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混合动力系统内燃机优化

混合动力系统内燃机优化 2011年12月12日 来源： 汽车制造商和动力系统研发专家正在为串联式混合动力车、增程式电动车及插电式混合动力车开发内燃式发动机。本文一些高级技术人员向大家介绍了此方面的发展机会。 克莱斯勒在2009年底特律车展上展出了增程式电动概念车。该车型采用的发动机是一款从该公司2.4L直列四缸发动机基础上开发出来的平行双缸动力单元。克莱斯勒公司在混合动力汽车方面的未来计划目前还不明确。汽车行业对串联式混合动力车及各种类型的插电式混合动力车（PHEV）和增程式电动车（EREV）表现出了越来越多的关注和兴趣，而这给发动机设计人员创造了一个难得的机会——对内燃机（ICE）进行全新的设计和优化。 虽然具有开创意义的2011款雪佛兰Volt和Fisker Karma汽车为了降低成本和缩短开发周期采取了现有的内燃机，但是它们的后继车型预计将采用更高效的，甚至非传统式的专用动力单元。

“串联式混合动力车为内燃机的各种发展方向创造了巨大的机会，”通用汽车研究中心推进系统实验室小组经理PaulNajt表示。“有史以来我们第一次可以开发一种全新的发动机，这种发动机可以不像传统发动机那样一定要从怠速加速到6000rpm，在驱动车辆方面将完全颠覆传统方式。”与传统内燃机不同的是，在这些混合动力车系统中，内燃机的唯一作用是用来驱动发电机，而发电机的作用是在电池荷电状态（SOC）下降到预设水平时对电池进行充电。发动机在固定的转速下保持平稳的运行，而转速由电池充电要求和控制策略决定。 一旦启动，发动机/发电机将使电池维持最低的SOC水平，这样可以最大限度地延长车辆行驶里程，往往可以比首次充电的里程多几百英里。采用这种方式，车辆可以行驶到充电的地方，然后接入到电网进行完全充电。 “在这种情况下，发动机就承担了一个小型辅助动力装置的作用，”Najt表示。作为一位在通用公司从事了三十多年高级研发工作的行业专家，Najt还说，“因为发动机是与驱动轮分离的，所以我们可以在一个非常窄的运行参数范围内对其进行涉及和优化，”而这些参数要与发动机的热效率和制动系统万有特性实现最好的匹配效果。 在串联式混合动力系统中，汽缸排量可以得到大幅降低，因为系统不用再处理加速时出现的峰值负荷。目前大多数串联式混合动力车和插电式混合动力车试验台和原型车发动机汽缸排量基本在800cm3到1.2L范围内，根据平均峰值功率要求以及基于尺寸、重量、内部摩擦和泵损等因素的综合考虑，1.0L逐渐成为普遍的排量。

Najt指出未来串联式混合动力车及插电式混合动力系统采用的特定内燃式发动机会根据车辆设定的循环工况进行专门设计。举例来说，为小型城市轿车发电机提供电能可能需要15kW的功率输出，所需的内燃机无论尺寸还是配置都会与用于重型车辆或者跑车上的内燃机完全不同，因为这些车辆所需的峰值功率更高。 本文中采访的专家都表示，如果90hp/L（67kW/L）是传统发动机常见的升功率值的话，那么70hp/L（52kW/L）足够满足串联式混合动力车和插电式混合动力车的需求。他们还希望发动机采用汽油驱动，因为柴油会带来成本的问题。 针对第一代Volt车型，通用工程师采用了为B/C级前驱车辆设计的1.4L Ecotec发动机。通过仿真和前期Mu le车测试显示，在增程式电动车应用中发动机输出功率在3000~4000rpm转速时需达到53kW。通过该系统，通用工程师承认针对这款车型在发动机选择方面显得较保守。专家指出，一般四冲程汽油发动机在2500~3500rpm转速之间工作效率最高。“问题就落在你究竟想采用多大的电池及电机的功率多大上，”Najt解释道。这两方面因素对发动机控制策略和发动机及发电机配置有很大的关系。 通过设计降低成本 “如果你看一下增程式发动机设计的话，所有的东西都是现成的，而且还在成本范围内，”马勒动力总成公司（MahlePower t ra in）高级首席研发工程师NeilFraser指出。该公司最近刚完成一项将现有量产发动机进行优化后用于串联式及插电式混合动力车的详细研发项目。 “ 在设计过程中，你不必实现一般发动机的60 0 0rpm转速和10 0巴的最大汽缸压力，因此你可以从降低摩擦开始，”Fraser说。“比如，你可以减少气门弹簧的压力，还可以根据具体的限制条件和最终的负荷要求来重新设计汽缸的内部尺寸。” 他还指出，在一些情况下，主轴承轴颈的尺寸也可以缩小，只要可以维持至少与传统发动机一样的耐疲劳性。此外，要想让车辆在内燃机不工作的情况下可以维持较长的续航能力，而且当电池发出充电指令时内燃机可以立即从“停止”状态达到峰值负荷状态，需要重新设计发动机的润滑系统及轴承的耐用性。 一些工程师还在探究包括滚动主轴承和连杆轴承在内的凸轮轴总成部件以及可以关闭和打开的电子油泵，希望从中寻求新的突破。 不过，在全新的专用发动机设计方面，一些主机厂和大型动力系设计公司也在努力设计一系列新配置的发动机，其中包括平行双缸和V缸发动机；直列三缸、四缸、五缸和六缸发动机；汪克尔式转子发动机；对置活塞可替代燃料发动机（目标领域为军用混合动力系统）；甚至是氢燃料电池和微型燃气发动机。所有这些类型的发动机在排量、功率、复杂性和成本等方面都差不多。

为了满足来自工业应用领域不断增长的需求，德国FEV公司在过去一年里开发了十款需要进一步评估的增程式电动车，该公司首席技术官Dr. JochemWolschendor f表示。FEV公司对这些原型车和一些发动机的设计进行了整合工作。 “这些原型车内发电机的功率范围为15到200kW，涵盖了小型车到大型军用车辆的需求，”Wolschendorf说。模块化设计让FEV公司可以将发动机系统的复杂性和成本降到最低。 为混合动力系统设计全新的内燃式发动机还带来两个重要的机会，即发动机结构的简化和部件数量的减少。通用公司Najt指出，每个汽缸内采用两个气门的SOHC发动机可以帮助减少摩擦，而且可以达到要求，不过要至少保留一个高效的燃烧室。 FEV公司Wolschendorf指出，全新的发动机可能不必采用可变气门正时（VVT）系统，因为发动机转速不高，但是考虑到发动机启动时的排放控制，可能会保留一个简化了的VVT系统。在2009年法兰克福车展上，莲花科技工程（Lotus Engineering）公司推出了一款专门设计的增程式发动机，目前用于采用了增程式动力系统的捷豹XJ车型上。这款1.2L轻质三缸发动机采用了单体汽缸体（头），气门机构进行了简化，其他一些部件也进行了专门的设计，以达到降低成本和提高效率的目的。 NVH性能需要优先考虑 专家指出，在为串联式和插电式混合动力车开发内燃机时，提高NVH性能是其中一个较大的挑战。当系统处于电量消耗模式下时，车辆仅仅依靠电池平稳安静地行驶，而在电量维持模式下内燃机开始工作；如果系统没有得到合理优化的话，这两个模式之间的切换过程会及其不平顺。 “ 这个问题是我们开发此类发动机时首先要解决的问题之一，”Wolschendorf表示。“在发动机开始工作时，车辆的运行噪音就会突然出现— —不管你使用什么类型的内燃机。” 的确如此，AEI在去年11月份一次Volt增程式电动车试驾中就发现了这个问题。虽然我们试驾还是一辆原型车，但是车辆依然经过了很好的调校，就好像纯电动车一样安静。当我们在通用Milford试验场试驾时发现，内燃机一启动，转速就会按照电动系统控制软件的设定很快达到3000rpm。 相对之前非常安静的行驶来说，这种切换就会让人感到“动静很大”。 从“停止”状态瞬间达到高负荷是串联式混合动力车及增程式电动车一个特点，而对开发人员来说是一个很大的挑战。“ 最好的效果就是让乘驾人员意识不到发动机已经开始运行，”Wolschendorf介绍道。 雪佛兰Volt工程师正在修改车辆的控制软件。他们还改进了发动机的安装支架，确保在发电机启动时切换的过程可以更加平稳。但是他们也承认，如果发动机本身得到优化的话，车辆的整体NVH性能可以得到进一步提升。 用于串联式混合动力车和增程式电动车的双缸发动机虽然重量得到了减轻，外形也比较紧凑，而且系统成本也得到了较低，但是NVH问题对其来说是一个很大的挑战。 “我们有些客户一直对在串联式小型混合动力车中采用双缸发动机有兴趣，包括直列式和V形。但是我们发现这种应用很难实现，主要是机械振动的原因，此外还有噪音的原因，”AVL公司火花点燃发动机首席工程师Paul Whitaker表示。 他和AVL北美混合动力开发总监Jerry Klarr都表示，双缸发动机（即使配置了平衡轴）的最大问题是在启动时的NVH性能。

他们还指出，采用一些先进的（往往成本也高）主动悬置装置是一种解决办法。此外，具有开启和关闭功能的电动燃油泵可以在发动机启动的时候维持燃油压力，不仅可以减少轴承的摩擦，还可以降低发动机启动时正时链的噪音。 改变游戏规则的机会 对用于串联式和插电式混合动力车上的发动机来说，降低发动机重量是设计的关键，因为在车辆完全依靠电池行驶时，内燃式发动机属于一种“额外的装置”。也就是说，发动机额外增加了整个系统的重量，而电池模块和电动马达的重量对车辆来说已经是一个挑战。 动力系统专家AVL和FEV公司分别开发了城市用演示车辆，展示了在串联式和插电式混合动力车上采用汪克尔转子发动机在尺寸、重量、功率输出及NVH方面具有的优势。 这两家公司为了在他们所选择的车型中追求紧凑型、轻量化和可升级性都选择了单转子发动机。AVL公司采用了经过改装的Mini车型，而FEV采用了菲亚特500车型。目前这两辆原型车都在欧洲进行紧锣密鼓的道路测试。 AVL公司在Mini车型原来的发动机机舱内安装了汪克尔发电机，而FEV选择了比较激进的布局——将发电机安装在前座椅下面的底板内。 “这种方式体现了串联式混合动力系统的装配优势，”Wolschendorf指出。“即使像菲亚特500这么小的车，紧凑型发电机单元也可以安装在乘坐车厢下。” 内燃式发动机全新设计带来的这种灵活性还对车厢内部布局和前碰撞管理方面创造了新的机会。 长期来看，内燃式发动机在串联式插电式混合动力车上能否成为终端用户买车时的主要购买标准之一还是一个问题。但是在开发前期，工程师的工作重点是让公众了解他们努力的方向。(end)

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