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混合動力乘用汽車發(fā)動機的選擇及其關(guān)鍵技術(shù)分析(一)

2021-10-12 21:09:05·  來源：汽車技術(shù)研究所  
　
在能源和環(huán)境危機雙重壓力下，汽車行業(yè)逐漸從傳統(tǒng)燃油汽車向節(jié)能汽車與新能源汽車轉(zhuǎn)型，電動化已經(jīng)成為汽車行業(yè)公認的發(fā)展趨勢。然而，由于動力電池在成本、能量
在能源和環(huán)境危機雙重壓力下，汽車行業(yè)逐漸從傳統(tǒng)燃油汽車向節(jié)能汽車與新能源汽車轉(zhuǎn)型，電動化已經(jīng)成為汽車行業(yè)公認的發(fā)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(fā)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(nèi)占據(jù)節(jié)能及新能源汽車市場的主要份額。
混合動力系統(tǒng)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(qū)動車輛的系統(tǒng)。發(fā)動機與電機組成的混合動力系統(tǒng)，就是充分利用電機的發(fā)電和電動特性，采用合理的轉(zhuǎn)矩分配控制，使車用發(fā)動機能始終處于或接近最佳工況區(qū)運行，提高了能量利用效率，降低油耗和排放。如豐田THS系統(tǒng)的(電機可以單獨驅(qū)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(tǒng)潛力的發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)在于，一方面發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩之間的協(xié)調(diào)控制，整車綜合控制器(HV—ECU)需要根據(jù)車輛、發(fā)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(fā)動機的工作轉(zhuǎn)矩。另一方面在發(fā)動機的選型上，大多數(shù)采用高膨脹比循環(huán)發(fā)動機和及其軟硬件，使發(fā)動機的熱效率有很大提高。
一、混合動力汽車的節(jié)能
1.車輛工況能耗分析
 
傳統(tǒng)汽車由單一動力源驅(qū)動，所有動力均來自發(fā)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(shè)計的發(fā)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(shè)計某些傳統(tǒng)汽車時，為保證其加速和爬坡性能，發(fā)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(tǒng)汽車勢必存在著發(fā)動機大部分時間是以輕載、低負荷工作的問題，即出現(xiàn)“大馬拉小車’的動力冗余的現(xiàn)象。然而，發(fā)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(jīng)濟性與排放性能的惡化。有針對當前傳統(tǒng)轎車典型循環(huán)工況的油耗特性(循環(huán)工況是表征某個國家或地區(qū)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(tǒng)計結(jié)果表明：當發(fā)動機轉(zhuǎn)矩在40N·m(負荷約為30%)以下，轉(zhuǎn)速在1 200r/min(最高車速的20%)以下的時候，發(fā)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(fā)動機工作點低負荷分析(中國商用循環(huán)工況)
 
表2 發(fā)動機工作點低負荷分析(NEDC工況)
 
表3 發(fā)動機工作點低負荷分析(1015工況)
 
表4 發(fā)動機工作點低負荷分析(UDDS工況)
 
中國商用車循環(huán)工況的時間比例為87.4%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?4.2%。NEDC工況的時間比例為72.3%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?8.9%。1015工況的時間比例為73.2%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?6.0%。UDDS工況的時間比例為73.1%，在此區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油占總?cè)加拖牡?4.4%。
綜上所述，發(fā)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(yīng)于怠速與低速制動的時間。在此過程發(fā)動機主要以怠速消耗率運行，其燃油消耗速度(即發(fā)動機噴油率)低于其他工作區(qū)域，因此，雖然此區(qū)域的累計消耗燃油量占總?cè)加拖牧康谋壤蝗缙鋾r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(fā)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(qū)域消耗總?cè)加偷?9.9%，即超過三分之二的時間發(fā)動機工作在低速低負荷區(qū)(1 200r/min,40N·m以下)，而此過程的油耗占總?cè)加拖牧康膶H二分之一?？梢姼鶕?jù)循環(huán)工況的燃油消耗分析法對于解析傳統(tǒng)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(tǒng)汽車)如何通過混合動力技術(shù)以實現(xiàn)高效節(jié)能提供指導。
2.混合動力汽車節(jié)能途徑
 
混合動力汽車可以從以下4個方面達到節(jié)能目的，如圖1所示。
 
圖1 混合動力汽車節(jié)能途徑
(1)選擇較小功率的發(fā)動機，從而提高發(fā)動機負荷率；
(2)改善控制策略使發(fā)動機工作在高效率區(qū)，以改善整車的燃油消耗；
(3)發(fā)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(jié)能途徑，對典型城市公交客車循環(huán)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(huán)工況下，混合動力汽車通過減小發(fā)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(jīng)濟性約15%～20%。發(fā)動機工作區(qū)域控制對燃油經(jīng)濟性改善的貢獻率在5%～10%之間。再生制動能量回收可節(jié)能約5%～12%。消除停車怠速可節(jié)省燃油5%～10%。綜合分析表明混合動力技術(shù)在特定工況下的總節(jié)能潛力可達30%～60%。
二、混合動力汽車的組成和工作原理
 
根據(jù)混合動力汽車具有兩個或兩個以上動力源同時運轉(zhuǎn)與單個動力傳動系之間的動力耦合位置關(guān)系，混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等3種基本類型。
1.串聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組成和工作原理
 
串聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。
 
圖2 串聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的架構(gòu)
串聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要特點是發(fā)動機沒有直接與車輛傳動系統(tǒng)有機械連接，而是由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機(簡稱發(fā)動機-發(fā)電機組)，通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能，與動力蓄電池組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，共同給電機供電驅(qū)動車輛。依據(jù)發(fā)動機-發(fā)電機組的工作狀態(tài)，串聯(lián)式混合動力汽車有七種工作模式，如表5。
表5 串聯(lián)混合動力汽車的工作模式列表
 
串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)動機運行工況不受車輛運行工況的影響，發(fā)動機與發(fā)電機組僅工作在一個功率區(qū)間內(nèi)，且輸出功率相對平穩(wěn)，提高了發(fā)動機工作效率，發(fā)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(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換使得整車的經(jīng)濟性相對較低。
2.并聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的組成和工作原理
 
并聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。
 
圖3 并聯(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的架構(gòu)
并聯(lián)混合動力汽車的行駛驅(qū)動力由發(fā)動機和電機通過機電耦合裝置單獨或聯(lián)合提供。根據(jù)發(fā)動機、電機的工作狀態(tài)以及動力蓄電池的電荷狀態(tài)(SOC)，并聯(lián)式混合動力汽車具有6種工作模式，如表6。
表6 并聯(lián)混合動力汽車的工作模式列表
 
并聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)與串聯(lián)式相比較，并聯(lián)式發(fā)動機和電機具有更小的體積。發(fā)動機和傳動系統(tǒng)提供驅(qū)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(lián)混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)組成和工作原理
 
混聯(lián)式功率分流型混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。
 
圖4 混聯(lián)式功率分流型混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)
混聯(lián)式混合動力汽車汽車同時具備了串聯(lián)混合動力“電電”耦合及并聯(lián)混合動力“機電”耦合的特點，車輛驅(qū)動力由發(fā)動機、電機通過機電耦合裝置(ECVT)單獨或聯(lián)合提供。如豐田汽車公司的輸入式功率分配型的THS系統(tǒng)和通用汽車公司的組合功率分配型AHS系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)動機、發(fā)電機、電機的工作狀態(tài)以及動力蓄電池的SOC狀態(tài)混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)具有5種工作模式，如表7所示。
表7 混聯(lián)混合動力汽車的工作模式列表
 
以豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力汽車為例，運行模式(車速與驅(qū)動力分配)如圖5所示。
車輛以純電機驅(qū)動模式起步，當需求功率達到發(fā)動機啟動門限時，發(fā)動機啟動，整車進入混合動力驅(qū)動模式，動力傳遞如圖5(a)所示。發(fā)動機輸出動力經(jīng)過行星齒輪機構(gòu)分成兩部分，一部分驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生電功率又直接輸出到電機，電機運轉(zhuǎn)并驅(qū)動車輪；另一部分直接驅(qū)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(yōu)化系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(fā)動機自動熄火，避免怠速運轉(zhuǎn)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(fā)動機將繼續(xù)運轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，為動力蓄電池組強制充電。可見普銳斯的THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的雙耦合，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)矩，使其像無級變速器一樣工作，這樣就能使發(fā)動機一直工作在高效區(qū)或低排放區(qū)。但是，這種結(jié)構(gòu)只有輸入式功率分配型一種模式，無法實現(xiàn)像通用汽車公司的組合型AHS系統(tǒng)能夠進行多模式之間的轉(zhuǎn)換，THS系統(tǒng)在車輛綜合效率和動力性略遜于AHS系統(tǒng)。而AHS系統(tǒng)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(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)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(lián)式混合動力汽車運行模式
三、混合動力車用發(fā)動機工作循環(huán)優(yōu)化
1.傳統(tǒng)車用奧托循環(huán)發(fā)動機的缺點
 
從混合動力驅(qū)動系統(tǒng)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(jīng)濟性與排放性很大程度上取決于其選用的汽油機。而傳統(tǒng)的汽油機常采用奧托（Otto）循環(huán)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(jīng)濟性。具體原因包括;
⑴泵氣損失：節(jié)氣門在部分開度時造成的節(jié)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(jié)氣門控制負荷的發(fā)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(jié)氣門全開才不存在額外的進氣管節(jié)流損失。
⑵膨脹比：發(fā)動機的熱效率與膨脹比密切相關(guān)，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(zhuǎn)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(tǒng)奧托循環(huán)發(fā)動機的膨脹比與壓縮比基本相同。
⑶過濃的混合氣：傳統(tǒng)的奧托循環(huán)發(fā)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(nèi)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(jīng)濟性。
2.混合動力車用阿特金森循環(huán)發(fā)動機
 
針對傳統(tǒng)奧托發(fā)動機的以上缺點，具有高膨脹比的阿特金森循環(huán)發(fā)動機在混合動力汽車發(fā)動機的設(shè)計和選擇過程中顯現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。阿特金森循環(huán)發(fā)動機是在奧托循環(huán)發(fā)動機四個循環(huán)行程的基礎(chǔ)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(huán)行程與奧托循環(huán)行程對比示意圖
(未完待續(xù)) 
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