增程式电动汽车増程器用发动机的选择

刘钊 田文朋

（长安大学 西安 710064）

1 前言

由于机动车快速增长所引发的环境及能源问题日益严峻，各国都在对传统内燃机汽车进行限制，并鼓励新能源汽车的研发与生产[1-2]。在各类型新能源汽车中，增程式电动汽车与纯电动汽车相比增加了续驶里程，降低了成本；与插电式混合动力汽车相比，其増程器的工作状态与车辆行驶状态无关，可以始终在高效区工作，更适合负荷变化频繁的城市路况[3-4]。现阶段由于增程式电动汽车在能量传递中增加了机械能与电能的相互转换，导致节能效果不明显，因此需要从能量传递环节中效率较低的増程器发动机入手，寻找提高増程器效率的途径。

目前，增程式电动汽车均选用现有内燃机作为増程器发动机，而现有内燃机的设计制造是为了满足传统车辆全工况的动力及经济性要求，与増程器发动机的技术需求存在巨大差异，因此有必要为增程式电动汽车寻找更为适合的内燃机作为増程器发动机，以突出增程式电动汽车的优势。

2 増程器发动机的特点和种类

目前大多数増程器由柴油发动机串联发电机组成，其作用是给汽车主电机或蓄电池进行供电，并不参与驱动车轮[5-6]。根据増程器的工作方式及应用场合，増程器发动机应具有体积小、质量轻、输出功率大、效率高、可靠性高、成本低等特性。増程器作为发电装置，从能量转换过程区分包括直接发电（燃料电池发电、太阳能发电等）和热机与发电机组合发电（外燃机发电、内燃机发电等）两种模式。

目前，直接发电装置成本普遍较高。如氢燃料电池汽车虽具有零排放、能量转换率高、高能量密度、电池寿命长及加氢时间短等综合优势，但液态氢的生产和储存成本较高，使得氢燃料汽车补充燃料极为不便[7]；太阳能发电技术目前仍无法承担汽车行驶所需能量，太阳能汽车也并未实现量产，因此直接发电装置不适合作为増程器使用。

在热机与发电机组合发电模式中，热机的可选种类十分丰富。大多数发电站所使用的发电装置都是外燃机发电，避免了传统内燃机的震爆问题，实现了低噪声、低污染和低运行成本，同时外燃机可使用多种燃料，对燃料的纯度要求较低。但外燃机附属设备庞杂，无法快速启动，因而限制了其在汽车上的应用。

内燃机以柴油机和汽油机等往复活塞式内燃机为主，除此之外还有旋转活塞式、自由活塞式、燃气轮机等。往复活塞式内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点，技术比较成熟；旋转活塞式内燃机具有功率高、振动小、运转平稳、结构简单等优点，但因该发动机燃料经济性差，故未能广泛使用；自由活塞式内燃机机组布置和功率选择有较大的灵活性，但由于布置分散、附属设备多，因而应用范围受到限制[8]；燃气轮机具有体积小、质量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点，但燃气轮机工作时需要吸入大量的新鲜空气，同时排放出大量的废气，进、排气系统会占据大量空间，从而导致其设备在空间和结构上的局限性。各种增程器发动机的特点如表1所列。

表1 各种増程器发动机的特点

3 増程器发动机的选择

由表1可知，外燃机体积大、质量重，显然不适用于増程器。在内燃机中，虽然旋转活塞式、自由活塞式、燃气轮机有体积小、质量轻的优势，但由于制造成本较高，可靠性不足，均未达到量产条件。往复活塞式内燃机可靠性高，制造成本低，虽然其效率有待提高，但在目前研究现状下仍是増程器用发动机的最佳选择。

提升往复活塞式内燃机效率的方法有两种，一是使用阿特金森/米勒循环，二是使用均质充量压缩燃烧（HCCI）技术。

a.詹姆斯·阿特金森在奥托循环内燃机的基础上，通过一套复杂的连杆机构使得发动机的做功行程大于压缩行程，有效提高了发动机效率。米勒舍弃了复杂的连杆结构，而是采用配气时机来制造做功行程大于压缩行程的效果，提前关闭进气门，减少进气量，或推迟进气门的关闭时刻，使吸入的混合气又“吐”出去一部分，以达到实际压缩行程减小的目的。阿特金森/米勒循环在提高效率的同时也存在缺点，一是低转速扭矩小，低转速进气门早关或晚关引起充气效率下降；二是长活塞行程不利于发动机高转速运转[9-10]。

b.HCCI燃烧方式结合了柴油机压燃和汽油机均质混合气点火燃烧的特点，基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高热效率；与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低(低于＜2000K)，NOx排放低，几乎没有PM排放。另外，HCCI能使用包括汽油、柴油、天然气、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等在内的多种燃料。但是HCCI运行工况对EGR率、压缩比和空燃比依赖很大，可接受的、不发生爆震的HCCI工况被限制在了很小的参数范围内，小负荷工况时混合气浓度过稀，发动机易“失火”；而大负荷工况下发动机放热速率过快，发动机容易产生爆震，实际稳定运转范围窄[11-12]。

由此可见，虽然阿特金森/米勒循环发动机和HCCI发动机只能在中等转速或中等负荷条件下运行，不适宜在传统汽车上的应用，但由于增程式电动汽车的发动机与车轮完全解耦，不受车辆行驶状态的影响，可以始终工作在特定的工况上，因而适合阿特金森/米勒循环发动机和HCCI发动机的工作特点[13-14]。因此，阿特金森/米勒循环发动机和HCCI发动机（或将二者结合组成米勒循环HCCI发动机）在增程式电动汽车上将会得到充分利用。

4 仿真分析

利用计算机辅助仿真软件GT-Power对上述发动机效率进行仿真。首先建立四缸火花塞点燃发动机基本模型，并使用天然气作为发动机燃料，然后通过修改个别参数得到米勒循环、HCCI以及米勒循环HCCI发动机模型，实现不同类型发动机的数据对比。

仿真方过程中，使用GT-Power中自带的一维样板SI_4cyl_Basic为基础模型，修改燃料为天然气，由于天然气辛烷值大于汽油，适当增大压缩比至11.5。普通发动机效率及功率曲线如图1所示。

由图1可看出，普通发动机最大效率点在转速为2500r/min，效率为23.8%，此时输出功率为33.4kW。

图1 普通发动机效率及功率曲线

在普通发动机模型的基础上，改变进气凸轮的形状，使凸轮最高点向后延续30度曲轴转角（图2），并提高压缩比至13.5，建立米勒循环发动机模型，其仿真结果如图3所示。

图2 进气门开度曲线

图3 米勒循环发动机效率及功率曲线

由图3可看出，米勒循环发动机最大效率比传统发动机提升0.2%，对应功率下降3.2kW。

由于普通发动机为火花塞点燃，而HCCI是均质压燃，因此在普通发动机的基础上，将SiWiebe韦伯燃烧模型更改为HCCI燃烧模型，并导入气相化学动力学数据文件GRI-Mech3.0及天然气CH4反应机理文件，通过这些数据文件得到天然气在不同温度和压力下的反应方程式及燃烧特性，同时将压缩比设置为33.5，建立HCCI发动机模型，其仿真结果如图4所示。

由图4可看出，在HCCI发动机转速达到4000r/min前，混合气未成功压燃，处于“失火”状态，无法对外做功。最大效率点在4500r/min，效率为31.8%，此时输出功率为48.9kW，与传统发动机相比，效率提升8%，功率提升15.5kW。

图4 HCCI发动机效率及功率曲线

在HCCI发动机模型的基础上，使凸轮最高点向后延续30度曲轴转角，并提高压缩比至15.5，建立米勒循环HCCI发动机模型，其仿真结果如图5所示。

图5 米勒循环HCCI发动机效率及功率曲线

由图5可看出，米勒循环HCCI发动机最大效率比HCCI发动机提升0.1%，功率下降4.3kW。

4种发动机最大效率及对应功率见表2。

表2 4种发动机最大效率及对应功率对比结果

从仿真结果可知，当米勒循环HCCI发动机处于稳定工作状态时，能够有效提升发动机效率，降低燃油消耗。与传统发动机相比，米勒循环HCCI发动机由于工况单一，减少了传统发动机上一些用于改善全工况性能的附属机构，如可变配气相位、可变气门升程、可变进气歧管等，在一定程度上使得发动机结构更加简单，提高了可靠性，降低了发动机的制造和维护成本。

5 结束语

为提高増程器发动机的效率，以达到增程式电动汽车动力系统整体的高效运行状态，通过对増程器特性的探讨，以及对燃料电池发电、太阳能发电以及多种类型内燃机发电的对比，提出了米勒循环HCCI发动机作为增程器发动机。通过仿真分析验证了米勒循环HCCI发动机的可行性，表明了米勒循环HCCI发动机的效率优势，为增程式电动汽车増程器用发动机的发展提供了技术借鉴。

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