新能源汽车技术

孟宪臣 刘宏南 纪莲 岳永辉

摘 要：丰田混合动力系统叫做THS（ Toyota Hybrid System），在混合动力电动汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。在混联混合动力电动汽车上，混合动力单元通过几种方式驱动车轮，并且电动机还能独立承担一部分驱动功能，这样就使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机。丰田1NZ-FXE 1.5L发动机以其卓越性能，让Prius混合动力汽车名扬天下。

关键词：混合动力；阿特金森循环；发动机

1 阿特金森循环发动机的工作原理

阿特金森循环是一种1882年由阿特金森（James Atkinson）发明的内燃机形式。阿特金森循环发动机提高了效率，现阶段用在某些混合动力车辆上。

阿特金森循环发动机是一种能够改变气门开闭时机的新型发动机。传统汽车发动机是按照奥托循环的规律工作的，即一个工作循环包括吸气、压缩、 做功和排气四个冲程。在奥托循环发动机里，在吸气冲程中油气混合物被吸入汽缸，当活塞到达下死点后，进气门关闭，在压缩冲程中油气混合物被封闭在汽缸中；在做功冲程中被压缩的混合气点燃做功，推动活塞带动曲轴旋转，这种配气正时决定了发动机膨胀比和发动机的压缩比几乎相等，很难提高膨胀过程中能量的利用率；与此相对照地，在阿特金森循环中，在活塞到达下死点后上升一段时间，进气门仍然开放，这样就使得有一部分混合气体被推回到进气歧管，也就是说有效气体压缩行程变短，而做功行程不变，相对增加的膨胀与压缩比，就提高了爆炸的膨胀冲程后端的能量利用，利于提高燃油效率。

2 THS中配备的1NZ-FXE 1.5L特点

与以往油电混合动力系统中安装的发动机机型相比，1NZ-FXE 1.5L （1NZ-FXE中的“X”表示采用了阿特金森循环）具有低油耗，高输出的特性。THS中配备的1NZ-FXE 1.5L用于混合动力车辆的发动机具有以下特点：

2.1 极高的热效率

高膨胀比循环，膨胀冲程 > 压缩冲程；进气门延时关闭，一般压缩比在13左右。

长活塞冲程，可缩小燃烧室容积，以提高膨胀比，即等待爆发压力在充分降低后才进行排气，这样可充分利用爆发能量。

2.2 曲轴高旋转化

发动机曲轴的最高转数已被提升至5000r/min，提高了输出功率。在减少摩擦损失的同时提高了最高转数，所以既增强了加速时的驱动力，又实现了低油耗。

2.3 配气正时采用智能可变配气正时（VVT-i）

智能可变配气正时，减少了由于发动机起动和停止时造成的压缩抖动；还可根据行驶状况细微地调节进气门的开闭时间，实现可变压缩比，有效控制爆震；同时在各种旋转带进行高效燃烧，为提高输出功率、降低油耗提供了保证。图1所示，阿特金森循环与奥托循环发动机一个工作循环比较情况，阿特金森循环发动机气缸压缩容积通过VVT-i是可以改变的。

图1 发动机的工作循环

2.4 气缸体

气缸内装有设计紧凑的拉模铸铁薄壁气缸套，因此，免去了精工钻孔镗缸。

2.5 偏置曲轴

曲轴轴线的偏置减少了活塞的侧推力，同时也会改善在低速/低载情况时混合气的燃烧，提高发动机热效率。

2.6 活塞

活塞结构的变化减少了重量和摩擦；活塞环使用了低张紧力和超薄的活塞环以减少运动摩擦阻力。

2.7 动力输出驱动皮带系统布局

本款发动机采用变频电动空调压缩机，变频电动机直接与空调压缩机制成一体，不再使用空调压缩机皮带轮；发电机与起动机一体化，与发动机分体，使皮带布局设计得以简化。

2.8 排气系统

尾气排放采用不锈钢排气歧管使整机重量大大减轻，同时也改善了三元催化的加热能力。

三元催化器内部结构中采用了高密度蜂窝陶器层；直接装在排气岐管下部。

2.9 进气采用电子节气门智能控制系统（ETCS-i）

PRUIS采用了无拉索电子节气门控制， 在THS系统里，节气门初始张开角3°，可预防当低温时被粘住节气门体翻版；加速踏板位置传感器由2个（主和副位置传感器），加速踏板踏下程度与节气门开度是不一致；节气门由直流电机来驱动，而节气门直流电机由 HV ECU 来控制。

2.10 冷却系统

（1）电水泵：ECM调整发动机冷却液的循环量以符合最佳的发动机运转条件。发动机的电水泵能在发动机不运转的时候提供稳定的加热性能，预热性能以及减少冷却损失，进一步提高发动机工作效率。

（2）散热器：发动机、变频器散热器和空调冷凝器集成在一起， 管路彼此独立结构一体化。

3 阿特金森循环发动机的缺点

（1）独特的进气方式在低速时扭矩显得很差。

（2）长活塞冲程不利于发动机高转速运转。

由于使用在混合动力汽车上，低速时，由电机独立驱动工作；而发动机经常工作在中速高效区；又由于采用了更轻重量的运转部件；减小了活塞环的张力和气门弹簧的反弹力；同时发动机整体结构进一步进行了优化，这样PRUIS阿特金森循环发动机就避开了自身存在的缺点。

4 结束语

THS可完美地分别使用电动机、发动机或联合工作来行驶，1NZ-FXE 1.5L油耗与低一等级排量/车体尺寸的车辆相当，功率却与高一等级车辆发动机相当；与发动机排量相同的车辆相比，其低油耗性能居世界最高水平。

美国CARB认定Prius排放级别为SULEV，比普通车NOx降低 90%，CO2降低50%。

参考文献

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