混合動(dòng)力乘用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇及其關(guān)鍵技術(shù)分析(一)

◆文/江蘇 高惠民

在能源和環(huán)境危機(jī)雙重壓力下，汽車行業(yè)逐漸從傳統(tǒng)燃油汽車向節(jié)能汽車與新能源汽車轉(zhuǎn)型，電動(dòng)化已經(jīng)成為汽車行業(yè)公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，由于動(dòng)力電池在成本、能量?jī)?chǔ)存及安全性能等方面的短板，極大限制了純電動(dòng)汽車(BEV)的發(fā)展，在這樣的背景下，混合動(dòng)力乘用汽車(以下稱混合動(dòng)力汽車HEV)仍將在中長(zhǎng)期內(nèi)占據(jù)節(jié)能及新能源汽車市場(chǎng)的主要份額。

混合動(dòng)力系統(tǒng)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上不同工作原理的動(dòng)力源組成，可以將不同動(dòng)力源組合在一起用于驅(qū)動(dòng)車輛的系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，就是充分利用電機(jī)的發(fā)電和電動(dòng)特性，采用合理的轉(zhuǎn)矩分配控制，使車用發(fā)動(dòng)機(jī)能始終處于或接近最佳工況區(qū)運(yùn)行，提高了能量利用效率，降低油耗和排放。如豐田THS系統(tǒng)的(電機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛)混合動(dòng)力汽車百公里油耗比同車型降低50%以上。混合動(dòng)力系統(tǒng)潛力的發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)在于，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的協(xié)調(diào)控制，整車綜合控制器(HV—ECU)需要根據(jù)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、剩余電池電量(SOC)以及道路等綜合信息，確定工作模式，實(shí)時(shí)分配電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩。另一方面在發(fā)動(dòng)機(jī)的選型上，大多數(shù)采用高膨脹比循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和及其軟硬件，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有很大提高。

一、混合動(dòng)力汽車的節(jié)能

1.車輛工況能耗分析

傳統(tǒng)汽車由單一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，所有動(dòng)力均來自發(fā)動(dòng)機(jī)，使得按最高車速、最大爬坡及極限加速性等動(dòng)力性要求設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，與整車一般行駛工況下的功率需求之間存在較大差別。在設(shè)計(jì)某些傳統(tǒng)汽車時(shí)，為保證其加速和爬坡性能，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率定為車輛以100km/h在平路上行駛時(shí)需求功率的10倍，或者是在6%坡度上以100km/h行駛時(shí)需求功率的3～4倍。因此，傳統(tǒng)汽車勢(shì)必存在著發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間是以輕載、低負(fù)荷工作的問題，即出現(xiàn)“大馬拉小車’的動(dòng)力冗余的現(xiàn)象。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工作時(shí)的效率與排放性能極差，會(huì)造成整車燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性能的惡化。有針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)轎車典型循環(huán)工況的油耗特性(循環(huán)工況是表征某個(gè)國(guó)家或地區(qū)道路交通狀況的代表工況，代表著與當(dāng)前此種車型實(shí)際工況相近的工況特性)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩在40N·m(負(fù)荷約為30%)以下，轉(zhuǎn)速在1 200r/min(最高車速的20%)以下的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在不同工況下的時(shí)間比例和所消耗的燃油比例如表1～表4所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)低負(fù)荷分析(中國(guó)商用循環(huán)工況)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)低負(fù)荷分析(NEDC工況)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)低負(fù)荷分析(1015工況)

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)低負(fù)荷分析(UDDS工況)

中國(guó)商用車循環(huán)工況的時(shí)間比例為87.4%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?4.2%。NEDC工況的時(shí)間比例為72.3%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?8.9%。1015工況的時(shí)間比例為73.2%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?6.0%。UDDS工況的時(shí)間比例為73.1%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?4.4%。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工作的時(shí)間比例非常大，這些低負(fù)荷工況主要對(duì)應(yīng)于怠速與低速制動(dòng)的時(shí)間。在此過程發(fā)動(dòng)機(jī)主要以怠速消耗率運(yùn)行，其燃油消耗速度(即發(fā)動(dòng)機(jī)噴油率)低于其他工作區(qū)域，因此，雖然此區(qū)域的累計(jì)消耗燃油量占總?cè)加拖牧康谋壤蝗缙鋾r(shí)間比例大。但同樣由于累計(jì)燃油消耗是燃油消耗率與時(shí)間的乘積，所以該過程也消耗較多的燃油，例如，NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)在低速與低負(fù)荷(1 200r/min,40N·/m以下)的時(shí)間比例為72.3%，而此區(qū)域消耗總?cè)加偷?9.9%，即超過三分之二的時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低速低負(fù)荷區(qū)(1 200r/min,40N·m以下)，而此過程的油耗占總?cè)加拖牧康膶H二分之一。可見根據(jù)循環(huán)工況的燃油消耗分析法對(duì)于解析傳統(tǒng)汽車的實(shí)際能量消耗特性具有實(shí)際意義，并且為當(dāng)前轎車(混合動(dòng)力轎車的原型車——傳統(tǒng)汽車)如何通過混合動(dòng)力技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能提供指導(dǎo)。

2.混合動(dòng)力汽車節(jié)能途徑

混合動(dòng)力汽車可以從以下4個(gè)方面達(dá)到節(jié)能目的，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力汽車節(jié)能途徑

(1)選擇較小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率；

(2)改善控制策略使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)，以改善整車的燃油消耗；

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)具有取消怠速和高速斷油的功能，以減少燃油消耗；

(4)具有再生制動(dòng)能量回收功能。

按照上述混合動(dòng)力汽車節(jié)能途徑，對(duì)典型城市公交客車循環(huán)工況的分析，以及對(duì)整車在這些工況下的能量消耗情況的研究表明：在典型城市循環(huán)工況下，混合動(dòng)力汽車通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高了負(fù)荷率，使整車效率得到提高，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性約15%～20%。發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域控制對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性改善的貢獻(xiàn)率在5%～10%之間。再生制動(dòng)能量回收可節(jié)能約5%～12%。消除停車怠速可節(jié)省燃油5%～10%。綜合分析表明混合動(dòng)力技術(shù)在特定工況下的總節(jié)能潛力可達(dá)30%～60%。

二、混合動(dòng)力汽車的組成和工作原理

根據(jù)混合動(dòng)力汽車具有兩個(gè)或兩個(gè)以上動(dòng)力源同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)與單個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系之間的動(dòng)力耦合位置關(guān)系，混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種基本類型。

1.串聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作原理

串聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)

串聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)沒有直接與車輛傳動(dòng)系統(tǒng)有機(jī)械連接，而是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組)，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，與動(dòng)力蓄電池組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，共同給電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有七種工作模式，如表5。

表5 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的工作模式列表

串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不受車輛運(yùn)行工況的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組僅工作在一個(gè)功率區(qū)間內(nèi)，且輸出功率相對(duì)平穩(wěn)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，發(fā)動(dòng)機(jī)由此選擇范圍更廣，其控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。但是，由于其能量經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換使得整車的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低。

2.并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作原理

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的行駛驅(qū)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)通過機(jī)電耦合裝置單獨(dú)或聯(lián)合提供。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的工作狀態(tài)以及動(dòng)力蓄電池的電荷狀態(tài)(SOC)，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有6種工作模式，如表6。

表6 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的工作模式列表

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與串聯(lián)式相比較，并聯(lián)式發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)具有更小的體積。發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力的平均功率，動(dòng)力蓄電池組和電機(jī)提供峰值功率。

3.混聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成和工作原理

混聯(lián)式功率分流型混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 混聯(lián)式功率分流型混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車汽車同時(shí)具備了串聯(lián)混合動(dòng)力“電電”耦合及并聯(lián)混合動(dòng)力“機(jī)電”耦合的特點(diǎn)，車輛驅(qū)動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)通過機(jī)電耦合裝置(ECVT)單獨(dú)或聯(lián)合提供。如豐田汽車公司的輸入式功率分配型的THS系統(tǒng)和通用汽車公司的組合功率分配型AHS系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)的工作狀態(tài)以及動(dòng)力蓄電池的SOC狀態(tài)混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有5種工作模式，如表7所示。

表7 混聯(lián)混合動(dòng)力汽車的工作模式列表

以豐田普銳斯混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為例，運(yùn)行模式(車速與驅(qū)動(dòng)力分配)如圖5所示。

車輛以純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式起步，當(dāng)需求功率達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)門限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，整車進(jìn)入混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，動(dòng)力傳遞如圖5(a)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)過行星齒輪機(jī)構(gòu)分成兩部分，一部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生電功率又直接輸出到電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)車輪；另一部分直接驅(qū)動(dòng)車輪。整車綜合控制器自動(dòng)對(duì)兩部分動(dòng)力進(jìn)行最佳分配，以盡可能地優(yōu)化系統(tǒng)效率。當(dāng)車輛大負(fù)荷加速或高速行駛需要較高動(dòng)力時(shí)，動(dòng)力蓄電池組放電，增大電機(jī)輸出功率，整車獲得的功率為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與動(dòng)力蓄電池組放電功率之和，如圖5(b)所示。當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)施再生制動(dòng)能量回收，如圖5(c)所示。當(dāng)車輛在遇到紅燈停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，避免怠速運(yùn)轉(zhuǎn)引起不必要的油耗和污染物排放。但如果車輛停車時(shí)，動(dòng)力蓄電池組放電低于SOC門限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，為動(dòng)力蓄電池組強(qiáng)制充電。可見普銳斯的THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的雙耦合，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使其像無級(jí)變速器一樣工作，這樣就能使發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作在高效區(qū)或低排放區(qū)。但是，這種結(jié)構(gòu)只有輸入式功率分配型一種模式，無法實(shí)現(xiàn)像通用汽車公司的組合型AHS系統(tǒng)能夠進(jìn)行多模式之間的轉(zhuǎn)換，THS系統(tǒng)在車輛綜合效率和動(dòng)力性略遜于AHS系統(tǒng)。而AHS系統(tǒng)通常具有兩排或三排行星齒輪，以及多個(gè)離合器、制動(dòng)器組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)制造難度大、成本高，控制策略也十分復(fù)雜。

圖5 豐田普銳斯混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車運(yùn)行模式

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

1.傳統(tǒng)車用奧托循環(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，混合動(dòng)力汽車在其運(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)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。具體原因包括;

⑴泵氣損失：節(jié)氣門在部分開度時(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)氣門全開才不存在額外的進(jìn)氣管節(jié)流損失。

⑵膨脹比：發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率與膨脹比密切相關(guān)，膨脹比為排氣門打開時(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)來說，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。

⑶過濃的混合氣：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)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選擇過程中顯現(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6所示。

圖6 阿特金森循環(huán)行程與奧托循環(huán)行程對(duì)比示意圖

(未完待續(xù))