用于电气化驱动系统的内燃机

未来内燃机必须适应先进的电气化动力总成系统。Opel公司和Darmstadt理工大学已为48 V轻度混合动力进行了仔细的模拟研究，并且对各种不同基础发动机与混合动力布局的组合就其效率和经济性进行了试验研究。

1 初始状况

采用传统内燃机作为唯一驱动装置的车辆将难以满足未来的CO₂排放限值，而选用重型SUV以及轿车弃用柴油机的趋势进一步加剧了这种挑战。

为了在认证循环中达到所要求的指标，当今搭载采用米勒燃烧过程的1.2 L涡轮增压直喷式火花点火式（SIDI）发动机的紧凑型车辆平均热效率必须达到31%的（图1），该值约相当于270 g/（kW·h）的比燃油耗。若考虑CO₂排放达到75 g/km的话，则发动机平均效率必须达到41%，或者平均比燃油耗必须达到210 g/（kW·h），这是目前发动机通常在最佳点也无法达到的比燃油耗值。出于该原因，动力总成系统的电气化为必由之路，但是问题在于应该采用哪种类型的电气化？用于该用途的最佳内燃机应是怎样的？

图1  CO₂排放是发动机效率和电气化程度的函数

目前，全球在新批准的轿车中混合动力化动力总成系统的市场份额不到2%，因此混合动力车仅能勉强维持很小的生存环境。因其市场渗透率较小，出于经济的原因，开发最适合于混合动 力的内燃机尚无意义，因为目前混合动力大多应用了传统内燃机。 但是，如果混合动力车从次要解决方案转变为主流解决方案的话，其所使用的发动机应是怎么样的呢？

根据所有重要的市场研究预测，今后几年中电气化动力总成系统的市场将会不断地扩展，微型混合动力车（μHEV）、轻度混合动力车（MHEV）、全混合动力车（HEV）、插电式混合动力车（PHEV）、蓄电池电动车（BEV）和燃料电池车（FCEV）将同时并存。各种车型的市场份额在地区之间（例如欧洲、美国和中国之间）、在车辆等级之间会有所变动。虽然预测往往并不稳定，但是有一点是毋庸置疑的：随着安装的电功率和蓄电池容量的不断增加，电驱动将变得更为昂贵。对于成本较为敏感的A、B和C级车而言，轻度混合动力因其有利的成本-效益比而成为具有吸引力的选择。作为量产制造商Opel公司已与Darmstadt理工大学共同合作为48 V轻度混合动力进行了详尽的模拟研究。第一步已设计了电系统，例如总体布局、电动机和蓄电池。第二步工程师们就将各种不同的发动机机型与电系统组合起来，并评估其协同工作潜力和成本-效益比。在该方面早期的研究得到了部分相互矛盾的结果。为轻度混合动力推荐的，一种是简单的自然吸气发动机，另一种是技术较为复杂的涡轮增压发动机。

2 混合动力系统

用于轿车的典型混合动力系统由一台内燃机和一个电驱动系统组成，两者必须相互协调组合，从而充分发挥其各自的优点并摒弃其各自的缺点，以便达到尽可能高的总效率，例如在实际使用中使内燃机尽可能不在效率较低的低负荷工况运行。

3 内燃机技术

本研究项目选择了以下发动机技术，并与各种不同的混合动力布局相组合：

（1）1.2L涡轮增压SIDI（TC-DI-1）；

（2）1.1L涡轮增压SIDI，并配备为混合动力用途优化的涡轮增压器（TC-DI-2）；

（3）1.2L涡轮增压SIDI采用米勒燃烧过程；

（4）1.2L涡轮增压SIDI- 米勒采用可变压缩比（VCR）；

（5）1.6L自然吸气发动机（自然吸气多点燃油喷射，NA-MPFI）。

所有发动机的额定功率相同，其他特性参数示于图2。自然吸气发动机、涡轮增压发动机、米勒发动机以及可变压缩比发动机的重要功能目前已众所周知。

图2 发动机技术规格和特性

图中： WG-TC=废气放气阀涡轮增压器； VTG-TC=涡轮可变几何截面增压器；

LET=低端扭矩；RP=回收能量；EIVC=进气门早关；VCR=可变压缩比

传统增压器汽油机需满足许多相悖的要求，所选择的方案通常会进行一定折中，而在混合动力应用场合中涡轮增压器可能较大，因此还需针对额定功率进行优化，那么低转速时的扭矩损失和/或瞬态加速响应特性的恶化就要通过电机予以补偿，易于看出这样的设计改善的并非是部分负荷燃油耗，而是高负荷燃油耗。

但是，如果要改善一般用户通常使用的部分负荷燃油耗，那么主要有两种方式：第一种方式是由于涡轮增压器较大，在额定功率时混合气加浓需求相同的情况下，几何压缩比可提高1%～2%，这样部分负荷燃油耗可降低约2%～4%；也可通过减小排量也就是更高的小型化程度以及相同的压缩比来替代，可获得相同的化学计量比混合气额定功率，正如在带有常规涡轮增压器的非电气化发动机上的情况一般。在本研究项目框架中还试验了第二种方式（TC-DI-2），除此之外其所使用的涡轮增压器也比常规的废气放气阀（WG）涡轮增压器或可变几何截面涡轮（VTG）增压器更为有利，以此补偿了电气化增加的部分成本。

4 电驱动系统

电驱动系统主要由发动机-发电机单元（MGU）、蓄电池和功率电子器件组成。除了各个部件的工作能力之外，混合动力布局起着重要的作用。由混合动力控制单元（HCU）来确定运行策略，也就是说确定使用内燃机运作的哪个工况范围以及电系统的哪个部分。

在本研究项目框架中，对MGU进行3个功率等级（10 kW、15 kW和20 kW）的试验，其主要任务是回收减速期间车辆的动能，而在加速和恒速行驶时则利用之前回收的能量支持驱动。在最低车速时，如果汽油机的效率较低的话，那么甚至可以使用48 V轻度混合动力限制电动行驶。此外，在本研究范围内，还使用了8 A·h和16 A·h容量的锂离子蓄电池。

混合动力布局按其特征可区分为P0、P1、P2、P3和P4四种结构型式，这些数码用于描述电机布置于什么位置。P0（电机位于辅助设备传动机构中）和P1（电机位于曲轴飞轮端）是指MGU与曲轴相连接。P2是指电机位于变速箱输入轴上。P3是指电机位于变速箱输出轴上。在前桥驱动车辆上，P4指的是电驱动后桥。如果发动机功能与发电机功能彼此相互分开的话，那么就被称为“Px-Py”。

5 运行策略

应用混合动力需要为每个运行工况点确定运行策略，需要确定由内燃机哪部分的功率以及由哪个电机来进行辅助。为运行策略设定的目标是在确保试验开始和终了时蓄电池的充电状态尽可能相同的同时，将燃油耗和CO₂排放降低到最低程度。同样，简化的蓄电池负荷模块用于监测蓄电池的用电状况，例如不会为确保微小的节油效果而使蓄电池过度耗损。所介绍的这种动力总成系统已借助于等效燃油耗最低化策略（ECMS）进行了优化。

6 技术效果

根据全球统一的轻型车试验程序循环（WLTP）（或WLTC）的速度谱，必须回答关于48 V混合动力系统的以下问题：最佳的发动机-发电机功率是多少？最佳的蓄电池尺寸/容量是多少？什么样的混合动力布局是最合理的？什么样的技术组合具有最好的成本-效益比？

在一辆配备手动变速箱的C级车基础上，分别对5种发动机机型、3种MGU功率、2种蓄电池容量和3种混合动力布局进行评价。为每一种组合开发和优化运行策略（图3）。

图3 研究内容和框架条件

图4示出了混合动力布局（P1、P2、P3）、MGU功率（10 kW、15 kW、20 kW）和蓄电池尺寸（8A·h和16 A·h）不同时米勒发动机的燃油耗，以非电气化的TC-DI-1作为基准进行比较。对于使用8 A·h蓄电池的混合动力系统，P3型混合动力达到了最低的燃油耗。相对于P2和P3型混合动力，P1型混合动力显示出明显较低的节油潜力。P2和P3系统即使在发动机停机和/或脱开期间也能回收能量，从而能回收明显更多的动能。除此之外，在离合器脱开情况下P3系统能在反接过程期间回收能量，同样能在小范围内实现电动行驶，而不至于必须与内燃机一起运转。

图4 节油效果和最大可能回收的能量是MGU功率、蓄电池容量和混合动力布局的函数，Miller方案与TC-DI-1相比

就MGU大小而言，在使用8 A·h蓄电池情况下，与混合动力的布局无关，使用15 kW和20 kW的MGU达到基本相同的节油效果，但是若使用16 A·h蓄电池替代8 A·h蓄电池的话，则使用20 kW的MGU能进一步节油约2%，这就意味着：蓄电池与MGU必须根据车辆的不同而实现相互协调。在考察总燃油耗的情况下，模拟数据揭示了另一个倾向：MGU功率和蓄电池容量越大，整个系统的效率就越好，当然随着蓄电池容量增大其成本也增加。在体积方面这是一个非常敏感的范围，并且必须衡量成本-效益比。对于所有其他试验，选择了配备15 kW-MGU的48 V混合动力系统使用16 A·h蓄电池，并与所介绍的发动机方案相组合。

图5左图示出了4种发动机技术采用不同混合动力布局时获得的燃油耗好处，各自以非电气化方案作为比较基准。从中可看出，所有发动机方案通过混合动力化都获得了相似的较好节油效果，其中P3系统具有最大的节油潜力，而P1系统的节油潜力最小，因此自然吸气发动机（NA-MPFI）采用P1系统可节油约5%，而采用P3系统则能节油约13%，这些数据也适用于所有其他试验发动机方案。但是，再看绝对燃油耗（图5右图）就可看到，与涡轮增压发动机相比，非电气化的自然吸气发动机就要高出约10%～12% 的水平，混合动力正好也能获得这样的优势，以弥补之前所介绍的缺点。与此相比，VCR方案达到了最低的燃油耗，但是其复杂性和成本也相对较高。而增压的米勒方案能得到与VCR非常接近的燃油耗值，但由于其复杂性较低，在成本-效益比方面占有一定优势。类似的情况也适用于涡轮增压器为混合动力优化的增压方案（TC-DI-2），此时可再次降低成本。

图5 相对燃油耗（左）和绝对燃油耗（右）是发动机技术和混合动力布局的函数

7 方案经济性评价

图6示出了与常规的1.2 L涡轮增压汽油机（TC-DI-1）相比所有试验方案的额外费用，其以各自在WLTP试验循环中降低CO₂排放的函数表示出来。图中虚线是等成本-效益比线。从图中可得到下列信息：

图6 成本-效益比

最佳常规内燃机通常要求最低的额外费用，并且成本-效益比是最佳的，但是为了满足未来的废气限制，在大多数情况下可能的节油潜力作为唯一的措施并非不满足要求。借助于48 V轻度混合动力化能显著降低燃油耗，然而与常规发动机相比处于明显较高的成本水平和不利的成本-效益比，其中虽然P1混合动力的额外费用最低，但是节油潜力也最低，与P2和P3相比其成本-效益比也是最低的。P3混合动力虽然因其系统复杂性比P2高是最为昂贵的，但是由于同时提供了较低的燃油耗，是提升成本效益最好的措施。

所有的试验发动机技术对轻度混合动力化呈现出较高的协同潜力，每一种混合动力布局与常规发动机技术的组合都能在良好的总成本-效益比同时进一步降低燃油耗，这意味着改善内燃机效率始终是首要的选择，接着再添加混合动力布局，它是为达到节油目的所必需的。为满足未来CO₂排放限值的要求，自然吸气发动机用于轻度混合动力并非是一种好的解决方案。

因为混合动力化对于满足未来CO₂排放法规的要求是必需的，未来的动力总成系统的成本会提高，并且最终必然会转移到用户头上，因此所选择的技术必须仍然需使用户可以承受。P0方案是否足够或者是否必须选择P3方案，则取决于每个OEM制造商的业务量和状况。如果装备一种新的动力总成系统的车型的价格用户承受不起的话，那么用户就会继续使用其现有的车辆，而不会再花钱去购买新的车辆。

用于轻度混合动力的内燃机的运行状况与如今的有所不同，其技术规格必须作相应的调整。内燃机运行范围的限制将能改善其效率，以便在燃油耗方面获得进一步的优势。

【德】 M.VÖGLER等

【翻译】范明强

【编辑】伍赛特