浅谈混动专用发动机（一）

shuizhonghua

   概  述
很多人都有个疑问，在现在汽车浩浩荡荡的电动化趋势下，真的敢把未来所有的赌注压在电动汽车上吗？无疑这是关乎未来很多年后，我们是选择在充电站排队，还是继续潇洒地像前辈那样，开门就走？随着现在车辆电动化技术的爆发式发展，其实我们面临的情况无非是两个选择，其一是整车的电动化；其二是发动机的电动化。前者造就了纯电车型，而后者，造就了多种形式的混合动力。在从业于动力总成领域十余年的工程师眼里，其实发动机还有很多能够提升的空间。所谓混动专用发动机，是指适用于油电混合动力车辆，并且针对性进行了结构性优化设计的发动机，它和传统的燃油发动机，都有哪些显著的区别呢？今天的电气化，所造就的混动专用发动机，其实早已脱胎换骨。过去，汽油发动机热效率很难突破37%，而现在，混动发动机热效率动辄就在40%以上，这又是如何产生的呢？


“偏科”的设计之发动机燃烧系统的变化

混动专用发动机在设计思路上，就是借助于电动化的技术，使发动机的设计可以更加向高热效率的工况倾斜。

其实在发动机诞生的早期，工程师就在琢磨着提高燃油经济性。在燃烧循环的改良方面，本质上就是延长在每循环中活塞下行膨胀的时间占比。由此应运而生了阿特金森循环和米勒循环。这两种燃烧循环都具有膨胀比高于奥托循环的特点，带来了更高的热效率优势。但为什么不能被广泛采用呢？这就是传统内燃机要做性能平衡性牺牲的设计思路了。其一，传统内燃机的追求高扭矩输出。在那个年代，没有什么性能比高扭矩输出更有说服力。然而在油电混动动力总成领域，车辆已经不再单纯依靠发动机扭矩的输出，驱动电机（EM）和内燃机（ICE）的协调工作，实现了“1+1>2”的效果。



其效果不仅仅在于动力性的变化，在下面一张图中，可以看到混动专用发动机能够“专心”在理想工况区工作：不再进入重污染的高NOx排放工况，也无需在1800r/min以下的小负荷区域进行无谓的高油耗运行。



显然可以看到在驱动电机的加持下，混动发动机的常用工况区域得以大大缩小，而总体扭矩却大大提高。混动发动机不需要再兼顾低效的低负荷，高扭矩区域也完全可以被动力电机的驱动所替代。在混动车辆上，所对应的起步、低速巡航状态下，发动机完全可以睡眠；即便是强加速，高扭矩也由发动机和驱动电机的扭矩叠加实现。那么混动型发动机就只需要考虑缩小区间内的工况，并且更加“偏科的”来设计燃烧系统。



“鱼腹式进气道”是应这种趋势的主流设计。这种进气道的特点是具有很高的进气滚流比，高滚流配合更高压缩比，能够实现更充分的均质混合气，以及大大提高的火焰传播速度。对于直喷发动机，由于燃料混合气需要在缸内形成，只有足够强的滚流才能构成均质态混合，那么这个设计就是必然的。更高的燃烧速度就意味着更长的燃料燃烧做功时间，这对提高发动机热效率有直接显著的作用。



牺牲也是有的，由于进气流滚流比大，其扰动阻力大，气道进气流量系数偏低，造成缸内充量稍低，扭矩动力性低。但这个指标对混动机而言，可以靠驱动电机的高扭矩来补偿，因而显得不再那么重要了。



“偏科”的设计之电动附件系统
发动机附件的电动化。传统车上的低压发电机，空调压缩机，水泵，助力转向泵等附件由轮系多楔带驱动，并且还要借助张紧轮和惰轮等机构。这样的轮系复杂，摩擦损耗也较高，其摩擦损耗能占据总体摩擦功损失的14%~18%，即便是附件不运行空载，其造成的损失功耗也较为可观。尤其是水泵，始终处于工作状态下，其受迫驱动冷却液流动，往往造成可观的能量损失以及散热损失，实际上，在低温环境下，还影响了发动机的热机速度，对驾驶循环的初期排放具有负面影响。



为解决这个问题，在混动专用发动机上采用的电动附件系统，发动机的曲轴皮带轮没有驱动外围附件，而这些附件则被电动化的部件代替。这是一台典型的混动发动机外观：传统发动机的附件不见了，取而代之的是对应各功能的电动化模块。



采用电动水泵来替代机械水泵，因此水泵的转速和排水量不再直接受发动机转速影响，而是由ECU根据标定模型，通过采集发动机工况数据控制水泵的转速，从而完全做到散热系统的冷却液流量根据需要实时控制，做到排水量与发动机实际需要相适应，大大缩短暖机时间，对冷机阶段排放量实现了有效抑制。



同时，还降低了发动机驱动水泵造成的能量损失；节温器也采用电子化控制，发动机ECU检测到缸体和缸盖的温度后，根据自己内部设定的温度模型，合理的打开节温器开度，有利于实现较短的暖机时间，和较长的保温时间，使发动机工作循环内实现更理想的热管理控制，对燃烧和润滑性能都有正面的影响，从而实现更好的排放和经济性能。
发动机摩擦功属于内部消耗，这部分功只能阻碍性能。而电动化附件对减摩擦功带来了改善，某机型从二代产品升级到混动发动机，通过一系列减磨措施，摩擦功指标分解总体实现了较可观的下降水平。



电动压缩机取代了传统的机械压缩机。传统机械压缩机对发动机的能耗影响明显的。当开启空调功能，ECU会提升发动机转速予以补偿，这样往往会造成不少于15%的油耗增加。同时，机械压缩机由于转速和发动机直接耦合，无法实现实际需求制冷量和能耗的最佳匹配，又带来了能量的耗费。而采用电动压缩机以后，压缩机转速与发动机转速解耦，排量就可以根据需求变化，从而实现精准的制冷量调整，总体能耗得以进一步降低。电子助力转向器取代了传统的机械转向器，助力电机仅根据转向需要助动，而无需始终跟随发动机旋转泵压，这部分能降低约10%的消耗。混动专用发动机脱胎于传统汽车发动机，具有比传统发动机更先进的技术，更清洁的排放，更高的燃油效率意味着更低的碳排放；同时也集成了传统发动机的使用方便，维护简单，补能无忧，酷暑严寒的季节条件下行车无惧的强悍优势。正如我们在历尽多种尝试和理性分析后，清醒的认识到：内燃机并未过时，在混动技术的整合下体现了产品特性的最优解。