3.1 增程用发动机及其分类

3.1.1 增程用发动机技术特征

根据增程式电动汽车的工作原理，增程用发动机具有以下四个明显的外部特征：①发动机不直接驱动车轮，而是用驱动发电机产生电能供给车辆使用；②发动机起停频繁，运行区域可相对自由控制；③发动机动力要求低，车辆动力性能主要取决于电驱动系统；④整车采用纯电驱动，发动机振动噪声更加凸显。增程式电动汽车对其发动机的基本需求包括效率高、尺寸小、重量轻、成本低、排放好以及NVH性能优等，这是评价一款增程用发动机是否优秀的主要指标。

图3-1所示为不同混合动力构型发动机的运行区域。与常规车用发动机相比，由于驱动电机的存在，混合动力电动汽车中的发动机并不需要在任意时刻均完全满足车辆需求功率，其工况运行自由度增加。这使得混合动力电动汽车可以在低速低负荷工况时采用纯电驱动，在高速高负荷工况时采用电机提供辅助驱动，避免发动机运行于低热效率区域，而是趋向于使用高效率区域。由于混合动力汽车配备大容量动力电池，传统发动机上的机械式空调压缩机、机械式水泵等附件也可以实现电气化，以降低发动机机械损耗，进一步提高发动机有效热效率。

对于并联、混联式混合动力电动汽车，无论其动力构型与混合程度如何变化，由于其发动机不仅需要用于发电，还需要直接参与驱动车轮，无法完全实现转速解耦，实际运行工况需求范围依然较大。增程式电动汽车搭载的发动机仅用于发电，不参与驱动车轮，即发动机与传动系统之间无任何机械连接结构，实现了机械解耦。正是由于这种机械解耦，使得增程用发动机输出功率与车辆需求功率解耦，其转速也与需求车速解耦，即同时实现了功率解耦和转速解耦，其运行工况几乎完全由车辆控制器根据自身实际需求进行灵活控制。基于这个运行特征，增程式电动汽车可以在行驶过程中，根据实际动力、排放和NVH需求，相对自由地控制发动机运行状态，并满足整车NVH、排放以及动力等性能要求。

由于并联、混联以及传统车用发动机存在发动机直接驱动车轮的工况，需要考虑在实际驾驶循环对应的发动机工况范围内实现低油耗，从而降低整车的行驶油耗。然而，由于常见的驾驶循环中存在大量的低转速、低负荷工况，使实际驾驶循环对应的发动机运行区域总是偏离发动机高热效率区域，即无法实现驾驶循环工况和发动机高效区的完美匹配，如图3-2所示。为了追求驾驶循环最低油耗，通常会妥协发动机最高热效率，一个典型的案例就是发动机增压小型化技术。尽管增压小型化技术能够使发动机高效区趋向循环中常用的低速、低负荷工况，但是增压小型化技术在高负荷时容易爆燃的倾向使其必须降低压缩比，从而限制了最高热效率。而对于增程用发动机，由于其实现了功率解耦和转速解耦，其运行工况可脱离测试循环的限制而集中于发动机的高热效率区，即可极致地追求发动机本体高热效率，而无须向测试法规循环工况妥协，实现了测试循环效率和发动机热效率解耦。

图3-3所示为增程用发动机的常用工况示意图。常规车用发动机需要满足车辆加速性能以及最高车速性能，其转速和负荷运行范围通常较高。在高转速和高负荷工况区域，需要采用浓混合气燃烧，以抑制爆燃并降低排气温度。然而增程用发动机运行工况与车辆实际需求功率和车速解耦，因此无须运行于过高的转速和负荷区域，通常沿着最低油耗线运行，在某些特殊的应用场景下甚至只运行于最低油耗点以降低油耗。这是增程用发动机不同于并联、混联以及传统车用发动机的另一个技术特征。

因此，与并联、混联以及传统车用发动机相比，增程用发动机工作过程存在一些内在的技术特征：

1）增程用发动机与驱动系统之间的机械解耦。

2）增程用发动机输出功率与车辆需求功率之间的功率解耦。

3）增程用发动机转速与整车车速之间的速度解耦。

4）增程用发动机热效率与测试循环之间的效率解耦。

5）增程用发动机排放与排放测试循环之间的排放解耦。

因此，基于这样的解耦特征，增程用发动机追求功率指标，而不是转速-转矩指标；追求部分工况高热效率，而不是全工况高热效率。这使得增程用发动机的运行状态也可以相对独立于整车运行工况，运行工况点通常可以沿着最低油耗线分布，这也是增程技术路线与普通混动技术路线的显著差别。也正是由于发动机运行状态和整车运行状态之间的内在解耦特征，使得增程用发动机可以相对独立地设计开发。但需要指出，上述各项性能解耦并非常规意义上的完全数学解耦，而是指从强耦合状态变为弱耦合状态。例如，在选择增程器发电工况点时，并非完全追求高热效率，还需要考虑整机NVH性能与汽车行驶噪声的匹配，避免出现车辆停车或者低速行驶时，增程器工作于高转速、高功率区域。这样，在控制上增程式电动汽车的难易程度就比普通混合动力汽车（如丰田行星齿轮式混动汽车）简单了很多。

3.1.2 增程用发动机的分类

增程式电动汽车对其发动机的天然要求包括高效率、高功率密度以及良好的NVH性能等。围绕这些需求，国内外众多厂商以及研究机构开发了多款增程用发动机产品及样机，包括传统的四冲程发动机、二冲程发动机、转子发动机以及苏格兰轭发动机等，其中以四冲程发动机为主要开发方向。

1.四冲程发动机

图3-4所示为Lotus和Fagor公司开发的增程器。该增程器搭载了一款直列三缸四冲程自然吸气汽油机，发动机采用整体式缸体缸盖、集成式排气歧管，并配置了平衡轴系统来提高NVH性能，其最高转速为4000r/min，并在3500r/min时能够持续、稳定地发出35kW功率。同时，该发动机可以选配增压系统，最大功率可以扩展至50kW/3500（r/min）。此外，为了满足不同功率需求，还设计了单缸和两缸四冲程发动机，使增程用发动机功率覆盖范围从5kW拓展到50kW。

图3-5所示为Mahle公司开发的增程器。该增程器搭载了一款双缸四冲程自然吸气汽油机，发动机飞轮布置于两个气缸中间，进气系统紧贴发动机侧面，以缩小尺寸。值得强调的是，该发动机点火间隔采用0°/180°CA，可以避免产生一阶惯性力，同时未配置平衡轴系统，以降低尺寸和成本。但是这种特殊的点火顺序使得燃烧激励分布不均匀，Mahle公司采用电机动态转矩控制策略来抑制发动机转速波动，即电机负载随着发动机输出的变化而变化。针对排放控制，Mahle公司在催化器起燃之前选择合适的发动机工况点来控制原机排放。待催化器效率上升至正常水平后，再将发动机工况调整至需求工况。

图3-6所示为KSPG和FEV共同开发的增程器。该增程器搭载了一款双缸四冲程汽油机，为了缩短发动机高度，该发动机采用V2形式布置，并利用两个小型发电机的旋转轴来平衡其一阶惯性力矩，以获得良好的减振效果。

图3-7所示为AVL开发的增程器。该增程器搭载了一款单缸四冲程发动机，该单缸机采用双平衡轴系统和扭转减振系统，其中发电机轴作为一根平衡轴使用，实现了良好的NVH性能。类似地，BMW公司也开发了一款双缸增程器，不同之处是BMW采用传统意义上的双平衡轴系统。

图3-8所示为Nissan开发的增程器。该增程器搭载于Note和Juke车型，在日本获得了极好的销量。该增程器搭载了一款三缸四冲程自然吸气汽油机，发动机采用了阿特金森循环、冷却EGR系统以及电子水泵，并对摩擦副进行特殊涂层处理，以降低机械损失。发动机起动过程被倒拖至1200r/min才进行喷油，以避开车辆共振带。

2.二冲程发动机

二冲程发动机由于升功率高、紧凑性好，也是一种可选的增程用发动机技术方案。意大利Modena大学近年来对二冲程缸内直喷汽油机进行了研究，该单缸机排量为0.5L，几何压缩比16：1，有效压缩比为11.8：1，利用特殊设计的扫气系统、旋转式进气阀以及机械增压系统，可以实现最大输出功率为30kW@4500r/min，最低有效燃油消耗率约为220g/（kW·h）。该二冲程发动机总质量仅为33kg，远低于同功率水平的四冲程汽油机和柴油机。图3-9所示为Modena大学开发的二冲程汽油机。尽管二冲程汽油机功率密度高、紧凑性好、质量轻，且可与四冲程汽油机技术共享，成本低，但受其本身工作原理限值，污染物排放劣于四冲程汽油机。

3.转子发动机

转子发动机由于振动小、升功率高、紧凑性好，是一种可选的增程用发动机技术方案。图3-10所示为AVL开发的转子发动机增程器，该转子发动机排量仅为0.25L，升功率达到60kW/L，最低有效油耗率为260g/（kW·h），净功率约为29kW，增程器总成总质量约65kg。AVL将该增程器进行封装，以减弱噪声传递，测试数据表明该增程器1m噪声小于65dB（A），车内噪声小于58dB（A）。此外，FEV公司曾开发了295mL转子增程用发动机，并能够在5500r/min时实现18kW的输出。马自达公司也曾经开发了转子发动机增程器，但未有更多报道。

尽管转子发动机运行平顺性好、紧凑性好、功率密度较高，但是转子发动机活塞密封性要求苛刻，影响运行的稳定性和可靠性。

4.自由活塞式发动机

近年来还出现了增程器用自由活塞发动机。自由活塞发动机的结构与往复活塞式发动机完全不同，由于没有气门机构以及旋转部件，其结构简单，NVH性能较好，成本较低，但是其碳氢排放较高，热效率较低且机电转换效率低。Trattner等人建立了二冲程自由活塞发动机一维模型，利用已有的二冲程汽油机试验数据对模型性能参数进行了预测。结果表明，发动机恒定输出20kW时，热效率接近35%，发电效率约23%。

南京理工大学在传统二冲程自由活塞发动机结构的基础上，提出了改进结构的自由活塞发动机模型思路。图3-11所示为两种自由活塞发动机模型示意图。新型自由活塞发动机的主要部件就是两个活塞组成的中心燃烧室以及两个发电机。模拟分析结果表明，循环指示热效率可以达到46.2%，发电效率达到42.5%。自由活塞发动机无需复杂的配气机构，无旋转部件，结构简单，紧凑性好，机械效率较高，且质量轻，水平对置的布置使得NVH性能较好。

5.苏格兰轭发动机

传统的往复活塞式发动机由于其曲柄连杆的运动特性，会产生多阶次的振动。通常，这种发动机的3阶次以及更高阶次的振动无法进行平衡。类似于传统往复活塞式发动机的曲柄连杆机构，苏格兰轭也是一种可以将发动机的往复运动转变为旋转运动的机构，但是苏格兰轭机构理论上可以自动平衡发动机所有阶次的振动，实现真正意义上的谐和运动，实现良好的NVH性能。为了减少发动机中的摩擦，苏格兰轭发动机通常采用水平对置双作用的方式，使每个连杆的末端都安装有活塞。这将使发动机轴承数/气缸数的值减少，实现轻量化以及更高的功率密度。图3-12所示为苏格兰轭发动机曲柄连杆结构示意图。SYTECH公司开发了一系列苏格兰轭发动机，并计划将其用于增程式电动汽车。其测试数据显示，最低有效燃油消耗率为229g/（kW·h），并满足国六b排放法规。表3-1为SYTECH公司苏格兰轭发动机技术参数。

6.燃气轮机

燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转换为有用功的动力机械。相比传统往复活塞式发动机，燃气轮机运转稳定，NVH性能好，但是其缺点在于尺寸大且变工况响应差，难以适应汽车使用环境。由于尺寸效应，燃气轮机功率越小，其热效率越低。100kW以下的简单循环微型燃气轮机的热效率通常不超过20%，采用回热器可以大幅提升热效率，但是会导致体积增加，且国内尚不具备高紧凑回热器的加工能力。Capstone曾设计了一款集成发电机的燃气轮机，在30kW发电功率时，其有效热效率为26%，在65kW发电功率时，有效热效率则为29%。腾风汽车曾发布过使用微型燃气轮机的增程式电动汽车，但未见后续量产报道。 2PlV4oQCeUxXnm//vGcpK2Ti0XvhaWf4NN/ApGug/1RcKOIxsvnmf6MeWWupGJ0R