丰田第四代混动系统-16年4月刚发布的改进设计及数据和图片,攻城狮们必看

1、 前几天车叔有幸在底特律参加了 SAE 2016 年会。3 天的会议里，有关混动的技术文章会议持续了 2 天半，而且被安排在了一个比较大的会议厅，可见如今业界对混动系统的重视程度。各家车企都发布了一些技术更新，其中最引人注目的还是主要来自日本的两田以及通用汽车。车叔花了不少时间在丰田的技术文章的讲座，几乎每场都爆满。丰田的展台也把重点主要放在了混动技术（第四代普锐斯）和燃料电池（Mirai）。能力有限，瑕疵和不完善在所难免，各位雅正。抛砖引玉，希望能引起大家的讨论。这里要声明的是，以下的内容主要基于丰田发布的 SAE 文章。车叔在文章最后列出文章编号，有兴趣的读者可以在 SAE 网站购买阅读。

2、新一代的前轴传动系统（P610 ）相比前一代（P410 ）长度缩短了 47mm ，主要得力于两个电机位置的变化。整体的重量也降低了 6.3%。在前代 THS （Toyota hybrid syste）m 中（P410 ），除了用于分配动力的行星齿轮组，在 MG2中还有一组行星齿轮用于减速（行星架始终锁止），这样连接太阳轮的 MG1 在更高的车速下（相比于第一代第二代 P112/P111 ）才会达到极速而启动发动机。在之前的三代中，发动机和MG1 在动力分配行星齿轮组同一侧，MG2 在另一侧，三者同轴。最新的第四代 THS ，MG1 （太阳轮）和发动机（行星架）依旧同轴，但是分别在行星齿轮组两侧

3、。MG2 不再同轴，其内部行星齿轮组被移除，而是通过一个逆向从动齿轮减速与行星齿轮组的圈尺结合。这个同时与圈尺和 MG2 咬合的从动齿轮轴上还有一个小直径齿轮与差速器咬合。这样整套设备中一共有四个平行轴（MG1/ 发动机，从动减速齿轮，MG2 和差速器）轴长得到了降低。但是，新的设计还是不能解耦发动机和电动机，所以并没有能去除纯电行驶时 MG2 反拖 MG1 发电的情况。1图 ：结构设计及长度对比2前面提到的新驱动桥结构结构中，双咬合齿轮拥有更大的减速比，这样可以使用转速更高，但是最大扭机较小的电机。这样的电机体积可以更小，使得平行轴结构的驱动桥相比上代宽度并没有增加。更大的减速比也意味着发动

4、机可以更晚进入连续运作工况。发动机间歇运作的最高速度增加到了110km/h 。发动机间歇运作是指在一定的速度范围内，MG2 自己足够提供动力，在非加速时（定速巡航或者减速），发动机可以熄火减少油耗。对于驾驶感受，丰田在文章中提到了rubber band的感念，也就是说油门踏板深度和实际加速感以及驾驶者对发动机转速感受的同步性。新一代的普锐斯，在深踩油门时，相对比于上一代，发动机的转速提升被抑制，更多的电池动力（电动机）在这个阶段被释放。这样就减弱了驾驶者听到了转速提高但是车子不加速的感觉 。新的电机重量降低了 21% 。采用了分段式分布绕组，铜线从圆形换成了方形提高填充率。更短的铜线降低了铜耗

5、。为了应对高转速，转子的矽钢片两侧采用了锁止螺母进行固定。通过对磁路的改进，永磁位置的调整，电机的磁阻扭力得到了提升，并且转子磁感线分布更趋近于正弦型，降低高阶谐波带来的铁损。更小厚度的矽钢片和新永磁材料降低了涡流损耗。新的电机总体损耗减少了 20% ，永磁量降低了 15% 。功率控制单元（Power control unit）的整体尺寸降低了 33%，从而可以直接安装在变速驱动桥上部，同时也使得 12V 电池从后备箱已到了引擎舱。每组的 IGBT 和二极管封装在一起，并采用双面冷却。整体尺寸降低了 22%。图 ：控制单元3 新一代普锐斯动力电池有镍氢和锂电池两种选择（锂电池不再仅限于插电版）

6、。新的技术减小了电池尺寸和重量，能够将其放在后排座位之下，不仅有助于降低车辆重心而且节省出更多的后备箱空间。从第三代开始，普锐斯开始使用 1.8L 自然吸气发动机替代之前的 1.5L 发动机。新一代的发动机依然为 1.8L （ESTEC2ZR-FXE）（Economy with SuperiorThermal Efficiency Combustion），是基于第三代的 2ZR-FXE 发展而来，有着相同的最大扭矩（142Nm）。虽然最大功率略微降低（73kW 72kW），丰田称其是业界首台热效率达到 40%的汽油机。为了达到这样的热效率，丰田首先提到了冷却废气循环（cooled EGR），以

7、更低缸内温度来减少爆震。然而 EGR 的混合率极限受限于燃烧速度。为了达到更快的燃烧速度，活塞顶的几何设计做了优化，减少其对进气滚流的影响。另外丰田着重介绍了对进气道与气门以及气缸顶部平面的角度的优化设计。通过选择合理的进气角度，增加排气门方向的气流（图中红色箭头），减少另一个方向的气流（图中绿色箭头），滚流增加了 10%，从而达到了更快速地燃烧。两角之和在 90 度，2 角在 50 度时最优。具体分析请参见文章。图 ：燃烧室设计及进排气道角度4关于气门正时，发动机和上代一样使用阿特金森循环，进气门延迟关闭时间点保持相同，但是进气打开时间点略微推后。丰田称，更短的进气门打开时间可以让气门正时调

8、整更加灵活，来最大化冷却 EGR 的效果。同时排气门的打开和闭合时间点都有延长，用来降低排气泵气损失和加强扫气效果。进气歧管中，EGR 被单独输送到每个气缸的进气道。通过对支管长度和管径的设计，使到达每个气缸的循环废气量差别在 1% 以内。这是非常精准的控制了。车叔看到的 ABB 的发动机都没有这样的控制精度。排气歧管方面，催化器更靠近引擎以改善冷启动性能。这种布局现在近几年已经成为趋势。虽然会给排气歧管的布局带来一定损失，但是整体的驾驶循环排放会改善很多。一般来说能够带来的好处是大约 10-20 度左右的催化器入口温度。新一代的发动机拥有双冷却回路，一个用于发动机本身，另一个用于排气热能回收

9、和座舱的暖风，由系统中的一个节流阀门来控制冷却回路的选择。在冷启动时，阀门关闭，一部分冷却液流入排气热回收系统和暖风器回路，而流入发动机内部的冷却液不能并入前一个回路，而是直接流向散热器（是否有流动取决于节温器打开与否），发动机冷却液的流动得到限制，加快热机。此时两个循环是并联关系。热机结束后，节流阀打开，发动机的冷却回路与暖风器回路串联合并（热能回收系统关闭，排气不再加热冷却液），使发动机冷却液流动增大，确保冷却效果。热能回收系统是将发动机冷却液与高温排气进行热交换，加速暖机过程。这项功能特别是在冬季不但能节油还能使座舱暖风更快送出。丰田这次对排气热回收系统中的热交换器内部结构进行了改善热效

10、率，进一步降低热机时间。并且热交换器的重量减少了 20% ，内部冷却液容量降低了 80% 。这对发动机热响应速度带来巨大帮助。在气缸的冷却液流道中，丰田利用一个水套隔片为每个气缸的中下部包裹了一层 EXPAD 发泡橡胶。这样在气缸的上部获得足够的冷却降低爆震可能性的同时，中下部可以得到有效的保温来降低摩擦。排气侧的水冷通道贯穿整个缸盖截面，这样既增大了冷却效果减少爆震可能，也降低了冷却通道的流动阻力。另外，缸孔间的金属部分，增加了一个 V 型的冷却道，也有助于降低缸壁温度。图 ：缸壁温度改善5图 ：冷却道设计及EXPAD保温层6 图 ：排气侧冷却道7首先，油泵的转子形状得到了改进，增加了 20% 的排量，使得发动机可以使用低粘度机油，降低了泵油损耗。曲轴的轴承瓦片表面的旋转方向上增加了精密的沟槽，旋转时可以产生负压把机油保持在轴承里，这样也可以增加里面机油的温度，降低摩擦。活塞连杆的轴承和气门摇臂都降低了宽度减少摩擦面积。气门机构使用了蜂窝型弹簧（上窄下宽）。另外