混合動力車用發動機快速起動性能分析及駐車優化

陳楠?黃旭?馬東元?張偉?許偉利

摘 要：良好的節油性是混合動力汽車（HEV）的優勢之一。在市區行駛時，遇到擁堵路段或紅燈，汽車需要頻繁駐車。駐車時選擇怠速還是停機/再起動策略，是影響混合動力汽車油耗的重要因素。本文首先選擇電機拖轉轉速和燃料兩項因素，分析了不同拖轉轉速、不同燃料對發動機快速起動性能的影響;隨后通過實驗，在計算電機能耗、發動機能耗的基礎上，對比計算結果總結了駐車策略的優化方案，即使用醇類燃料，將快速起動轉速控制在1000r/min，能夠顯著提高混合動力車的燃油經濟性。

關鍵詞：混合動力發動機 快速起動性能 醇類燃料 駐車優化

混合動力車用發動機的起動表現，受到多種因素的影響，其中比較重要的有電機拖轉轉速、起動冷卻水溫，以及燃料類型等。在市區行車時，混合動力車用發動機會頻繁啟停，對發動機的起動性能有著較高的要求，具體又包括起動時的平穩定、經濟性、排放性等。其中，燃油經濟性（即油耗）與車主利益直接相關，也是決定混合動力車市場競爭優勢的關鍵因素。因此探究不同因素對發動機快速啟動經濟性的影響，進而尋找最佳駐車方案，對進一步提高混動車使用性能有積極幫助。

1 混合動力車用發動機快速起動性能的影響因素

1.1 電機拖轉轉速對快速起動性能的影響

混合動力車用發動機在快速起動時，由大電機拖轉轉速，造成進氣道壓力出現明顯改變，對能耗、燃燒效率、排放指標等產生影響。以能耗為例，不同拖動轉速下怠速循環油耗的變化曲線如圖1所示。

結合圖1，在首次循環中，拖動轉速為600r/min時，油耗為87.5mg;拖動轉速為800r/min時，油耗為57.3mg;拖動轉速為1000r/min時，油耗為43.1mg。在首次循環之后，隨著循環次數增加，3種轉速下的油耗也呈現出下降趨勢，最終趨于穩定，維持在23mg。將拖動轉速控制在1000r/min，初始循環油耗較低，同時也能盡快達到穩定油耗，有助于改善發動機快速啟動性能。

1.2 醇類燃料對快速起動性能的影響

目前混合動力車的燃料還是以汽油為主，而醇類燃料（甲醇、乙醇）在普通汽車上表現出了良好的節能效益，因此探究混合動力車用發動機使用醇類燃料，在快速起動時的能耗，將會為進一步優化發動機性能提供幫助。在發動機怠速情況下，隨著循環次數增加，使用汽油、甲醇、乙醇3類燃料時怠速能耗變化如圖2所示。

根據圖2可知，使用不同的燃料，其怠速循環能耗變化規律基本一致，在循環次數達到2次時，能耗快速下降，之后繼續增加循環次數，能耗平穩下降，最終趨于平穩。橫向對比3種燃料，可以發現醇類燃料在相同循環數下，發動機怠速能耗要低于汽油，并且使用甲醇的能耗要略低于乙醇。這是因為3類燃料的汽化潛熱值為甲醇>乙醇>汽油。汽化潛熱值越高的情況下，發動機輸出功率越大，相當于消耗更少的燃料，達到了目標輸出功率，因此使用甲醇燃料時，發動機能耗最低，其次是乙醇。

2 混合動力車用發動機的駐車優化策略

對于混動汽車，若市區行駛時遇到擁堵路段或紅燈，此時有怠速以及停機/再起動兩種駐車策略。選擇何種策略，主要受到兩項因素的影響，即駐車時間與能耗。現以能耗作為研究對象，選取電機能耗、發動機能耗作為評價指標，探討駐車策略的優化路徑。

2.1 電機能耗

試驗所用電機為一臺功率8.5kW的永磁同步電機，將快速起動電機的拖轉轉速與目標怠速轉速設定為統一數值，并測量其在不同拖轉轉速下的起動能耗。測量方法為：電機起動后，模擬電機拖動發電機，并依托BMS系統收集電機運行參數，如電壓、電流等，采樣周期設定為20ms/次。結合采集到的數據，利用公式計算電機能耗（E）：

式（1）中，U為電機電壓，單位為V;I為電機電流，單位為A;d為電機轉速，單位為r/min;t為一個周期內的采樣時間，單位為ms。

根據上式，可得轉速為600r/min時，能耗為6.7kJ;轉速為800r/min時，能耗為9.8kJ;轉速為1000r/min時，能耗為15.8kJ;轉速為1200r/min時，能耗為19.3kJ。

2.2 發動機能耗

分別計算發動機在怠速時、快速起動時的能耗。怠速能耗率（ER）可通過以下公式計算：

式（2）中，ER為發動機怠速循環能耗，單位為kJ;S為發動機怠速轉速，單位為r/min。

以汽油為例，在怠速轉速為600r/min時，怠速能耗率為2.9kJ/s;在怠速轉速為800r/min時，怠速能耗率為6.2kJ/s;在怠速轉速為1000r/min時，怠速能耗率為7.9kJ/s;在怠速轉速為1200r/min時，怠速能耗率為9.7kJ/s。在得出ER后，可根據公式求得不同駐車時間（T）下的怠速能耗（EZ）：

快速起動時的能耗由2部分組成，即電機能耗（EM）、發動機消耗的燃料能耗（EZ）。則一次快速起動時能耗EY=EM+EZ。仍然以汽油燃料為例，快速起動至轉速為600r/min時，能耗為18.1kJ;轉速為800r/min時，能耗為29.4kJ;轉速為1000r/min時，能耗為36.7kJ;轉速為1200r/min時，能耗為41.2kJ。

2.3 駐車能量優化

在不同的駐車時間下，比較發動機怠速與快速起動時能量消耗的差異，能耗更低的即為駐車優化策略。為了使比較結果更加直觀，引入了臨界駐車時間（T1）的概念，即EZ等于EY的駐車時間。圖3為發動機怠速和快速起動時，能量消耗率與時間的關系，t1、t2分別為怠速開始和結束的時刻，T為駐車時間。

在駐車時間為臨界駐車時，可以認為EZ=EY，則T1由以下公式計算：