4月26日,北京车展E1馆E107奇瑞展厅,一场别开生面的物理课正在举行。搜狐创始人、董事局主席兼CEO、物理学博士张朝阳和奇瑞集团董事长尹同跃,就混动技术的物理学原理和工程学应用,联袂奉献了一场精彩的“硬核碰撞”。现场的听众不仅有北大清华等重点高校的学生,更吸引到了刚刚跨入造车圈的互联网大咖——雷军先生。
这场讨论因何而起?二位大咖又分享了哪些干货呢?不妨一起回顾一下!
理论派:从卡诺循环到米勒循环的前世今生
在逛北京车展的过程中,张朝阳博士认为许多用户对现阶段的纯电车型还有低温焦虑、里程焦虑等问题,因此更倾向于选择混动产品。而混动技术方面,奇瑞是其中的佼佼者,这也是其混动技术特别值得探讨的原因。
探讨混动技术,需要从混动系统的两大动力源——发动机和电机入手,看看它们各自有哪些所长与短板,又各自如何发挥出其最极致的优势。
对发动机而言,工程师一直将追求极致的效率作为研发的重要目标,这其中,就涉及到一些热力学的基本物理原理。
在所有的热机循环中,卡诺循环被认为是最理想的循环,它是由一个等温吸热,一个绝热膨胀,一个等温放热和一个绝热收缩过程组成,这是从外部热源吸热并向低温热源放热同时做功最高效的方式。但卡诺循环无法控制热机的等温膨胀收缩部分的时长,很难根据载荷和速度需求输出相应的动力,所以只是作为一个理论值的参考,在实际工程领域的应用价值非常有限。
后来工程师又提出奥托循环,以及相应的四冲程内燃机模型。在奥托循环中,卡诺循环里的等温吸热过程被油气混合物快速燃烧替代,等温放热的过程则被一个排气和进气的过程替代,从而提高了循环过程的时间效率,可以满足内燃机高转速及动力调节的需求,使其具有实际工程应用的意义。
根据张朝阳博士的现场推导,在特定的工质气体中,奥托循环的效率与奥托循环初末段气体体积之比有关。以空气作为工质气体,压缩末段是初段空气体积的1/10(即普通发动机10倍压缩比计),其热能转化为机械能的效率理论上限不超过60%。
而接下来,工程师们研究的重点,就是在成熟的四冲程模型下,如何对奥托循环做出调整,从而提高内燃机效率。工程师又提出了一种米勒循环,即让活塞还没完成进气行程时,就把进气阀门提前关闭,而不是像奥拓循环那样等到活塞开始压缩再关闭进气阀门。它改变了压缩过程中绝热压缩的起始点位置,如果以P-V关系图看,有效功的面积有所增加,从而使发动机整体的热效率提升。
直观的原理解释是,米勒循环通过进气门提前关闭,产生一种做功行程大于压缩行程的循环方式,这样可以使压缩阻力做功减小,从而使整个循环中,以同等的热能输出更多有效的机械功。
但这也带来了一个额外的问题,进气门早关会导致汽缸内气体量不足。如果要达到合适的空燃比,必须在每个循环中喷射更少的油量,也就意味着虽然效率提升,但每个循环输出的机械功绝对值不高。在高转速下,发动机的功率可以通过更高的做功频率做出弥补,但是在低转速的状态下,扭矩、功率都会偏低,并不适合直接用于驱动车辆,这便是米勒循环的特点与优劣势所在。
话分两头,再谈到混动系统的另一大动力来源——电机。电机具有起步即达峰值扭矩的特点,非常适用于静止状态的加速与动力响应。但是随着电机内的导线切割磁感线速度不断增加,产生的磁通量变化率也相应提升,从而在导线内部产生了一个有削弱电流趋势的动生电动势,阻碍了电机在高转速下的动力进一步输出,表现为电机在高转速下,会给驾驶者动力不足的感受。
工程派:奇瑞C-DM插电混动“油电双修”
张朝阳博士从热力学和电磁学角度,深入浅出地分析了发动机和电动机在作为动力源时,各自的优劣势所在。而工程师所需要思考的,便是如何将二者完美结合,扬长避短,从而实现动力和能耗的“双优”。接下来,尹同跃董事长对奇瑞C-DM插电混动系统的介绍,很好地阐释了这个问题。
根据尹总的介绍,奇瑞C-DM插电混动系统由一台发动机和两台功率不同的电机构成,两台电机既可以用于充电,亦可将动力输出给车轮用于驱动。这其中,无论是发动机还是电机,奇瑞都做到了极致。
首先是发动机本身,以奇瑞第五代ACTECO主力机型——H4J15 1.5T发动机为例,采用深度米勒循环和14.5:1超高压缩比等一系列先进技术,其热效率高达44.5%,相较尹总在求学时行业普遍只有9%热效率的水平,提升了近5倍。
这还不是奇瑞发动机研发能力的极限,接下来,奇瑞将挑战48%的超高热效率,推出一款“全可变”的发动机,包括可变排量,可变行程,可变气门等一系列技术的应用,使汽油燃烧产生机械能的效率,被进一步压榨到极致。
同时,朝着极致燃油经济性目标研发的混动发动机,需要与电机完美配合,才能真正让用户无论是城市出行还是高速行驶,都能感受到畅快舒适的动力体验。
启动混动模式后,在低速状态下,由电机驱动车轮,发动机在非直联状态下始终工作在万有特性图的高效区间内,为电池充电,电机还可以回收制动时轮端传递的动能,将能量储存以备激烈驾驶所需;而在上坡或加速过程中,两台电机也可以为发动机“加把劲”,既保证动力输出,又让这台高效的发动机依然保持在高效工作区间;到了高速工况下,本身已运行在高效区间的发动机又可以直驱车轮,弥补电机此时动力性的不足,做到中后段加速有力。
此外,奇瑞C-DM驱动电机本身,还有左右轮矢量控制、方型铜线、X-pin绕阻等一系列黑科技傍身,未来,奇瑞还将挑战拥有极致功率密度的30000rpm超高转速电机。
总结而言,奇瑞C-DM混动技术,本身拥有性能出众的两大核心动力源,同时还对11种常见工况进行了精细化的调校,结合超长的纯电续航里程,将动力充沛且低成本的用车体验覆盖了用户绝大部分出行场景,是当前纷繁复杂的市场中,不可多得的出色插电混动系统。
理论赋能实践,中国汽车“轻舟已过万重山”
物理课的现场,小米科技有限公司创始人兼董事长雷军先生,作为特殊的“课代表”,在课程结束时发表了一番自己的感慨。
作为从事互联网行业起家同时刚刚入局汽车行业的创业者,雷军先生对张朝阳博士互联网创业者兼物理知识布道者的双重身份,表达了敬意。同时他还认为,以奇瑞为代表中国的车企做出了许多努力,他对中国的汽车工业倍感信心。相信接下来,中国车企会继续在擅长的领域内深耕,同时加强合作,推动整个行业进步。
正是无数个像张朝阳博士一样的传道者,培养出大批理论知识扎实的高素质工程人才,并由奇瑞等一批领军企业进行大规模技术研发投资,不断探索技术理论最佳的实践方式,中国今天的新能源技术、混动技术,才得以在全世界范围内独占鳌头。
这次别开生面的“物理课”,相信会给在座的高校学子以及在互联网上观看的青年观众们,留下深刻的印象。薪火相传,相信中国的汽车工业,会持续传承,不断开拓进取,回首望,“轻舟已过万重山”。
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