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        混合動力車用發(fā)動機快速起動性能分析及駐車優(yōu)化

        2022-04-18 18:18:02陳楠?黃旭?馬東元?張偉?許偉利
        時代汽車 2022年7期

        陳楠?黃旭?馬東元?張偉?許偉利

        摘 要:良好的節(jié)油性是混合動力汽車(HEV)的優(yōu)勢之一。在市區(qū)行駛時,遇到擁堵路段或紅燈,汽車需要頻繁駐車。駐車時選擇怠速還是停機/再起動策略,是影響混合動力汽車油耗的重要因素。本文首先選擇電機拖轉轉速和燃料兩項因素,分析了不同拖轉轉速、不同燃料對發(fā)動機快速起動性能的影響;隨后通過實驗,在計算電機能耗、發(fā)動機能耗的基礎上,對比計算結果總結了駐車策略的優(yōu)化方案,即使用醇類燃料,將快速起動轉速控制在1000r/min,能夠顯著提高混合動力車的燃油經濟性。

        關鍵詞:混合動力發(fā)動機 快速起動性能 醇類燃料 駐車優(yōu)化

        混合動力車用發(fā)動機的起動表現,受到多種因素的影響,其中比較重要的有電機拖轉轉速、起動冷卻水溫,以及燃料類型等。在市區(qū)行車時,混合動力車用發(fā)動機會頻繁啟停,對發(fā)動機的起動性能有著較高的要求,具體又包括起動時的平穩(wěn)定、經濟性、排放性等。其中,燃油經濟性(即油耗)與車主利益直接相關,也是決定混合動力車市場競爭優(yōu)勢的關鍵因素。因此探究不同因素對發(fā)動機快速啟動經濟性的影響,進而尋找最佳駐車方案,對進一步提高混動車使用性能有積極幫助。

        1 混合動力車用發(fā)動機快速起動性能的影響因素

        1.1 電機拖轉轉速對快速起動性能的影響

        混合動力車用發(fā)動機在快速起動時,由大電機拖轉轉速,造成進氣道壓力出現明顯改變,對能耗、燃燒效率、排放指標等產生影響。以能耗為例,不同拖動轉速下怠速循環(huán)油耗的變化曲線如圖1所示。

        結合圖1,在首次循環(huán)中,拖動轉速為600r/min時,油耗為87.5mg;拖動轉速為800r/min時,油耗為57.3mg;拖動轉速為1000r/min時,油耗為43.1mg。在首次循環(huán)之后,隨著循環(huán)次數增加,3種轉速下的油耗也呈現出下降趨勢,最終趨于穩(wěn)定,維持在23mg。將拖動轉速控制在1000r/min,初始循環(huán)油耗較低,同時也能盡快達到穩(wěn)定油耗,有助于改善發(fā)動機快速啟動性能。

        1.2 醇類燃料對快速起動性能的影響

        目前混合動力車的燃料還是以汽油為主,而醇類燃料(甲醇、乙醇)在普通汽車上表現出了良好的節(jié)能效益,因此探究混合動力車用發(fā)動機使用醇類燃料,在快速起動時的能耗,將會為進一步優(yōu)化發(fā)動機性能提供幫助。在發(fā)動機怠速情況下,隨著循環(huán)次數增加,使用汽油、甲醇、乙醇3類燃料時怠速能耗變化如圖2所示。

        根據圖2可知,使用不同的燃料,其怠速循環(huán)能耗變化規(guī)律基本一致,在循環(huán)次數達到2次時,能耗快速下降,之后繼續(xù)增加循環(huán)次數,能耗平穩(wěn)下降,最終趨于平穩(wěn)。橫向對比3種燃料,可以發(fā)現醇類燃料在相同循環(huán)數下,發(fā)動機怠速能耗要低于汽油,并且使用甲醇的能耗要略低于乙醇。這是因為3類燃料的汽化潛熱值為甲醇>乙醇>汽油。汽化潛熱值越高的情況下,發(fā)動機輸出功率越大,相當于消耗更少的燃料,達到了目標輸出功率,因此使用甲醇燃料時,發(fā)動機能耗最低,其次是乙醇。

        2 混合動力車用發(fā)動機的駐車優(yōu)化策略

        對于混動汽車,若市區(qū)行駛時遇到擁堵路段或紅燈,此時有怠速以及停機/再起動兩種駐車策略。選擇何種策略,主要受到兩項因素的影響,即駐車時間與能耗?,F以能耗作為研究對象,選取電機能耗、發(fā)動機能耗作為評價指標,探討駐車策略的優(yōu)化路徑。

        2.1 電機能耗

        試驗所用電機為一臺功率8.5kW的永磁同步電機,將快速起動電機的拖轉轉速與目標怠速轉速設定為統(tǒng)一數值,并測量其在不同拖轉轉速下的起動能耗。測量方法為:電機起動后,模擬電機拖動發(fā)電機,并依托BMS系統(tǒng)收集電機運行參數,如電壓、電流等,采樣周期設定為20ms/次。結合采集到的數據,利用公式計算電機能耗(E):

        式(1)中,U為電機電壓,單位為V;I為電機電流,單位為A;d為電機轉速,單位為r/min;t為一個周期內的采樣時間,單位為ms。

        根據上式,可得轉速為600r/min時,能耗為6.7kJ;轉速為800r/min時,能耗為9.8kJ;轉速為1000r/min時,能耗為15.8kJ;轉速為1200r/min時,能耗為19.3kJ。

        2.2 發(fā)動機能耗

        分別計算發(fā)動機在怠速時、快速起動時的能耗。怠速能耗率(ER)可通過以下公式計算:

        式(2)中,ER為發(fā)動機怠速循環(huán)能耗,單位為kJ;S為發(fā)動機怠速轉速,單位為r/min。

        以汽油為例,在怠速轉速為600r/min時,怠速能耗率為2.9kJ/s;在怠速轉速為800r/min時,怠速能耗率為6.2kJ/s;在怠速轉速為1000r/min時,怠速能耗率為7.9kJ/s;在怠速轉速為1200r/min時,怠速能耗率為9.7kJ/s。在得出ER后,可根據公式求得不同駐車時間(T)下的怠速能耗(EZ):

        快速起動時的能耗由2部分組成,即電機能耗(EM)、發(fā)動機消耗的燃料能耗(EZ)。則一次快速起動時能耗EY=EM+EZ。仍然以汽油燃料為例,快速起動至轉速為600r/min時,能耗為18.1kJ;轉速為800r/min時,能耗為29.4kJ;轉速為1000r/min時,能耗為36.7kJ;轉速為1200r/min時,能耗為41.2kJ。

        2.3 駐車能量優(yōu)化

        在不同的駐車時間下,比較發(fā)動機怠速與快速起動時能量消耗的差異,能耗更低的即為駐車優(yōu)化策略。為了使比較結果更加直觀,引入了臨界駐車時間(T1)的概念,即EZ等于EY的駐車時間。圖3為發(fā)動機怠速和快速起動時,能量消耗率與時間的關系,t1、t2分別為怠速開始和結束的時刻,T為駐車時間。

        在駐車時間為臨界駐車時,可以認為EZ=EY,則T1由以下公式計算:

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