基于阿特金森循環的電動汽車增程器開發

武欣，趙凱紳，齊國海，翟磊，孫備，李倩倩，張勇

(1.黃河交通學院，河南 焦作 454000；2.瑞慶汽車發動機技術有限公司，河南 焦作 454000；3.焦作大學，河南 焦作 454000)

增程式電動車應用于乘用車、物流車等車型，其獲取電能的方式，一方面來自動力蓄電池的儲能，另一方面來自發動機對燃油能量的轉換。當動力電池能量不夠充足時，發動機被喚醒，通過驅動發電機對動力蓄電池組補充電能，實現邊發電邊行駛，當充放電的能量達到平衡時，車輛的續航里程將取決于剩余油量。

現階段，增程式電動車常用的發動機仍然為傳統的奧托循環發動機，具有較小的膨脹比和相對較低的機械壓縮比。傳統的奧托循環發動機更偏向于直驅型式的傳統內燃機車輛，發動機可以獲得更高的充量，從而具有更高的升功率、升扭矩特性。而運用在增程式電動車輛時，奧托循環發動機相對運行工況點較少。在部分負荷工況下，傳統汽油機存在泵氣損失大、燃油經濟性差等缺點，作為增程器，發動機工作范圍相對較窄，難以滿足發電經濟性的需求。而阿特金森循環汽油機在部分負荷工況下具有更好的燃油發電經濟性。

文獻[1]提出了針對串聯混動開發的恒功率控制策略，文獻[2]提出三工控點的開發策略，文獻[3]提出了增程器最佳燃油經濟性工作特性的匹配方法，明確每一輸出到母線的等功率線對應的最佳燃油耗、發動機輸出扭矩和轉速，以此作為一般增程器匹配的通則。

增程器作為準恒定工況動力機械，可進一步發掘其提高燃油經濟性能的潛力。當發動機采用高膨脹比設計時，發動機經濟性具有全新的特點，發動機熱效率在經濟區能提升到39%，盡管最大扭矩發生了明顯的降低。在串聯混動型式下，發動機與車輪機械連接解耦，并可以通過優化控制增程器開關機時刻，減少增程器運行時間，通過高效運行的合理規劃管理，進一步降低燃油消耗率和排放水平。在這種應用場景下，發動機輸出特性只需要滿足最優化熱效率的性能目標，就可以滿足大多數增程器的技術要求，發動機開發以熱效率優化為主要開發方向，不追求最高功率和最大扭矩，并保證燃油經濟性和排放性能的平衡。

從目前技術趨勢來看，采用阿特金森循環實現高膨脹比的發動機更符合增程器發動機所需求的技術特點，用于匹配串聯混動形式的電動車輛可得到較好的性能。

1 主要技術特征

1.1 主要結構形式

目標機型開發基于某直列4缸自然吸氣發動機，缸徑72 mm，行程80 mm，總排量1.303 L。阿特金森循環進氣凸輪升程徑比1.25，滾流比2.8，壓縮比13.6，進氣凸輪包角170°。基礎機型最低燃油消耗率為245.3 g/(kW·h)，熱效率約34%。

1.2 缸蓋和缸體

考慮到阿特金森循環的技術特點，對缸蓋原有氣道進行了升級，在原有設計基礎上使滾流比和流量系數再次平衡，選取偏向于高滾流的進氣道設計形式。原有噴油器的油束噴射方向存在較大噴射干涉問題，為改進排放性能和起動性能，對噴油器安裝位置進行重新優化設計(見圖1)，校核油束自由飛行距離使之超過65 mm。

圖1 低壓噴射油束校核

缸體仍然采用原機結構。與傳統發動機相比，增程器的工況受到策略性控制，會有較高的起動-停機頻次。為提高發動機排放性能、降低油耗，則需要加快暖機速度。同時考慮到增程器常見工作區域分布在最佳經濟區間，在原有基礎上略縮小缸體水套容積，以減少傳熱損失。圖2示出增程器缸體水套最終CFD校核的流速分布。

圖2 缸體水套CFD校核

考慮到增程器工作時發動機與車速的關系解耦，存在低速高負荷的工作情況，缸蓋部分熱負荷比常規發動機高，因此還需對缸蓋水套進行校核，加大進出水管口徑，使缸蓋水套冷卻水的總體流量適度加大。縮小缸體水套容積、加大缸蓋進出口徑后校核結果顯示，在整體流量為135 L/min的情況下，總體壓損控制在47.5 kPa，各缸流動均勻性及傳熱系數基本一致。

1.3 降低機械摩擦

降低增程器機械摩擦損耗有利于提高燃油經濟性，機械摩擦損耗主要涉及到活塞及軸頸的摩擦損耗。對于曲柄連桿機構，主要考慮提高機械效率、降低機械摩擦功損失。對活塞采用低彈力活塞環，并對第一氣環外圓增設PVD涂層，對活塞裙部增設儲油減摩涂層，對副推力側采用非對稱結構，降低該部分的接觸面積。軸瓦采用了降摩擦樹脂涂層，并減小軸瓦的有效支承寬度。 圖3示出原型機和減摩阻樣機在同樣試驗邊界下、不同轉速點的摩擦扭矩。

圖3 減摩設計前后摩擦扭矩對比

增程器的電機部分采用無軸承結構，因此完全消除掉了機械功損耗，有利于整體效率提升。

1.4 壓縮/膨脹比設計

采用阿特金森循環后，由于進氣充量相對原型機奧托循環降低，因此在設計開發中通過進一步提高膨脹比來提高燃料做功熱效率。為保證壓縮終了的壓縮壓力，開發參數為充量壓縮比10.1，膨脹比14.1，有效工作容積1.173 L，活塞膨脹行程比壓縮行程增加22 mm。

圖4示出奧托循環的原型機和采用阿特金森循環的試驗樣機的燃油消耗率對比。由圖4可知，采用阿特金森循環后，發動機的燃油消耗率在中高負荷區域有了明顯改善，在不追求高扭矩動力性輸出的情況下，熱效率達到39%。

圖4 阿特金森循環下的燃油消耗率

1.5 配氣與正時

基于原型機的配氣機構進行面向阿特金森循環的設計改造。保留原有雙頂置凸輪軸結構，以及機械挺柱設計。考慮到增程器的工作范圍較窄，配氣仍采用固定相位式設計，以降低發動機成本。

為在增程器常用的運行工況下實現阿特金森循環，對進氣門、排氣門的包角和升程進行了重新設計。原型發動機采用的是奧托循環，進氣門包角為200°，升程為7.25 mm，排氣門包角為206°，升程為7.1 mm。提高發動機膨脹比后，發動機單沖程、節氣門全開情況下進氣量下降10%。

經優化，進氣門包角提高到236°，排氣門包角縮減到165°。圖5示出奧托循環和阿特金森循環的進排氣凸輪升程和相位比較。阿特金森循環采用進氣門晚關策略，當活塞開始上行時仍保持進氣門開啟，推出一部分混合氣；由于進氣量減少，排氣量也隨之下降，此時采用排氣門提前關閉策略，同時，避免較大氣門重疊角造成的混合氣掃氣、混合氣能量浪費以及排放尾氣中存在過量未燃氣體等問題。排氣門提前關閉還可以在缸內保留一部分已燃氣體，降低下一沖程新鮮混合氣充量，等效于提高膨脹比，并可以降低燃燒溫度，因此對提高發動機的經濟性和原排性能均具有益處。

圖5 阿特金斯循環和奧托循環的進排氣門升程對比

在曲軸-凸輪軸正時傳動方面，增程器發動機選用了正時皮帶方案，并將正時皮帶方案和同平臺的正時鏈發動機摩擦功進行了比較，結果見圖6。在同等轉速和驅動負載下，相比較正時鏈，正時皮帶傳動具有降低摩擦損耗的優勢，避免了鏈傳動的張緊軌道摩擦，以及齒廓間因高接觸應力帶來的動載荷損耗。

圖6 不同正時傳動型式的摩擦功對比

1.6 發電機

采用永磁同步交流電機作為增程器的發電機單元。增程器發電機主要參數見表1。這種電機工作效率高，發電機轉子為永磁體勵磁，結構較為簡單，無需造成勵磁損耗，提高了電機發電效率和發電功率密度。且轉子磁場單元中不存在電樞電阻損耗和無功電流，不會發熱，因而電機具有較好的溫升特性。

表1 增程器發電機主要參數

永磁同步交流電機可以實現很好的功率-體積-效率之間的平衡，可實現小體積大功率，在混合動力汽車的動力單元領域得到了廣泛的應用。增程器作為燃料石化能源轉換為電能的轉換中樞，應充分利用這種電機特性的優勢，實現小體積輕量化、高轉換效率的開發目標。

在額定功率和電壓下，增程器電機在發電模式下運行，電機高效工作區(效率不低于95%)應覆蓋發動機常用的工作轉速區間，包括1 500～3 500 r/min的中高負荷區域，其中，發電機轉矩覆蓋60～120 N·m的動力輸出范圍，如圖7所示電機發電效率MAP。電機發電高效區與發動機高熱效率區應相匹配，發動機和發電機耦合運行，從而得到最佳的增程器發電經濟性。

圖7 發電工況電機效率MAP圖

增程器的經濟性開發應基于發動機的經濟特性區間與發電機的高效工作區間相匹配，在選擇經濟工況方面，至少應存在一個轉速-扭矩相同的工況點，能同時滿足發動機最低燃油消耗率和發電機的高效率，開發定工況增程器則考慮基于該最優工況點作為額定發電輸出工況點。本研究中增程器的發動機曲軸與發電機轉子為剛性連接，其傳動比為1，因此效率特性方面采用相同轉速-負荷下的輸出作為工作點繪制曲線，結果見圖8。同時，對于增程器的功率跟隨特性，則應選擇發動機和發電機MAP上連續區域的耦合區域，確定耦合區域中每一個獨立的工況點為不同轉速下負荷特性曲線上的最高效率工況點。因此，增程器功率跟隨工況的每一轉速點上，發動機燃油消耗率最低，發電機的發電效率最高，或能較為平衡地兼顧發動機熱效率和發電機發電效率的耦合最優。

圖8 增程器某轉速下負荷-效率特性

本研究中增程器發電機的最高發電效率為95.6%，通過控制器進行AC-DC直流調理，機械能轉換電能的效率超過93%，配合發動機39%熱效率，其燃油發電經濟性最高可以略超3 (kW·h)/L，具有商業實用性。

2 性能開發

2.1 發動機性能標定

發動機的性能開發需要覆蓋整個增程器運行工況MAP的數據，以增程器主要運行工況為優化邊界。

發動機采用RON92燃油進行測試，油耗MAP中，最低燃油消耗率達到213 g/(kW·h)，實測燃油低熱值為42.8 MJ/kg，發動機最佳熱效率達到39%。對應的發動機工作轉速為2 250～2 800 r/min。

如圖9，將發電機的效率MAP和發動機的燃油消耗率MAP相耦合匹配，在2 500～3 500 r/min轉速區間，輸出扭矩70～82 N·m范圍中，發動機熱效率可以達到0.38～0.39，發電效率達到0.90～0.92。該區域可以達到綜合燃油發電經濟性的最佳狀態，且額定功率點也落入該工況區域，可以滿足增程器開發的定型匹配。

圖9 增程器經濟性MAP匹配圖

為使增程器工作在發動機和發電機最高效率的耦合區域，結合功率等高線作為選點邊界，當發動機和發電機同時在最高熱效率和發電效率區間工作，可以實現不同功率輸出下最佳的燃油發電經濟性。

為滿足車輛復雜工況，開發發動機增程器產品時應使發電功率范圍盡量能寬泛。經匹配，發電輸出功率范圍為10～33 kW，選擇1 500～4 000 r/min作為主要運行工況，結果見圖9。增程器與傳統燃油車工況具有較大差異，動力輸出主要依據車輛控制器對缺口功率的需求，而非傳統發動機的扭矩需求。同時，多個工況點有助于使增程器離散的工況連續化，提高增程器NVH性能。

2.2 增程器發電經濟性

對增程器進行發電經濟性試驗，通過電功率分析儀、油耗儀來實測發電油耗經濟性數據。為考察增程器發電工況電流特性，對不同轉速-功率下發電電流進行考察，通過對轉速及負荷的矩陣化運行標定，獲得增程器全工況下的萬有特性數據。在整個運行工況的發電電流MAP(見圖10)中，母線最大電流達到105.7 A。該MAP可用于GCU功率模塊校核，以及母線最小線徑的校核。

圖10 增程器掃點實測發電電流MAP

根據發電經濟性、輸出電功率性能和NVH最優原則，選取增程器工作的最優工況點。匹配后(如圖11)，增程器工況可以覆蓋轉速1 500～4 000 r/min區間，發電經濟性在2.6～3.14 (kW·h)/L范圍，最佳經濟轉速范圍為2 250～2 800 r/min，與發動機最佳熱效率工況基本一致，最經濟的工況點為3.14 (kW·h)/L@2 750 r/min。

圖11 增程器發電經濟性

2.3 車輛燃油經濟性

為考察所開發增程器在搭載車輛運行時的燃油經濟性，本研究采用增程式車輛(形式為串聯混動)與傳統燃油車輛進行橫向經濟性比較。該平臺車輛整備質量為1.7 t，考察兩種車輛在不同車速下的等速燃油經濟性。其中，串聯混動增程式車輛采用功率平衡方式運行，即動力電池包所存儲電能不應在運行中發生消耗或充儲。兩種車型的行駛阻力等效相同，兩種車型所搭載發動機型式、排量、動力經濟性一致。燃油車變速器各擋位速比和主減速比為量產車型匹配后狀態。增程式串聯混動車的發電機效率和IGBT傳輸效率損失均計入最終的車輛燃油經濟性。

從圖12可以看出，在增程式串聯混動車可以采用功率平衡方式運行的車速區間內(即65～110 km/h)，增程式車輛的百公里燃油經濟性在不同車速段優于傳統純燃油車，降低0%～10%，隨著車速降低，這種優勢更加明顯。當車速低于功率平衡的臨界車速后，增程器所發出的剩余功率將充入動力蓄電池中。因不滿足功率平衡，圖上不再給出等速經濟性。從圖中可知，搭載阿特金森循環發動機增程器的車輛在城市低速工況純燃油模式下經濟性全面優于傳統燃油發動機車輛。再考慮到動力電池包能量的貢獻，串聯混動增程式車輛，尤其是本研究所述整備質量為1.7 t左右的物流車輛，具有滿足綜合油耗第五階段及以上國家標準的潛力。

圖12 增程式串聯混動車與傳統燃油車等速燃油經濟性對比

2.4 增程續航性能

由于串聯混動增程式車輛的發動機與車輪行駛系統在機械傳動方面完全解耦，不同車速下車輛輪速與發動機轉速不再關聯，因此這種形式的增程器動力總成在車輛集成方面更加靈活，同一款發動機增程器可以用于整備質量相差很大的車型。

選取3款典型純電驅動車型，進行增程化續航性能分析。車輛參數配置見表2。

表2 3種典型車型主要參數

分析采用同一邊界準則：

a) 采用功率平衡方法進行行駛經濟性測算，即應保證車輛行駛前后動力電池的SOC值相差不超過±0.5%，代表運行前后沒有燃油能量存入電池包，也沒有電池包能量介入到車輛行駛的能量消耗中；

b) 假定不同車輛搭載相同容量的燃油箱和相同參數的供油系統，代表來自燃油部分的能量具有相同水平；

c) 在評價車輛續航里程方面，僅考慮能量來自純燃油的續航能力，動力電池的能量不參與續航里程的貢獻；

d) 為便于橫向比較，主要考慮等速平直路面的續航里程。

3種典型車型搭載本研究所述增程器在燃油模式下運行。動力性方面，該功率級別的增程器對輕型車的覆蓋面較廣，能夠覆蓋質量為1.5～3.5 t乘用車和商用車的動力需求。圖13和圖14分別展示了燃油消耗和等速續航能力的比較。由于車型阻力特性不同，最高車速隨車輛質量的增加而減小，最高車速均可超過100 km/h。續航方面，隨著車速的升高，續航能力下降。按30 L燃油量計算，小型乘用車可以在高速工況下(車速120 km/h)最低續航400 km，而按照經濟車速運行(80 km/h)，燃油續航里程理論可達到700～800 km；輕型商用車在經濟車速下(65～90 km/h)也能達到最低400 km的純燃油續航能力。

圖13 3種車型平直路面經濟性對比

圖14 3種車型平直路面燃油模式續航里程對比

3 結束語

通過對某4缸自然吸氣汽油機進行改造，以阿特金森循環方式工作，提高做功循環中的膨脹比，最高熱效率較原有奧托循環方式提高了5%，最佳燃油發電經濟性達到3.14 (kW·h)/L，可作為純電新能源車型的第二能源轉換供應裝置，相對傳統燃油車具有更理想的燃油經濟性；同時實現車輛機械功率-電功率-機械功率解耦的機械傳動方式，能廣泛適應多種不同的車型動力匹配，提供一種低成本、高效便捷的新能源混動車輛動力匹配開發方案。