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【讲堂】“别人家的混动”!为什么你家的就比我家的省油?

2017-11-22踢车帮
混合动力,混动汽车

让我们继续聊混动的话题。前边已经介绍了混动的分类,也提到了不同结构的混合动力所产生的节油效果是完全不同的,比如丰田和比亚迪之间的差别。而相同结构的动力单元,随着控制策略的变化,其油耗水平也会发生极大地改变,这是为什么呢?

所有的问题都能够通过一张图来说明,就是这张发动机万有特性图。万有特性,顾名思义,就是所有发动机都会有的一种特性,同时也代表着这张图可以展示发动机几乎所有的特性。

混合动力,混动汽车

力帆某款发动机的万有特性图

一般来说,发动机万有特性图比较少见,注意和另一张经常看见的发动机外特性图(也被成为功率扭矩图)做一下区分,外特性图代表的是发动机节气门全开,既是全力加速情况下发动机的输出特性。

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某发动机的外特性曲线

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回过头再来看这张万有特性图,左侧的纵轴代表有效扭矩,右侧的纵轴代表平均有效压力(单位气缸工作容积发出的有效功,简单理解的话可以认为和左侧的有效扭矩是一个概念,值越大,发动机做功能力越强),横轴为发动机转速。

混合动力,混动汽车

图中一圈一圈的实线代表等燃油消耗率曲线,同一根实线上的工作点燃油消耗率相同。比如我现在用红笔描出来的这一根,燃油消耗率为285g/kWh,代表的是在这根线上的工作点,比如发动机处于转速2800rpm,输出扭矩约51Nm的A工作点,或者转速4800rpm,输出扭矩约72Nm的B工作点时,每做功1千瓦时(3600000焦耳),就需要消耗285g的燃油。

混合动力,混动汽车

其他的依次类推,比如在燃油消耗率340g/kWh线上的C点就代表发动机转速4000rpm,输出扭矩约35Nm时,每做功1kWh就需要消耗燃油340g。而D点,虽然并不在图上显示的任何一根实线上,但可以根据D点在255和270两根线之间,判断发动机转速4400rpm,输出85Nm时,每做功1kWh,需要消耗的燃油量在255到270g之间,可以用插值法估算一下,大约260g。

混合动力,混动汽车

再来看图中的虚线,这是等功率曲线,比如图中被涂粉的那根就代表着这根线上的所有点的功率为20kW。其他虚线以此类推。等功率曲线很好理解,我们知道P=Jω(功率等于转矩乘以转速),既然横轴是转速,纵轴是转矩,那么自然功率在图中就是一条条双曲线形状。

有了这些基本知识,就能够继续理解发动机的万有曲线图究竟告诉了我们什么。为了更加清楚的展示,让我们换一张图。这张图的曲线更加完整,和前边一张图一样,一圈一圈的红线是等燃油消耗曲线,而蓝线则是等功率曲线。

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如果发动机转速不变,假定是1700rpm,随着负荷增加,可以看到,大约扭矩输出为100Nm的A点时候,燃油消耗是312g/kWh。到了输出400Nm的时候,燃油消耗率为228g/kWh,输出扭矩(功率)变大了,但消耗的燃油反而减少了。那么1700rpm时,输出多大扭矩时燃油消耗最少呢?就是C点了,比224g/kWh更小,接近222g/kWh。此时发动机输出的扭矩是多少呢?超过了590Nm。

这就很有趣了是不是,让发动机负荷更大一些反而消耗燃油会更少,这岂不是成功实现了既要马儿吃得少,又要马儿跑的快吗?符合能量守恒定律吗?当然符合,因为发动机的效率是变化的,A,B点的效率都比较低,C点的效率更高,能够更有效的把燃油的能量转化为车辆前进的动力。但注意D点,虽然扭矩再度提升,但燃油消耗率增加到了234g/kWh,实际上过了C点之后,燃油消耗率都在增加。

让我们分别来粗略算一下A、B、C、D点的效率吧, A点的燃油消耗率为312g/kWh=312g/3600000J,发动机产生3600000J能量就需要消耗汽油312g,汽油的热值约为46000J/g,效率η=发动机产生的机械功/发动机消耗燃料的能量3600000/(46000*312)=0.251,效率约为25.1%。同理可得B、C、D点的效率分别为34.3%,35.2%和33.4%。普通水平吧,这台发动机。

知道了这些有什么现实意义吗?有,思考一下,假定一辆车,发动机1700rpm转速时在4、5、6挡对应车速分别为50、70、90km/h。一般来说,都是90km/h车速巡航的油耗最小吧。明明转速一样,为什么6挡最省油?因为6挡时由于减速比小,所以发动机的扭矩要求更大,4、5、6挡的工作点分别对应之前说的A、B、C点(我知道可能比例上有点问题,但足够用来定性分析了),自然,对应C点的6挡最省油啦。

混合动力,混动汽车

同转速情况有了,那么同扭矩情况呢?换句话说,就是同功率情况呢?让我们来看这张纵轴为功率的万有特性图。在输出功率30kW的地方拉一道横线,可以看到,随着转速提高,燃油消耗率从1600rpm左右时的270g/kWh减少到2100-2500rpm左右时的250g/kWh,再增加到4400rpm左右时的330g/kWh。呈现先增加后减少的态势。存在一个同功率需求情况下最经济的转速区间。

对应现实生活中的情况,你有没有这样的体会,假定以70km/h左右的速度定速巡航,通过手动升降挡位,基本上5-6挡之间变化时,瞬时油耗不会有太大变化,但如果强行进入7挡,或者3、4挡,那么随着转速的大幅波动,虽然车速仍然保持在70km/h,但瞬时油耗却会有较大的变化。

车速保持70代表着发动机的输出功率不变,挡位的变化则代表着发动机转速的变化,5、6挡的转速变化不大,可能同处一个燃油消耗率区间(比如上图中2100-2500rpm都是250g/kWh),但其他档位,7挡转速太低,3、4挡转速太高,都会造成发动机效率降低,油耗增加。

从上边的分析可以看到,转速和扭矩(功率)都会影响发动机的效率,进而影响油耗。所以有时候你还可以看到下面这样的一张发动机外特性曲线图。

混合动力,混动汽车

除了扭矩和功率外特性之外,还多了一个燃油消耗率的外特性,这个是节气门全开状态下,燃油消耗率随转速的变化,可以看到,随着转速增加(节气门全开状态下功率也是按照功率输出曲线增加的),燃油消耗率先减少后增加。

这种特性虽然依据发动机设计的不同可能发生量上的改变,可能有的发动机为低转速设计,最经济区间在1700rpm左右,有的发动机为高转速设计,最经济区间在4000rpm左右,但是量变不会引起质变,几乎所有发动机都仍然有着类似的这样随功率,随转速,燃油消耗率先降低后增加的性质,存在一个效率最高,最经济的工作区间。对于传统汽车而言,如何扩大发动机的高效区,如何充分利用高效区(比如配合变速箱速比,让高效区落在常用速度区间内,或者用行话说:标定)就是关键的任务。

对于混动汽车而言,如何通过电动机的辅助,让发动机工作在高效区内更是重点。毕竟混动标榜的就是节油。有了上边的基础知识铺垫,我们就可以明白为什么不同的混动差距会这么大,因为有的混动(比如THS)能够通过电动机的辅助输出,调节发动机的转速和扭矩,主动使其处于高效区间工作,而有的混动(比如DM II),因为本身结构所限,就没法做到这一点。虽然比起纯燃油车有一定的节油效果,但在其他混动面前就相形见绌了。

那么为什么THS可以调节发动机转速和扭矩,而DM II不能呢?还有什么混动方案可以让发动机处于高效区间工作呢?且听下回分解。

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