混合动力乘用车发动机的发展历程与研究现状II

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。上期推文混合动力乘用车发动机的发展历程与研究现状主要介绍常规混合动力乘用车发动机的发展历程及研究现状。本期推文将主要介绍增程式发动机的发展历程和研究现状。
 

01、四冲程汽油机

奥地利AVL公司2010年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1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。

 表1 AVL 两缸四冲程增程式汽油机机技术参数

表1 丰田两代混合动力发动机油耗及运行线对比

  

AVL 公司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0.5L，为了保证发动机足够的升功率（大于60 kW/L）及5800r/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 年研发了排量为 0.8 L 的V 型两缸增程式汽油机，4 500r/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。

 

02、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1所示）。

  

图1 AVL 单缸转子发动机增程器

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，5000r/min 时的恒定输出电功率 15 kW，发动机净质量29kg，增程器总质量65 kg。该增程式发动机已经搭载在奥迪 A1 eTron 概念车上。FIAT500增程式电动车基于紧凑性的要求，采用一台20kW 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5500 r/min 时实现18kW的输出。

 

03、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。意大利摩德纳大学近年来对二冲程汽油缸内直喷(gasoline direct injection, 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83mm，冲程90mm，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2。对3种方案的发动机性能进行的模拟预测结果见表2。

图2 二冲程增压直喷增程式汽油机剖面图

表2 二冲程发动机性能预测对比

基于上述预测，该研究组在2013年利用 CFD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。二冲程增压直喷汽油机模型压缩比 11:1，排量0.5L。在同样输出功率下汽油机比柴油机质量轻50kg，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270-280g/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215g/kWh。此外，该研究组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15kg，机械损失小25%。

 

04、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。南京理工大学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3所示模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 %。

图3 传统自由活塞发动机模型与新型自由活塞发动机模型

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4所示，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，四冲程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。

图4某四冲程自由活塞发动机模型