集成式的个人混合动力双门跑车的发展Word下载.docx
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混合动力系是发动机的辅助并联平行结构,命名为IMA即叫做集成式发动机辅助。
这个动力系将把一个高效电动机与一个新型小排量VTEC发动机结合起来,很轻的铝车身,改良的空气动力学以实现3.4L/100km(CO2:
80g/km)98/69/EC燃油经济性。
低排放性能也已达到以EU排放水平的目标。
除减速能的重用之外,集成式发动机在典型的市区行驶加速时提供大助力扭矩,显著地减小了发动机排量,提高了发动机效率。
接近56kW每吨的功率/质量比保证了稳定的爬坡能力和高速的行驶能力。
新发动机技术包括促进高效快速的催化剂活性化的一种新VTEC(电子控制可变配气相位和气门升程)缸盖设计,促进稀薄燃烧能降低排放的新型稀NOx催化转化器,广泛的减摩及减重手段也用于其中。
2,开发目标及开发理念
开发目的在于达到极低燃油消耗量。
我们定下的目标是当今产品Civic燃油经济性的两倍,Honda的典型高燃油经济性轿车——7.0L/100km(93/116/EC),因而Insight在世界汽油机轿车中拥有最低的燃油消耗量。
排放性能由于低燃油消耗量的缘故而趋于牺牲,但是,我们仍决定达到其它大多数批量生产的汽车所具备的低排放性能,在回收性(另一重要环境问题),碰撞安全性能以及操纵性和造型等汽车的基本性能方面也有所考虑。
综上所述,我们的开发目标如下:
·
世界最好燃油消耗性能
超低排放
超回收性
全世界最高碰撞安全性能水平
先进造型
实用特色和操纵灵敏性
舒适的带有个性的使用空间的二座结构
3,降低燃油消耗量的策略
为了建立起取得低燃油消耗目标的技术途径,我们对一辆装配1.5L发动机的Civic基型车辆能量消耗进行细节分析。
为取得低燃油消耗和其它上述目的,我们发现将目标效率如图形1所示粗略地分为三部分是十分有用的。
划分如下:
发动机自身热效率的改善
制动能量再生和怠速停机在混合动力系统的应用
减轻车重和减小空气阻力和滚动阻力的车身技术
图1两倍于CIVIC燃油经济性的目标
我们开发这种新集成式发动机辅助动力系统的目的是为21世纪汽车动力系统建立一个标准。
这种动力系统适合于下一代汽车,它同时达到了3.4L/100km的极低燃油消耗量和低废气排放性能。
本篇论文对新开发的IMA系统作报告,包括用于HondaInsight的稀燃发动机,电动机功率控制单元,蓄电池技术和废气排放控制技术。
4,IMA系统的目的
为达到世界最低燃油消耗量的目的,在开发下一代IMA混合动力系统时我们尽可能多地结合已取得的技术和工艺。
为达到这个目标,建立了以下四个系统开发主题:
1、减速能量的再生
2、发动机效率的改善
3、怠速停机系统运用
4、动力系统尺寸、重量的减小
5,IMA系统综述
5.1,系统结构
图2IMA系统
如图2所示,IMA系统以发动机作为主动力源,当加速时用电动机作为辅助动力源。
用电动机作为辅助动力源简化了整个系统并使得采用轻型紧凑的发动机,蓄电池和功率控制单元(PCU)成为可能。
在发动机与变速器间布置了一个永磁直流无电刷电动机,减速时为每个传动装置计算出减速比,PCU控制发电机发电(再生能量)对镍氢蓄电池充电,加速时由油门开度,发动机参数,蓄电池充电状态计算出辅助动力提供量(此后称辅助),PCU控制蓄电池流向驱动马达的电流量。
5.2,再生减速能量
通过回收的再生减速能量可在加速时补充发动机输出而减小油耗量。
减小包括发动机摩擦损失在内的工作能量损失引起的阻力可增加可用的再生能,尤其是使发动机排量减少到最小是减小摩擦的有效措施。
降低发动机排量还有其它好处,例如减轻重量增加热效率。
IMA系统通过优化发动机和变速箱参数有效地增加了减速时的再生能量。
5.3,减小发动机排量
减小发动机排量是改善混合动力系统燃油经济性一个十分重要的因素。
但是现代汽车须在广泛的动态范围内运行,减小排量就等于降低汽车的基本性能特征。
如图3所示的输出特性曲线,利用电动机的大转矩性能特征IMA系统在低速范围内辅助发动机。
电动机在低转速时能将总转矩提高50%。
高转速范围时用电子控制可变配气相位和气门升程发动机提高输出。
因此保证了足够的峰值功率,便可用一个新的1.0L小排量发动机。
图3IMA系统的发动机速度(rpm)/输出特性曲线
加速时来自电动机的协助是非常有效的减少燃油消耗量的手段
5.4,稀燃发动机运行
以电动机辅助,基于节气门开度,创造出十分线性的转矩特性,由此改善了操纵灵活性。
除此之外,电动机辅助在中载条件下可扩大稀燃运行范围,显出了新开发稀燃发动机的潜力。
5.5,怠速停机系统
制动时停止发动机而不是怠速空转也是有效的减小消耗量措施。
为了以最小消耗量重启发动机,发动机须在打火前通过集成式发动机快速转到600rpm或更高的的转速,如图4所示。
通过不让发动机怠速省油,可以使燃油消耗量最小。
在执行怠速停机时须注意许多问题,包括判断驾驶者停车趋向,重启准备,提供减速平滑感,使发动机停止时车身振动最小。
图4起动电机的转矩
该IMA系统的获得的效果在于非常快的重启和异常顺利的启动。
6,电动机辅助机构
6.1,开发目标
通过在阻力和再生两方面限制IMA电动机功能,确立的开发主题以取得以下两点:
1.简单紧凑结构
2.系统重量不大于整车质量的10%
6.2,直流无电刷电动机
具有发动机辅助和能源再生功能的薄且紧凑的直流无电刷电动机安装在曲轴上(图5)。
图5电机剖面图
这是一种高效、紧凑、轻型、永磁型三相同步电动机,最大输出功率为10kW。
除了发展技术以减轻重量、提高效率之外,我们也尽可能把电动机做得最薄以获得紧凑的动力系统。
熔模铸造法制造的转子,靠安装在曲轴上的弯曲而旋转。
与正常铸造产品相比取得了高强度更轻的重量(约减少20%)。
转子磁铁方面,对HONDAEVPLUS的烧结钕磁铁作了进一步的改良,扭转强度提高了近80%,热阻也得到改良。
这种设计也使电动机无需冷却系统。
发明了一种有凸极集中绕组的可拆式定子结构并用于减小电动机的轴向宽度,如图6所示。
除此之外,从铜极引出的集中配电母线卡环(图7)可用于向定子两端线圈供电的线束固定,这使结构变得极简单紧凑。
这些改良得到了一个厚度仅60mm的极薄电动机,与传统技术相比在厚度减小了40%。
WavewindingSalientpolewinding
图6绕阻比较
图7电机的剖视图
6.3,镍金属氢蓄电池
镍金属氢蓄电池用于存储电力和为电动机辅助提供电力。
这是一种先进的蓄电池,它安装于HONDAEVPLUS电动汽车上,已经在高能蓄电池中取得了成就。
这种混合动力汽车蓄电池以稳定输出为特色,而不管蓄电池充电状态如何,且在应用中十分耐用。
蓄电池是20个模块的集成结构,每个模块包括以网格状串联的6个D型单电池,这120个1.2V的单电池全部以串联方式联结形成了总电池容量为144V的容量。
6.4,功率控制单元(PCU)
PCU精确控制电动机辅助/再生并向12V动力源提供动力,它具备内置冷却功能。
这就使其有一个轻型,有效紧凑的结构。
使用高效率冷却肋片和镁冷却套集成的风冷系统使重量显著减轻。
驱动马达的变压器是PCU内部最重要的元件,将开关元件集成为三相交流的单独模块,而在EVPLUS上都是分立的。
驱动电路最小分并以高密度集成为IC。
这些改良不仅使重量显著减轻,也改变了功率转化效率,甚至是采用高效相控驱动电动机降低了发热量,使其可以用轻型简单的风冷系统。
(图8)
图8CPU控制逆变器散热器方案
7,发动机
7.1,开发目标
为了在广泛的工况下获得低油耗以下四点作为开发主题:
1.热效率改善;
2.减小机械损失(与传统设计相比小10%);
3.减小尺寸和降低重量(同类产品中最轻);
4.EU2000标准的一半。
7.2,发动机总观及其规格
发动机规格如表格1所示,其主要新特色和他们的目的如表格2所示。
表1发动机规格
表2新技术目标
首先,配备IMA系统的汽车以接近1000cm3的排量为最佳,因此选择了3缸发动机以使燃烧室的面容比最小,并减小机械损失。
(图9)
7.3,油耗
由于在低转速时电动机辅助加强和VTEC发动机充足的峰值输出功率使得在电动机辅助动力系统中可以大大地减小发动机排量。
这款发动机的一个重要特色是通过稀燃技术而显著改善燃烧率。
采用了包括进气涡流口新气缸内强化涡流技术以达到这点,通过改良指示效率而获得的紧凑燃烧室和高压缩比对其也有帮助。
这导致了与传统稀燃发动机相比更短的燃烧时间,在更高的空燃比下使其在更稀的范围内燃烧,显著地降低了油耗。
这种强涡进气口和紧凑的燃烧室是在传统VTEC稀燃技术上的革新。
传统VTEC发动机中,涡流是靠在低速工况下关闭一个进气阀门产生的,然而在新发动机中进气阀和进气口被排列成竖直结构以在可燃物流向气缸时产生强涡流。
传统VTEC结构中进排气摇臂各由独立的摇臂轴支撑,如图10所示,新VTEC机构将其合成一根单独的摇臂轴,显著地减小了尺寸,还将气门角从460减小为300,容许强旋涡形气门及更紧凑的燃烧室。
图9发动机的侧视图
图10气缸的剖面图
7.4,减小机械损失
除了改良指示热效率,减小机械损失对改善燃油经济性也很重要,为了达到这个目标,采用了以下低磨擦技术。
同轴滚子VTEC机构;
活塞微波纹处理;
偏置气缸结构;
低张力活塞环;
连杆渗碳。
HondaS2000(大功率跑车发动机)同轴滚子VTEC结构(图11)技术向单凸轮轴VTEC机构的改进。
通过凸轮轴上的摇臂滑动区域使用滚针轴承可将凸轮轴驱动机构损失减小70%。
另外,将VTEC开关活塞加入滚针轴承内轴同时减小了尺寸与重量。
活塞微波纹处理由创造微波表面的活塞裙部处理组成,它提高了油膜抑制性能,使用低摩擦损失机油时将减小近30%的摩擦。
图11VTEC滚子剖面图
这些功效开发了和ILSAC标准相符的0W-20级低粘度油,其摩擦减小效用是发动机马达试验测量的,测试结果如图12所示。
现今发动机技术中,HTTS处于极限摩擦值进精度为2.5Mpa,同先进低摩擦发动机结合应用,极限值比当今的发动机低得多。
低摩擦技术大大地减小了发动机的总摩擦力,如图13所示。
总的来说,与传统1.0L发动机相比降低了10%以上。
表3机油特性
图12摩擦减小中的极限
图13发动机摩擦
7.5,减小重量
总观了发动机中几乎所有零件结构和材料,带着创造世界1.0L产品中最轻的发动机目的,减轻重量甚至延伸
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