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最高热效率43%——发动机技术再迎突破

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嘉定智能低碳汽车科普生态建设项目 唐泳健

2021年3月25日,比亚迪宋参数图片)plus dm-i发布,新车搭载比亚迪最新代号骁云1.5L发动机的插电混动系统,每百公里油耗低至0.9L,是市面上标定油耗最低的SUV,即便在纯燃油模式下行驶也仅需4.4L/100km,相比丰田RAV4、本田CR-V混动油耗更低。该车型上市之后引起了广大消费者热烈的反响,4月的上海车展,比亚迪更是亮相了搭载该款超高热效率的混动发动机的唐、宋pro版dm-i车型,在本次车展中赚足了眼球。被称为汽车界的国货之光的比亚迪凭借着他一代又一代的骁云发动机技术,逐渐在国际上打出了名堂,今天就带大家来看看这款最新的骁云1.5L发动机到底牛在何处。

这款骁云1.5L发动机主打高热效率——“43%全球量产汽油发动机最高热效率”,那么要想得到这样一款如此高效、实现节能省油的发动机,比亚迪又做了哪些努力呢?

首先要明确一点,最高热效率的发动机不能和最省油的发动机直接划等号。通俗地说,最高热效率代表的只是一个工作点,只能表示在这个点满足的特定工况下,这台43%最高热效率的发动机确实是目前量产最省油的发动机,实际评判要看发动机工作的高效区间够不够宽广。这二者的关系就好像梯田,如下图。


图1 最佳燃油消耗区间和最高热效率关系图

所以,这也是为什么同样一台发动机,给不同车主使用下来的实际油耗是不同的,这和车主的驾驶习惯和使用路况都有很大的关系。

其次,还要给大家说明的是,这台骁云1.5L发动机只是目前量产的发动机里拥有最高热效率的。而目前全世界能实现的最高热效率发动机是马自达创驰蓝天Skyactiv-G,它的最高热效率高达57%,相比之下,当下大多乘用车的热效率普遍在37%左右,即便是比亚迪这款最新发动机的43%最高热效率也是逊色不少。但需要说明的是,这款发动机因为技术难度问题,无法实现量产,只是一个实验室产品,所以不应该被拿来和已经实现量产的发动机作比较。


图2 马自达57%最高热效率发动机

那么比亚迪为了实现43%的热效率对发动机做了哪些技术改进呢?

目前国际上主流的提高热效率的思路有:提高压缩比、减少摩擦、采用阿特金森循环等手段,而比亚迪也没有避开这些思路。

首先是提高压缩比,压缩比是指活塞的在上止点和下止点往复运动时,缸内最大容积与最小容积的比值。


图3 压缩比示意图

那么理论上来说呢,压缩比越大,表示活塞可压缩缸内油气混合体的程度越高,这会导致汽油和空气分子的结合更紧密,点火时燃烧产生的能量就越多,燃烧的也越充分,发动机的性能也就越好,看到这里,你是不是会认为那就尽可能的提高压缩比呗,在结构尺寸允许的情况下越大越好不就可以了。当然不是,压缩比的提高不仅受到发动机尺寸的限制,其最大的限制还是汽油燃烧的特性,压缩比升高时,油气燃烧所产生的能量就会有更多一部分转化为动能,这会使气缸壁收到的压力就越大,对气缸材料的要求也会提高——这会导致制造成本急剧上升。同时,当压缩比升高到一定程度时,混合气体很容易因为高压在火花塞还未点火时便达到着火点而发生自燃,这是由于高压之下改变了汽油的自身特性导致的。此时活塞尚未到点火位置——还在向下压缩的过程中,但燃烧产生的巨大冲击力和活塞的运动方向相反,引起发动机剧烈震动,即产生爆震现象——爆震现象对发动机的损害非常大,发动机中配有专门的爆震传感器来随时监测。所以我们不能无限制的提升压缩比,而需要选择合适的压缩比使得每个参数都能达到折中从而提升发动机性能。比亚迪最终以自己技术实力将压缩比定在了15.5:1这么一个超高的数值。不仅如此,这款发动机只需要92号汽油就可以使用(汽油牌号数值越大,抗爆震的性能越好),可见其技术实力的雄厚。


图4 骁云1.5L发动机超高物理压缩比示意图

其次比亚迪花费了很大气力减少摩擦,其对发动机的曲轴连杆、活塞、凸轮轴等零件都做了重新的设计,还使用了一种低粘度机油,通过多种方法最大限度地降低了摩擦损失。这款发动机还使用了目前各大品牌厂家都会使用的阿特金森循环,说到阿特金森循环,这是一个不同于传统内燃机采用的奥托循环的高效循环。通过加入较为复杂的连杆完成从活塞到曲轴的动力输出,这也导致与传统奥托循环的发动机有了一个很大的不同之处——其在压缩和做功行程时的活塞实际位移不同。


图5 采用复杂连杆设计后的发动机四冲程工作示意

备注:活塞行程由蓝黄红绿四个色块表示,依次为:吸气、压缩、做功、排气四个行程

实际发动机气缸工作的动画如下:


图6 阿特金森循环发动机运行动画

设计的巧妙就在于使不同的连杆协同工作,达到各个行程幅度不同的效果。这样使可以使膨胀行程更长,更充分的利用之前燃烧过程中的废气残存高压,使效率得到提高。除此之外,通过调节连杆行程可以达到改善进排气的效果,进排气情况改善后,燃烧也就更充分,由此达到了更高的热效率。

当然,这样设计的最大困难就是复杂的连杆机构,所以一直很难普及和量产,比亚迪为了解决这个问题换了一个思路,采用的是VVT技术。VVT全称可变气门正时,是通过改变进排气系统工作的重叠时间来改善进排气情况,从而降低油耗并提升效率。前面说到阿特金森循环就是要实现膨胀行程大于压缩行程,而这通过VVT技术改变进排气工作时间就可以实现相同目标。比亚迪更巧妙的是只在进气采用了VVT,达到了进气门晚关的效果,简化结构降低制造成本的同时又达到了阿特金森循环的工作模式。这里要说明的是,通过VVT技术实现膨胀比大于压缩比的方式在部分厂家和科研文献中又被称作米勒循环,名称不同但实际原理是相同的。


图7 骁云1.5L发动机VVT选取方案图

不仅如此,比亚迪除去在这些传统思路方面对发动机做了改进,还采用了自研的EGR技术以及分体冷却技术。


图8 EGR技术示意图

首先是EGR技术,这不是一个新鲜的技术,EGR全称叫排气再循环,是将发动机排出废气中的一部分气体分离再导入到进气中参与燃烧的技术,初衷是降低排出气体中的氮氧化物,同时在部分负荷时因为间接减少了进气损失从而提高了燃油经济性。但传统的EGR往往会面临由于废气温度过高,从而带来爆震以及不正常燃烧等问题,特别是爆震,前面已经说了,这款发动机拥有超出一般发动机的压缩比,爆震的产生可能性本来就更大,如果采用传统的EGR,将极大地增加爆震的风险,对此,比亚迪的解决方案一是采用自主设计的全新水冷系统将高温废气降温到100度左右,由于降温的保证,其得以采用高EGR率,使更多的废气引入气缸从而提高了燃烧效率;其次该EGR采用一种全新的“催后取气”的方案,顾名思义就是再循环的是经过三元催化转化器催化后的废气,这样废气中的杂质更少,使燃烧更顺利,保护了发动机。


图9 骁云1.5L发动机EGR系统实物图

不仅如此,发动机整体的分体冷却技术也是亮点十足,将缸体和缸盖分开设置两套水循环,并各自设置了单独的节温器,节温器实际上就是一个感应器,原理就是根据冷却水的温度高低调节进入散热器的水量,从而调节冷却水的散热能力使其可以工作在一个合适的温度范围。比亚迪为这两套单独的水循环系统分别配备了电子节温器和蜡式节温器,大小循环实现独立控制,有效降低了发动机的热损失。


图10 骁云1.5L发动机分体冷却技术实物图

最后,这样一款实现了超高热效率的发动机还做了很多减法,比如不再在发动机上布置压缩机等,正是技术的更新加上适当的减法才造就了这么一款发动机。而对发动机行业而言,提高热效率永远是科学家们不懈奋斗的目标。在电池技术暂且还没迎来革新的今天,发动机将继续扮演着重要的角色,对发动机的开发的革新还远远没有结束。比亚迪在混动的开发上一直积极探索,老牌的国际大厂如丰田本田同样也在不断努力,未来还有更多的路需要走,也相信发动机会在未来继续给大家带来技术上的惊喜。

嘉定智能低碳汽车科普生态建设方案,上海市科委科普项目资助(项目编号:20DZ2306500)

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