青睐阿特金森循环 谈雷克萨斯混动技术

导语

克萨斯LHD混合动力系统采用电动机与带有阿特金森循环工况的发动机相结合的方式,并通过高效的控制及传动系统,使燃油消耗相对于传统内燃机动力汽车而言,可以保持在较低水平,且在动力性能上互补不足。

自从1997年第一辆混合动力汽车丰田普锐斯问世以来,混合动力技术便凭借出色的燃油经济性成为各大汽车厂商厮杀的新战场,围绕这一领域的你来我往、拆招换式从未停止,因目前电池技术仍未达到汽车全面向纯电力驱动跨越的成熟度,混合动力市场的纷争呈现愈演愈烈的趋势。作为丰田汽车的高端品牌,雷克萨斯自然不会甘于寂寞,LHD(Lexus Hybrid Drive)混合动力技术就是其手中挥舞的宝剑,凭借带有阿特金森循环工况的发动机与电动机间的协同工作,在降低油耗之余,动力输出也互补不足,在纷乱的混动江湖中占据了自己的一席之地。

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● 混合动力系统分类

混合动力系统可依据混合度的不同进行分类,雷克萨斯通常将混动系统广义上分为全(强)混系统和部分(弱)混合系统,全混系统在车辆行驶过程中,发动机与电动机可相互配合,互补不足,比仅用电动机作为辅助动力的部分混合系统来讲,节油效能更为显著,也是混合动力技术的发展趋势。雷克萨斯LHD混动系统就属于全混系统。

小贴士:

国内普遍采用的混动系统按混合度分类标准

微混合型:电动机峰值功率和发动机的额定功率比≤5%。

轻度混合型:电动机峰值功率和发动机的额定功率比为5%-15%。

中度混合型:电动机峰值功率和发动机的额定功率比为15%-40%。

重度混合型:电动机峰值功率和发动机的额定功率比为大于40%。

当然,混合动力系统还可以按照动力传输路线分为串联、并联、混联三种,这三种方式很好区分,串联混动在车辆行驶时,发动机不直接提供前进所需动力,而是用于带动发电机运转为电池充电,再由电动机驱动车辆行驶。并联混动则是由发动机作为主动力源,电动机只作为辅助,在车辆起步、加速时提供动力。混联混动系统则兼二者于一身,既可以仅凭电机驱动,也可以与发动机同时工作,具有更大的灵活性。没错,雷克萨斯LHD混动系统就属于混联混动系统。

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● LHD混动系统组成部件

明白了雷克萨斯LHD于哪一类混动系统之后,我们就来简要了解下这个系统都有哪些部件组成。可能很多人都觉得混合动力系统非常神秘,不过其结构并不是很复杂。LHD混动系统包括一台带有阿特金森循环工况的发动机、动力分流装置、电能转换器、动力控制单元、电池和两台电动机(两台电动机被称为MG1和MG2,MG1负责为电池充电或为MG2提供电力并充当发动机启动电机,不直接提供驱动力;MG2负责驱动车轮,并在制动时通过动力回收系统为电池充电),其中带有阿特金森循环工况的发动机和电动机为驱动车辆行驶提供动力。我想有人肯定会问阿特金森循环是啥?这么拗口的名字实在是令人不明所以,带着这个疑问我们接着看。

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● 阿特金森循环是什么?

不少人在读技术文章的时候都会被各种生僻的名词弄得头晕目眩,其中原理更是深奥难懂,一知半解。为了避免这一问题我们不妨开门见山,阿特金森循环与传统发动机的工作循环相比,其最大特点就是做功行程比压缩行程长,也就是我们常说的膨胀比大于压缩比。更长的做功行程可以更有效地利用燃烧后废气残存的高压,所以燃油效率比传统发动机更高一些。只要明白了这一点,阿特金森循环就懂了七成。

众所周知发动机的工作过程分为进气、压缩、做功、排气四个阶段,传统发动机四个阶段活塞行程是相同的,而阿特金森循环是如何做到压缩和做功阶段行程不同的呢?在1882年,阿特金森循环发动机刚刚问世之时,其是通过复杂的连杆协同工作来实现这一功能的。

而时过境迁,再用如此复杂的结构显然是不现实的,但其节油特性又符合目前人们的需要,所以雷克萨斯搭载的发动机用气门相位调节器控制进气门晚关取代了复杂的连杆机构,使发动机在进气行程结束后进气门仍在一段时间内保持开启,这样就将吸入的混合气又吐出去一部分,更简单的实现了膨胀比大于压缩比的效果,模拟出了阿特金森循环工况。

可能有些人并不理解这样做为何会省油,我们可以简单说明下。对同一台发动机来说,膨胀比越大,说明做功的行程就越长,同样燃油发出的能量被利用的就越充分,但膨胀比越大,意味着压缩比也会增大,压缩比过高有可能导致发动机爆震,所以偷偷吐出一点气就可以在压缩比不增加的情况下增加膨胀比,延长做功行程,使燃烧发出的能量得到更加充分的利用。

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● 阿特金森循环工况为何能迎合混合动力汽车

混合动力汽车为何对阿特金森循环情有独钟呢?原因很简单,第一,混合动力汽车的首要目的是省油,这点和阿特金森循环完全吻合。第二,混合动力汽车除发动机外还配备有电动机,可以弥补阿特金森循环的性能缺陷,使其不会因自身缺陷而遭弃用。那么阿特金森循环存在什么缺陷呢?

首先,发动机在低速运转时,本来就稀薄的混合气在进气门晚关“反流”时会变得更少,致使其低速扭矩欠佳,车辆在起步时显然动力明显不足。没有人愿意自己的车刚起步就被甩出一大截,厂商自然也不愿因此被嗤之以鼻。

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其次,阿特金森循环较长的活塞行程虽然能更充分地利用燃烧所产生的能量,使车辆变得更加省油,但也因此对转速产生了限制,使加速性能变差,并且“升功率”这一指标会很低。这也使得其很难被人们接纳。

如此一来,只能在中段转速展现优势的阿特金森循环无疑是处境尴尬,市区拥堵的交通状况更是令其雪上加霜,但混合动力汽车配备的电动机正好弥补了其在这方面的缺陷,在发动机低转速运转时,车辆采用电动机驱动,高转速运转时用电动机加以辅助,使其自身优势得以充分施展。目前一些常规动力汽车也通过延迟喷射功能使发动机在部分工况下模拟阿特金森循环,以提升节油效果。

● LHD混合动力系统工作过程

组成系统的部件清晰了,工作过程理解起来就容易很多。同样,若是跟讲教科书一般深究其里,恐怕又会陷入头昏脑涨的窘境,所以我们还是通俗一点,使大家能够明白系统什么时候在做什么事情就足够了。

我们将车辆的行驶状态分为起步及低速行驶、正常行驶、全力加速、减速及制动四种情况。在起步及低速行驶状态时,车辆为纯电动模式,仅由电动机驱动,可以降低车辆油耗及排放,并解决了阿特金森循环低速扭矩不足的缺陷。在正常行驶时,车辆由发动机及电机驱动共同作用,使车辆经济性达到最佳。在全力加速时,发动机及电动机为车辆提供最大动力输出,使车辆具有不错的加速表现。在减速及制动时,动力回收系统会将减速及制动时产生的能量回收、再生,并通过电动机为电池充电,进一步达到降低油耗的目的。当然整个过程无需人工介入,动力控制单元PCU就全权操办了。

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此外,对于混动系统而言,做到动力强劲仅是自身使命之一,如何高效地将动力传递至车轮也是评判其好坏与否的另一关键因素。雷克萨斯LHD混合动力系统在这一方面也配备了有别于传统车辆的ECVT电控无级式自动变速箱。这种变速箱集成了一套行星齿轮组用来管理LHD混动系统中两台电动机和发动机间的动力分配,并采用人工智能换挡控制(AI-shift Control),无需由人来考虑换挡时机,变速箱会自动调整速比,满足节油需要,同时全过程没有任何顿挫感,动力传递效率也更高。

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● LHD混合动力系统车型

目前,雷克萨斯采用LHD混合动力系统的车型有CT200h、ES300h、GS450h/300h、RX450h及LS600hL。这些车型在油耗方面比传统动力汽车大幅降低的同时,动力性能上却并不逊色,不必说,自然是得益于油、电协同工作的结果。

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编辑总结:

雷克萨斯LHD混合动力系统采用电动机与带有阿特金森循环工况的发动机相结合的方式,并通过高效的控制及传动系统,使燃油消耗相对于传统内燃机动力汽车而言,可以保持在较低水平,且在动力性能上互补不足。在趋于白热化的混动汽车竞争中,拥有了属于自己的一席之地。但技术的发展不会停滞,厂商间猛烈地厮杀仍日复一日不断上演,在适者生存的激烈竞争中,雷克萨斯LHD混动技术又会有哪些顺应潮流的新变化,我们尚不知晓。不过万变不离其宗,无论技术如何衍变,满足消费者的需求才是其最终目的。

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