混合動力乘用汽車發動機的選擇及其關鍵技術分析(一)

◆文/江蘇 高惠民

在能源和環境危機雙重壓力下，汽車行業逐漸從傳統燃油汽車向節能汽車與新能源汽車轉型，電動化已經成為汽車行業公認的發展趨勢。然而，由于動力電池在成本、能量儲存及安全性能等方面的短板，極大限制了純電動汽車(BEV)的發展，在這樣的背景下，混合動力乘用汽車(以下稱混合動力汽車HEV)仍將在中長期內占據節能及新能源汽車市場的主要份額。

混合動力系統是指兩個或兩個以上不同工作原理的動力源組成，可以將不同動力源組合在一起用于驅動車輛的系統。發動機與電機組成的混合動力系統，就是充分利用電機的發電和電動特性，采用合理的轉矩分配控制，使車用發動機能始終處于或接近最佳工況區運行，提高了能量利用效率，降低油耗和排放。如豐田THS系統的(電機可以單獨驅動車輛)混合動力汽車百公里油耗比同車型降低50%以上。混合動力系統潛力的發揮關鍵技術在于，一方面發動機和電機轉矩之間的協調控制，整車綜合控制器(HV—ECU)需要根據車輛、發動機、電機、剩余電池電量(SOC)以及道路等綜合信息，確定工作模式，實時分配電機和發動機的工作轉矩。另一方面在發動機的選型上，大多數采用高膨脹比循環發動機和及其軟硬件，使發動機的熱效率有很大提高。

一、混合動力汽車的節能

1.車輛工況能耗分析

傳統汽車由單一動力源驅動，所有動力均來自發動機，使得按最高車速、最大爬坡及極限加速性等動力性要求設計的發動機功率，與整車一般行駛工況下的功率需求之間存在較大差別。在設計某些傳統汽車時，為保證其加速和爬坡性能，發動機最大功率定為車輛以100km/h在平路上行駛時需求功率的10倍，或者是在6%坡度上以100km/h行駛時需求功率的3～4倍。因此，傳統汽車勢必存在著發動機大部分時間是以輕載、低負荷工作的問題，即出現“大馬拉小車’的動力冗余的現象。然而，發動機在低負荷工作時的效率與排放性能極差，會造成整車燃油經濟性與排放性能的惡化。有針對當前傳統轎車典型循環工況的油耗特性(循環工況是表征某個國家或地區道路交通狀況的代表工況，代表著與當前此種車型實際工況相近的工況特性)統計結果表明：當發動機轉矩在40N·m(負荷約為30%)以下，轉速在1 200r/min(最高車速的20%)以下的時候，發動機的工作點在不同工況下的時間比例和所消耗的燃油比例如表1～表4所示。

表1 發動機工作點低負荷分析(中國商用循環工況)

表2 發動機工作點低負荷分析(NEDC工況)

表3 發動機工作點低負荷分析(1015工況)

表4 發動機工作點低負荷分析(UDDS工況)

中國商用車循環工況的時間比例為87.4%，在此區域內所消耗的燃油占總燃油消耗的74.2%。NEDC工況的時間比例為72.3%，在此區域內所消耗的燃油占總燃油消耗的48.9%。1015工況的時間比例為73.2%，在此區域內所消耗的燃油占總燃油消耗的56.0%。UDDS工況的時間比例為73.1%，在此區域內所消耗的燃油占總燃油消耗的54.4%。

綜上所述，發動機在低負荷工作的時間比例非常大，這些低負荷工況主要對應于怠速與低速制動的時間。在此過程發動機主要以怠速消耗率運行，其燃油消耗速度(即發動機噴油率)低于其他工作區域，因此，雖然此區域的累計消耗燃油量占總燃油消耗量的比例不如其時間比例大。但同樣由于累計燃油消耗是燃油消耗率與時間的乘積，所以該過程也消耗較多的燃油，例如，NEDC工況下發動機在低速與低負荷(1 200r/min,40N·/m以下)的時間比例為72.3%，而此區域消耗總燃油的49.9%，即超過三分之二的時間發動機工作在低速低負荷區(1 200r/min,40N·m以下)，而此過程的油耗占總燃油消耗量的將僅二分之一。可見根據循環工況的燃油消耗分析法對于解析傳統汽車的實際能量消耗特性具有實際意義，并且為當前轎車(混合動力轎車的原型車——傳統汽車)如何通過混合動力技術以實現高效節能提供指導。

2.混合動力汽車節能途徑

混合動力汽車可以從以下4個方面達到節能目的，如圖1所示。

圖1 混合動力汽車節能途徑

(1)選擇較小功率的發動機，從而提高發動機負荷率；

(2)改善控制策略使發動機工作在高效率區，以改善整車的燃油消耗；

(3)發動機具有取消怠速和高速斷油的功能，以減少燃油消耗；

(4)具有再生制動能量回收功能。

按照上述混合動力汽車節能途徑，對典型城市公交客車循環工況的分析，以及對整車在這些工況下的能量消耗情況的研究表明：在典型城市循環工況下，混合動力汽車通過減小發動機功率提高了負荷率，使整車效率得到提高，從而改善燃油經濟性約15%～20%。發動機工作區域控制對燃油經濟性改善的貢獻率在5%～10%之間。再生制動能量回收可節能約5%～12%。消除停車怠速可節省燃油5%～10%。綜合分析表明混合動力技術在特定工況下的總節能潛力可達30%～60%。

二、混合動力汽車的組成和工作原理

根據混合動力汽車具有兩個或兩個以上動力源同時運轉與單個動力傳動系之間的動力耦合位置關系，混合動力汽車驅動系統可分為串聯、并聯和混聯等3種基本類型。

1.串聯混合動力汽車驅動系統的組成和工作原理

串聯混合動力汽車驅動系統架構如圖2所示。

圖2 串聯混合動力汽車驅動系統的架構

串聯混合動力汽車驅動系統主要特點是發動機沒有直接與車輛傳動系統有機械連接，而是由發動機驅動發電機(簡稱發動機-發電機組)，通過發電機將機械能轉換成電能，與動力蓄電池組成串聯結構，共同給電機供電驅動車輛。依據發動機-發電機組的工作狀態，串聯式混合動力汽車有七種工作模式，如表5。

表5 串聯混合動力汽車的工作模式列表

串聯式混合動力驅動系統的發動機運行工況不受車輛運行工況的影響，發動機與發電機組僅工作在一個功率區間內，且輸出功率相對平穩，提高了發動機工作效率，發動機由此選擇范圍更廣，其控制策略相對簡單，易于實施。但是，由于其能量經過兩次轉換使得整車的經濟性相對較低。

2.并聯混合動力汽車驅動系統的組成和工作原理

并聯混合動力汽車驅動系統的架構如圖3所示。

圖3 并聯混合動力汽車驅動系統的架構

并聯混合動力汽車的行駛驅動力由發動機和電機通過機電耦合裝置單獨或聯合提供。根據發動機、電機的工作狀態以及動力蓄電池的電荷狀態(SOC)，并聯式混合動力汽車具有6種工作模式，如表6。

表6 并聯混合動力汽車的工作模式列表

并聯式混合動力汽車驅動系統與串聯式相比較，并聯式發動機和電機具有更小的體積。發動機和傳動系統提供驅動力的平均功率，動力蓄電池組和電機提供峰值功率。

3.混聯混合動力汽車驅動系統組成和工作原理

混聯式功率分流型混合動力汽車驅動系統架構如圖4所示。

圖4 混聯式功率分流型混合動力汽車驅動系統架構

混聯式混合動力汽車汽車同時具備了串聯混合動力“電電”耦合及并聯混合動力“機電”耦合的特點，車輛驅動力由發動機、電機通過機電耦合裝置(ECVT)單獨或聯合提供。如豐田汽車公司的輸入式功率分配型的THS系統和通用汽車公司的組合功率分配型AHS系統。根據發動機、發電機、電機的工作狀態以及動力蓄電池的SOC狀態混聯式混合動力驅動系統具有5種工作模式，如表7所示。

表7 混聯混合動力汽車的工作模式列表

以豐田普銳斯混聯式混合動力汽車為例，運行模式(車速與驅動力分配)如圖5所示。

車輛以純電機驅動模式起步，當需求功率達到發動機啟動門限時，發動機啟動，整車進入混合動力驅動模式，動力傳遞如圖5(a)所示。發動機輸出動力經過行星齒輪機構分成兩部分，一部分驅動發電機發電，產生電功率又直接輸出到電機，電機運轉并驅動車輪；另一部分直接驅動車輪。整車綜合控制器自動對兩部分動力進行最佳分配，以盡可能地優化系統效率。當車輛大負荷加速或高速行駛需要較高動力時，動力蓄電池組放電，增大電機輸出功率，整車獲得的功率為發動機輸出功率與動力蓄電池組放電功率之和，如圖5(b)所示。當車輛減速制動時，混合動力系統自動實施再生制動能量回收，如圖5(c)所示。當車輛在遇到紅燈停車時，發動機自動熄火，避免怠速運轉引起不必要的油耗和污染物排放。但如果車輛停車時，動力蓄電池組放電低于SOC門限值時，發動機將繼續運轉，驅動發電機發電，為動力蓄電池組強制充電。可見普銳斯的THS系統結構能夠實現轉速與轉矩的雙耦合，通過調節發動機的轉速和電機的轉矩，使其像無級變速器一樣工作，這樣就能使發動機一直工作在高效區或低排放區。但是，這種結構只有輸入式功率分配型一種模式，無法實現像通用汽車公司的組合型AHS系統能夠進行多模式之間的轉換，THS系統在車輛綜合效率和動力性略遜于AHS系統。而AHS系統通常具有兩排或三排行星齒輪，以及多個離合器、制動器組成，結構復雜，生產制造難度大、成本高，控制策略也十分復雜。

圖5 豐田普銳斯混聯式混合動力汽車運行模式

三、混合動力車用發動機工作循環優化

1.傳統車用奧托循環發動機的缺點

從混合動力驅動系統動力分配可見，混合動力汽車在其運行的大部分工況條件下依然依靠汽油機提供動力，所以混合動力汽車的燃油經濟性與排放性很大程度上取決于其選用的汽油機。而傳統的汽油機常采用奧托（Otto）循環工作，由于其熱效率低、泵氣損失大、膨脹比小，具有怠速工況、部分負荷工況燃油消耗率高、后備功率大，不利于提高混合動力汽車的燃油經濟性。具體原因包括;

⑴泵氣損失：節氣門在部分開度時造成的節流，以及曲軸箱和進氣管的壓差對活塞下行造成的阻力都會導致能量損失。采用節氣門控制負荷的發動機即使在高速行駛時也存在泵氣損失，只有在全力加速或爬坡時節氣門全開才不存在額外的進氣管節流損失。

⑵膨脹比：發動機的熱效率與膨脹比密切相關，膨脹比為排氣門打開時的氣缸容積與混合氣被點燃時氣缸容積的比值。膨脹比越高，轉化為機械功的熱能越多。對于給定燃油辛烷值的汽油機來說，要避免爆燃就不能有較大的壓縮比，也就限制了膨脹比的提高，所以傳統奧托循環發動機的膨脹比與壓縮比基本相同。

⑶過濃的混合氣：傳統的奧托循環發動機在需要增大動力輸出時基本采用加濃混合氣方式。而濃混合氣在缸內的燃燒并不充分，這不但增加了HC的排放同時也惡化了燃油經濟性。

2.混合動力車用阿特金森循環發動機

針對傳統奧托發動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環發動機在混合動力汽車發動機的設計和選擇過程中顯現出較好的優勢。阿特金森循環發動機是在奧托循環發動機四個循環行程的基礎上增加了一個回流行程，即進氣、進氣回流、壓縮、膨脹和排氣行程，如圖6所示。

圖6 阿特金森循環行程與奧托循環行程對比示意圖

(未完待續)