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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