增程式電動汽車増程器用發動機的選擇

劉釗 田文朋

（長安大學 西安 710064）

1 前言

由于機動車快速增長所引發的環境及能源問題日益嚴峻，各國都在對傳統內燃機汽車進行限制，并鼓勵新能源汽車的研發與生產[1-2]。在各類型新能源汽車中，增程式電動汽車與純電動汽車相比增加了續駛里程，降低了成本；與插電式混合動力汽車相比，其増程器的工作狀態與車輛行駛狀態無關，可以始終在高效區工作，更適合負荷變化頻繁的城市路況[3-4]。現階段由于增程式電動汽車在能量傳遞中增加了機械能與電能的相互轉換，導致節能效果不明顯，因此需要從能量傳遞環節中效率較低的増程器發動機入手，尋找提高増程器效率的途徑。

目前，增程式電動汽車均選用現有內燃機作為増程器發動機，而現有內燃機的設計制造是為了滿足傳統車輛全工況的動力及經濟性要求，與増程器發動機的技術需求存在巨大差異，因此有必要為增程式電動汽車尋找更為適合的內燃機作為増程器發動機，以突出增程式電動汽車的優勢。

2 増程器發動機的特點和種類

目前大多數増程器由柴油發動機串聯發電機組成，其作用是給汽車主電機或蓄電池進行供電，并不參與驅動車輪[5-6]。根據増程器的工作方式及應用場合，増程器發動機應具有體積小、質量輕、輸出功率大、效率高、可靠性高、成本低等特性。増程器作為發電裝置，從能量轉換過程區分包括直接發電（燃料電池發電、太陽能發電等）和熱機與發電機組合發電（外燃機發電、內燃機發電等）兩種模式。

目前，直接發電裝置成本普遍較高。如氫燃料電池汽車雖具有零排放、能量轉換率高、高能量密度、電池壽命長及加氫時間短等綜合優勢，但液態氫的生產和儲存成本較高，使得氫燃料汽車補充燃料極為不便[7]；太陽能發電技術目前仍無法承擔汽車行駛所需能量，太陽能汽車也并未實現量產，因此直接發電裝置不適合作為増程器使用。

在熱機與發電機組合發電模式中，熱機的可選種類十分豐富。大多數發電站所使用的發電裝置都是外燃機發電，避免了傳統內燃機的震爆問題，實現了低噪聲、低污染和低運行成本，同時外燃機可使用多種燃料，對燃料的純度要求較低。但外燃機附屬設備龐雜，無法快速啟動，因而限制了其在汽車上的應用。

內燃機以柴油機和汽油機等往復活塞式內燃機為主，除此之外還有旋轉活塞式、自由活塞式、燃氣輪機等。往復活塞式內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等一系列優點，技術比較成熟；旋轉活塞式內燃機具有功率高、振動小、運轉平穩、結構簡單等優點，但因該發動機燃料經濟性差，故未能廣泛使用；自由活塞式內燃機機組布置和功率選擇有較大的靈活性，但由于布置分散、附屬設備多，因而應用范圍受到限制[8]；燃氣輪機具有體積小、質量輕、啟動快、少用或不用冷卻水等一系列優點，但燃氣輪機工作時需要吸入大量的新鮮空氣，同時排放出大量的廢氣，進、排氣系統會占據大量空間，從而導致其設備在空間和結構上的局限性。各種增程器發動機的特點如表1所列。

表1 各種増程器發動機的特點

3 増程器發動機的選擇

由表1可知，外燃機體積大、質量重，顯然不適用于増程器。在內燃機中，雖然旋轉活塞式、自由活塞式、燃氣輪機有體積小、質量輕的優勢，但由于制造成本較高，可靠性不足，均未達到量產條件。往復活塞式內燃機可靠性高，制造成本低，雖然其效率有待提高，但在目前研究現狀下仍是増程器用發動機的最佳選擇。

提升往復活塞式內燃機效率的方法有兩種，一是使用阿特金森/米勒循環，二是使用均質充量壓縮燃燒（HCCI）技術。

a.詹姆斯·阿特金森在奧托循環內燃機的基礎上，通過一套復雜的連桿機構使得發動機的做功行程大于壓縮行程，有效提高了發動機效率。米勒舍棄了復雜的連桿結構，而是采用配氣時機來制造做功行程大于壓縮行程的效果，提前關閉進氣門，減少進氣量，或推遲進氣門的關閉時刻，使吸入的混合氣又“吐”出去一部分，以達到實際壓縮行程減小的目的。阿特金森/米勒循環在提高效率的同時也存在缺點，一是低轉速扭矩小，低轉速進氣門早關或晚關引起充氣效率下降；二是長活塞行程不利于發動機高轉速運轉[9-10]。

b.HCCI燃燒方式結合了柴油機壓燃和汽油機均質混合氣點火燃燒的特點，基本特征是均質、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統的點燃式發動機相比，它取消了節氣門，泵氣損失小，燃燒持續期短，可以得到與壓燃式發動機相當的較高熱效率；與傳統柴油機相比，由于混合氣是均質的，燃燒反應幾乎是同步進行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低(低于＜2000K)，NOx排放低，幾乎沒有PM排放。另外，HCCI能使用包括汽油、柴油、天然氣、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等在內的多種燃料。但是HCCI運行工況對EGR率、壓縮比和空燃比依賴很大，可接受的、不發生爆震的HCCI工況被限制在了很小的參數范圍內，小負荷工況時混合氣濃度過稀，發動機易“失火”；而大負荷工況下發動機放熱速率過快，發動機容易產生爆震，實際穩定運轉范圍窄[11-12]。

由此可見，雖然阿特金森/米勒循環發動機和HCCI發動機只能在中等轉速或中等負荷條件下運行，不適宜在傳統汽車上的應用，但由于增程式電動汽車的發動機與車輪完全解耦，不受車輛行駛狀態的影響，可以始終工作在特定的工況上，因而適合阿特金森/米勒循環發動機和HCCI發動機的工作特點[13-14]。因此，阿特金森/米勒循環發動機和HCCI發動機（或將二者結合組成米勒循環HCCI發動機）在增程式電動汽車上將會得到充分利用。

4 仿真分析

利用計算機輔助仿真軟件GT-Power對上述發動機效率進行仿真。首先建立四缸火花塞點燃發動機基本模型，并使用天然氣作為發動機燃料，然后通過修改個別參數得到米勒循環、HCCI以及米勒循環HCCI發動機模型，實現不同類型發動機的數據對比。

仿真方過程中，使用GT-Power中自帶的一維樣板SI_4cyl_Basic為基礎模型，修改燃料為天然氣，由于天然氣辛烷值大于汽油，適當增大壓縮比至11.5。普通發動機效率及功率曲線如圖1所示。

由圖1可看出，普通發動機最大效率點在轉速為2500r/min，效率為23.8%，此時輸出功率為33.4kW。

圖1 普通發動機效率及功率曲線

在普通發動機模型的基礎上，改變進氣凸輪的形狀，使凸輪最高點向后延續30度曲軸轉角（圖2），并提高壓縮比至13.5，建立米勒循環發動機模型，其仿真結果如圖3所示。

圖2 進氣門開度曲線

圖3 米勒循環發動機效率及功率曲線

由圖3可看出，米勒循環發動機最大效率比傳統發動機提升0.2%，對應功率下降3.2kW。

由于普通發動機為火花塞點燃，而HCCI是均質壓燃，因此在普通發動機的基礎上，將SiWiebe韋伯燃燒模型更改為HCCI燃燒模型，并導入氣相化學動力學數據文件GRI-Mech3.0及天然氣CH4反應機理文件，通過這些數據文件得到天然氣在不同溫度和壓力下的反應方程式及燃燒特性，同時將壓縮比設置為33.5，建立HCCI發動機模型，其仿真結果如圖4所示。

由圖4可看出，在HCCI發動機轉速達到4000r/min前，混合氣未成功壓燃，處于“失火”狀態，無法對外做功。最大效率點在4500r/min，效率為31.8%，此時輸出功率為48.9kW，與傳統發動機相比，效率提升8%，功率提升15.5kW。

圖4 HCCI發動機效率及功率曲線

在HCCI發動機模型的基礎上，使凸輪最高點向后延續30度曲軸轉角，并提高壓縮比至15.5，建立米勒循環HCCI發動機模型，其仿真結果如圖5所示。

圖5 米勒循環HCCI發動機效率及功率曲線

由圖5可看出，米勒循環HCCI發動機最大效率比HCCI發動機提升0.1%，功率下降4.3kW。

4種發動機最大效率及對應功率見表2。

表2 4種發動機最大效率及對應功率對比結果

從仿真結果可知，當米勒循環HCCI發動機處于穩定工作狀態時，能夠有效提升發動機效率，降低燃油消耗。與傳統發動機相比，米勒循環HCCI發動機由于工況單一，減少了傳統發動機上一些用于改善全工況性能的附屬機構，如可變配氣相位、可變氣門升程、可變進氣歧管等，在一定程度上使得發動機結構更加簡單，提高了可靠性，降低了發動機的制造和維護成本。

5 結束語

為提高増程器發動機的效率，以達到增程式電動汽車動力系統整體的高效運行狀態，通過對増程器特性的探討，以及對燃料電池發電、太陽能發電以及多種類型內燃機發電的對比，提出了米勒循環HCCI發動機作為增程器發動機。通過仿真分析驗證了米勒循環HCCI發動機的可行性，表明了米勒循環HCCI發動機的效率優勢，為增程式電動汽車増程器用發動機的發展提供了技術借鑒。

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