混合動力專用高效發動機技術方案仿真分析

劉 陽 顏平濤 李紅洲 田志松

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

一直以來高效節能都是汽車行業孜孜不倦的追求，在能源問題和環境問題備受矚目的當下，相較而言，技術成熟度高、發展前景廣闊的油電混合動力解決方案對節約能源和改善環境污染狀況具有重大意義。

發動機作為油電混合動力解決方案的關鍵環節，不斷提升其熱效率就顯得尤為重要。日企中Toyota[1]、Honda[2]和Nissan[3]分別對實現45%熱效率的技術路線進行了研究；在國內，比亞迪的DM-i 超級混動專用高效發動機[4]的熱效率達到了43.04%，廣汽2.0ATK 發動機[5]最高熱效率達到了42.1%，長城第三代TGDI 混動專用發動機[6]的熱效率為42%。

基于吉利第一代三缸1.5L 增壓直噴高熱效率混動專用汽油機[7]，使用GT-Power 軟件進行計算，并根據仿真結果選取合適的技術方案，實現發動機性能的提升。

1 技術方案優化

通過仿真分析的方法，主要對發動機的沖程缸徑比，幾何壓縮比CR，進氣門升程曲線包角InL，排氣門升程曲線包角ExL 及增壓器進行了優化選型。并驗證了降摩擦技術手段的應用對提高發動機熱效率的貢獻。

在優化選型過程中采用負荷控制的方式使不同壓縮比下LET 工況及Rated Power 工況分別保持相同的轉矩，并采用爆燃控制模塊對燃燒進行調節。

1.1 沖程缸徑比

如圖1a～圖1d 所示，增加發動機沖程缸徑比一方面可減小燃燒室面容比，從而改善傳熱損失；同時，可使缸內湍流強度增加，改善燃燒。另一方面也會使發動機整體高度和摩擦功增加，增大了整機在整車機艙中的布置難度，并對發動機油耗產生負面影響，不利于熱效率的提升。

圖1 沖程缸徑比對發動機燃燒及結構的影響

最終，綜合考慮沖程缸徑比對上述發動機各方面的影響，確定了適合吉利的沖程缸徑比方案。

1.2 壓縮比

壓縮比優化過程在整個外特性工況及最低比油耗工況進行，計算過程采用負荷控制形式，并使用爆震模塊對燃燒進行控制。此處僅列舉有代表性的LET 工況（低速最大轉矩工況）、Rated Power 工況（額定功率工況）及Min.BSFC 工況（最佳比油耗工況）進行數據分析。

圖2a～圖2h 所示為外特性兩個代表性工況壓縮比優化的計算結果。

圖2 外特性工況壓縮比優化結果

LET 工況計算結果顯示，隨著壓縮比的增加，燃燒重心AI50 出現明顯的滯后，當壓縮比為CR+1.0時，已然出現了爆燃，并導致油耗增加。且壓縮比增加后，增壓器旁通余量Rack Position 及喘振余量Surge Margin 都會逐漸縮小，使增壓器匹配難度增加。

Rated Power 工況計算結果顯示，隨著壓縮比的增加，壓氣機出口壓力P2和溫度T2，渦輪機入口壓力P3和溫度T3均會上升。當壓縮比為CR+1.0 時，渦輪機入口溫度已經到了渦殼材料的耐溫極限；壓氣機出口溫度過高會導致嚴重的機油結焦問題，對增壓器的材料成本及耐久性能都會帶來負面影響。當壓縮比為CR 時，由于燃燒狀態良好，促使缸壓峰值增加，對發動機的機械強度要求更高。

如圖3 所示，在最低比油耗工況，壓縮比越高發動機的比油耗越低，熱效率越高。

圖3 最低比油耗工況壓縮比優化結果

綜上，雖然壓縮比越高越有利于最低比油耗工況發動機熱效率的提升，但考慮到外特性工況高壓縮比所帶來的爆燃問題及對增壓器的不利影響，最終選取壓縮比CR+0.5。

1.3 進氣門升程曲線

進氣門升程曲線優化過程在整個外特性工況及最低比油耗工況進行，計算過程采用負荷控制形式，并使用爆震模塊對燃燒進行控制。此處僅列舉有代表性的LET 工況、Rated Power 工況及Min.BSFC 工況進行數據分析。

圖4a～圖4h 所示為外特性兩個代表性工況進氣門升程曲線優化的計算結果。

圖4 外特性工況進氣門升程曲線優化結果

LET 工況計算結果顯示，隨著包角的增加，出現明顯的燃燒退角現象，當包角為InL+10 時，出現了嚴重的爆燃現象。當包角減小時，增壓器旁通余量及喘振余量都會逐漸縮小，使增壓器匹配難度增加。

Rated Power 工況計算結果顯示，隨著包角的增加，壓氣機出口溫度降低，渦輪機入口溫度上升。當包角為InL+10 時，渦輪機入口溫度已經超出渦殼材料的耐溫極限，對增壓器的材料成本及耐久性能帶來負面影響。當包角減小時，由于燃燒狀態良好，促使缸壓峰值增加，對發動機的機械強度要求更高。

如圖5 所示，在最低比油耗工況，進氣門升程曲線的包角過大或者過小，都會造成泵氣損失增加。當進氣門升程曲線包角為InL+5 時，比油耗最低。

圖5 最低比油耗工況進氣門升程曲線優化結果

綜上，結合最低比油耗工況的計算結果，同時考慮小包角使低速轉矩工況出現嚴重的爆燃，以及額定功率工況大包角帶來對增壓器的不利影響，最終選取的進氣門升程曲線包角為InL+5。

1.4 排氣門升程曲線

同樣，排氣門升程曲線優化過程在整個外特性工況及最低比油耗工況進行，計算過程采用負荷控制形式，并使用爆震模塊對燃燒進行控制。此處僅列舉有代表性的LET 工況、Rated Power 工況及Min.BSFC 工況進行數據分析。

如圖6a～圖6h 所示為外特性兩個代表性工況排氣門升程曲線優化的計算結果。

圖6 外特性工況排氣門升程曲線優化結果

LET 工況計算結果顯示，排氣門升程曲線的變化對該工況的影響不是很大。

Rated Power 工況計算結果顯示，隨著包角的增加，壓氣機出口和渦輪機入口的溫度都呈降低趨勢，即排氣大包角更有利。

如圖7 所示，在最低比油耗工況，排氣門升程曲線的包角為ExL+5 時，比油耗最低。

綜上，排氣門升程曲線對發動機的影響沒有進氣門升程曲線明顯。結合最低比油耗工況及額定功率工況的計算結果，最終選取的排氣門升程曲線包角為ExL+5。

1.5 增壓器匹配

圖8 所示為二代發動機匹配的混動專用增壓器的效率與供應商數據庫中的高效混動專用增壓器處于同等水平。Geely TC 壓氣機高速區的效率雖然偏低，但低速端的效率略高，有利于低速大負荷熱效率的提升。

圖8 增壓器效率對比

如圖9 所示，使用此混動專用高效率增壓器，外特性工況的運行點處于壓氣機較為高效的效率區域，最低比油耗工況的運行點更是處在壓氣機最大效率線上。

圖9 壓氣機效率Map

1.6 性能提升

通過上述對發動機沖程缸徑比、壓縮比、進排氣門升程曲線的優化和增壓器匹配及降摩擦技術的應用，燃燒系統的升級等措施，如圖10 所示，與一代發動機相比，外特性最大轉矩相同，但轉速范圍得到擴展，且最大功率提升了5%；最低比油耗工況的熱效率提升了1.7%。

圖10 一代與二代發動機性能對比

2 結束語

通過仿真分析的手段快速完成對發動機沖程缸徑比，壓縮比，進排氣門升程曲線的優化，并完成增壓器的匹配，確定了二代發動機的技術路線，節省發動機開發成本，縮短開發周期，助力產品升級換代。

國家科研機構要以國家戰略需求為導向，著力解決影響制約國家發展全局和長遠利益的重大科技問題，加快建設原始創新策源地，加快突破關鍵核心技術。

——習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話