PHEV 發動機驅動工況效率耦合關系及優化控制研究

鄭玉廷

（沙河市藍天標準件門市，河北邢臺 054100）

1 發動機驅動工況效率耦合分析

PHEV（Parallel Hybrid Electric Vehicle，單軸并聯式混合）發動機動力系統結構如圖1 所示，發動機和電動發電一體化電機利用離合器相互連接，通過無級變速器實現電機和帶液力變矩器無級變速器的連接，從而實現多工況。在離合器結合的時候，發動機連接電機，如果電機沒有工作，那么發動機為系統提供單獨的驅動力，系統就會進入發動機單獨驅動模式。對于發動機單獨驅動模式，系統能量流通過無級變速器和發動機到驅動輪。對此時系統整體效率和變速器、發動機效率耦合關系，首先要對兩者效率特性進行分析。

圖1 PHEV 發動機動力系統結構

1.1 發動機和無級變速器的效率特性

發動機工作過程比較復雜，無法實現效率特性模型的創建。通過研究可以看出來，在轉速、轉矩不斷改變時，發動機效率也在不斷變化，利用試驗得到不同轉矩和轉速下發動機的燃油消耗率，之后轉變成為發動機效率（圖2）。以此效率特性制作為數表，在優化與控制中利用查表得到發動機效率。其中，發動機效率表示為ηe，轉速為n，轉矩為Te，則發動機效率特性表示為ηe=fe（ne，Te）。

圖2 發動機效率特性

1.2 發動機單獨驅動時效率耦合分析

為了對系統效率進行優化，要求分析效率耦合關系公式，確定車輛狀態參數與影響參數，對系統最佳效率優化問題開展數學定義。效率最優控制目標為降低系統燃油消耗率，如果發動機發出功率為Pe，發動機為ηe，功率和熱量關系為1 W=1 J/s，汽油質量熱值常數表示為R=46 000 J/s，則汽油消耗率Qf為：

在車輛功率需求為Pv且傳動系中除了變速器之外效率為ηe時，發動機功率。

因此，為降低燃油消耗率Qf，要求ηsys為最大值。ηsys由變速器效率ηcvt、發動機效率ηe與傳動系數除了變壓器之外效率ηt所決定，為實現最優化的經濟性控制，要將最小化ηf作為目標優化系統控制參數。由發動機和變速器效率耦合關系可以看出，發動機效率最佳也無法保證系統整體最佳效率，為實現系統整體效率最佳控制，要考慮ηe、將系統整體效率最高作為目標，從而優化系統控制參數（圖3）。

圖3 發動機和變速器效率耦合關系

2 基于雙模糊控制策略的優化措施

2.1 發動機做功氣缸燃燒室進入的有效氣體量

為提高發動機的進氣量，現在汽車發動機一般將喉管式窄進氣道改為電噴式較寬進氣道，將發動機燃燒室上的單進氣門改為多進氣門，這加大了流向燃燒室的氣流順暢性和燃燒室內的有效氣體量。有的發動機還使用了增壓器，有效增加燃燒室內的有效氣體量，功率也得到顯著提升。但是現在的內燃發動機的燃燒室容積，是根據該做功氣缸活塞移動上止點到下止點的體積與燃燒容積之比（有一定的壓縮比參數）設計的，由于發動機本缸進氣、本缸燃燒做功，其燃燒室容積不能增大，進氣量受到限制，進而限制了發動機功率和效率的提高。

2.2 燃燒室的容積及進入氣體的壓力和溫度

現在汽油發動機的壓縮比一般在8～12，柴油發動機的為16～22。以汽油發動機的壓縮比為10∶1、柴油發動機的壓縮比為20∶1 為例，如果汽油發動機活塞行程為90 mm、燃燒室容積應為10 mm，這樣在做功行程時活塞每向下移動10 mm燃燒氣體會擴大一倍，每擴大一倍氣體的推力就會減小，隨著活塞向下移動體積就會成倍擴大，從而使氣體（燃燒）推力減小，使發動機動力下降、動率輸出不足。因為壓縮比比汽油機增大一倍，柴油發動機做功時燃燒氣體對活塞推力因氣體體積、擴大幾倍到十幾倍，氣體對活塞推動力較汽油機減小更多并產生較大振動，使其動力不足。為克服汽油機和柴油機的上述缺點，就要改變現有的思維方式，增大做功缸燃燒室體積和燃燒室進氣量。例如，將燃燒室的容積增大到與做功缸活塞行程容積一樣，并且燃燒室進入的氣體量相應加增到做功缸做功時最佳的壓力和溫度，使該燃燒室氣體燃燒時，對活塞推動力比較迅猛而充足，活塞下行時燃燒氣體對活塞的推動力不會減小，這樣動力將更加充足。發動機燃燒室容積，應根據該發動機工作時的承受能力來設計。

2.3 發動機設計材料和加工

發動機為汽油機時，氣缸內總容積與燃料室比為3∶1 比較合適，這比現在發動機燃燒室大3 倍多，多3 倍的燃燒氣體對活塞的推動力比現在發動機的功率能大十倍或幾十倍。有些資料顯示，當氣缸活塞發動機的壓縮比為3∶1 時，輸出的功率為2 馬力（1 馬力=0.735 kW）；當壓縮比為10∶1 時，輸出的功率為40 馬力，其壓縮比大了3 倍多而功率增加了20 倍。根據以上理論推測，該發動機燃燒室增大3 倍多，其進氣量也應增加3 倍多，燃料增加3 倍多應比壓縮比增加3 倍多效果好，所以該發動機能比現在發動機功率大10 倍以上。

該發動機工作時燃燒氣體對活塞的推力強大，這就要求機體及轉動部分有更高的強度，對材料及材料加工工藝的要求進一步提高。而現在的活塞發動機是本缸進氣本缸燃燒模式，這限制了燃燒室容積的擴大，為此設計了氣缸配氣式二行程發動機。該發動機就是將做功缸作為二行程燃燒形式，在二行程發動機燃燒室增加了配氣缸。配氣缸的工作原理和風箱類似，吸入氣體并把氣體壓入做功缸。還有一種配氣方式，就是和飛機發動機壓氣機一樣，把氣體壓入燃燒室。

3 結束語

PHEV 屬于新能源汽車，與傳統汽車相比優勢較為明顯，不僅能滿足當前綠色發展的需求，還能解決一般電動車輛行駛過程中里程不足的問題，降低大氣污染，是汽車未來發展的重點。利用技術層次進行分析，PHEV 發動機的發展前景良好，但是需要在方案與控制優化方面進行提升。