使用甲烷运行的轻度混合动力系统

甲烷基燃料短期内就能为降低道路交通CO₂排放作出重要的贡献。 因为天然气可被广泛用作能量载体，因而Ford公司为这种燃料开发了一种现代混合动力化内燃机，并对其潜力进行了试验研究。

1 起因

目前，动力总成系统的电气化是为进一步降低CO₂ 排放所选择的技术，可对其进行如下分类： 轻度混合动力化、全混合动力/插电式混合动力和蓄电池电动车（纯电动车）。 在欧洲市场上车辆的成本和法规对该领域的车辆起着最重要的影响。 从这种观点出发，在电气化过程演变期间，该领域车辆的分配将向更强劲的驱动功率和更大的蓄电池容量发展。 在该发展趋势下，特别是未来蓄电池系统的工作能力和成本将起着决定性的影响，但是目前行驶里程和充电公共设施扩建缓慢却阻碍了电动车更深入地渗透市场。

在当前的市场环境中，在机动化持续转变的情况下代用燃料就具有重要意义，其能以具有吸引力的车辆成本显著降低CO ₂排放。 此外，与使用代用燃料运行的车辆相似的服务可使用户接受其使用习惯，而公共设施方面的投资又可保持在极限之内，因为现有的供应网络可用作建立燃料供应的基础。 甲烷具有显著的潜力，与汽油相比使用甲烷的内燃机的CO ₂排放可降低20%以上。 因为已存在广泛的天然气供应网络，因而甲烷作为代用燃料具有重要意义。 特别是，如果使用持久的初级能源来生产合成用电制取的某种燃料（PtX），那么用电制取的气态燃料（PtG）和用电制取的液态燃料（PtL）燃料的意义就更为显著了，于是诸如氢和合成甲烷等气态燃料就不仅仅是一种过渡解决方案，而且可以成为一种重要的持久能量载体。 天然气形态的甲烷可作为能量载体广泛使用，那么要为这种燃料开发一种现代混合动力化的内燃机（图1）并研究其潜力就具备较广泛的实际意义了。

图1 使用甲烷运行的混合动力总成系统示意图

2 系统介绍

这里所介绍的使用甲烷运行的轻度混合动力总成系统（MPMH）（图2）的基础是在单燃料甲烷发动机基础上优化的1.0 L涡轮增压甲烷直接喷射汽油机（MTDI）（图3）。 这种机型源于现有的具有16 MPa以上峰值压力的3缸基础发动机。 这种用于MPMH系统的MTDI发动机最重要的特点是气体燃料直接喷射、压缩比ε=13.0和加强的曲柄连杆机构，并且能承受较高的气缸峰值压力。 此外，增压系统由一个带有可变压气机进口的涡轮增压器和一个电动增压器组成。

图2 使用甲烷运行的轻度混合动力总成系统（MPMH）

图3 优化的1.0L涡轮增压甲烷直接喷射发动机（MTDI）

为了使直至高负荷的整个特性曲线场范围内达到最高的效率（图4），除了进排气凸轮轴相位调节器之外无需其他可变系统。 MTDI发动机以化学计量比混合气运行是使用三元催化转化器进行废气后处理的前提条件，而颗粒捕集器则不需要了，同时能充分利用甲烷极好的抗爆性潜力，使平均有效压力达到3 MPa。 1.0 L-MTDI发动机具有充满前景的全负荷特性曲线（图5），因此其能与现代1.5 L增压汽油机相媲美。

图4 MTDI的效率特性曲线场

图5 MTDI发动机全负荷特性曲线

MTDI动力装置以轴向平行的48 V-P2结构型式实现混合动力化（见图1,2）。 P2布置型式使其能回收高份额的制动能量，同时在行驶运行中可脱开离合器，使发动机停止工作，使车辆实现自由滚动滑行（起动-停车-滑行）。 因P2混合动力模块结构紧凑（图6），动力总成系统在车辆上可进行横向安装。

行驶离合器和分离离合器（译注：分别指图1中的C1和C0离合器）、双质量飞轮、48 V电机和标准空调压缩机都集成在混合动力模块的皮带传动机构中。 此外，轻度混合动力车（MHEV）系统还包含有一个容量较小的48 V锂-离子蓄电池，其是为回收峰值功率而设计的，而较大容量的蓄电池则用于支持增大MTDI发动机负荷的运行策略，因MTDI发动机燃油耗特性曲线场较为扁平（见图4），较大容量的蓄电池不会使CO₂排放得以显著降低。 此外，P2混合动力化使其可具备纯电动行驶的机动性，并可通过在低转速范围内叠加电机扭矩来提高内燃机全负荷的工作能力。

图6 轴向平行结构型式的P2混合动力模块

3 燃油耗

典型的1 750 kg车重的中级或中上级车辆仅约30%的相应燃油耗转变成机械能用于克服行驶阻力。 如果假定以典型的燃烧温度和卡诺（Carnot）循环进行概念实验的话，那么至多能以65%的效率产生所必需的驱动功，这相当于降低了约55% 的CO₂排放。

图7 各种不同动力总成系统方案的CO₂排放（WLTP）

但是，工程技术上不可避免的损失会使处于最新技术状况（理想-真实发动机）的汽油机的最高效率缩减到约42%。 如果发动机能在整个特性曲线场范围内以该效率运行的话，那么与当今车辆相比还能获得高达30%的节油潜力。这种发动机的真实运行（节流、瞬态运行等）进一步降低了平均效率，从而得到了真实发动机在全球统一的轻型车试验程序（WLTP）行驶循环中的相应燃油耗。 图7中示出的真实发动机与理想-真实发动机之间约30%的差异就是外源点火后内燃机剩余的开发潜力，由此可花费相应的费用以部分实现这些潜力，因此使用汽油运行的内燃机的CO₂排放估计至多还能降低15%。

而本文所介绍的MPMH动力总成系统从所应用的甲烷燃料中较有利的H-C比例和混合动力化中获益匪浅，从汽油改用甲烷后使CO ₂排放降低了约28%，这个数值已包括了5%的最佳潜力，这是从甲烷的较高抗爆性中得到的，而混合动力化则允许CO ₂排放进一步降低14%。

因此，总计而言，MPMH动力总成系统在WLTP行驶循环中的CO₂排放能降低到低于无混合动力化的用汽油运行的理想-真实汽油机的水平（见图7），它达到了可与汽油机相提并论的效率47%。 通过使用由来自可再生能源的初级能源制取的合成甲烷，能进一步减CO₂排放。

4 振动—噪声—平顺性（NVH）

如果驾驶员不需要驱动功率的话，就能通过P2混合动力结构使MTDI发动机从动力总成系统中脱离并停止工作，因此能进一步降低燃油耗。 在这种状况下，电机可与曲柄连杆机构或是与车轮连结，从而使车辆处于起动-停车-惯性滑行行驶（在内燃机脱开并停止工作情况下车辆靠惯性自由滚动行驶），或者处于“帆船”行驶模式（车辆借助于电机保持原有的行驶速度），此时由于避免了发动机部分负荷运转以及在倒拖运行中取消了发动机牵引力矩而对燃油耗产生了有利的效果，这样就提高了车辆制动时回收能量的潜力。 通常的试验循环例如全球统一的轻型车试验循环（WLTC）是基于固定的行驶速度曲线，在这些行驶循环中并未规定惯性滑行阶段，其中惯性滑行效果并未起作用，而在真实行驶中起动-停车-滑行的潜力则会完全消失。

当然，起动-停车策略会导致车辆机动性和振动舒适性受影响。 机动性被定义为“在所有行驶状态时，作为对驾驶员改变期望扭矩的反应，车辆表现出令人愉悦的性能”。 基于行驶机动性的差别较大，已衍生出了用于评价机动性的众多可测量的特性指标。借助于CAE方法，这些评价指标甚至在早期开发阶段就能从车辆设计和运行策略层面对车辆机动性作出客观的评价。 发动机再次起动时的机动性或振动舒适性的评价标准最重要的是对加速踏板作出反应时车辆的纵向加速度。在发动机停止工作而车辆依然保持行驶的情况下，对加速方面的要求是任何时候发动机都必须快速和流畅地接入动力总成系统。

在评价起动-停车-滑行方式时发动机的重新起动具有重要意义。 发动机用小齿轮起动在开始时相对较慢，并伴有典型的起动机响声。 在车辆停车期间发动机（重新）起动后似乎可直接加速，而车辆惯性滑行情况下发动机重新起动后必须首先与变速器入口转速同步，然后才能通过离合器结合传递驱动功率。如果发动机的目标转速较高的话，那么这种过程会延迟车辆加速响应时间，且必须要有保持机动性的对应措施，因此以起动-停车-滑行方式行驶时的转速范围必须应予以限制，当然以此也可能会减少节油效果。

在P2结构布置型式情况下，发动机可通过C0离合器用与小齿轮起动机工作能力相仿的电机重新起动（见图1），因此发动机将明显更快地且几乎察觉不到地接入动力总成系统。 除此之外，电动增压器还能改善发动机的瞬态扭矩。

为了研究发动机重新起动的特性而应用了一种基于CAE的研究方法。 首先建立了一种详细的1D-动力总成系统模型，它包括详细的空气管路以及凸轮轴相位调节器、废气涡轮增压器和电动增压器。 除了燃烧模型和所有关系重大的调节之外，也应重视基于发动机摩擦的模型化处理，以便尽可能精确地描述发动机起动时从混合摩擦转化到全液力摩擦的过程。 其他要考虑的方面还包括电机的瞬态特性、电液式离合器执行器以及电控单元之间CAN总线通讯的信号运行时间。 利用动力总成系统重要组成部分和轮胎滑移的非线性刚度特性和阻尼特性就能研究低频范围内的NVH现象。

通过改变车速和挂入的挡位以得到不同的发动机目标转速来进行发动机重新起动的模拟，在这种关系中研究两种不同的电机，以采集其对发动机重新起动品质的影响。与12 kW的异步电动机（EM1）相比，18 kW的永磁同步电机（EM2）在1 000 r/min以上转速时会产生对曲轴而言明显较大的扭矩。图8示出了从第三档50 km/h车速滑行行驶开始的模拟发动机重新起动的持续时间，它是因突发的全负荷需求而重新开始起动的。

图8 第3挡50 km/h车速和目标转速2 250r/min时 发动机重新起动的持续时间（部分示意）

除了机动性和NVH的总体评价之外，同样还描述了各种不同硬件配置下加速响应滞后以及直至建立起90%目标扭矩的时间。 加速响应滞后被定义为从操作加速踏板，发动机开始重新起动，直至车辆纵向加速度达到0.25 m/s² 时刻的持续时间。 正如已阐明的那样，特别是在较高的目标转速情况下，加速响应滞后是发动机重新起动机动性评价的决定性因素。 与加速响应滞后相似的是，目标扭矩的建立被确定为从操作加速踏板直至达到90%所要求的扭矩的持续时间，因此这种衡量指标也是以车辆纵向加速度为基础的，这样就将驾驶员所察觉到的扭矩与所要求的扭矩联系起来了。 按照这种和其他衡量机动性和NVH的标准，总体评价可作为单项评价的加权总和来进行计算。 在进行总体评价时，驾驶技巧必须可被完全接受。 正如所预期那样，与小齿轮起动机起动相比，混合动力模块中的电机能明显改善发动机的重新起动过程。

图9示范性地示出了采用或不用电动增压器时电机1（EM 1）提升转速和重新起动阶段的情况。正如所预期的那样，EM 1扭矩较小且不用电动增压器，导致发动机进气压力较低，同时使得转速提升梯度较小（图中蓝色曲线）。 电动增压器因提高了发动机进气压力，从一开始发动机就产生了明显更大的扭矩。 这种附加扭矩缩短了加速响应滞后时间，并且在转速达到同步后可用于改善车辆的纵向加速度。

图9 发动机重新起动过程（EM 1，用和不用电动增压器，第三档，50 km/h时）

用功率稍大的电机（EM 2），即使不用电动增压器也能缩短转速同步的时间（见图8）。 为了在需求高扭矩（例如全负荷时）情况下辅助发动机建立瞬态扭矩，行驶离合器一结合EM 2就能产生附加的车轮扭矩。使用电动增压器也能达到相似的效果，当然其所需要的电能明显较少。 正如所预期的那样，功率稍大的电机（EM 2）与电动增压器组合使用能取得最好的效果。

所示出的结果基于一种重新起动策略，即离合器C0（见图1）是始终处于接合状态的，而P2结构型式提供了从倒拖起动直至转差起动的众多方案。所谓的倒拖起动不需要电机，因为其能利用车辆的动能来倒拖发动机起动，但是在用电机进行辅助倒拖起动时，特别是在车辆速度较高和处于较高挡位情况下，可以达到良好的机动性。而所谓的转差起动，除了需要相应的离合器调节之外，还需要辅以较高的电机扭矩，不仅需起动发动机，而且同时还要给车轮提供扭矩。电机典型低转速时的高扭矩使得这种策略在行驶速度低的情况下极具吸引力。

5 结论

关于在汽车领域的应用，这种新型的MPMH动力总成系统是一种充满吸引力的方案，它可达到了1.5 L增压汽油机的全负荷性能，同时CO₂排放又低于理想-真实汽油机，其废气后处理以化学计量比混合气运行为基础，并应用三元催化转化器以及创新的催化转化器加热策略。 这种比较有利的48 V-P2混合动力系统能回收制动能量，而且还能以纯电动状态行驶。 整个系统能实现相互协调，通过其性能达到较好的使用效果。 这种轻度P2混合动力化提供了具有较好机动性的动力总成系统，并能确保顺利流畅的起动-停车-滑行行驶过程。 这种甲烷发动机不仅能使用天然气运行，而且能以任意比例与合成甲烷（优先采用来自再生能源的初级能量制取）混合使用。因此，这种MPMH动力总成系统能持续不断地从常规燃料切换到再生燃料，因为其能在闭环CO₂循环中不增加排放地顺利运行。

【德】M.SPRINGER等

【整理】范明强

【编辑】伍赛特