PHEV 發(fā)動機(jī)驅(qū)動工況效率耦合關(guān)系及優(yōu)化控制研究

鄭玉廷

（沙河市藍(lán)天標(biāo)準(zhǔn)件門市，河北邢臺 054100）

1 發(fā)動機(jī)驅(qū)動工況效率耦合分析

PHEV（Parallel Hybrid Electric Vehicle，單軸并聯(lián)式混合）發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，發(fā)動機(jī)和電動發(fā)電一體化電機(jī)利用離合器相互連接，通過無級變速器實(shí)現(xiàn)電機(jī)和帶液力變矩器無級變速器的連接，從而實(shí)現(xiàn)多工況。在離合器結(jié)合的時候，發(fā)動機(jī)連接電機(jī)，如果電機(jī)沒有工作，那么發(fā)動機(jī)為系統(tǒng)提供單獨(dú)的驅(qū)動力，系統(tǒng)就會進(jìn)入發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式。對于發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式，系統(tǒng)能量流通過無級變速器和發(fā)動機(jī)到驅(qū)動輪。對此時系統(tǒng)整體效率和變速器、發(fā)動機(jī)效率耦合關(guān)系，首先要對兩者效率特性進(jìn)行分析。

圖1 PHEV 發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 發(fā)動機(jī)和無級變速器的效率特性

發(fā)動機(jī)工作過程比較復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)效率特性模型的創(chuàng)建。通過研究可以看出來，在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩不斷改變時，發(fā)動機(jī)效率也在不斷變化，利用試驗(yàn)得到不同轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的燃油消耗率，之后轉(zhuǎn)變成為發(fā)動機(jī)效率（圖2）。以此效率特性制作為數(shù)表，在優(yōu)化與控制中利用查表得到發(fā)動機(jī)效率。其中，發(fā)動機(jī)效率表示為ηe，轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)矩為Te，則發(fā)動機(jī)效率特性表示為ηe=fe（ne，Te）。

圖2 發(fā)動機(jī)效率特性

1.2 發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動時效率耦合分析

為了對系統(tǒng)效率進(jìn)行優(yōu)化，要求分析效率耦合關(guān)系公式，確定車輛狀態(tài)參數(shù)與影響參數(shù)，對系統(tǒng)最佳效率優(yōu)化問題開展數(shù)學(xué)定義。效率最優(yōu)控制目標(biāo)為降低系統(tǒng)燃油消耗率，如果發(fā)動機(jī)發(fā)出功率為Pe，發(fā)動機(jī)為ηe，功率和熱量關(guān)系為1 W=1 J/s，汽油質(zhì)量熱值常數(shù)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)效率ηe與傳動系數(shù)除了變壓器之外效率ηt所決定，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性控制，要將最小化ηf作為目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù)。由發(fā)動機(jī)和變速器效率耦合關(guān)系可以看出，發(fā)動機(jī)效率最佳也無法保證系統(tǒng)整體最佳效率，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效率最佳控制，要考慮ηe、將系統(tǒng)整體效率最高作為目標(biāo)，從而優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù)（圖3）。

圖3 發(fā)動機(jī)和變速器效率耦合關(guān)系

2 基于雙模糊控制策略的優(yōu)化措施

2.1 發(fā)動機(jī)做功氣缸燃燒室進(jìn)入的有效氣體量

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

2.2 燃燒室的容積及進(jìn)入氣體的壓力和溫度

現(xiàn)在汽油發(fā)動機(jī)的壓縮比一般在8～12，柴油發(fā)動機(jī)的為16～22。以汽油發(fā)動機(jī)的壓縮比為10∶1、柴油發(fā)動機(jī)的壓縮比為20∶1 為例，如果汽油發(fā)動機(jī)活塞行程為90 mm、燃燒室容積應(yīng)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(kuò)大一倍，每擴(kuò)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(kuò)大，從而使氣體（燃燒）推力減小，使發(fā)動機(jī)動力下降、動率輸出不足。因?yàn)閴嚎s比比汽油機(jī)增大一倍，柴油發(fā)動機(jī)做功時燃燒氣體對活塞推力因氣體體積、擴(kuò)大幾倍到十幾倍，氣體對活塞推動力較汽油機(jī)減小更多并產(chǎn)生較大振動，使其動力不足。為克服汽油機(jī)和柴油機(jī)的上述缺點(diǎn)，就要改變現(xiàn)有的思維方式，增大做功缸燃燒室體積和燃燒室進(jìn)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(jìn)入的氣體量相應(yīng)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(fā)動機(jī)燃燒室容積，應(yīng)根據(jù)該發(fā)動機(jī)工作時的承受能力來設(shè)計(jì)。

2.3 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)材料和加工

發(fā)動機(jī)為汽油機(jī)時，氣缸內(nèi)總?cè)莘e與燃料室比為3∶1 比較合適，這比現(xiàn)在發(fā)動機(jī)燃燒室大3 倍多，多3 倍的燃燒氣體對活塞的推動力比現(xiàn)在發(fā)動機(jī)的功率能大十倍或幾十倍。有些資料顯示，當(dāng)氣缸活塞發(fā)動機(jī)的壓縮比為3∶1 時，輸出的功率為2 馬力（1 馬力=0.735 kW）；當(dāng)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(jù)以上理論推測，該發(fā)動機(jī)燃燒室增大3 倍多，其進(jìn)氣量也應(yīng)增加3 倍多，燃料增加3 倍多應(yīng)比壓縮比增加3 倍多效果好，所以該發(fā)動機(jī)能比現(xiàn)在發(fā)動機(jī)功率大10 倍以上。

該發(fā)動機(jī)工作時燃燒氣體對活塞的推力強(qiáng)大，這就要求機(jī)體及轉(zhuǎn)動部分有更高的強(qiáng)度，對材料及材料加工工藝的要求進(jìn)一步提高。而現(xiàn)在的活塞發(fā)動機(jī)是本缸進(jìn)氣本缸燃燒模式，這限制了燃燒室容積的擴(kuò)大，為此設(shè)計(jì)了氣缸配氣式二行程發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)就是將做功缸作為二行程燃燒形式，在二行程發(fā)動機(jī)燃燒室增加了配氣缸。配氣缸的工作原理和風(fēng)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(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)一樣，把氣體壓入燃燒室。

3 結(jié)束語

PHEV 屬于新能源汽車，與傳統(tǒng)汽車相比優(yōu)勢較為明顯，不僅能滿足當(dāng)前綠色發(fā)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(fā)展的重點(diǎn)。利用技術(shù)層次進(jìn)行分析，PHEV 發(fā)動機(jī)的發(fā)展前景良好，但是需要在方案與控制優(yōu)化方面進(jìn)行提升。