混合動力乘用車發(fā)動機的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀I(lǐng)I

混合動力技術(shù)是乘用車滿足未來法規(guī)的有效手段。發(fā)動機性能對混合動力整車動力性、經(jīng)濟性和排放特性有重要影響。上期推文混合動力乘用車發(fā)動機的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀主要介紹常規(guī)混合動力乘用車發(fā)動機的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀。本期推文將主要介紹增程式發(fā)動機的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。
 

01、四沖程汽油機

奧地利AVL公司2010年研發(fā)了一臺直列兩缸四沖程汽油機作為增程式發(fā)動機，技術(shù)參數(shù)如表1所示。該汽油機除去了傳統(tǒng)發(fā)動機上的油泵裝置，直接利用飛濺和正時鏈條潤滑，曲軸箱和發(fā)電機一體化設(shè)計，減小摩擦損失和成本；曲軸銷偏置90°，利用平衡軸及缸蓋與排氣歧管一體化設(shè)計獲得良好 NVH 性能。

 表1 AVL 兩缸四沖程增程式汽油機機技術(shù)參數(shù)

表1 豐田兩代混合動力發(fā)動機油耗及運行線對比

  

AVL 公司2013 年開發(fā)了一臺單缸汽油機作為增程式發(fā)動機，采用了較小的沖程（缸徑×沖程）增加發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊性，排量僅為0.5L，為了保證發(fā)動機足夠的升功率（大于60 kW/L）及5800r/min 時的輸出30kW功率，采用四氣門。為控制其NVH，AVL 開發(fā)了平衡軸系統(tǒng)和扭轉(zhuǎn)減振系統(tǒng)，實現(xiàn)了和單缸轉(zhuǎn)子發(fā)動機相同的NVH性能和緊湊性。

德國 FEV 公司 2012 年研發(fā)了排量為 0.8 L 的V 型兩缸增程式汽油機，4 500r/min輸出最大功率30kW，汽油機采用兩氣門，進氣道噴射，兩個氣缸夾角為90°，增程器長、寬、高分別為640、545、390 mm。

 

02、轉(zhuǎn)子發(fā)動機

轉(zhuǎn)子發(fā)動機由于振動小、升功率高、緊湊性好，是一種可選的增程式發(fā)動機技術(shù)方案。AVL為增程式電動車研發(fā)的單缸轉(zhuǎn)子發(fā)動機（如圖1所示）。

  

圖1 AVL 單缸轉(zhuǎn)子發(fā)動機增程器

它的排量只有0.25 L，升功率達到了60 kW/L，最低有效油耗率260 g/kWh，5000r/min 時的恒定輸出電功率 15 kW，發(fā)動機凈質(zhì)量29kg，增程器總質(zhì)量65 kg。該增程式發(fā)動機已經(jīng)搭載在奧迪 A1 eTron 概念車上。FIAT500增程式電動車基于緊湊性的要求，采用一臺20kW 轉(zhuǎn)子發(fā)動機作為其增程式發(fā)動機，增程器置于車輛后座下方。此外，F(xiàn)EV公司開發(fā)的 295mL 轉(zhuǎn)子增程式發(fā)動機能夠在5500 r/min 時實現(xiàn)18kW的輸出。

 

03、二沖程汽油機

二沖程汽油機由于升功率高、緊湊性好，也是一種可選的增程式發(fā)動機技術(shù)方案。意大利摩德納大學(xué)近年來對二沖程汽油缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)增程器進行了研究，在2012年對幾個二沖程發(fā)動機方案進行了對比，包括機械增壓二沖程柴油機、渦輪增壓二沖程柴油機、機械增壓直噴二沖程汽油機，這些單缸機排量均在0.49 L，缸徑83mm，沖程90mm，利用一個外部活塞泵進行掃氣，活塞泵與氣缸之間夾角為90，進氣由旋轉(zhuǎn)閥控制，其中增壓直噴汽油機剖面圖見圖2。對3種方案的發(fā)動機性能進行的模擬預(yù)測結(jié)果見表2。

圖2 二沖程增壓直噴增程式汽油機剖面圖

表2 二沖程發(fā)動機性能預(yù)測對比

基于上述預(yù)測，該研究組在2013年利用 CFD軟件，建模方法進一步將二沖程增壓直噴汽油機與增壓柴油機進行了理論上的性能預(yù)測對比分析。二沖程增壓直噴汽油機模型壓縮比 11:1，排量0.5L。在同樣輸出功率下汽油機比柴油機質(zhì)量輕50kg，成本低于柴油機，利用三效催化劑即可滿足排放法規(guī)要求。模擬結(jié)果顯示，在部分負荷理論空燃比燃燒條件下，該汽油機比柴油機油耗高9%，最低有效油耗率約為270-280g/kWh ；稀燃條件下，低速低負荷工況該汽油機的最小有效油耗率為215g/kWh。此外，該研究組對比了二沖程直噴汽油機和兩缸V型四沖程汽油機的性能，在滿足相同功率要求的情況下，二沖程直噴增壓汽油機質(zhì)量較兩缸四沖程汽油機輕15kg，機械損失小25%。

 

04、自由活塞發(fā)動機

自由活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與往復(fù)活塞式發(fā)動機完全不同，由于沒有氣門機構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)部件，因此結(jié)構(gòu)簡單，NVH 性能較好，成本較低，但其碳氫排放較高，熱效率較低，機電轉(zhuǎn)換效率有待改善。自由活塞發(fā)動機有可能用作增程式發(fā)動機。南京理工大學(xué)在傳統(tǒng)二沖程自由活塞發(fā)動機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了改進結(jié)構(gòu)的自由活塞發(fā)動機模型思路。這兩種自由活塞發(fā)動機模型示意圖分別如圖3所示模型發(fā)動機平均輸出功率15 kW，主要部件就是兩個活塞組成的中心燃燒室以及兩個發(fā)電機。模擬分析顯示，循環(huán)指示熱效率可以達到46.2 %，發(fā)電效率達42.5 %。

圖3 傳統(tǒng)自由活塞發(fā)動機模型與新型自由活塞發(fā)動機模型

在此基礎(chǔ)上，南京理工大學(xué)提出了四沖程自由活塞發(fā)動機模型如圖4所示，模型發(fā)動機壓縮比為 8.6，膨脹比為 12.8。相比于二沖程自由活塞發(fā)動機，四沖程自由活塞對置發(fā)動機沒有了掃氣這一過程，因此具有更好的排放性能。在對比了單活塞和雙活塞理論模型之后，模擬結(jié)果顯示雙活塞對置發(fā)動機的指示熱效率可達51%，電能轉(zhuǎn)化效率可達47%，二者均比單活塞發(fā)動機高出大約2%，且輸出功率是單活塞的兩倍。

圖4某四沖程自由活塞發(fā)動機模型