一、混合動(dòng)力車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)優(yōu)化

1．傳統(tǒng)車(chē)用奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)

從混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力分配可見(jiàn)，混合動(dòng)力汽車(chē)在其運(yùn)行的大部分工況條件下依然依靠汽油機(jī)提供動(dòng)力，所以混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性很大程度上取決于其選用的汽油機(jī)。而傳統(tǒng)的汽油機(jī)常采用奧托(Otto)循環(huán)工作，由于其熱效率低、泵氣損失大、膨脹比小，具有怠速工況、部分負(fù)荷工況燃油消耗率高、后備功率大，不利于提高混合動(dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

具體原因包括：

(1)泵氣損失：節(jié)氣門(mén)在部分開(kāi)度時(shí)造成的節(jié)流，以及曲軸箱和進(jìn)氣管的壓差對(duì)活塞下行造成的阻力都會(huì)導(dǎo)致能量損失。采用節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)即使在高速行駛時(shí)也存在泵氣損失，只有在全力加速或爬坡時(shí)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)才不存在額外的進(jìn)氣管節(jié)流損失。

(2)膨脹比：發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率與膨脹比密切相關(guān)，膨脹比為排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)的氣缸容積與混合氣被點(diǎn)燃時(shí)氣缸容積的比值。膨脹比越高，轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的熱能越多。對(duì)于給定燃油辛烷值的汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統(tǒng)奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹比與壓縮比基本相同。

(3)過(guò)濃的混合氣：傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在需要增大動(dòng)力輸出時(shí)基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內(nèi)的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時(shí)也惡化了燃油經(jīng)濟(jì)性。

2．混合動(dòng)力車(chē)用阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

針對(duì)傳統(tǒng)奧托發(fā)動(dòng)機(jī)的以上缺點(diǎn)，具有高膨脹比的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中顯現(xiàn)出較好的優(yōu)勢(shì)。阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是在奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)循環(huán)行程的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)回流行程，即進(jìn)氣、進(jìn)氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖所示。

通過(guò)回流行程可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效排量f進(jìn)氣量)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)控制缸內(nèi)氣體質(zhì)量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

發(fā)動(dòng)機(jī)有效排量(進(jìn)氣量)的調(diào)節(jié)主要利用可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)(VVT)，采取推遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻與加大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(理論上可以取消節(jié)氣門(mén))使一部分在進(jìn)氣行程中已經(jīng)進(jìn)入氣缸的新鮮空氣被壓縮行程上行的活塞推回進(jìn)氣道，減少了缸內(nèi)氣體質(zhì)量。

在理想情況下，整個(gè)進(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)氣道和缸內(nèi)的壓力基本可以保持在大氣壓力，因此，在進(jìn)氣過(guò)程中活塞移動(dòng)不需要克服活塞兩端壓力差做功，這樣就減少了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣行程的泵氣損失和壓縮行程的壓縮功，如圖所示。

另外，在活塞壓縮行程中，進(jìn)氣門(mén)推遲關(guān)閉時(shí)刻才是壓縮行程的實(shí)際開(kāi)始點(diǎn)，這就使有效壓縮行程減小，而膨脹行程與奧托循環(huán)相似或稍長(zhǎng)(調(diào)節(jié)排氣門(mén)在下止點(diǎn)前延遲打開(kāi)再進(jìn)行等壓放熱，增加有效膨脹行程)，形成膨脹比大于有效壓縮比的效果，更大程度地將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率，降低燃油消耗。

同時(shí)有效壓縮比減小，使缸內(nèi)燃燒溫度降低，有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比（豐田第三代普銳斯2RZ—FXE阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何壓縮比提高到13:1)，等于提高了膨脹比，使發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率得到提高。

圖所示為1.6L奧托汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)后的外特性圖，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比，在轉(zhuǎn)速低于3500r/min的中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，動(dòng)力性略有下降，外特性扭矩降幅為1.8％～4.3％，在轉(zhuǎn)速高于3500r/min的中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩基本相同；功率與原機(jī)相比，只在低于3500r/min的中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)功率略有降低，降幅不超過(guò)4.3％，在高于3500r/min的中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，功率基本相同，在5500r/mini工況點(diǎn)處，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比功率升高3.2kW，增幅為3.9％；有效燃油消耗率對(duì)比，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)除5000r/mini工況點(diǎn)處有效燃油消耗率比原機(jī)相比升高2.1％外，其余工況有效燃油消耗率均得到了明顯改善，最大降幅在3500r/minq工況點(diǎn)處，達(dá)到了9.1％，外特性不同轉(zhuǎn)速下平均有效燃油消耗率改善率達(dá)到了4.5％以上。

對(duì)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)萬(wàn)有特性有效燃油消耗率對(duì)比曲線如圖所示。

阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)相比相同等油耗線更為平緩且覆蓋面積更大。其中2509/(kW/h)等油耗線區(qū)域與原機(jī)相比擴(kuò)大了一倍以上，其覆蓋范圍包括了1250r/min至3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍與83Nm～130Nm的扭矩范圍，幾乎與原機(jī)2609/(kW·h)等油耗線覆蓋區(qū)域重合，乘用車(chē)常用工況均在2509/(kW·h)等油耗線區(qū)域范圍之內(nèi)。而原機(jī)2509/(kWh)等油耗線覆蓋范圍僅為2000r/min～3250r/min的轉(zhuǎn)速范圍與110Nm～135Nm扭矩范圍這塊較小區(qū)域。

阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)雖然具有較高的熱效率，但是，由于部分進(jìn)入缸內(nèi)的空氣被上行活塞推回進(jìn)氣道，降低了充氣系數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)低速、小負(fù)荷時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩下降。而混合動(dòng)力技術(shù)可以彌補(bǔ)這一缺陷，即在低速、小負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)，可使用“動(dòng)力蓄電池+電機(jī)”的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，充分發(fā)揮如圖所示的電機(jī)工作特性場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。

避開(kāi)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低速、小負(fù)荷動(dòng)力不足的缺陷。使發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在中高速下，充分發(fā)揮了阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，提高了整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分負(fù)荷范圍內(nèi)(小負(fù)荷除外)，由于節(jié)氣門(mén)開(kāi)度加大，節(jié)流作用減小，不存在額外的泵氣損失，高膨脹比又提高了燃油的做功能力。在需要提供大輸出功率時(shí)，混合動(dòng)力汽車(chē)通過(guò)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池組輸出能量，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，避免傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)濃混合氣提高輸出功率的缺陷。由此說(shuō)明阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車(chē)的理想發(fā)動(dòng)機(jī)。

3．優(yōu)化混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線

混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率耦合，為得到動(dòng)力與有效燃油消耗率更好的萬(wàn)有特性曲線，在其所限制的工況區(qū)域?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力匹配進(jìn)行優(yōu)化。

例如，豐田1997年推出第一代普銳斯和2004年推出第二代普銳斯，都搭載1NZ—FXE的1.5L汽油機(jī)，最大功率分別為53kW和157kW，最大轉(zhuǎn)矩均為115Nm，壓縮比為13:1，最低有效比油耗2309/kW·h，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以稱(chēng)為豐田第一代混合動(dòng)力汽油機(jī)。

2009年豐田又推出第三代普銳斯，搭載2ZR—FXE的汽油機(jī)，排量改為1.8L，最大功率73kW，最大轉(zhuǎn)矩142Nm，最低有效比油耗2209/kW·h，壓縮比仍然是13：1，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以稱(chēng)為豐田第二代混合動(dòng)力汽油機(jī)。兩代混合動(dòng)力汽油機(jī)均采用了阿特金森循環(huán)。

如圖所示為豐田兩代混合動(dòng)力汽油機(jī)的燃油消耗經(jīng)濟(jì)區(qū)對(duì)比，圖中紅色實(shí)線和藍(lán)色實(shí)線分別代表豐田第一代1.5L混合動(dòng)力和第二代1.8L混合動(dòng)力汽油機(jī)運(yùn)行的最佳油耗線。從圖中可以看到：1.8L汽油機(jī)的230g/kW·h油耗比l.5L汽油機(jī)更寬廣；1.5L汽油機(jī)由于受到最大輸出功率的限制，當(dāng)整車(chē)需要輸出大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)超出最佳油耗區(qū)，而采用1.8L汽油機(jī)，其工作點(diǎn)依然能保持在最佳油耗區(qū)域內(nèi)，而轉(zhuǎn)矩和功率都有很大的提高。

二、混合動(dòng)力車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)

1．可變氣門(mén)正時(shí)控制系統(tǒng)(VVT—i)

阿特金森循環(huán)通過(guò)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其一是對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以達(dá)到在不同的工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合適可變的進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻．來(lái)控制缸內(nèi)燃油混合氣的量，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷：其二是發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)．控制系統(tǒng)要能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排放等關(guān)鍵參數(shù)來(lái)控制進(jìn)氣門(mén)的配氣正時(shí)量以及燃油噴射的量以達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的全面控制。

因此對(duì)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)可變進(jìn)排氣定時(shí)，達(dá)到控制負(fù)荷和膨脹比。

如圖所示是豐田2RZ-FXE(阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī))和2RZ—FE(奧托發(fā)動(dòng)機(jī))發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位圖?？梢?jiàn)阿特金森循環(huán)進(jìn)氣門(mén)從下止點(diǎn)后40°到102°的延遲關(guān)閉的范圍。采用電子控制的VVT-i系統(tǒng)利用油壓來(lái)調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角，對(duì)進(jìn)氣門(mén)配氣正時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以獲得最適合發(fā)動(dòng)機(jī)工況的氣門(mén)正時(shí)，VVT-i系統(tǒng)控制如圖所示。

VVT-i系統(tǒng)的構(gòu)造部件包括調(diào)整進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)角的VVT-i控制器和控制機(jī)油流向的凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥，如圖所示。

VVT-i控制器由定時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)的外殼和固定在凸輪軸上的葉片組成。來(lái)自進(jìn)氣凸輪軸提前或延遲側(cè)的通道轉(zhuǎn)送的液壓油使VVT-i控制器的葉片沿圓周方向旋轉(zhuǎn)，從而連續(xù)不斷地改變進(jìn)氣門(mén)的配氣正時(shí)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸被調(diào)整(移動(dòng))到最大延遲狀態(tài)以維持啟動(dòng)性能。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，油壓還未立即輸送的VVT-i控制器時(shí)，鎖銷(xiāo)便鎖定VVT—i控制器的作動(dòng)機(jī)械部件以防止撞擊產(chǎn)生噪聲。凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥是接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸出的占空比電流，選擇流向VVT-i控制器的液壓油通道，VVT-i控制器利用液壓油使進(jìn)氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)到提前、延遲或保持的進(jìn)氣配氣正時(shí)該當(dāng)位置。

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門(mén)位置和冷卻液溫度計(jì)算出各種運(yùn)行條件下的最佳氣門(mén)正時(shí)以便控制凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥，并且ECU根據(jù)、據(jù)凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器信號(hào)計(jì)算出實(shí)際氣門(mén)正時(shí)相位，進(jìn)行反饋控制達(dá)到目標(biāo)氣門(mén)正時(shí)。

(1)提前

由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥所開(kāi)啟的通道位置，如圖所示的狀態(tài)時(shí)，液壓油作用于氣門(mén)提前側(cè)的葉片室，使進(jìn)氣凸輪軸向氣門(mén)正時(shí)的提前方向旋轉(zhuǎn)。

(2)延遲

由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制的凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥的所開(kāi)啟的通道位置，如圖所示的狀態(tài)時(shí)，液壓油作用于氣門(mén)延遲側(cè)的葉片室，使進(jìn)氣凸輪軸向氣門(mén)正時(shí)的延遲方向旋轉(zhuǎn)。

(3)保持

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行處理，計(jì)算出目標(biāo)氣門(mén)正時(shí)角度，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)氣門(mén)正時(shí)以后，凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥關(guān)閉油道來(lái)保持油壓，如圖所示的狀態(tài)，保持當(dāng)前氣門(mén)正時(shí)狀態(tài)。

2．電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)(ETCS—i)

ETCS—i是使用計(jì)算機(jī)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的系統(tǒng)。ETCS—i系統(tǒng)組成如圖所示，包括加速踏板位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和節(jié)氣門(mén)體。

節(jié)氣門(mén)體的結(jié)構(gòu)如圖所示。

節(jié)氣門(mén)體包括控制進(jìn)氣量的節(jié)氣門(mén)、檢測(cè)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度狀態(tài)的節(jié)氣門(mén)位置傳感器、打開(kāi)或關(guān)閉節(jié)氣門(mén)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、使節(jié)氣門(mén)返回固定位置的回位彈簧。節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)采用了反應(yīng)靈敏度高、耗能小的直流馬達(dá)。

節(jié)氣門(mén)位置傳感器由霍爾元件和可繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵制成的霍爾IC構(gòu)成，磁鐵安裝在節(jié)氣門(mén)軸上，與節(jié)氣門(mén)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，磁鐵也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變位置，使磁通量發(fā)生變化，霍爾IC因磁通量變化從VTA1和VTA2端子輸出霍爾效應(yīng)電壓，此電壓信號(hào)被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU作為節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)。

此傳感器不僅能精確檢測(cè)節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟程度，還采用了無(wú)接觸方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易發(fā)生故障。而且，為了保證傳感器的可靠I生，還具有不同輸出的兩個(gè)輸出信號(hào)的冗余設(shè)計(jì)，如圖所示。

霍爾型加速踏板位置傳感器的構(gòu)造和工作原理同霍爾型節(jié)氣門(mén)位置傳感器基本相同，為確保元件較好的可靠性，兩個(gè)輸出信號(hào)都有各自的電路構(gòu)成，如圖所示。

常規(guī)機(jī)械連接的節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)中，節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉是由從加速踏板到節(jié)氣門(mén)體之間的一根油門(mén)拉索來(lái)控制。在ETCS—i系統(tǒng)里，油門(mén)拉索已被廢除，而是根據(jù)加速踏板的踩壓量大小，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU使用節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)柔性控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

尤其是在混合動(dòng)力汽車(chē)上，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及低負(fù)荷停止工作，使得節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度與加速踏板位置已是非線性關(guān)系，而是由混合動(dòng)力系統(tǒng)HV-ECU根據(jù)駕駛員的操作信息，例如，加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置、擋位、空調(diào)工作狀態(tài)、SOC狀態(tài)、減速與加速等信息。

這些信息通過(guò)多路通信傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，ECU將這些信息計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)當(dāng)前曲軸位置、凸輪軸位置、進(jìn)氣充量、冷卻液溫度和節(jié)氣門(mén)位置等信息對(duì)節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角期望值進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門(mén)的最佳開(kāi)度，并且換算成節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流矢量，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)或維持。

然后通過(guò)減速齒輪打開(kāi)或關(guān)閉節(jié)氣門(mén)，節(jié)氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)啟角由節(jié)氣門(mén)位置傳感器檢測(cè)并反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，形成閉環(huán)的節(jié)氣門(mén)位置控制。當(dāng)沒(méi)有電流流向馬達(dá)時(shí)，節(jié)氣門(mén)回位彈簧使節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟在大約7°的固定位置。

ETCS—i系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩有兩條可供選擇的路徑，如圖所示。

一條是漸進(jìn)反應(yīng)路徑，它受節(jié)氣門(mén)(帶ETCS—i)觸發(fā)控制，快速控制點(diǎn)火正時(shí)和/或停止噴油。另一條是較慢的路徑，也被稱(chēng)為充量(進(jìn)氣量)控制路徑，是針對(duì)平穩(wěn)的操作。對(duì)一個(gè)給定的扭矩計(jì)算得出的充量要求決定汽缸進(jìn)氣量，然后將這個(gè)充量轉(zhuǎn)換成節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。

如圖所示給出了發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行模式與加速踏板角度和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度曲線。

對(duì)于帶有扭矩激活傳動(dòng)系控制縱向力加速度的車(chē)輛，采用節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟角度小于或大于加速踏板的踩壓角度，改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟速率，以便于車(chē)輛的縱向加速度逐漸上升，來(lái)達(dá)到平穩(wěn)的車(chē)輛加速行駛，如圖24所示ETCS—i系統(tǒng)控制車(chē)輛傳動(dòng)系扭矩曲線圖。

ETCS—i失效保護(hù)功能，如果發(fā)動(dòng)機(jī)ECU檢測(cè)到ETCS—i系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它將點(diǎn)亮組合儀表上的故障指示燈以通報(bào)給駕駛員。例如，加速踏板位置傳感器信號(hào)或節(jié)氣門(mén)位置傳感器信號(hào)輸出電路中的冗余電壓出現(xiàn)反常差別時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU都會(huì)將車(chē)輛轉(zhuǎn)換到跛行模式(故障慢行模式)。

加速踏板傳感器故障跛行模式控制中，使用剩余一條電路輸出電壓來(lái)計(jì)算加速踏板位置的開(kāi)啟角度，并將車(chē)輛在節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟角度大于正常值的有限條件下行駛。節(jié)氣門(mén)位置傳感器故障跛行模式，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)切斷驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的控制電流，這時(shí)由回位彈簧將節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟到固定的位置，而噴油量和噴射時(shí)間都由加速踏板位置信號(hào)來(lái)控制。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率受到很大限制，但車(chē)輛仍能行駛。

3．廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)(EGR)

廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas RecircuIafion，EGR)是將一部分內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣重新導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，與新鮮充量混合后～同進(jìn)入汽缸，再次參與缸內(nèi)燃燒，這項(xiàng)技術(shù)主要用來(lái)降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，抑制NOx的生成與排放。而對(duì)汽油機(jī)而言，引入EGR還能夠在部分負(fù)荷下降低泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

EGR系統(tǒng)的分類(lèi)有很多種。根據(jù)廢氣進(jìn)入汽缸是否通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，EGR可以分為外部EGR系統(tǒng)和內(nèi)部EGR系統(tǒng)。內(nèi)部EGR循環(huán)是通過(guò)可變氣門(mén)正時(shí)機(jī)構(gòu)改變配氣相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體構(gòu)造，但其對(duì)EGR率的控制非常困難。外部EG R循環(huán)是在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝外部管路，將廢氣從排氣管引入進(jìn)氣系統(tǒng)，中間還需加裝冷卻系統(tǒng)、EGR閥等，結(jié)構(gòu)雖然相對(duì)復(fù)雜，但是可以通過(guò)電控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)EGR率。

如圖所示為EGR系統(tǒng)廢氣循環(huán)示意圖。

發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒后排出的廢氣中氧含量極低，近乎為零，因此排出的廢氣與新鮮空氣充量混合后會(huì)使總的進(jìn)氣中氧氣濃度降低，這樣比空氣的合氧量還低的進(jìn)氣充量在缸內(nèi)燃燒會(huì)使燃燒速率下降、最高燃燒溫度降低，從而破壞了NOx生成的條件，抑制了NOx的生成。

另外試驗(yàn)結(jié)果表明，與不引入EGR的缸內(nèi)燃燒相比，EGR中高比熱容的C02和H20會(huì)大量吸收缸內(nèi)燃燒釋放的熱量，如果兩種情況中燃燒釋放的熱量相同，那么引入EGR的缸內(nèi)燃燒的最高燃燒溫度必然降低。

同時(shí)EGR中的二氧化碳、水以及N2等成分基本不參與燃燒，引入EGR相當(dāng)于稀釋了總的進(jìn)氣充量，這樣導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒放熱率減緩，同樣使得最高燃燒溫度下降。EGR通過(guò)以上兩個(gè)方面的綜合作用抑制了NOx的生成與排放。

EGR不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性，還影響經(jīng)濟(jì)性。例如豐田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下引入冷卻廢氣再循環(huán)，一方面降低缸內(nèi)燃燒溫度，提升大負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性，從而降低油耗：另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在大負(fù)荷工況工作，排氣溫度偏高，利用冷卻EGR也可以降低排氣溫度，原來(lái)阿特金森循環(huán)技術(shù)可使油耗降低85％，冷卻EGR技術(shù)可使油耗在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低1.7％。

三、減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失技術(shù)

圖所示為豐田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)示意圖。

豐田采用電動(dòng)水泵替代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)械水泵，并由電機(jī)操縱冷卻液流循環(huán)，實(shí)現(xiàn)不同工況下對(duì)冷卻液流量的自由控制，在高負(fù)荷工況下增加流量增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果。

由于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在中高負(fù)荷，其缸內(nèi)負(fù)壓相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)較小，加上1.8L汽油機(jī)在相同的輸出功率時(shí)相比1.5L汽油機(jī)轉(zhuǎn)速更低，因此豐田適當(dāng)減小了活塞環(huán)壓緊力，最終使得1.8L汽油機(jī)機(jī)械損失比1.5L汽油機(jī)減小了26.8％，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失構(gòu)成及減少量如圖所示。

在排放后處理方面，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)工況及高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，豐田利用電動(dòng)水泵減少冷卻液流量，利用排氣熱量回收系統(tǒng)收集排氣余熱對(duì)催化劑進(jìn)行快速預(yù)熱，優(yōu)化排放性能，縮短暖機(jī)時(shí)間，降低冷啟動(dòng)油耗，使整車(chē)在冬天的燃油經(jīng)濟(jì)性提高19％。

審核編輯：湯梓紅