR量(空间上让各缸更加均匀、时间上让EGR变化响应更快),除了软件上的控制手段以外,硬件上配备快速响应的EGR阀,以及如图中的分布式管路,对于改善稳态和瞬态过程的燃烧性能是有很大的帮助的。从图1中,还可以看到这台发动机的水泵是电驱动,而非皮带带动,电驱动附件让附件功率可以精确调控,做到按需供给,进一步改善有效热效率。

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▲图3 平行轴版THS

还值得一提的是搭载在第四代Prius的平行轴版THS,有的网友称它为THS IV,关于这一说法,我向行家@张文川 请教过,其认为所谓的THS III和THS IV都只是不同版本的THS II。我深以为然,原因是不管是双行星齿轮排的「THS III」还是平行轴的「THS IV」,其功率分流机构的原理和THS II并没有差别,只是减速机构有所不同。在外文报道中,也几乎看不到THS III/IV的说法。 

图4是从第一代Prius到第四代的动力系统对比,可以看到:

● 第一代和第二代Prius都采用了链轮减速机构,相比较于第一代,第二代Prius的动力系统主要提升在于升压技术、电动空调等零部件优化;

● 第三代Prius的动力系统则采用了双行星齿轮排,两排行星齿轮共用一个齿圈,第一排连接发动机与电机用于功率分流,第二排连接驱动电机用于减速;

● 第四代Prius的THS系统,就是展出的平行轴THS,这个系统不同于前三代的地方是,发电机、发动机和动力电机不再同轴,动力电机与行星齿轮排的齿圈分别与输出轴相连。

采用这一设计的优点是降低了输出轴尺寸,将电驱动系统的纵向长度从409mm缩短到了362mm,从而减小了动力系统体积和重量,优化了整车油耗和布置空间。

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▲四代Prius动力系统结构变化

二,第三代本田i-MMD

丰田THS迭代了若干版本,本田的i-MMD作为串并联构型的代表,也发展得很快。本田在上海车展展出了一台i-MMD的样机模型,如图5所示,我在图上做了一些标注。

相较于上一代38.9%的热效率,新的发动机有效热效率达到了40.6%,同样站上了40%。做到这一成绩的「最大举措」就是把压缩比提升到了13.5,在高压缩比下,为降低爆震,本田采用了进气阀镜面抛光的设计,目的是降低进气阀温度与进气温度,不过这个设计在展品上不太容易看到。可以看到的是VTEC+EVTC的可变凸轮,通过改变凸轮型线,从而实现不同奥托循环和阿特金森循环的切换,分别满足动力性和经济性的要求。 

展品上还可以看到的是新设计的高滚流EGR阀(high-flow EGR valve),与之前的设计比较起来, EGR的阀座直径有所增加,结合电磁动作机构的调整,将EGR通道内的压力损失降低了70%【注释:1】。

还有就是从第二代i-MMD就开始使用扁形绕线和hair pin绕组的「发卡」电机,这一绕组形式能够提高槽满率,其直接效果则是提升电机功率密度,而由于扁形绕线散热性能更加,其电机效率也有所提高。同样值得一提的是,上汽的新110kW电机,即是自主生产的「发卡」电机。图7中定子的细节能够看得更加清楚:扁形绕线、双层绕线与与粉末喷涂。

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▲第三代i-MMD

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▲ 电机定子细节

三,上汽第二代EDU

第一代EDU采用了和i-MMD相似的双电机串并联构型,我曾经也对比过两种构型的差异。

而不同于第一代EDU,上汽的第二代EDU转而使用了单电机的构型。搭载在eMG6上的这个变速器,能够实现十挡变速;原本的30kW和56kW的双电机改为了一台100kW的单电机;发动机匹配了一台1.5T四缸机。

对于这个构型我很好奇,但是在车展上并没能近距离看看它的原理,于是回来之后检索了一系列上汽在单电机混动系统方面的专利,也请教了工友们,大致推测这一构型可以理解成驱动电机+AMT的结构。示意图如图7,不过还要请行家指正。

利用该结构,电机可以同时实现纯电驱动和制动回馈;发动机可以单独驱动,也可以与电机同时驱动;此外,当停车输出离合器断开时,发动机可以向电机输出功率,实现充电。通过控制图中的ABC三个同步器,提供6个发动机前进挡和4个电机前进挡,一共十挡。

相比较于双电机的EDU,单电机EDU的动力性会更强,结合1.5T的发动机,可以实现比较好的动力表现,和MG品牌主打的性能特色也比较契合。另一个优点应该是降低了控制的难度,并且节约了整机的成本。 

在经济性和平顺性方面,不知道单电机EDU相较于双电机是否能有提升。纸上谈兵而论,双电机EDU的无级变速理论上有着更好的经济性和平顺性,不过考虑到电控和电机技术的提升,单电机EDU或许能够实现相当或者更好的油耗表现,这也是很有可能的。

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▲  第二代EDU【注释:2】

四,马自达Skyactiv-X

Skyactiv-X摆放在马自达展台的角落里,不太起眼,看的人也不多。不过能见到它就很不错了,说明尽管它沉寂了一阵子,但还没有被马自达放弃,搭载它的量产车型还是能够继续期待下去的。

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▲ Skyactiv-X展品

这台机器之所以特殊,是因为它是第一台真正意义上的量产汽油压燃发动机。源自HCCI的汽油压燃/低温燃烧技术已经发展了三十年,而马自达使用的SPCCI的前身——火花塞助燃(SACI)也已经有了二十多年的研究历史。这台机器,它的热效率应该在41%~45%之间,但量产的意义,比制造出样机还要可贵得多。 

Skyactiv从机器上看使用了低压EGR结合机械增压,以保证在大部分工况范围内都有足够的废气量和增压能力。这台机器的内部无从窥视,但可以确定的是,缸体一定得到了增强,来保证机械结构能够经受得住较高的爆发压力。 

设计和制造的能力也是工业界和学术界研究差异的缩影,这一点和行家也聊到过:学术研究在这一领域更多是使用柴油机进行「魔改」,以尝试新的手段和新的控制方法;但是归根结底,这种燃烧模式本身就是不同于柴油压燃或者汽油点燃的。然而,汽油机和柴油机之所以成为今天这个样子,本源都是因为汽油和柴油的性质及其燃烧模式决定。所以想要打造一台真正意义的汽油压燃发动机,就要专门去造一台机器,而不是「魔改」柴油机或者汽油机所能够实现。

除了Skyactiv-X,德尔福在过去的几年一直推进的无火花塞的全工况范围汽油压燃,德尔福称之为GDCI,是另一个可以期待的汽油压燃发动机。

小结:这篇文章潦草介绍了我在车展上关注到的混合动力技术,无一例外地,它们都是「新一代」产品,都是在之前的技术和产品基础上有所衍变和进化。在这背后是精益求精的工程能力,它们也让未来的混合动力技术和内燃机潜力更加值得期待。

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