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        增程式電動汽車増程器用發(fā)動機(jī)的選擇

        2018-03-27 03:28:53劉釗田文朋
        汽車技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)效率汽車

        劉釗 田文朋

        (長安大學(xué) 西安 710064)

        1 前言

        由于機(jī)動車快速增長所引發(fā)的環(huán)境及能源問題日益嚴(yán)峻,各國都在對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行限制,并鼓勵新能源汽車的研發(fā)與生產(chǎn)[1-2]。在各類型新能源汽車中,增程式電動汽車與純電動汽車相比增加了續(xù)駛里程,降低了成本;與插電式混合動力汽車相比,其増程器的工作狀態(tài)與車輛行駛狀態(tài)無關(guān),可以始終在高效區(qū)工作,更適合負(fù)荷變化頻繁的城市路況[3-4]。現(xiàn)階段由于增程式電動汽車在能量傳遞中增加了機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯,因此需要從能量傳遞環(huán)節(jié)中效率較低的増程器發(fā)動機(jī)入手,尋找提高増程器效率的途徑。

        目前,增程式電動汽車均選用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)作為増程器發(fā)動機(jī),而現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計制造是為了滿足傳統(tǒng)車輛全工況的動力及經(jīng)濟(jì)性要求,與増程器發(fā)動機(jī)的技術(shù)需求存在巨大差異,因此有必要為增程式電動汽車尋找更為適合的內(nèi)燃機(jī)作為増程器發(fā)動機(jī),以突出增程式電動汽車的優(yōu)勢。

        2 増程器發(fā)動機(jī)的特點和種類

        目前大多數(shù)増程器由柴油發(fā)動機(jī)串聯(lián)發(fā)電機(jī)組成,其作用是給汽車主電機(jī)或蓄電池進(jìn)行供電,并不參與驅(qū)動車輪[5-6]。根據(jù)増程器的工作方式及應(yīng)用場合,増程器發(fā)動機(jī)應(yīng)具有體積小、質(zhì)量輕、輸出功率大、效率高、可靠性高、成本低等特性。増程器作為發(fā)電裝置,從能量轉(zhuǎn)換過程區(qū)分包括直接發(fā)電(燃料電池發(fā)電、太陽能發(fā)電等)和熱機(jī)與發(fā)電機(jī)組合發(fā)電(外燃機(jī)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等)兩種模式。

        目前,直接發(fā)電裝置成本普遍較高。如氫燃料電池汽車雖具有零排放、能量轉(zhuǎn)換率高、高能量密度、電池壽命長及加氫時間短等綜合優(yōu)勢,但液態(tài)氫的生產(chǎn)和儲存成本較高,使得氫燃料汽車補充燃料極為不便[7];太陽能發(fā)電技術(shù)目前仍無法承擔(dān)汽車行駛所需能量,太陽能汽車也并未實現(xiàn)量產(chǎn),因此直接發(fā)電裝置不適合作為増程器使用。

        在熱機(jī)與發(fā)電機(jī)組合發(fā)電模式中,熱機(jī)的可選種類十分豐富。大多數(shù)發(fā)電站所使用的發(fā)電裝置都是外燃機(jī)發(fā)電,避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆問題,實現(xiàn)了低噪聲、低污染和低運行成本,同時外燃機(jī)可使用多種燃料,對燃料的純度要求較低。但外燃機(jī)附屬設(shè)備龐雜,無法快速啟動,因而限制了其在汽車上的應(yīng)用。

        內(nèi)燃機(jī)以柴油機(jī)和汽油機(jī)等往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)為主,除此之外還有旋轉(zhuǎn)活塞式、自由活塞式、燃?xì)廨啓C(jī)等。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等一系列優(yōu)點,技術(shù)比較成熟;旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機(jī)具有功率高、振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,但因該發(fā)動機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性差,故未能廣泛使用;自由活塞式內(nèi)燃機(jī)機(jī)組布置和功率選擇有較大的靈活性,但由于布置分散、附屬設(shè)備多,因而應(yīng)用范圍受到限制[8];燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、啟動快、少用或不用冷卻水等一系列優(yōu)點,但燃?xì)廨啓C(jī)工作時需要吸入大量的新鮮空氣,同時排放出大量的廢氣,進(jìn)、排氣系統(tǒng)會占據(jù)大量空間,從而導(dǎo)致其設(shè)備在空間和結(jié)構(gòu)上的局限性。各種增程器發(fā)動機(jī)的特點如表1所列。

        表1 各種増程器發(fā)動機(jī)的特點

        3 増程器發(fā)動機(jī)的選擇

        由表1可知,外燃機(jī)體積大、質(zhì)量重,顯然不適用于増程器。在內(nèi)燃機(jī)中,雖然旋轉(zhuǎn)活塞式、自由活塞式、燃?xì)廨啓C(jī)有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢,但由于制造成本較高,可靠性不足,均未達(dá)到量產(chǎn)條件。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)可靠性高,制造成本低,雖然其效率有待提高,但在目前研究現(xiàn)狀下仍是増程器用發(fā)動機(jī)的最佳選擇。

        提升往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)效率的方法有兩種,一是使用阿特金森/米勒循環(huán),二是使用均質(zhì)充量壓縮燃燒(HCCI)技術(shù)。

        a.詹姆斯·阿特金森在奧托循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上,通過一套復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)使得發(fā)動機(jī)的做功行程大于壓縮行程,有效提高了發(fā)動機(jī)效率。米勒舍棄了復(fù)雜的連桿結(jié)構(gòu),而是采用配氣時機(jī)來制造做功行程大于壓縮行程的效果,提前關(guān)閉進(jìn)氣門,減少進(jìn)氣量,或推遲進(jìn)氣門的關(guān)閉時刻,使吸入的混合氣又“吐”出去一部分,以達(dá)到實際壓縮行程減小的目的。阿特金森/米勒循環(huán)在提高效率的同時也存在缺點,一是低轉(zhuǎn)速扭矩小,低轉(zhuǎn)速進(jìn)氣門早關(guān)或晚關(guān)引起充氣效率下降;二是長活塞行程不利于發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)[9-10]。

        b.HCCI燃燒方式結(jié)合了柴油機(jī)壓燃和汽油機(jī)均質(zhì)混合氣點火燃燒的特點,基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機(jī)相比,它取消了節(jié)氣門,泵氣損失小,燃燒持續(xù)期短,可以得到與壓燃式發(fā)動機(jī)相當(dāng)?shù)妮^高熱效率;與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比,由于混合氣是均質(zhì)的,燃燒反應(yīng)幾乎是同步進(jìn)行,沒有火焰前鋒面,燃燒火焰溫度低(低于<2000K),NOx排放低,幾乎沒有PM排放。另外,HCCI能使用包括汽油、柴油、天然氣、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等在內(nèi)的多種燃料。但是HCCI運行工況對EGR率、壓縮比和空燃比依賴很大,可接受的、不發(fā)生爆震的HCCI工況被限制在了很小的參數(shù)范圍內(nèi),小負(fù)荷工況時混合氣濃度過稀,發(fā)動機(jī)易“失火”;而大負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)放熱速率過快,發(fā)動機(jī)容易產(chǎn)生爆震,實際穩(wěn)定運轉(zhuǎn)范圍窄[11-12]。

        由此可見,雖然阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)和HCCI發(fā)動機(jī)只能在中等轉(zhuǎn)速或中等負(fù)荷條件下運行,不適宜在傳統(tǒng)汽車上的應(yīng)用,但由于增程式電動汽車的發(fā)動機(jī)與車輪完全解耦,不受車輛行駛狀態(tài)的影響,可以始終工作在特定的工況上,因而適合阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)和HCCI發(fā)動機(jī)的工作特點[13-14]。因此,阿特金森/米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)和HCCI發(fā)動機(jī)(或?qū)⒍呓Y(jié)合組成米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī))在增程式電動汽車上將會得到充分利用。

        4 仿真分析

        利用計算機(jī)輔助仿真軟件GT-Power對上述發(fā)動機(jī)效率進(jìn)行仿真。首先建立四缸火花塞點燃發(fā)動機(jī)基本模型,并使用天然氣作為發(fā)動機(jī)燃料,然后通過修改個別參數(shù)得到米勒循環(huán)、HCCI以及米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)模型,實現(xiàn)不同類型發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)對比。

        仿真方過程中,使用GT-Power中自帶的一維樣板SI_4cyl_Basic為基礎(chǔ)模型,修改燃料為天然氣,由于天然氣辛烷值大于汽油,適當(dāng)增大壓縮比至11.5。普通發(fā)動機(jī)效率及功率曲線如圖1所示。

        由圖1可看出,普通發(fā)動機(jī)最大效率點在轉(zhuǎn)速為2500r/min,效率為23.8%,此時輸出功率為33.4kW。

        圖1 普通發(fā)動機(jī)效率及功率曲線

        在普通發(fā)動機(jī)模型的基礎(chǔ)上,改變進(jìn)氣凸輪的形狀,使凸輪最高點向后延續(xù)30度曲軸轉(zhuǎn)角(圖2),并提高壓縮比至13.5,建立米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)模型,其仿真結(jié)果如圖3所示。

        圖2 進(jìn)氣門開度曲線

        圖3 米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)效率及功率曲線

        由圖3可看出,米勒循環(huán)發(fā)動機(jī)最大效率比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)提升0.2%,對應(yīng)功率下降3.2kW。

        由于普通發(fā)動機(jī)為火花塞點燃,而HCCI是均質(zhì)壓燃,因此在普通發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上,將SiWiebe韋伯燃燒模型更改為HCCI燃燒模型,并導(dǎo)入氣相化學(xué)動力學(xué)數(shù)據(jù)文件GRI-Mech3.0及天然氣CH4反應(yīng)機(jī)理文件,通過這些數(shù)據(jù)文件得到天然氣在不同溫度和壓力下的反應(yīng)方程式及燃燒特性,同時將壓縮比設(shè)置為33.5,建立HCCI發(fā)動機(jī)模型,其仿真結(jié)果如圖4所示。

        由圖4可看出,在HCCI發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min前,混合氣未成功壓燃,處于“失火”狀態(tài),無法對外做功。最大效率點在4500r/min,效率為31.8%,此時輸出功率為48.9kW,與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比,效率提升8%,功率提升15.5kW。

        圖4 HCCI發(fā)動機(jī)效率及功率曲線

        在HCCI發(fā)動機(jī)模型的基礎(chǔ)上,使凸輪最高點向后延續(xù)30度曲軸轉(zhuǎn)角,并提高壓縮比至15.5,建立米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)模型,其仿真結(jié)果如圖5所示。

        圖5 米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)效率及功率曲線

        由圖5可看出,米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)最大效率比HCCI發(fā)動機(jī)提升0.1%,功率下降4.3kW。

        4種發(fā)動機(jī)最大效率及對應(yīng)功率見表2。

        表2 4種發(fā)動機(jī)最大效率及對應(yīng)功率對比結(jié)果

        從仿真結(jié)果可知,當(dāng)米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時,能夠有效提升發(fā)動機(jī)效率,降低燃油消耗。與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比,米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)由于工況單一,減少了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)上一些用于改善全工況性能的附屬機(jī)構(gòu),如可變配氣相位、可變氣門升程、可變進(jìn)氣歧管等,在一定程度上使得發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單,提高了可靠性,降低了發(fā)動機(jī)的制造和維護(hù)成本。

        5 結(jié)束語

        為提高増程器發(fā)動機(jī)的效率,以達(dá)到增程式電動汽車動力系統(tǒng)整體的高效運行狀態(tài),通過對増程器特性的探討,以及對燃料電池發(fā)電、太陽能發(fā)電以及多種類型內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的對比,提出了米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)作為增程器發(fā)動機(jī)。通過仿真分析驗證了米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)的可行性,表明了米勒循環(huán)HCCI發(fā)動機(jī)的效率優(yōu)勢,為增程式電動汽車増程器用發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供了技術(shù)借鑒。

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