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混合动力乘用汽车发动机的选择及其关键技术分析(一)

2021-10-12 21:09:05·  来源：汽车技术研究所  
　
在能源和环境危机双重压力下，汽车行业逐渐从传统燃油汽车向节能汽车与新能源汽车转型，电动化已经成为汽车行业公认的发展趋势。然而，由于动力电池在成本、能量
在能源和环境危机双重压力下，汽车行业逐渐从传统燃油汽车向节能汽车与新能源汽车转型，电动化已经成为汽车行业公认的发展趋势。然而，由于动力电池在成本、能量储存及安全性能等方面的短板，极大限制了纯电动汽车(BEV)的发展，在这样的背景下，混合动力乘用汽车(以下称混合动力汽车HEV)仍将在中长期内占据节能及新能源汽车市场的主要份额。
混合动力系统是指两个或两个以上不同工作原理的动力源组成，可以将不同动力源组合在一起用于驱动车辆的系统。发动机与电机组成的混合动力系统，就是充分利用电机的发电和电动特性，采用合理的转矩分配控制，使车用发动机能始终处于或接近最佳工况区运行，提高了能量利用效率，降低油耗和排放。如丰田THS系统的(电机可以单独驱动车辆)混合动力汽车百公里油耗比同车型降低50%以上。混合动力系统潜力的发挥关键技术在于，一方面发动机和电机转矩之间的协调控制，整车综合控制器(HV—ECU)需要根据车辆、发动机、电机、剩余电池电量(SOC)以及道路等综合信息，确定工作模式，实时分配电机和发动机的工作转矩。另一方面在发动机的选型上，大多数采用高膨胀比循环发动机和及其软硬件，使发动机的热效率有很大提高。
一、混合动力汽车的节能
1.车辆工况能耗分析
 
传统汽车由单一动力源驱动，所有动力均来自发动机，使得按最高车速、最大爬坡及极限加速性等动力性要求设计的发动机功率，与整车一般行驶工况下的功率需求之间存在较大差别。在设计某些传统汽车时，为保证其加速和爬坡性能，发动机最大功率定为车辆以100km/h在平路上行驶时需求功率的10倍，或者是在6%坡度上以100km/h行驶时需求功率的3～4倍。因此，传统汽车势必存在着发动机大部分时间是以轻载、低负荷工作的问题，即出现“大马拉小车’的动力冗余的现象。然而，发动机在低负荷工作时的效率与排放性能极差，会造成整车燃油经济性与排放性能的恶化。有针对当前传统轿车典型循环工况的油耗特性(循环工况是表征某个国家或地区道路交通状况的代表工况，代表着与当前此种车型实际工况相近的工况特性)统计结果表明：当发动机转矩在40N·m(负荷约为30%)以下，转速在1 200r/min(最高车速的20%)以下的时候，发动机的工作点在不同工况下的时间比例和所消耗的燃油比例如表1～表4所示。
表1 发动机工作点低负荷分析(中国商用循环工况)
 
表2 发动机工作点低负荷分析(NEDC工况)
 
表3 发动机工作点低负荷分析(1015工况)
 
表4 发动机工作点低负荷分析(UDDS工况)
 
中国商用车循环工况的时间比例为87.4%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的74.2%。NEDC工况的时间比例为72.3%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的48.9%。1015工况的时间比例为73.2%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的56.0%。UDDS工况的时间比例为73.1%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的54.4%。
综上所述，发动机在低负荷工作的时间比例非常大，这些低负荷工况主要对应于怠速与低速制动的时间。在此过程发动机主要以怠速消耗率运行，其燃油消耗速度(即发动机喷油率)低于其他工作区域，因此，虽然此区域的累计消耗燃油量占总燃油消耗量的比例不如其时间比例大。但同样由于累计燃油消耗是燃油消耗率与时间的乘积，所以该过程也消耗较多的燃油，例如，NEDC工况下发动机在低速与低负荷(1 200r/min,40N·/m以下)的时间比例为72.3%，而此区域消耗总燃油的49.9%，即超过三分之二的时间发动机工作在低速低负荷区(1 200r/min,40N·m以下)，而此过程的油耗占总燃油消耗量的将仅二分之一。可见根据循环工况的燃油消耗分析法对于解析传统汽车的实际能量消耗特性具有实际意义，并且为当前轿车(混合动力轿车的原型车——传统汽车)如何通过混合动力技术以实现高效节能提供指导。
2.混合动力汽车节能途径
 
混合动力汽车可以从以下4个方面达到节能目的，如图1所示。
 
图1 混合动力汽车节能途径
(1)选择较小功率的发动机，从而提高发动机负荷率；
(2)改善控制策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗；
(3)发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以减少燃油消耗；
(4)具有再生制动能量回收功能。
按照上述混合动力汽车节能途径，对典型城市公交客车循环工况的分析，以及对整车在这些工况下的能量消耗情况的研究表明：在典型城市循环工况下，混合动力汽车通过减小发动机功率提高了负荷率，使整车效率得到提高，从而改善燃油经济性约15%～20%。发动机工作区域控制对燃油经济性改善的贡献率在5%～10%之间。再生制动能量回收可节能约5%～12%。消除停车怠速可节省燃油5%～10%。综合分析表明混合动力技术在特定工况下的总节能潜力可达30%～60%。
二、混合动力汽车的组成和工作原理
 
根据混合动力汽车具有两个或两个以上动力源同时运转与单个动力传动系之间的动力耦合位置关系，混合动力汽车驱动系统可分为串联、并联和混联等3种基本类型。
1.串联混合动力汽车驱动系统的组成和工作原理
 
串联混合动力汽车驱动系统架构如图2所示。
 
图2 串联混合动力汽车驱动系统的架构
串联混合动力汽车驱动系统主要特点是发动机没有直接与车辆传动系统有机械连接，而是由发动机驱动发电机(简称发动机-发电机组)，通过发电机将机械能转换成电能，与动力蓄电池组成串联结构，共同给电机供电驱动车辆。依据发动机-发电机组的工作状态，串联式混合动力汽车有七种工作模式，如表5。
表5 串联混合动力汽车的工作模式列表
 
串联式混合动力驱动系统的发动机运行工况不受车辆运行工况的影响，发动机与发电机组仅工作在一个功率区间内，且输出功率相对平稳，提高了发动机工作效率，发动机由此选择范围更广，其控制策略相对简单，易于实施。但是，由于其能量经过两次转换使得整车的经济性相对较低。
2.并联混合动力汽车驱动系统的组成和工作原理
 
并联混合动力汽车驱动系统的架构如图3所示。
 
图3 并联混合动力汽车驱动系统的架构
并联混合动力汽车的行驶驱动力由发动机和电机通过机电耦合装置单独或联合提供。根据发动机、电机的工作状态以及动力蓄电池的电荷状态(SOC)，并联式混合动力汽车具有6种工作模式，如表6。
表6 并联混合动力汽车的工作模式列表
 
并联式混合动力汽车驱动系统与串联式相比较，并联式发动机和电机具有更小的体积。发动机和传动系统提供驱动力的平均功率，动力蓄电池组和电机提供峰值功率。
3.混联混合动力汽车驱动系统组成和工作原理
 
混联式功率分流型混合动力汽车驱动系统架构如图4所示。
 
图4 混联式功率分流型混合动力汽车驱动系统架构
混联式混合动力汽车汽车同时具备了串联混合动力“电电”耦合及并联混合动力“机电”耦合的特点，车辆驱动力由发动机、电机通过机电耦合装置(ECVT)单独或联合提供。如丰田汽车公司的输入式功率分配型的THS系统和通用汽车公司的组合功率分配型AHS系统。根据发动机、发电机、电机的工作状态以及动力蓄电池的SOC状态混联式混合动力驱动系统具有5种工作模式，如表7所示。
表7 混联混合动力汽车的工作模式列表
 
以丰田普锐斯混联式混合动力汽车为例，运行模式(车速与驱动力分配)如图5所示。
车辆以纯电机驱动模式起步，当需求功率达到发动机启动门限时，发动机启动，整车进入混合动力驱动模式，动力传递如图5(a)所示。发动机输出动力经过行星齿轮机构分成两部分，一部分驱动发电机发电，产生电功率又直接输出到电机，电机运转并驱动车轮；另一部分直接驱动车轮。整车综合控制器自动对两部分动力进行最佳分配，以尽可能地优化系统效率。当车辆大负荷加速或高速行驶需要较高动力时，动力蓄电池组放电，增大电机输出功率，整车获得的功率为发动机输出功率与动力蓄电池组放电功率之和，如图5(b)所示。当车辆减速制动时，混合动力系统自动实施再生制动能量回收，如图5(c)所示。当车辆在遇到红灯停车时，发动机自动熄火，避免怠速运转引起不必要的油耗和污染物排放。但如果车辆停车时，动力蓄电池组放电低于SOC门限值时，发动机将继续运转，驱动发电机发电，为动力蓄电池组强制充电。可见普锐斯的THS系统结构能够实现转速与转矩的双耦合，通过调节发动机的转速和电机的转矩，使其像无级变速器一样工作，这样就能使发动机一直工作在高效区或低排放区。但是，这种结构只有输入式功率分配型一种模式，无法实现像通用汽车公司的组合型AHS系统能够进行多模式之间的转换，THS系统在车辆综合效率和动力性略逊于AHS系统。而AHS系统通常具有两排或三排行星齿轮，以及多个离合器、制动器组成，结构复杂，生产制造难度大、成本高，控制策略也十分复杂。
 
图5 丰田普锐斯混联式混合动力汽车运行模式
三、混合动力车用发动机工作循环优化
1.传统车用奥托循环发动机的缺点
 
从混合动力驱动系统动力分配可见，混合动力汽车在其运行的大部分工况条件下依然依靠汽油机提供动力，所以混合动力汽车的燃油经济性与排放性很大程度上取决于其选用的汽油机。而传统的汽油机常采用奥托（Otto）循环工作，由于其热效率低、泵气损失大、膨胀比小，具有怠速工况、部分负荷工况燃油消耗率高、后备功率大，不利于提高混合动力汽车的燃油经济性。具体原因包括;
⑴泵气损失：节气门在部分开度时造成的节流，以及曲轴箱和进气管的压差对活塞下行造成的阻力都会导致能量损失。采用节气门控制负荷的发动机即使在高速行驶时也存在泵气损失，只有在全力加速或爬坡时节气门全开才不存在额外的进气管节流损失。
⑵膨胀比：发动机的热效率与膨胀比密切相关，膨胀比为排气门打开时的气缸容积与混合气被点燃时气缸容积的比值。膨胀比越高，转化为机械功的热能越多。对于给定燃油辛烷值的汽油机来说，要避免爆燃就不能有较大的压缩比，也就限制了膨胀比的提高，所以传统奥托循环发动机的膨胀比与压缩比基本相同。
⑶过浓的混合气：传统的奥托循环发动机在需要增大动力输出时基本采用加浓混合气方式。而浓混合气在缸内的燃烧并不充分，这不但增加了HC的排放同时也恶化了燃油经济性。
2.混合动力车用阿特金森循环发动机
 
针对传统奥托发动机的以上缺点，具有高膨胀比的阿特金森循环发动机在混合动力汽车发动机的设计和选择过程中显现出较好的优势。阿特金森循环发动机是在奥托循环发动机四个循环行程的基础上增加了一个回流行程，即进气、进气回流、压缩、膨胀和排气行程，如图6所示。
 
图6 阿特金森循环行程与奥托循环行程对比示意图
(未完待续) 
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