混合動(dòng)力乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀I(lǐng)I

混合動(dòng)力技術(shù)是乘用車滿足未來法規(guī)的有效手段。發(fā)動(dòng)機(jī)性能對混合動(dòng)力整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性有重要影響。上期推文混合動(dòng)力乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀主要介紹常規(guī)混合動(dòng)力乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。
 

01、四沖程汽油機(jī)

奧地利AVL公司2010年研發(fā)了一臺(tái)直列兩缸四沖程汽油機(jī)作為增程式發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)參數(shù)如表1所示。該汽油機(jī)除去了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的油泵裝置，直接利用飛濺和正時(shí)鏈條潤滑，曲軸箱和發(fā)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，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(jì)獲得良好 NVH 性能。

 表1 AVL 兩缸四沖程增程式汽油機(jī)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表1 豐田兩代混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及運(yùn)行線對比

  

AVL 公司2013 年開發(fā)了一臺(tái)單缸汽油機(jī)作為增程式發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了較小的沖程（缸徑×沖程）增加發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊性，排量僅為0.5L，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的升功率（大于60 kW/L）及5800r/min 時(shí)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(shí)現(xiàn)了和單缸轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，4 500r/min輸出最大功率30kW，汽油機(jī)采用兩氣門，進(jìn)氣道噴射，兩個(gè)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(dòng)機(jī)

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

  

圖1 AVL 單缸轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)增程器

它的排量只有0.25 L，升功率達(dá)到了60 kW/L，最低有效油耗率260 g/kWh，5000r/min 時(shí)的恒定輸出電功率 15 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)凈質(zhì)量29kg，增程器總質(zhì)量65 kg。該增程式發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)搭載在奧迪 A1 eTron 概念車上。FIAT500增程式電動(dòng)車基于緊湊性的要求，采用一臺(tái)20kW 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)作為其增程式發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)能夠在5500 r/min 時(shí)實(shí)現(xiàn)18kW的輸出。

 

03、二沖程汽油機(jī)

二沖程汽油機(jī)由于升功率高、緊湊性好，也是一種可選的增程式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行了研究，在2012年對幾個(gè)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行了對比，包括機(jī)械增壓二沖程柴油機(jī)、渦輪增壓二沖程柴油機(jī)、機(jī)械增壓直噴二沖程汽油機(jī)，這些單缸機(jī)排量均在0.49 L，缸徑83mm，沖程90mm，利用一個(gè)外部活塞泵進(jìn)行掃氣，活塞泵與氣缸之間夾角為90，進(jìn)氣由旋轉(zhuǎn)閥控制，其中增壓直噴汽油機(jī)剖面圖見圖2。對3種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)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(jī)剖面圖

表2 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步將二沖程增壓直噴汽油機(jī)與增壓柴油機(jī)進(jìn)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(jī)模型壓縮比 11:1，排量0.5L。在同樣輸出功率下汽油機(jī)比柴油機(jī)質(zhì)量輕50kg，成本低于柴油機(jī)，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(fù)荷理論空燃比燃燒條件下，該汽油機(jī)比柴油機(jī)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(fù)荷工況該汽油機(jī)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(jī)和兩缸V型四沖程汽油機(jī)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(jī)質(zhì)量較兩缸四沖程汽油機(jī)輕15kg，機(jī)械損失小25%。

 

04、自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)完全不同，由于沒有氣門機(jī)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?xì)渑欧泡^高，熱效率較低，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率有待改善。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有可能用作增程式發(fā)動(dòng)機(jī)。南京理工大學(xué)在傳統(tǒng)二沖程自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型思路。這兩種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型示意圖分別如圖3所示模型發(fā)動(dòng)機(jī)平均輸出功率15 kW，主要部件就是兩個(gè)活塞組成的中心燃燒室以及兩個(gè)發(fā)電機(jī)。模擬分析顯示，循環(huán)指示熱效率可以達(dá)到46.2 %，發(fā)電效率達(dá)42.5 %。

圖3 傳統(tǒng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型與新型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)模型如圖4所示，模型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，四沖程自由活塞對置發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的指示熱效率可達(dá)51%，電能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)47%，二者均比單活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)模型