淺析內燃機在混合動力汽車上的應用

李秋怡

摘要：在環保節能的大環境下，電池的技術還不能從根本上滿足汽車的需求，因此采用內燃機和電動機混合驅動的汽車成了當下汽車發展的方向。混合動力汽車可以更好地提高內燃機的效能，根據不同的需求進行動力的互相轉換，實現節能、環保、高效的目標。本文將結合混合動力汽車的特點，對內燃機在混合動力汽車上的應用進行進一步論述，供大家參考。

關鍵詞：混合動力汽車;內燃機;應用方法

0? 引言

內燃機經過長時間的發展，性能和潛力已經到了極限，內燃機汽車的弊端也逐漸突顯，普通內燃機的效能只有40%左右，如果在市區低速、堵車的情況下，可能只有20%左右。隨著節能環保理念的提出，改善汽車排放，提高汽車性能成了未來汽車發展的方向。然而由于電能存儲量的限制，純電動汽車還存在很多沒有突破的難題，這樣的背景下，以內燃機和電動機混合提供動力的汽車就成了發展的最佳選擇。

1? 混動動力汽車基本原理

混合動力汽車一般由燃料轉化裝置（內燃機）、電動機（發電機）、電池（儲電裝置）作為動力的來源，通過汽車控制裝置協調汽車的動力，讓汽車的燃料轉化更加的高效，尾氣排放更少。在汽車制動、下坡的時候，開啟能量回收裝置，將內燃機的動能轉化為電能儲存起來，實現能量的高效利用，改善汽車的燃油性能、減少尾氣排放，增強汽車和實用性[1]。在混合動力汽車的動力系統中，內燃機和發電機互相配合，根據汽車的行駛狀況采取不同的策略。當汽車需要增加動力的時候，諸如加速、上坡等，內燃機和電動機同時工作，燃料和電能同時為汽車提供動力，讓汽車有更佳的性能;當混合動力汽車在低速行駛時，經常走走停停，可以由電動機提供動力，實現能量的高效利用;混合動力汽車不需要動力或需要較低的動力時，諸如：剎車、下坡、轉彎，內燃機的動能被轉化為電能存儲起來。這樣，通過內燃機能量的回收與利用，實現能量的高效利用，實現燃油經濟性。

內燃機在混合動力汽車的應用已經經過了10多年的發展，其結構逐漸區域穩定，以往內燃機與發電機分離的結構已經不能滿足混動汽車的需要，以內燃機、電機（電動機/發電機）、變換器、儲能裝置（電池）一體化結構為代表的混合動力汽車登上了歷史的舞臺，進一步提升了混合動力汽車的性能。內燃機在混合動力汽車的應用總體框架如圖1。

2? 內燃機在混合動力汽車的應用分析

2.1 內燃機在電驅動混合動力汽車上的應用

以電動機為主要驅動的混合動力汽車一般采用串聯式的結構，將內燃機、發電機和電動機串聯起來組成汽車的動力系統，這類混合動力汽車一般都有外部充電接口，內燃機輔助驅動汽車。在運行的過程中，內燃機的動能通過發電機轉化為電能，電能根據實際情況分配給電動機或是被存儲到汽車電池中，這類混合動力汽車主要是由電動機進行驅動。當汽車的負荷比較小的時候，主要由電池提供電能，通過電動機驅動汽車行駛;當汽車的負荷比較大的時候，諸如加速、爬坡，內燃機驅動的發電機和電池同時為電動機提供電能，增大汽車的功率;當汽車的電池電量低的時候，則由“內燃機——發電機”提供動力，并在滑行、低速的時候向電池組充電。這種以電力驅動的混合動力汽車一般用于城市通勤，其結構比較簡單，經濟實用，對于城市擁堵、頻繁啟停的工況，混合動力汽車可以調整內燃機和電池組的動力輸出來達到最佳效率，讓內燃機在低速、滑行和怠速的工況下也能夠避免空轉，提高內燃機的效率，減少汽車廢氣的產生。福特在2010年推出了采用燃料電池的城市通勤混合汽車“新能級2010”，汽車的動力由內燃機和燃料電池提供，當短距離城市行使的時候，動力全部由燃料電池提供，達到零排放目標。其缺點也很明顯，能量轉化過程復雜，機械效率低下[2]。

2.2 內燃機在電輔助混合動力汽車上的應用

電輔助混合動力汽車又叫輕度混合動力汽車，這類混合動力汽車以內燃機為主要動力來源，電動機的功率比較小，主要對汽車行駛過程中提供輔助動力，因此其配套的電池組儲能也比較低。電輔助混合動力汽車是混合動力汽車中成本最小的，對于改善汽車的排放和提高汽車內燃機效率具有一定的作用，因此在混合動力汽車中的使用范圍比較廣泛，市場認可度比較高[3]。例如，本田公司研究的Insight混合動力汽車就是采用輕度混合的方式，其動力系統如圖2所示，內燃機是混動汽車的主要動力源，電輔助動力是集電動機和發電機于一體的永磁超薄電機，即ISA（Integrated Starter Alternator）。ISA取代了原有汽車的內燃機飛輪，直接連接內燃機的輸出端，從而實現自動啟停功能，這也是豐田Insight混合動力汽車最具特色的混合動力集成系統。ISA在汽車加速的時候充當電動機的角色，為汽車提供輔助動力;ISA在汽車滑行、制動的時候又充當發電機的角色，收集和利用內燃機的動能，轉化為電能存儲起來。電輔助混合動力汽車既具有傳統內燃機汽車的出色性能，又能夠通過ISA來增加汽車的機動性，利用內燃機產生的多余能量，在不需要外部充電的情況下，可以實現降低油耗量，減少尾氣排放的目標。

2.3 內燃機在油電混合動力汽車上的應用

油電混合動力汽車與電輔助混合動力汽車相比，其采用的電動機功率更大，能量回收效率更高，電動機能夠為汽車提供更強的動力，其在改善汽車燃油效率和減少排放的方面更具有廣闊的發展前景。在結構上，油電混合動力汽車設置了單獨電動機和發電機，內燃機和電動機可以分別為汽車提供單獨的動力，也可以混合提供動力[4]。例如，豐田的THS（Toyota Hybrid System）就屬于真正的油電混合動力汽車，并在Prius上實現量產，Prius由一臺4缸77kW的內燃機和總功率為60kW的電動機組成，搭載288V的鎳氫電池。如圖3所示，Prius的內燃機和電動機直接與動力輸出系統連接，形成各自獨立的動力輸出通道，即：以內燃機為動力的傳統機械動力通道和以電動機為動力的電力驅動通道，兩個通道的動力可以疊加，最大能夠為汽車提供100kW的綜合功率。同時，內燃機與發電機相連，當汽車在低功率行使的時候，內燃機的能量實現回收。在動力方面，Prius品牌與同類汽油機驅動的汽車具有相同的性能，但是油耗卻能夠降低一半，尾氣排放更是減少到同類汽車的1/3。

總之，在電能存儲不能夠有效突破的情況下，開發內燃機在混合動力汽車上的應用，對于降低汽車油耗和減少尾氣排放具有重要的作用。與傳統汽車相比，內燃機作為混合動力汽車的主要動力源，可以通過混合動力汽車的能量回收與輸出系統，更好地提高內燃機的效率，滿足不同狀況下汽車的最佳性質需求。

參考文獻：

[1]嚴軍，岳偉甲.并聯型混合動力汽車控制系統研究[J].機械管理開發，2013（01）.

[2]余才光，包壽紅，馬智濤，張彤.傳統轎車搭載混合動力系統整車技術[J].汽車電器，2012（10）.

[3]伍星，王杰.混合動力汽車電池管理系統的分析[J].機械制造與自動化，2008（05）.

[4]韋樹禮，李程武.簡析新能源汽車分類及性能[J].汽車實用技術，2019（02）.