【技术帖】混合动力乘用车发动机节能技术路线展望

汽车材料网2018-11-03 09:03:04

摘  要:

    混合动力技术是乘用车满足未来法规的有效手段。 发动机性能对混合动力整车动力性、 经济性和排放特性有重要影响。 本文综述了国内外混合动力乘用车发动机的发展历程与现状, 分析对比了发动机节能技术路线。 四冲程自然吸气 ( NA)高膨胀比汽油机和增压直喷汽油机 ( GDI)是常规混合动力乘用车发动机的两条主流技术路线, 未来两条路线将并行发展。 豪华型混合动力乘用车主要采用增压直喷汽油机, 而经济型混合动力乘用车主要采用自然吸气高膨胀比汽油机。 增程式发动机将主要采用小排量四冲程汽油机。 混合动力乘用车发动机未来将向低油耗、 小型化和低成本方向发展。

      关键词:混合动力乘用车; 常规混合动力发动机; 增程式发动机

      Abstract: Hybrid technology is an effective way for passenger cars to meet future regulations. Engineper formance has great influences on power performance, fuel economy and emission of hybrid cars. This paper reviewed the state-of-art and development process of engines for hybrid passenger cars in the world, compared and analyzed the engines’ energy-saving technology roadmaps. Four-stroke natural aspirated (NA) high expansion ratio gasoline engines and boosted gasoline direct injection (GDI) engines are the two mainstream technology roadmaps of engines for conventional hybrid passenger cars. In the future, the two pathways will evolve in parallel. The luxury hybrid passenger cars mainly use the boosted GDI engines while the economic hybrid passenger cars mainly adopt the NA high-expansion ratio gasoline engines. Small-displacement fourstroke gasoline engines will be the mainstream range-extender engines. Engines for hybrid passenger cars tend to become smaller, more fuel-efficient with lower manufacturing cost.
      Key word: hybrid passenger cars; engines for hybrid passenger cars; range-extender engines


      近年来, 全球环境与能源问题日益突出, 各国制定了严格的法规来控制汽车排放和油耗。 2015 年中国汽车保有量达到 1.7 亿辆, 占世界总量的 15 %。 中国的国务院发展研究中心预测, 到 2020 年机动车燃油需求将占全国石油总需求的 57 %。 为了应对燃油消耗的快速增长, 中国政府制定了一系列限制燃油消耗的强制性国家法规。 从 2016 年开始到 2020 年的第 4 阶段, 中国轻型车企业平均燃料消耗量 (corporate average fuel consumption, CAFC) 限值将从 6.9 L/(100 km) 逐步加严到 5.0 L/(100 km) [1-2]。混合动力乘用车较常规内燃动力乘用车可以降低整车燃油消耗和有害物排放 30% 以上, 是满足未来油耗和排放法规的主流技术路线。 国际能源署(International Energy Agency, IEA) 预测到 2030 年, 仍将有 90 % 的乘用车使用发动机作为其动力来源 [3]。 发动机性能对混合动力整车动力性、 经济性和排放特性有重要影响, 不同类型的混合动力系统对发动机提出的要求不一样 [4]。


      美 国 汽 车 工 程 师 协 会 (Society of AutomotiveEngineers, SAE) 给出的混合动力汽车定义是: 拥有两个以上储能系统的汽车, 其储能系统能同时或者分别为汽车驱动提供能量[5]按照该定义, 增程式电动车(range-extended electric vehicle) 也属于混合动力汽车。在增程式电动车上搭载的发动机仅用作发电, 与车轮驱动完全机械解耦, 本文称这类发动机为增程式发动机。 对并联、混联混合动力乘用车上搭载的发动机而言,不论其混合动力构型或者混合动力电驱动化程度如何,由于发动机不仅用于发电, 还直接参与驱动车轮, 因此这类发动机大都是基于现有车用发动机进行性能优化, 本文称这类发动机为常规混合动力乘用车发动机,下文也简称为常规混合动力发动机或混合动力发动机。本文主要对混合动力乘用车发动机的发展历程和研究现状进行阐述, 并对未来技术路线发展趋势进行展望。 本文提到的混合动力汽车, 如无特别说明, 均指油电混合动力汽车。


1.1  常规混合动力乘用车发动机
1
   
日本

      丰田 1997 年推出第一代 Pruis 混合动力汽车, 并配备强混混联构型的丰田混合动力系统 (toyota hybrid system, THS), 搭载 1.5 L 汽油机; 2004 年推出第二代 Pruis 混合动力汽车, 配备第二代丰田混合动力系统(THS-II), 同样搭载 1.5 L 汽油机; 2009 年推出第三代Pruis 混合动力汽车, 搭载汽油机的排量提升至 1.8 L ;2015 年推出的第四代 Pruis 混合动力汽车仍搭载 1.8 L汽油机。 丰田混合动力发动机均采用自然吸气高膨胀比循环节能技术, 在发动机上实现高膨胀比的方法主要有两种: 一种是采用可变几何行程机构实现高膨胀比,即 Atkinson(阿特金森)循环; 另一种是采用可变气门正时 (variable valve timing, VVT) 实现进气门晚关或早关以保证有效膨胀比大于有效压缩比, 即 Miller(米勒)循环。 许多制造商宣称的“ Atkinson 循环发动机”其实是 “ Miller 循环发动机”, 许多文献也不再严格区分Atkinson 循环与 Miller 循环, 但二者都可以称为高膨胀比循环。


      丰田第一代和第二代 Pruis 搭载的 1.5 L 汽油机最大功率分别为 53 kW 和 57 kW, 最大转矩均为 115 Nm,压缩比为 13:1, 最低有效比油耗 230 g/kWh[6], 该发动机可以称为丰田第一代混合动力发动机。 丰田第三代Pruis 搭载的汽油机排量为 1.8 L, 最大功率 73 kW, 最大转矩 142 Nm, 最低有效比油耗 220 g/kWh, 几何压缩比仍然是 13:1 [7-8], 该发动机可以称为丰田第二代混合动力发动机。


图 1 为丰田两代自然吸气高膨胀比汽油机经济区对比, 图中红色实线和蓝色实线分别代表丰田第一代1.5 L 汽油机和第二代 1.8 L 汽油机运行的最佳油耗线,1NZ-FXE 和 2ZR-FXE 分别为 1.5 L 汽油机和 1.8 L 汽油机的发动机型号。

      从图 1 中可以看到: 1.8 L 汽油机的 230 g/kWh 油耗区比 1.5 L 汽油机的宽广; 1.5 L 汽油机由于最大输出功率的限制, 当整车需要输出大功率时, 发动机工作点超出最佳油耗区, 而如果采用 1.8 L 汽油机, 其工作点依然保持在最佳油耗区域内 [8]。


      丰田混合动力发动机在高负荷工况下引入冷却废气再循环 (exhaust gas recirculation, EGR), 一方面降低缸内燃烧温度提升大负荷工况发动机的抗爆性, 从而降低油耗; 另一方面, 发动机长期在大负荷工况工作,排气温度偏高, 利用冷却 EGR 也可以降低排气温度,高膨胀比循环技术可使油耗降低 8.5 %, 冷却 EGR 技术可使油耗在此基础上进一步降低 1.7 %[8]。丰田利用电机替代发动机曲轴皮带驱动水泵, 并利用电机控制冷却水系统, 实现不同工况下对冷却水流量的自由控制, 在高负荷工况下增加流量增强发动机的散热效果。由于混合动力发动机主要工作在中高负荷,其缸内负压相对传统发动机较小, 加上 1.8 L 汽油机在相同的输出功率时相比 1.5 L 汽油机转速更低, 因此丰田适当减小了活塞环压紧力, 最终使得 1.8 L 汽油机机械损失比 1.5 L 汽油机减小了 26.8 %,


      四缸两气门稀燃自然吸气进气道喷射汽油机 [10], 稀燃进气道喷射汽油机可以认为是本田第一代混合动力发动机。 本田利用智能化可变电子气门机构 (intellectivevariable valve timing and lift electronic control, i-VTEC)据工况不同控制进排气门开闭, 并采用智能化双火花 塞 顺 序点 火 (intellective double spark-plug ignition,i-DSI) 技术缩短火焰传播距离以增加抗爆性, 利用可变气缸管理(variable cylinder management, VCM) 技术等来降低油耗。 本田将整车节油效果的 35 % 归功于发动机节油 [9]。


       本田在这款稀燃发动机的后处理系统中采用了 NOx 吸附装置 (lean NOx trap, LNT) 降低 NOx排放。 在汽油机中的应用稀燃技术可以使热效率达到40 % 以上 [11]。本田 2013 年推出的 Accord 混联混合动力汽车,配备双电机智能化多模式驱动 (intelligent multi-modedrive, i-MMD) 混合动力系统, 搭载 2.0 L 自然吸气进气道喷射汽油机 [12]。 发动机采用 i-VTEC 装置, 在启动及大功率输出情况下采用动力凸轮, 在混合动力驱动模式下采用经济凸轮, 实现高膨胀比循环, 本田称之为阿特金森( Atkinson)循环 ( 见图 4)。


      在排放后处理方面, 针对发动机冷启动工况及高转速低负荷工况, 丰田利用电机控制冷却水泵减少冷却水流量, 利用排气热量回收系统收集排气余热对催化剂进行快速预热, 优化排放性能, 缩短暖机时间, 降低冷启动油耗, 使整车在冬天的燃油经济性提高 19 %。

      本田 2000 年研发了集成电机辅助 (integrated motor assist, IMA) 并联混合动力系统, 并推出 Insight 混合动力汽车, 搭载 1.0 L 全铝稀燃自然吸气进气道喷射汽油机 [9], 发动机净质量 60 kg。 本田 2003 年推出的 Civic混合动力汽车也配备 IMA 系统, 搭载的发动机是 1.3 L缩比 13:1, 升功率 50 kW/ L, 最低有效油耗率为 214 g/kWh, 可以认为是本田第二代混合动力发动机。

      发动机在两种模式下工作(如图 5 所示): 一种是混合驱动模式, 该模式下发动机对电池进行充电, 沿图中最佳油耗线即黄色曲线工作; 另一种是发动机驱动模式, 该模式下车速大于 80 km/h, 发动机在图中白色虚线所代表的区域内工作, 直接驱动车辆。这其中就包括混合动力发动机关键技术的研发, 福特和通用早期为其混合动力乘用车开发了系列小排量增压柴油机 [13-15]。 福特 2000 年针对一款轻型乘用车采用 DIATA 柴油机作为混合动力发动机, 在研发过程中体现了轻量化和高效低污染原则。 DIATA 柴油机排量为 1.2 L, 采用可变截面涡轮增压技术, 在当时同级别的柴油机中拥有最高水平的功率质量比, 升功率为 46kW/L, 净质量 110 kg, 缸内最大燃烧热效率为 43 %。通用在 2002 年为其 Precept 混合动力乘用车开发了一款1.3 L 三缸柴油机, 采用可变截面涡轮增压技术以及冷却 EGR, 压缩比达 17.3, 最高热效率接近 43 %, 升功率为 30 kW/L。进入 21 世纪以后, 美国新能源汽车政策逐步转向燃料电池汽车、 电动汽车和插电式混合动力汽车(PHEV), 2009 年美国政府投入 24 亿美元用于 PHEV研发及产业化, 并实行减税政策, 混合动力市场占有率达 2.8 %, 混合动力汽车搭载的发动机主要为汽油机。 福特 2004 年推出 Escape 混联混合动力汽车, 搭载 2.3 L 四缸全铝自然吸气高膨胀比循环汽油机。


      2010年推出 Fusion 混合动力汽车, 配备第二代福特混联混合动力系统, 搭载的是 2.5 L 四缸自然吸气高膨胀比循环汽油机。 2013 年推出 Fusion 插电混合动力汽车, 配备第三代福特混联式混合动力系统, 搭载 2.0 L 四缸自然吸气高膨胀比循环汽油机, 压缩比达 12.3:1, 最大功率 103 kW, 采用了与丰田和本田类似的电控水泵、 冷却 EGR 等技术来提高发动机燃油经济性。通用2012年推出eAssist微混并联混合动力系统 [16],采用 2.4 L 四缸自然吸气缸内直喷汽油机。 该发动机属于通用 Ecotec 发动机系列, 压缩比 11.2:1, 升功率 56.7kW/L, 可以使用灵活燃料如乙醇汽油。 通用和密西西比大学 [17] 2013 年联合开发雪佛兰 Malibu 插电式混合动力系统, 采用 Ecotec 系列 1.4 L 四缸增压直喷汽油机作为混合动力发动机, 升功率达到 73 kW/L。 通用 2011年推出雪佛兰 Volt 插电式混合动力汽车, 搭载的是 1.4L 四缸自然吸气进气道喷射汽油机, 压缩比 10.5:1, 4800 r/min 时最大功率 63 kW。 2015 年研发了新的 1.5 L四缸直喷汽油机用于 Volt 混合动力汽车 [18], 该发动机几何压缩比达 12.5:1, 利用进气门晚关实现高膨胀比循环, 采用汽油直喷技术以及冷却 EGR, 较 1.4 L 自然吸气汽油机在大负荷时拥有更高的热效率。 除了引入外部冷却 EGR, 还引入内部 EGR, 在不同负荷下对发动机 EGR 进行精确控制。

      该汽油机在大负荷工况下引入冷却 EGR, 改善进气道将进气滚流比从 0.73 增加至 1.4, 一定程度上克服燃烧温度降低对燃烧效率的影响, 试验数据显示, 缸内流动的改善使油耗进一步降低 5 g/kWh, 发动机循环变动减小约 1 %。 针对发动机冷起动过程, 本田在发动机起动之后控制发动机工作在高转速、 低转矩工况下, 快速预热紧凑耦合催化剂; 当紧凑耦合催化剂预热完成, 增加发动机负荷至高负荷工况下, 排气能量升高, 主催化剂也逐渐被加热。 这样可以减少冷起动有害物排放, 满足严格排放法规要求。三菱 2015 年推出 Outlander 插电混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV), 采用前后置 2个驱动电机驱动整车, 实现无传动轴的混合动力四轮驱动, 纯电动行驶里程达 60 km。 欧蓝德混合动力搭载 2.0 L 自然吸气进气道喷射汽油机, 4 500 r/min 输出最大功率 87 kW和最大转矩 186 Nm。

2
 美国

      美国于 20 世纪 90 年代由通用、 福特和克莱斯勒三大汽车公司与美国政府共同提出了“ 新一代汽车合作伙伴计划” (Partnership for a New Generation of Vehicle,PNGV), 旨在开发新一代高效节能汽车。 混合动力电动汽车计划是 PNGV 计划的 4 个重点领域之一,三大汽车公司进行了电动汽车和混合动力汽车的开发和研制,帅石金, 等: 混合动力乘用车发动机节能技术路线展望 52011 年, 美国密歇根大学的研究人员 [19] 还对汽油均质 混合 气压燃 (homogenous charge compression ignition, HCCI) 发动机在混合动力系统中的应用进行了研究。 研究结果显示: 均质压燃与点燃耦合的汽油机与轻度并联混合动力系统结合, 能实现相对于传统内燃动力汽车 35% 的节油效果。 由于深度混合混合动力汽车要求发动机工作在中高负荷, 超出了 HCCI 汽油机的稳定工作区域, 因此 HCCI 汽油机难以发挥作用。

3
欧洲

      欧洲乘用车 50 % 以上搭载柴油机, 过去主要是依靠柴油机技术满足法规对整车节油和减 CO2 排放的要求。 近年来, 随着汽车排放和油耗法规的日益加严, 欧洲各大汽车厂商开始推出混合动力车型。宝马开发的混合动力系统在能量耦合形式上属于并联, 电动机处于发动机和变速箱之间, 动力性能好。 2012 年底特律车展上展出的宝马 X3 混合动力汽车, 采用 3.0 L 直列六缸双涡管涡轮增压直喷汽油机, 宝马 X5 混合动力汽车也配备相同的汽油机。 宝马 X7 混合动力汽车搭载的是 4.4 L 八缸 V 型双涡轮增压直喷汽油机, 最大转矩 600 Nm, 宝马 X6 混合动力汽车也搭载该汽油机。 在 2013 年德国法兰克福车展上, 宝马首次发布 X5 eDrive 概念车, 此后推出的宝马 X5 eDrive40e 混合动力汽车搭载 2.0 L 四缸涡轮增压直喷汽油机。 这台 2.0 L 增压直喷汽油机还被用于宝马 740Le 混合动力车型上。

      2015 年, 搭载在宝马 i8 插电式混合动力汽车上的三缸 1.5L 涡轮增压直喷汽油机获得了“ 2015 年度世界最佳发动机”的称号, 该汽油机压缩比为 9.5:1, 最大输出功率为 170 kW, 升功率达 94kW/L, 最大输出转矩 320 Nm, 动力性能接近甚至超过现有大部分 2.0 L 涡轮增压汽油机的水平。大众 2011 途锐混合动力汽车采用并联混合动力构型, 搭载 3.0 L 六缸机械增压直喷汽油机, 最大功率245 kW, 最大转矩 333 Nm。 2012 年大众 Cross Coupe并联混合动力汽车搭载了新的涡轮增压柴油机, 排量有 1.6 L 和 2.0 L 两种, 最大功率从 66 kW 到 140 kW。大众 1.4 L 涡轮增压直喷汽油机最大功率 110 kW, 压缩比 10:1 , 升功率 78 kW/L, 将搭载在大众 Golf GTE插电式混合动力汽车、 Jetta 混合动力汽车以及奥迪 A3e-tron 混合动力车型上。

      大众将在 2016 年推出 CrossCoupe GTE 并联插电混合动力越野车上搭载 3.6 L 六缸直喷自然吸气发动机, 发动机升功率为 57 kW/L。奥迪 2009 年开始研发并联混合动力系统, 配备在多款奥迪推出的插电混合动力车型上。 除了奥迪 A3e-Tron 插电混合动力上搭载的 1.4 L 四缸涡轮增压直喷汽油机, 奥迪 A8 混合动力汽车上搭载了 2.0 L 四缸涡轮增压直喷发动机, 最大功率 155 kW, 最大转矩 350Nm, 该发动机还搭载在奥迪 Q5 混合动力汽车上以及最新一代的奥迪 Q7 插电并联混合动力汽车上。 此外,奥迪 Q7 车型有柴油机版本, 搭载 3.0 L 涡轮增压柴油机。雪铁龙在 C4 Picasso 并联轻混混合动力汽车上搭载的是一款 1.6 L 涡轮增压柴油机, 升功率达到 54 kW/L, 雪铁龙 DS 5 混合动力汽车上也搭载了该 1.6 L 涡轮增压柴油机。

4
中国

      2001 年, 在国家“ 863”高技术研究发展计划中,设置了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。经过十多年的研发, 一汽、 长安、 东风、 上汽、 奇瑞、比亚迪、 吉利等车企已有混合动力汽车产品投放市场,但大规模量产的车型尚不多, 较具代表性的是一汽奔腾 B50、 上汽荣威系列、 比亚迪系列、 奇瑞艾瑞泽等混合动力车型。 表 1 是中国典型常规混合动力发动机的技术参数。


      2010 年, LOTUS(莲花)汽车公司 [21] 研发一台四冲程进气道喷射增程式汽油机, 最大热效率目标为 35 %,选择球形燃烧室, 使用灵活燃料, 最低有效油耗率接近 240 g/kWh, 莲花增程式发动机基本设计与构造为:三缸, 两气门单顶置凸轮, 整体式缸体缸盖, 集成式排气歧管。 其他技术参数见表 3。 LOTUS 认为三缸发动机的 NVH 性能比两缸发动机好, 且有利于灵活控制发动机外形尺寸, 此外三缸机缸径小, 摩擦损失也小。采用缸体、 缸盖以及排气歧管一体化结构, 使进排气歧管可灵活布置和设计, 有利于优化进气。LOTUS 计划为进一步提高增程式发动机升功率, 将采用涡轮增压技术, 将发动机最大输出功率提升至 3 500 r/min 输出 50 kW。 为满足不同功率需求, 莲花还设计了单缸和两缸四冲程发动机, 使增程式发动机功率覆盖范围从5 kW 扩展到 55 kW。



      一汽研发了包括奔腾 B50 插电式混合动力汽车、奔腾 B70 混合动力汽车在内的混合动力车型, 搭载自然吸气、 进气道喷射汽油机。 2012 年上汽投产荣威550 插电混合动力汽车搭载 1.5 L 四缸自然吸气汽油机,另一款量产的荣威 750 混合动力汽车搭载 1.8 L 四缸涡轮增压汽油机。 比亚迪于 2008 年底推出 F3DM 双模混合动力汽车, 搭载 1.0 L 三缸小排量全铝自然吸气汽油机。 2015 年比亚迪推出的“ 秦”插电式并联混合动力汽车搭载1.5 L 涡轮增压直喷汽油机, 比亚迪最新推出的“ 唐”插电式并联混合动力城市运动型多功能汽车 ( SUV)搭载 2.0 L 涡轮增压直喷汽油机。中国目前对于混合动力汽车的研究主要集中在电驱动及能量管理策略上, 对混合动力发动机本身的研究较少, 多是基于传统汽车上采用的发动机进行重新标定和选配, 缺乏针对不同混合动力系统的发动机正向研发, 混合动力系统的节油和减排效果没有充分发挥出来。


1.2  增程式发动机
1
四冲程汽油机

      MAHLE(马勒)公司 2012 年研发了 [20] 两缸四冲程汽油机作为增程式发动机。 发动机最大转速 4 000 r/min,排量 0.9 L, 在满足功率目标之后, 马勒的研发重点主要集中在提升发动机的振动噪声 (noise、 vibration、harshness, NVH) 性能, 以及减小发动机尺寸和质量上。针对排放控制, 马勒公司在催化剂起燃之前选择合适的发动机工况点控制原机排放, 待催化转化效率上升至正常水平之后, 再将发动机工况调整至需求工况, 发动机启动 1 min 之内催化转化效率即达 99 % 以上,测试结果显示发动机 HC、 NOx、 CO 排放量分别仅占欧 6 排放标准的 24 %、 38 %、 17 %。 MAHLE 增程式发动机技术参数见表 2。

      奥地利 AVL 公司 2010 年 [22] 研发了一台直列两缸四冲程汽油机作为增程式发动机, 技术参数如表 4 所示。 该汽油机除去了传统发动机上的油泵装置, 直接利用飞溅和正时链条润滑,曲轴箱和发电机一体化设计,减小摩擦损失和成本; 曲轴销偏置 90° , 利用平衡轴及缸盖与排气歧管一体化设计获得良好 NVH 性能。


      AVL 公司 [23]2013 年开发了一台单缸汽油机作为增程式发动机, 采用了较小的冲程(缸径×冲程)增加发动机结构紧凑性, 排量仅为 0.5 L, 为了保证发动机足够的升功率(大于 60 kW/L)及 5 800 r/min 时的输出 30kW 功率, 采用四气门。 为控制其 NVH, AVL 开发了平衡轴系统和扭转减振系统, 实现了和单缸转子发动机相同的 NVH 性能和紧凑性。
      德国 FEV 公司 2012 年 [24] 研发了排量为 0.8 L 的V 型两缸增程式汽油机, 4 500 r/min 输出最大功率 30kW, 汽油机采用两气门, 进气道喷射, 两个气缸夹角为90°, 增程器长、 宽、 高分别为 640、 545、 390 mm。

2
转子发动机

      转子发动机由于振动小、 升功率高、 紧凑性好,是一种可选的增程式发动机技术方案。 AVL为增程式电动车研发的单缸转子发动机(如图 8 所示)。它的排量只有 0.25 L, 升功率达到了60 kW/L, 最低有效油耗率 260 g/kWh, 5 000 r/min 时的恒定输出电功率 15 kW, 发动机净质量 29 kg[25], 增程器总质量 65 kg, 增程器的长、 宽、 高分别为 490、 400、 980mm。 该增程式发动机已经搭载在奥迪 A1 eTron 概念车上 [26]。 FIAT500 增程式电动车基于紧凑性的要求,采用一台 20 kW 转子发动机作为其增程式发动机, 增程器置于车辆后座下方。 此外, FEV 公司开发的 295mL 转子增程式发动机能够在 5 500 r/min 时实现 18kW 的输出。

3
二冲程汽油机

      二冲程汽油机由于升功率高、 紧凑性好, 也是一种可选的增程式发动机技术方案。 意大利摩德纳大学 [27-29] 近年来对二冲程汽油缸内直喷 (gasoline directinjection, GDI) 增程器进行了研究, 在 2012 年对几个二冲程发动机方案进行了对比, 包括机械增压二冲程柴油机、 涡轮增压二冲程柴油机、 机械增压直喷二冲程汽油机, 这些单缸机排量均在 0.49 L,缸径 83 mm,冲程 90 mm, 利用一个外部活塞泵进行扫气, 活塞泵与气缸之间夹角为 90° , 进气由旋转阀控制, 其中增压直喷汽油机剖面图见图 9。 对 3 种方案的发动机性能进行的模拟预测结果见表 5。


      基于上述预测, 该研究组在 2013 年 [29] 利用 CFD( computational fluid dynamics, 计算流体力学)软件, 建模方法进一步将二冲程增压直喷汽油机与增压柴油机进行了理论上的性能预测对比分析。 二冲程增压直喷油机模型压缩比 11:1, 排量 0.5 L。 在同样输出功率下汽油机比柴油机质量轻 50 kg, 成本低于柴油机, 利用三效催化剂即可满足排放法规要求。 模拟结果显示,在部分负荷理论空燃比燃烧条件下, 该汽油机比柴油机油耗高 9 %, 最低有效油耗率约为 270~280 g/kWh ;稀燃条件下, 低速低负荷工况该汽油机的最小有效油耗率为 215 g/kWh。 此外, 该研究组 [30] 对比了二冲程直喷汽油机和两缸 V 型四冲程汽油机的性能, 在满足相同功率要求的情况下, 二冲程直喷增压汽油机质量较两缸四冲程汽油机轻 15 kg, 机械损失小 25 %。

4
自由活塞发动机

      自由活塞发动机的结构与往复活塞式发动机完全不同, 由于没有气门机构以及旋转部件, 因此结构简单,NVH 性能较好, 成本较低, 但其碳氢排放较高, 热效率较低, 机电转换效率有待改善。 自由活塞发动机有可能用作增程式发动机 [31-32]。

      Trattner 等人 [31] 建立了二冲程自由活塞发动机一维模型, 利用已有的二冲程汽油机的实验数据对模型性能参数进行了预测。 结果显示, 发动机恒定输出 20kW 功率时, 热效率接近 35 %, 发电效率 23 % ; 整机质量 18 kg, 长、 宽、 高分别为 600、 400、 200 mm。南京理工大学 [32] 在传统二冲程自由活塞发动机结构的基础上, 提出了改进结构的自由活塞发动机模型思路。这两种自由活塞发动机模型示意图分别如图 10 所示。型发动机平均输出功率 15 kW, 主要部件就是两个活塞组成的中心燃烧室以及两个发电机。 模拟分析显示,循环指示热效率可以达到 46.2 %, 发电效率达 42.5 %。

      自由活塞对置发动机没有了扫气这一过程, 因此具有更好的排放性能。 在对比了单活塞和双活塞理论模型之后, 模拟结果显示双活塞对置发动机的指示热效率可达 51 %, 电能转化效率可达 47 %, 二者均比单活塞发动机高出大约 2 %, 且输出功率是单活塞的两倍。


2.1  常规混合动力乘用车发动机

    

      通过第 1 节混合动力乘用车发动机发展历程与研究现状分析可知, 近年来国外汽车公司在混合动力发动机方面研发投入较多, 产品发展也较为成熟, 形成了以日本车企主导的自然吸气高膨胀比汽油机和以德国车企主导的直喷增压汽油机两条主流技术路线。 美国车企早期对混合动力柴油机进行了研发, 考虑到柴油机作为混合动力发动机在排放、 NVH、 制造成本以及紧凑性等方面不具优势, 目前都转向研发高效汽油机作为混合动力发动机。 欧洲部分车企如雪铁龙仍没有放弃开发柴油混合动力汽车。 下面重点对自然吸气高膨胀比汽油机和直喷增压汽油机两条常规混合动力发动机技术路线各自的优势和不足以及应用场等进行总结和分析。


1自然吸气高膨胀比汽油机

     

      自然吸气高膨胀比汽油机的技术成熟、 成本低,在日本、 美国汽车公司推出的多款紧凑型混合动力汽车以及混联混合动力车型上得到较多应用。 现今汽油机所采用的高膨胀比循环也即 Miller 循环。 该技术路线在提升发动机燃油经济性的同时, 也会对发动机的动力性造成了负面影响, 特别是低转速低负荷的动力性, 导致该类发动机升功率较低、 紧凑性不佳。 但是由于常规混合动力发动机通常工作在中高负荷中高转速区域,发动机低转速低负荷区域动力不足的特点可以得到电机在此基础上, 南京理工大学提出了四冲程自由活塞发动机模型如图 11 所示 [33], 模型发动机压缩比为 8.6,膨胀比为 12.8。 相比于二冲程自由活塞发动机, 还可以通过采用排量稍大的发动机满足整车动力输出需求。 自然吸气高膨胀比汽油机通常结合外部冷却 EGR 实现低温燃烧 (low temperature combustion,LTC) 抑制爆震, 并配合一些对进气系统进行的优化来改善缸内流动, 提升燃烧效率, 从而进一步提高燃油经济性。丰田提出了具有代表性的自然吸气高膨胀比发动机技术路线, 基于能量守恒从 4 个角度出发来剖析提升发动机热效率的途径 [11] :

a) 降低摩擦以减少机械损失;
b) 利用高膨胀比循环减少排气热损失;
c) 引入冷却EGR实现的低温燃烧减少冷却热损失;
d) 加快燃烧速度进一步增加燃烧效率。

      未来, 丰田将进一步提升发动机热效率超过 40 %。目前市场上主流自然吸气高膨胀比汽油机几何压缩比通常在 12~13, 升功率通常在 40~50 kW/L, 最大热效率接近 38 %。 在采用冷却 EGR 技术的高膨胀比发动机上, 引入的最大冷却 EGR 率达到 20 % 以上。典型合动力自然吸气高膨胀比汽油机性能参数对比详见表 6。


2直喷增压汽油机

       

      直喷增压汽油机的节能和紧凑性优势明显, 但成本较高, 是常规混合动力发动机另外一条主流的技术路线, 在欧洲和美国汽车公司推出的中级以上混合动力车型, 特别是豪华型混合动力汽车上得到广泛应用。目前, 世界上量产混合动力汽车搭载的增压直喷汽油机升功率一般超过 75 kW/L, 最大升功率可达 94 kW/L, 受爆震限制压缩比通常在 10:1 左右, 小于自然吸气高膨胀比汽油机。 增压汽油机通常采用缸内直喷技术,汽油缸内直喷可以降低爆震、 减少冷起动碳氢排放;此外在相同输出功率的前提下, 汽油机增压可以减小发动机的排量, 减少汽油机泵气损失和机械摩擦损失,从而实现燃油经济性和动力性的统一。 直喷增压汽油机结构紧凑、 质量轻, 作为混合动力发动机既可以降低整车质量,又可以留出更多空间布置电机和传动系统。典型的混合动力增压直喷汽油机参数对比详见表 7。

3技术路线对比分析


      德国亚琛工业大学和 FEV 公司 [34] 对两种混合动力平台上搭载不同发动机的情形进行了仿真对比研究。研究基于混联和并联两种混合动力平台, 混联平台采用单排行星轮构型, 并联平台采用单轴双离合器构型。建立了发动机数值模型, 以便在排量改变之后对发动机性能进行预测。 对不同动力系统构型整车性能进行了模拟, 计算整车在新欧洲驾驶循环( New European Driving Cycle, NEDC)工况下的油耗。 整车各个部件的模型参数被调整到满足相同的动力性能标准, 基于混联混合动力平台的仿真实验结果详见表 8, 基于并联混合动力平台的仿真实验结果详见表 9及表 10 [34]。从表 8 中可以看出, 为了满足不同发动机技术之间动力性一致的标准, 高膨胀比循环汽油机排量为增压直喷汽油机排量的约两倍, 增压直喷汽油机排量最小, 说明增压直喷汽油机动力性能最好, 强化程度最高。采用高膨胀比汽油机的紧凑型混合动力整车油耗比采用增压直喷汽油机的稍低, 根据两款发动机的排量情况可以推测在相同排量的情况下, 高膨胀比发动机的经济性能将会比较突出。 采用高膨胀比汽油机的中级混合动力整车油耗高于采用增压直喷汽油机的整车油耗,说明增压直喷发动机更适合于中级混合动力车型。


      从表 9 和表 10 中可以看出, 对于并联混合动力汽车, 高膨胀比汽油机相对于其他发动机并不具备油耗优势。 在满足相同动力性能条件下, 高膨胀比汽油机的排量是其他发动机的约两倍。 增压直喷汽油机在各个车型中都拥有最低的整车油耗, 且随着整车整备质量增大, 油耗差距越大, 说明并联混合动力汽车特别是中级以上汽车适合搭载增压直喷发动机。


2.2  增程式发动机
1
发动机评价指标

      增程式电动车主要用于城市道路行驶, 增程式发帅石金, 等: 混合动力乘用车发动机节能技术路线展望 11动机一般只需提供车辆以一定车速(一般小于电量消耗模式下整车最大车速)巡航时的需求功率 [21]。 通常, 轻型增程式电动车以 120 km/h 时速行驶时所需的驱动功率为 20 kW, 一台最大输出功率为 30 kW 的增程式发动机即可满足增程式电动车的要求 [35]。增程式发动机要满足以下指标: 成本、 NVH、 紧凑性和轻量化、排放、靠性、效率、改进空间、安全性、客户需求满足情况 [31], 各类指标所占的比重如图 12 所示, 其中成本、 NVH 性能、 紧凑性、 轻量化和可靠性是增程式发动机需要考虑的首要性能指标。性和排放性能较好, 能够覆盖增程式电动车需求的功率范围。 增压直喷汽油机具有结构紧凑、燃油经济性好、升功率高等突出优点, 但成本较高, 是未来中高端增
程式电动车的增程式发动机技术路线发展方向。二冲程汽油机功率密度高, 紧凑性好, 质量轻,且可与四冲程汽油机技术共享, 成本低, 但 HC 排放高,经济性差。 二冲程汽油机采用增压直喷技术可以进一步提高升功率, 降低油耗。

      自由活塞发动机无需复杂配气机构, 无旋转部件, 结构简单, 紧凑性好, 机械效率较高, 且质量轻, 水平对置的结使得自由活塞发动机 NVH 性能较好。 转子发动机运行平顺性好, 紧凑性好, 功率密度较高, 但转子发动机活塞密封性能要求苛刻, 影响运行的稳定性和可靠性。 四冲程柴油机
后处理系统复杂且成本高, 高压共轨喷油系统成本高,加上柴油机升功率低, 紧凑性和 NVH 性能不佳, 使其在增程式发动机技术路线选择中处于劣势。 尽管二冲程汽油机、 转子发动机、 自由活塞发动机等增程式发动机拥有各自的优势, 但普遍存在油耗和排放较高、可靠性较差、 成本较高等不足, 还处于实验室研究或小规模应用阶段。


      图 13 给出了不同功率范围可能的增程式发动机技术路线 [31], 其中小排量低功率 (<20 kW) 一般采用单缸转子发动机或 1~2 缸二冲程或四冲程汽油机; 中等排量中等功率(15~35 kW) 一般采用 2 缸二冲程或四冲程汽油机; 大排量大功率 (30~60 kW) 一般采用 3 缸或 4 缸四冲程汽油机。

      增程式发动机的成本不能超出不搭载增程器时增程式电动车保证续驶里程所增加的动力电池的成本。按照电池储存每千瓦时能量成本 250 欧元、 每千克电池储能 80 Wh 计算, 保证增程式电动车能够纯电动行驶 100 km 所至少需要的电池质量为 250 kg, 需要的电池成本至少为 4 000 欧元 [26]。 发动机的能量密度远高于电池, 使得增程式电动车每 100 km的行驶成本大大降低, 增程式发动机的研发和制造成本则成为需要考虑的主要问题。国外多家公司及科研单位都研发了增程式发动机样机或产品, 其最大功率输出处于 15 kW至 50 kW 范围内, 最大升功率达 70 kW/L, 排量多小于 1 L, 运行工况点有效燃油消耗约为 250 g/kWh。 增程式发动机总占用空间容积大都小于 1.25 L, 净质量小于 60 kg。增程式电动车要求发动机具备良好的 NVH 性能, 车内平均噪声小于 60 dB [24]。

2
技术路线分析

      目前增程式发动机的主流技术路线仍然是小排量和小缸数四冲程自然吸气汽油机, 这种小型四冲程汽油机成本较低、 可靠性好, 稍加改进和优化设计就能满足增程式发动机苛刻的 NVH 和紧凑性要求, 且经济


  结 论

      本文对混合动力乘用车发动机的发展历程和研究现状进行了综述, 并对其技术路线进行了对比分析, 可以得出以下结论。


1) 发动机性能优劣直接影响混合动力整车动力性、经济性和排放特性, 不同类型混合动力系统需要采用不同技术特点的混合动力发动机。 常规混合动力乘用车发动机和增程式发动机未来都将向低油耗、 小型化和低成本的方向发展。


2) 常规混合动力发动机主要用于并联和混联混合动力汽车, 自然吸气高膨胀比汽油机和增压直喷汽油机是其两条主流技术路线。 自然吸气高膨胀比汽油机油耗低、 成本低, 但动力性较差、 结构不紧凑, 多用具有油耗低、 动力强和结构紧凑等优点, 但成本较高,多用于中高端豪华型、 并联混合动力乘用车。


3) 增程式发动机对振动噪声、 运转平顺性、 轻量化和低成本有较高要求, 对燃油经济性的要求相对弱一些, 发动机技术路线呈现多元化发展态势。 目前的主流技术路线是小排量四冲程自然吸气汽油机, 未来将有可能引入增压直喷技术。 转子发动机和自由活塞发动机有可能在未来增程式电动车上得到应用。


作者:帅石金 1,2,欧阳紫洲 1,2,王  志 1,徐宏明 1(1. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室;2. 北京电动车辆协同创新中心)

第一作者 / First author : 帅石金 (1965—), 男 ( 汉 ), 江西, 教授。 


来源:《汽车安全与节能学报》 2016第07期

版权属于原作者及期刊


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