伍賽特

上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

傳統(tǒng)車(chē)輛多以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置。通過(guò)內(nèi)燃機(jī)，可將燃料中以化學(xué)鍵形式存儲(chǔ)的能源轉(zhuǎn)化成機(jī)械功。除了內(nèi)燃機(jī)以外，以燃?xì)廨啓C(jī)為代表的其他熱力發(fā)動(dòng)機(jī)也有著相似的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程[1,2]。因此，對(duì)于現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車(chē)而言，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)依然是其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心組件。但與傳統(tǒng)車(chē)輛相比，現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車(chē)至少會(huì)再采用1種其他類(lèi)型的動(dòng)力裝置[3]。

目前，采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的乘用車(chē)及商用車(chē)都可通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)能通過(guò)不同的方式進(jìn)行組合，通常具有3種基本結(jié)構(gòu)，即：串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和功率分流式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4]，并各自具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題在于如何通過(guò)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)降低整車(chē)能耗，同時(shí)進(jìn)一步提高峰值功率，并相應(yīng)改善駕駛響應(yīng)性和駕乘舒適性。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)

目前，有多個(gè)國(guó)家都在大力發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)，主要有如下三方面的原因。

1.1 混合動(dòng)力汽車(chē)可減少CO2排放

汽車(chē)所采用的主要燃料為汽油和柴油，均為碳?xì)浠衔铮℉C），其在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)物CO2[5]。通過(guò)對(duì)反應(yīng)方程式的定量分析，可以計(jì)算出每升燃料產(chǎn)生的CO2，其中柴油為2.7 kg，汽油為2.4 kg。如果能大幅降低油耗，即相應(yīng)降低了CO2的排放量[6]。

傳統(tǒng)汽車(chē)所采用的內(nèi)燃機(jī)通常有著寬廣的功率范圍，并且在動(dòng)態(tài)駕駛模式下能快速改變輸出功率。內(nèi)燃機(jī)在蓄電池和電動(dòng)機(jī)的輔助下，可在較窄的轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)力輸出及較低的油耗。由此可以更好地優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行工況范圍，并相應(yīng)減少加速工況中的油耗。

1.2 混合動(dòng)力汽車(chē)具有更高的動(dòng)力性和更好的舒適性

混合動(dòng)力汽車(chē)多配備有第2種動(dòng)力裝置，由此可以在較短時(shí)間內(nèi)提供額外的驅(qū)動(dòng)力矩，并能提供額外的加速度。特別是對(duì)于質(zhì)量較大且慣性較高的重型車(chē)輛而言，即使沒(méi)有配備大功率內(nèi)燃機(jī)，但通過(guò)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也可使整車(chē)具備較高的機(jī)動(dòng)性。

1.3 混合動(dòng)力汽車(chē)可作為向純電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)型的過(guò)渡車(chē)型

根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，汽車(chē)將從技術(shù)成熟的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)逐步向由混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)型，再逐步調(diào)整為未來(lái)的純電動(dòng)汽車(chē)。相比短期內(nèi)的技術(shù)階躍，連續(xù)的長(zhǎng)期技術(shù)過(guò)渡更易于被行業(yè)和市場(chǎng)所接受。

1.4 基于混合動(dòng)力汽車(chē)的新技術(shù)開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)新型混合動(dòng)力汽車(chē)需要采用多項(xiàng)技術(shù)。整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的附加部件同樣需要更多的布置空間，并且還會(huì)相應(yīng)增加整車(chē)的質(zhì)量。由于該項(xiàng)指標(biāo)，因此在研發(fā)過(guò)程中對(duì)蓄電池有較嚴(yán)格的技術(shù)要求。盡管混合動(dòng)力汽車(chē)的結(jié)構(gòu)相對(duì)更為復(fù)雜，但仍希望其能如同傳統(tǒng)汽車(chē)，有著較高的可靠性。雖然目前的技術(shù)已得以充分優(yōu)化，但是，蓄電池依然是技術(shù)要求最高的部件。同時(shí)，對(duì)于小型車(chē)輛而言，還必須降低混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。

在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，蓄電池是一項(xiàng)關(guān)鍵因素。近年來(lái)，蓄電池、電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)及功率電子設(shè)備的技術(shù)水平也有了顯著進(jìn)步。除此以外，對(duì)內(nèi)燃機(jī)也進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化，一方面對(duì)其在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了改良，另一方面則顯著提升了其經(jīng)濟(jì)性。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

2.1 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

除了插電式混合動(dòng)力汽車(chē)外，內(nèi)燃機(jī)可用于提供混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行所需的全部能量。內(nèi)燃機(jī)所能提供的功率主要取決于所選擇的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案。對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，其通常配備有功率更強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)，因而可以與功率較小的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行組合使用。相反，內(nèi)燃機(jī)在輕度或微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。在串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)輸出的機(jī)械功通常不直接用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，而是轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)在蓄電池中[7,8]，然后將電能提供給電動(dòng)機(jī)，并以此驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前行。因此，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程必須明確針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的使用目的和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)方案而言，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)原則是需要對(duì)其效率進(jìn)行優(yōu)化。尤其是在部分負(fù)荷和全負(fù)荷工況下，可通過(guò)減少?gòu)娜剂匣瘜W(xué)能到機(jī)械功這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的損失來(lái)實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化，此類(lèi)優(yōu)化過(guò)程可在內(nèi)燃機(jī)側(cè)通過(guò)降低冷卻和廢氣溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該情況下，為應(yīng)對(duì)冬季的氣候特征，需要在車(chē)內(nèi)安裝額外的加熱裝置。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在效率最高的工況點(diǎn)運(yùn)行，則無(wú)須對(duì)其進(jìn)行過(guò)度冷卻。一般而言，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在此類(lèi)工況點(diǎn)上運(yùn)行時(shí)，也會(huì)有最低的油耗。為了使內(nèi)燃機(jī)盡可能長(zhǎng)時(shí)間在最佳工況點(diǎn)上運(yùn)行，需要配備電動(dòng)機(jī)來(lái)支持負(fù)荷要求。對(duì)于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，如果長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整車(chē)，會(huì)出現(xiàn)排氣溫度逐步降低的現(xiàn)象，由此也會(huì)相應(yīng)降低下游催化轉(zhuǎn)化器的溫度，并且難以有效減少催化反應(yīng)。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不能使催化轉(zhuǎn)化器的溫度持續(xù)低于運(yùn)行溫度，以此會(huì)降低內(nèi)燃機(jī)的效率。

對(duì)于混合汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。對(duì)通過(guò)曲軸皮帶或鏈條驅(qū)動(dòng)的輔助機(jī)組而言，可通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)維持其運(yùn)行過(guò)程。此外，這也可使內(nèi)燃機(jī)在取消了皮帶或鏈條后能實(shí)現(xiàn)安靜的運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)充分改善系統(tǒng)的磨損現(xiàn)象。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化并改善摩擦現(xiàn)象，需要采用高品質(zhì)的材料和先進(jìn)的加工工藝。

由于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常采用電動(dòng)機(jī)作為第2種動(dòng)力裝置，因此可相應(yīng)降低內(nèi)燃機(jī)的功率。另外，小型內(nèi)燃機(jī)同樣也可用于乘用車(chē)中。內(nèi)燃機(jī)的小型化意味著可通過(guò)精簡(jiǎn)氣缸數(shù)量或氣缸尺寸來(lái)減小氣缸工作容積，并可通過(guò)渦輪增壓系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償功率的損失，以此使內(nèi)燃機(jī)維持原有的動(dòng)力性能。

在部分負(fù)荷和怠速工況下，也可以通過(guò)停缸技術(shù)來(lái)提升整機(jī)效率。在該情況下，可使多個(gè)氣缸停止運(yùn)行。因此，其他正常運(yùn)行的氣缸可在負(fù)荷更高的工況區(qū)域下運(yùn)作，并具有更高的效率，從而降低總油耗。除了減少油耗之外，在使氣缸停止運(yùn)行后，還可以利用內(nèi)燃機(jī)的制動(dòng)效應(yīng)，在再生制動(dòng)模式下提高對(duì)發(fā)電機(jī)的能量輸入。

2.1.1 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的汽油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

目前，混合動(dòng)力汽車(chē)的主要市場(chǎng)為日本和美國(guó)，在兩國(guó)發(fā)售的相關(guān)新款混合動(dòng)力汽車(chē)中，幾乎毫無(wú)例外地使用了汽油機(jī)。采用汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其整機(jī)成本較低。在功率相近的前提下，考慮到廢氣處理系統(tǒng)，柴油機(jī)的成本通常會(huì)比汽油機(jī)高8%左右。

對(duì)于一臺(tái)汽油機(jī)而言，當(dāng)其在接近全負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，會(huì)具有更高的效率。為此，通常還需要提高轉(zhuǎn)速限制，并使汽油機(jī)實(shí)現(xiàn)最高功率的輸出。在自然進(jìn)氣式汽油機(jī)的部分負(fù)荷工況范圍內(nèi)，可通過(guò)為其設(shè)置較高的壓縮比來(lái)提升整機(jī)效率。

由于在全負(fù)荷工況下，過(guò)高的壓縮比往往會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。通常會(huì)采取特殊方案，如阿特金森循環(huán)來(lái)降低全負(fù)荷工況下的有效壓縮比。豐田及馬自達(dá)旗下的部分車(chē)型都使用了阿特金森循環(huán)。

阿特金森循環(huán)由詹姆斯·阿特金森（James At‐kinson）于1882年提出。在該循環(huán)中，進(jìn)氣閥到達(dá)下止點(diǎn)后才被關(guān)閉。因此，通過(guò)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)、相對(duì)較低的泵氣損失及較高的效率，幾乎可以無(wú)限制地吸入新鮮空氣。因?yàn)樵趬嚎s行程中，會(huì)有部分新鮮空氣流至缸外，直至進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉。因此，汽油機(jī)工作需要的新鮮空氣量可通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣閥的持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。該過(guò)程同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹比來(lái)實(shí)現(xiàn)，甚至可以對(duì)膨脹比進(jìn)行設(shè)定，使其數(shù)值比壓縮比更高。如果能使缸內(nèi)燃?xì)獾靡猿浞峙蛎洠⑹蛊鋲毫抵僚c環(huán)境壓力相近的水平，則可有效提升整機(jī)熱效率。

同樣，通過(guò)較低的燃燒溫度也可降低氮氧化物（NOx）的排放量。在較高的轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，通過(guò)該方法可使整機(jī)功率提高約10%。其技術(shù)的弊端是在較低的轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，汽油機(jī)的燃燒效率相對(duì)較低，因此其扭矩也相應(yīng)較低。

米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)相似，進(jìn)氣門(mén)在達(dá)到下止點(diǎn)之前就已關(guān)閉，在理論上可取得相似的效果。在該情況下，由于缸內(nèi)吸入的空氣較少，因此在米勒循環(huán)中可使用壓縮機(jī)或渦輪增壓器來(lái)補(bǔ)償功率損耗。在部分負(fù)荷和全負(fù)荷工況下，米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)具有的較高功率可用于對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的補(bǔ)充。

除此以外，1項(xiàng)重要的標(biāo)準(zhǔn)是汽油機(jī)自身的起動(dòng)能力。汽油機(jī)的起動(dòng)過(guò)程可直接通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而電動(dòng)機(jī)通常會(huì)布置于汽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上。通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，能使缸內(nèi)可燃混合氣處于最佳點(diǎn)火狀態(tài)，并達(dá)到汽油機(jī)起動(dòng)所需的最低轉(zhuǎn)速，從而相應(yīng)降低起動(dòng)階段產(chǎn)生的排放物。與配備有小型齒輪的傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)不同，1輛混合動(dòng)力汽車(chē)可通過(guò)功率強(qiáng)大的集成電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)低噪聲的起動(dòng)過(guò)程。

除了可在排放和噪聲方面對(duì)起動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化外，油耗也是1項(xiàng)重要的參數(shù)。為滿足降低油耗的條件，需要對(duì)可變氣門(mén)進(jìn)行控制。雖然這違背了成本最小化的原則，但仍然可應(yīng)用于許多混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

為此，在輕度和微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通常會(huì)配備有集成起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)（ISC），通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸上的電動(dòng)機(jī)來(lái)替代常規(guī)起動(dòng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性較高且排放較低的起動(dòng)過(guò)程。在低溫情況下，該方案有助于汽油機(jī)在冷態(tài)氣缸摩擦力較大且機(jī)油黏度較高的情況下，克服首次壓縮行程中面臨的阻力，并使整機(jī)順利起動(dòng)。

在效率提升方面，目前已經(jīng)采用了特殊的燃燒過(guò)程（如阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)）。同時(shí)，也可以使用其他的燃燒方法，如層狀汽油直接噴射（CDI）或可控自燃著火（CAI）。在汽油機(jī)中進(jìn)行層狀噴射時(shí)，火花塞周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生濃混合氣（過(guò)量空氣系數(shù)λ＜1），燃燒室的其余部分則分布有稀混合氣（過(guò)量空氣系數(shù)λ＞1）。然而，稀薄空氣的燃燒過(guò)程僅在較為有限的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。在該空間區(qū)域內(nèi)，混合氣通過(guò)汽油機(jī)的壓縮過(guò)程被劇烈加熱。在該空間區(qū)域以外，可通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車(chē)。

其他方案則包括直噴和進(jìn)氣歧管?chē)娚涞确矫?，以此可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，從而使整機(jī)具有更高的扭矩，并相應(yīng)降低了油耗和排放[9]。

2.1.2 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

在車(chē)速和負(fù)荷較高的情況下，采用汽油機(jī)作為混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力裝置會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的油耗。然而，即使在低負(fù)荷工況區(qū)域內(nèi)，通過(guò)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車(chē)仍具有一定的優(yōu)勢(shì)。

目前，針對(duì)柴油機(jī)小型化的技術(shù)研究正在持續(xù)開(kāi)展中，該方案對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)而言，有著重要作用。與汽油機(jī)的情況相似，柴油機(jī)通過(guò)小型化可使負(fù)荷工況點(diǎn)向效率更佳的區(qū)域移動(dòng)，從而降低油耗。柴油機(jī)的小型化方案與汽油機(jī)類(lèi)似。對(duì)于柴油機(jī)而言，也需要減小排量，并且通常會(huì)與廢氣增壓措施相結(jié)合。

柴油機(jī)小型化的新方案可與兩級(jí)增壓器實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)作。即：將2個(gè)渦輪增壓機(jī)進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)（通常為1個(gè)較小的增壓機(jī)組和1個(gè)較大的增壓機(jī)組）。多級(jí)增壓通常只用于高檔車(chē)型。通過(guò)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的中小型混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的體積尺寸較小，但動(dòng)力性能較強(qiáng)，而柴油機(jī)自身設(shè)計(jì)方案則相對(duì)簡(jiǎn)易。在該情況下，與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作可降低對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能的要求。由于在傳統(tǒng)柴油車(chē)中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣與顆粒排放物，因此必須對(duì)柴油機(jī)的后處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以此滿足排放要求。

除此以外，可通過(guò)使柴油機(jī)避開(kāi)高負(fù)荷工況，以此降低尾氣排放。通過(guò)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償柴油機(jī)降低的功率，從而可簡(jiǎn)化柴油機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并降低其成本。相關(guān)方案涉及柴油微粒濾清器、NOx還原系統(tǒng)[10]，以及選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)柴油機(jī)而言，上述部件會(huì)顯著影響到其總成本。

對(duì)于配備有柴油機(jī)的混合動(dòng)力汽車(chē)而言，起動(dòng)過(guò)程至關(guān)重要。在該情況下，需要對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，以便使柴油機(jī)能安靜且迅速地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，并避免柴油機(jī)在停車(chē)時(shí)出現(xiàn)劇烈的抖動(dòng)現(xiàn)象，該目標(biāo)可通過(guò)適當(dāng)選擇氣門(mén)正時(shí)或可變氣門(mén)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于柴油機(jī)在起動(dòng)及停車(chē)時(shí)面臨著一系列問(wèn)題，由此限制了其在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.2 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其他熱力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

2.2.1 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

由羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發(fā)明的第1款斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已于1818年正式投入使用。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可借助于氣缸外部的連續(xù)燃燒過(guò)程來(lái)獲取熱量。同時(shí)，熱交換器可將工質(zhì)的熱量傳遞到氣缸中，并使高溫的腔室與低溫腔室之間的工質(zhì)實(shí)現(xiàn)往復(fù)流動(dòng)，從而使缸內(nèi)壓力產(chǎn)生周期性變化。壓力波動(dòng)可經(jīng)工作活塞和曲柄機(jī)構(gòu)而轉(zhuǎn)換成機(jī)械功輸出。由于冷卻器會(huì)使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著較高的熱損失，為了提升整機(jī)效率，通常會(huì)在熱腔室和冷腔室之間布置有蓄熱器。理想的斯特林熱力循環(huán)可通過(guò)2個(gè)等溫線和2個(gè)等容線進(jìn)行描述，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該理想循環(huán)難以真正實(shí)現(xiàn)。由于熱交換器的存在，難以完全消除余隙容積。此外，熱交換器的工作過(guò)程往往不夠理想，因?yàn)槠錅囟韧ǔ２粫?huì)持續(xù)處于恒定狀態(tài)。

作為1類(lèi)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有多種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)型式，如曲軸驅(qū)動(dòng)裝置、菱形齒輪驅(qū)動(dòng)裝置和擺動(dòng)輪盤(pán)式驅(qū)動(dòng)裝置等。旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式同樣也適用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)相比，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于其外部燃燒過(guò)程可持續(xù)進(jìn)行，并可使用任意燃料作為高溫?zé)嵩矗瑫r(shí)，可以有效降低污染物的排放。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)時(shí)具有較高的效率，通過(guò)排量控制還可以使其具有較好的部分負(fù)荷效率。與內(nèi)燃機(jī)相比，其扭矩特性特別適用于車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程，因?yàn)樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以輸出扭矩，且無(wú)須配備起動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是其振動(dòng)和噪聲特性較好。

與內(nèi)燃機(jī)相比，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是其扭矩響應(yīng)性較差。由于熱容的原因，使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工況調(diào)整存在一定的遲滯現(xiàn)象，即使在冷起動(dòng)時(shí)也必須先對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱。因?yàn)榕鋫溆袩峤粨Q器，所以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)空間的要求相對(duì)較高。同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，其批量制造成本通常也會(huì)高于內(nèi)燃機(jī)。由于結(jié)構(gòu)型式和應(yīng)用領(lǐng)域彼此相異，因此斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)及成本間會(huì)存在著較大差異。

2.2.2 基于混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程研究

燃?xì)廨啓C(jī)是1類(lèi)連續(xù)運(yùn)作的熱力渦輪機(jī)械。工質(zhì)持續(xù)流經(jīng)壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪機(jī)等相互獨(dú)立的部件，并通過(guò)熱力狀態(tài)及參數(shù)的變化以實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械功的輸出過(guò)程。上述部件可通過(guò)螺栓等部件實(shí)現(xiàn)連接。

在燃?xì)廨啓C(jī)中，將新鮮空氣連續(xù)吸入徑向或軸向壓縮機(jī)中，并將其充分壓縮，然后在熱交換器中預(yù)熱后將氣體送入燃燒室。隨后將氣態(tài)或液態(tài)燃料持續(xù)噴入燃燒室中，并通過(guò)高溫燃?xì)庖家徊糠中迈r空氣。在該過(guò)程后剩余的空氣可用于對(duì)渦輪入口處的高溫燃?xì)膺M(jìn)行冷卻，使其溫度降至1 300 K左右，高溫燃?xì)怆S后可通過(guò)1～3個(gè)渦輪級(jí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

高溫燃?xì)鈺?huì)在渦輪中進(jìn)行膨脹，渦輪又會(huì)消耗一部分功率用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而其余的有效功率則通過(guò)動(dòng)力輸出軸以扭矩形式輸出。

燃燒時(shí)產(chǎn)生的部分高溫燃?xì)鈺?huì)流過(guò)熱交換器，從而將該部分能量用于預(yù)熱燃燒室入口處的空氣。由于動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速非常高，因此一般會(huì)通過(guò)齒輪減速器將其降至常用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，并使其與變速器相連接。同時(shí)，渦輪還可用于為發(fā)電機(jī)或液壓泵等輔助設(shè)備供電。由于其工作速度較高，工質(zhì)流量較大，因此，根據(jù)其性能特點(diǎn)，在功率相同的前提下，燃?xì)廨啓C(jī)的質(zhì)量比內(nèi)燃機(jī)等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)更輕。

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)用于車(chē)用動(dòng)力裝置時(shí)，通常會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。燃?xì)廨啓C(jī)的軸數(shù)、熱交換器、中間冷卻器及燃燒室的數(shù)量會(huì)根據(jù)實(shí)際用途的差異而有所不同，并以此提高熱效率。就單軸燃?xì)廨啓C(jī)而言，壓縮機(jī)和動(dòng)力渦輪布置在同一根軸上。起動(dòng)時(shí)，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都等于輸出軸的轉(zhuǎn)速，該類(lèi)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型式所具有的扭矩特性曲線并不適用于陸用車(chē)輛，然而扭矩特性對(duì)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)較為有利。在串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)中，可通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，并輸出電能。

在分軸燃?xì)廨啓C(jī)中，氣體發(fā)生器軸和動(dòng)力輸出軸實(shí)現(xiàn)了彼此分離。相比單軸燃?xì)廨啓C(jī)，分軸燃?xì)廨啓C(jī)的扭矩特性曲線更佳，并且適用于陸用車(chē)輛。為了減少車(chē)輛燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷和怠速工況下的油耗，并改善加速性能，可通過(guò)調(diào)節(jié)工質(zhì)溫度，或通過(guò)渦輪和壓縮機(jī)上的可調(diào)導(dǎo)向葉片對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在三軸燃?xì)廨啓C(jī)中，壓縮過(guò)程會(huì)分兩步完成，并引入了中間冷卻系統(tǒng)。同時(shí)，在渦輪間也會(huì)進(jìn)行二次燃燒。由此，燃?xì)廨啓C(jī)的油耗特性可通過(guò)更昂貴的結(jié)構(gòu)成本和更高的復(fù)雜性得以進(jìn)一步改善。

通常能以柴油或汽油等常規(guī)燃料用作燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。除此以外，燃?xì)廨啓C(jī)也可燃用天然氣和煤氣等其他氣相燃料[11]。在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒過(guò)程中，由于空氣流量較大，因此高溫燃?xì)饪膳c冷空氣混合，有效降低了燃燒室內(nèi)的峰值溫度，該數(shù)值通常低于內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的峰值溫度，由此也會(huì)使燃?xì)廨啓C(jī)的油耗明顯高于內(nèi)燃機(jī)。同時(shí)，由于氣體流量較大，燃?xì)廨啓C(jī)的CO、HC及NOx的排放會(huì)比內(nèi)燃機(jī)更低。

車(chē)用分軸燃?xì)廨啓C(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：較低的排放，可燃用多種燃料，較好的扭矩特性，較低的振動(dòng)，較長(zhǎng)的保養(yǎng)周期。其主要缺點(diǎn)包括：較高的油耗，采用熱交換器而提升了成本，燃燒室部件材料成本較高，較高的制造工藝要求。因此，考慮到上述特點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)目前主要僅應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克等大型軍用車(chē)輛。

3 混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行策略研究

3.1 混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行策略研究總論

傳統(tǒng)車(chē)輛運(yùn)行所需的能量?jī)H由內(nèi)燃機(jī)提供。燃油中的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成機(jī)械功，然后通過(guò)變速器、差速器和半軸傳遞至車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)軸[12，13]。通過(guò)切換不同的傳動(dòng)比可以將內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)成所需要的數(shù)值。

通常而言，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的組合有3種方式[14]，即僅搭載內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛、僅搭載電動(dòng)機(jī)的車(chē)輛，以及由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛。

為進(jìn)一步優(yōu)化混合動(dòng)力汽車(chē)的運(yùn)行策略，必須考慮所有會(huì)影響車(chē)輛相關(guān)屬性的部件及其特性。在優(yōu)化油耗時(shí)，內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)，以及蓄電池等都可被視為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，車(chē)輛所具有的其他屬性還包括尾氣排放、噪聲及舒適性等。

3.2 內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行策略

通過(guò)內(nèi)燃機(jī)，可將燃油中所存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作原理，當(dāng)其處于轉(zhuǎn)速和扭矩不同的工況條件下，其熱效率也各有不同。在城市運(yùn)行工況下，內(nèi)燃機(jī)處于低負(fù)荷工況區(qū)，其油耗也相對(duì)較高。

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)時(shí)，由于通常會(huì)將電動(dòng)機(jī)用于第2類(lèi)動(dòng)力裝置，因此內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行策略也可得到進(jìn)一步優(yōu)化。在采用并聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力輸出與車(chē)輪的功率需求無(wú)關(guān)。

在高效的能量轉(zhuǎn)換效率影響下，提升的功率可用于為蓄電池充電。此外，對(duì)于并聯(lián)式和功率分流式混合動(dòng)力汽車(chē)而言，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)輪轉(zhuǎn)速并無(wú)直接聯(lián)系。如果僅通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)整車(chē)[15]，則可以使內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行。該項(xiàng)舉措除了降低油耗和尾氣排放外，還可以充分降低整車(chē)噪聲。

3.3 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行策略

電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的區(qū)別一方面體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)的效率明顯更高，另一方面則體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)即可輸出最大扭矩。

應(yīng)當(dāng)注意的是，電動(dòng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生尾氣排放。由于其噪聲明顯低于內(nèi)燃機(jī)，因此，混合動(dòng)力汽車(chē)在城市內(nèi)以低速行駛時(shí)，僅通過(guò)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)的另一項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)是其也可用于發(fā)電機(jī)。由此可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生過(guò)程，即在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中將車(chē)輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并為蓄電池充電[16]。

3.4 蓄電池的運(yùn)行策略

除了內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)以外，混合動(dòng)力汽車(chē)的能量管理系統(tǒng)中還包括蓄電池。目前主要采用的蓄電池類(lèi)型包括鎳氫電池、鋰離子電池等。蓄電池可以通過(guò)發(fā)電機(jī)為其充電，并將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并進(jìn)行儲(chǔ)備。對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)而言[17]，可通過(guò)公用電網(wǎng)對(duì)電池進(jìn)行充電。荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）是影響混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行策略的重要參數(shù)。

同時(shí)，還應(yīng)考慮到蓄電池充電期間的效率、蓄能器的放電，以及由此產(chǎn)生的能量損耗，通過(guò)適當(dāng)冷卻以防止電池出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。同時(shí)還應(yīng)采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以避免車(chē)輛運(yùn)行中的實(shí)際參數(shù)超出限值。

3.5 輔助機(jī)組的運(yùn)行策略

對(duì)于目前的汽油車(chē)或柴油車(chē)而言，在其起動(dòng)后，傳動(dòng)裝置將會(huì)持續(xù)運(yùn)行，直至車(chē)輛結(jié)束行駛后方才停止運(yùn)作。因此，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助設(shè)備的所有工作模式都可投入使用。在該情況下，出于對(duì)整車(chē)安全性和舒適性等方面的考慮，必須確保助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等輔助機(jī)組處于持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。

如果內(nèi)燃機(jī)停止運(yùn)行，上述單元將以電能驅(qū)動(dòng)，即從蓄電池中獲取部分能量以作為上述設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源。以空調(diào)系統(tǒng)為例，由于其有著高達(dá)數(shù)千瓦的功率需求，因此會(huì)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，在設(shè)計(jì)車(chē)輛運(yùn)行策略的過(guò)程中必須考慮到這一點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

目前，內(nèi)燃機(jī)必須與混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)匹配，以體現(xiàn)出內(nèi)燃機(jī)在成本、排放和油耗等方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前的研究重點(diǎn)主要有兩方面，一方面是需要發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性能較低的情況下采用更簡(jiǎn)易的燃燒方案，另一方面則是需要發(fā)動(dòng)機(jī)逐步向配備有雙噴油和渦輪增壓的復(fù)雜燃燒方案推進(jìn)，并通過(guò)電動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。上述方案所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)，可有效實(shí)現(xiàn)小型化，并可實(shí)現(xiàn)氣門(mén)調(diào)節(jié)功能，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要發(fā)展目標(biāo)。

相關(guān)研究方案將繼續(xù)在內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的匹配方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。例如，可通過(guò)使2缸內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)借助于電動(dòng)機(jī)的輔助過(guò)程，使內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)。在該情況下，內(nèi)燃機(jī)在中高速工況區(qū)域內(nèi)，應(yīng)具有較強(qiáng)的動(dòng)力性能；而電動(dòng)機(jī)則需要滿足車(chē)輛在低速工況區(qū)域內(nèi)的動(dòng)力需求。

綜上所述，除了傳統(tǒng)的汽油機(jī)與柴油機(jī)外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)也可用作車(chē)用動(dòng)力裝置，但其在車(chē)用動(dòng)力領(lǐng)域的實(shí)際量產(chǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚不如傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，因此一定程度上限制了其推廣進(jìn)程。