王錦艷，張作美，孫 蕭，劉曉瑩

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315338）

《節(jié)能與新能源汽車(chē)路線(xiàn)圖2.0》中明確到2035年，乘用車(chē)（含新能源）新車(chē)油耗達(dá)到2.0 L/100 km（WLTC），同時(shí)，混動(dòng)新車(chē)占傳統(tǒng)能源乘用車(chē)的100%。增程式電動(dòng)汽車(chē)是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，與純電車(chē)相比，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程器節(jié)省40%～60%的電池容量，降低了在動(dòng)力電池上的成本及整車(chē)重量。在增程式汽車(chē)行駛中，內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)可以始終在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度的降低整車(chē)油耗。本文對(duì)增程式電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行解析，為研發(fā)增程式電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)企及研發(fā)人員提供參考。

1 增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性

增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性首先體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上，發(fā)動(dòng)機(jī)在增程式電動(dòng)汽車(chē)中僅作為發(fā)電單元為動(dòng)力電池充電或?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)供電。因此，增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以控制在大概2 000 rpm～3 500 rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗表現(xiàn)較好的區(qū)域，如圖 1所示，而傳統(tǒng)燃油車(chē)和普通混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較廣，包含了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速高油耗區(qū)域。

圖1 增程發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速

其次，從發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖上看（見(jiàn)圖 2），傳統(tǒng)燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況點(diǎn)大多集中在發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有的左下方及部分中間高效區(qū)，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在城市工況低速走走停停時(shí)油耗比較嚴(yán)重；普通混合動(dòng)力汽車(chē)，由于有電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間往高效區(qū)移動(dòng)，同時(shí)在低速市區(qū)工況通過(guò)純電模式盡可能減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作在左下方低效區(qū)，而增程式電動(dòng)汽車(chē)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)工況很好的控制高效區(qū)，特別是在多點(diǎn)控制的策略下發(fā)動(dòng)機(jī)僅在3～5個(gè)固定工況點(diǎn)工作。

圖2 增程發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有工況點(diǎn)示意

最后，由于增程式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與車(chē)速解耦，當(dāng)車(chē)輛低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有可能運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速發(fā)電，這樣的工作場(chǎng)景，用戶(hù)很容易感知到來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音振動(dòng)，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness,NVH）是一個(gè)不小的考驗(yàn)。

綜上，針對(duì)上述增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)做減法，最大限度應(yīng)用降摩擦、降低熱損失等技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)電工況點(diǎn)的熱效率，同時(shí)還需要加強(qiáng)增程發(fā)動(dòng)機(jī)NVH方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 日產(chǎn)E-Power以動(dòng)機(jī)技術(shù)解析

2017年，日產(chǎn)Note E-Power在日本上市，該車(chē)上市后，由于其優(yōu)異的油耗表現(xiàn)及堪比純電動(dòng)車(chē)的駕駛靜謐感受和強(qiáng)勁的加速表現(xiàn)，一舉打敗豐田Prius和本田Aqua，獲得2018年日本汽車(chē)銷(xiāo)量冠軍。其發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 E-Power發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

日產(chǎn)Note E-Power是一款純粹的增程式電動(dòng)汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)在該車(chē)上僅有一個(gè)工作——帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。該車(chē)工作模式如下：

（1）起步、行駛狀態(tài)：僅通過(guò)電池為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，行駛平穩(wěn)、靜謐。由于電池電量較小，該工況出現(xiàn)不多。

（2）減速時(shí)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，回收制動(dòng)能量為電池充電。

（3）巡航狀態(tài)：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)電池荷電狀態(tài)情況發(fā)電，可在給電池充電的同時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，獲得更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電效率。

（4）急加速、爬坡?tīng)顟B(tài)：電池和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電力，提供更加強(qiáng)勁的動(dòng)力和瞬時(shí)加速體驗(yàn)。

一代日產(chǎn)E-Power搭載1.2 L三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是在燃油版的基礎(chǔ)上進(jìn)行增程專(zhuān)用設(shè)計(jì)，熱效率從 38%提升到 43%，最新一代的E-Power是2021年剛發(fā)布的1.5三缸增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，熱效率提升到50%。

E-Power發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)提升都是圍繞提高熱效率，由于該發(fā)動(dòng)機(jī)在增程式電動(dòng)汽車(chē)中僅作為發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電，可盡可能提升在增程發(fā)電工況的熱效率。提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率從兩方面入手：

（1）提升發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率，奧托循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率公式：

式中，為壓縮比，為比熱容。

從式（1）可知要提升發(fā)動(dòng)機(jī)理論熱效率，需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和燃燒室內(nèi)氣體比熱容。

（2）減少發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失：泵氣損失、摩擦損失、冷卻損失、排氣損失。

E-Power一代1.2 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在傳統(tǒng)燃油版的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用長(zhǎng)沖程、低溫廢氣再循環(huán)率（Exhaust Gas Recircalation, EGR）、提高比熱容的技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比提高到 12；同時(shí)采用了低壓力常數(shù)的氣門(mén)彈簧、小軸徑的曲軸、低粘度機(jī)油等降摩擦功技術(shù)；搭載電子主水泵精確冷卻，減少冷卻損失。經(jīng)過(guò)以上技術(shù)的應(yīng)用，該發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高到 43%。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 日產(chǎn)E-Power一代動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2021年日產(chǎn)發(fā)布了E-Power二代50%熱效率的發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖4所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一款1.5排量的增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比提高到13.5，＞2的稀薄燃燒以及30%的超高EGR，使該款發(fā)動(dòng)機(jī)在增程專(zhuān)用發(fā)電工況熱效率高達(dá) 50%的國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖4 日產(chǎn)E-Power二代發(fā)動(dòng)機(jī)

從圖 4可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了進(jìn)氣歧管集成水冷中冷，對(duì)進(jìn)氣溫度進(jìn)行精確控制是高效發(fā)動(dòng)機(jī)的必備技術(shù)。讓該發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到 50%熱效率的關(guān)鍵技術(shù)是EGR以及稀薄燃燒。為了讓該發(fā)動(dòng)機(jī)做到＞2的稀薄燃燒，日產(chǎn)應(yīng)用了強(qiáng)勁的滾流比和長(zhǎng)通道的高能點(diǎn)火技術(shù)（Strong Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel, STARC），如圖 5所示。高幾何壓縮比的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷時(shí)燃燒穩(wěn)定性較差，高滾流比進(jìn)氣系統(tǒng)可以有效地組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)油氣混合程度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性。

圖5 STARC技術(shù)圖示

由于＞2，壓縮比提高到 13.5，因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)需要足夠高的滾流比才能在氣缸內(nèi)形成強(qiáng)勁的湍流使油氣進(jìn)行充分混合，日產(chǎn)對(duì)燃燒室進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，在噴油器附近向上設(shè)計(jì)凹陷，在進(jìn)氣行程活塞下行時(shí)，油氣混合氣可充分混合。

在油氣充分混合后，還需要保證超稀薄的油氣順利點(diǎn)燃。常規(guī)的火花塞的點(diǎn)火流速較低，無(wú)法點(diǎn)燃稀薄的油氣混合氣體。如果點(diǎn)火流速太快，點(diǎn)火通道會(huì)斷裂，不能提供足夠能量保證點(diǎn)火成功。因此，日產(chǎn)使用了中等的點(diǎn)火流速，保證足夠長(zhǎng)且能量穩(wěn)定供應(yīng)的點(diǎn)火通道，確保了＞2的稀薄燃燒，使該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率達(dá)到了50%。

圖6是日產(chǎn)E-Power發(fā)動(dòng)機(jī)提高熱效率的技術(shù)路線(xiàn)圖，燃油基礎(chǔ)版發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率 38%，通過(guò)長(zhǎng)沖程、優(yōu)化燃燒設(shè)計(jì)、降低摩擦功、減少泵氣損失、EGR技術(shù)提高燃燒氣體的比熱容設(shè)計(jì)出一代E-Power43%的增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)；為進(jìn)一步提升熱效率，日產(chǎn)通過(guò)增壓直噴、稀薄燃燒、超高EGR技術(shù)、廢熱回收、降低冷卻損失等技術(shù)，設(shè)計(jì)出二代1.5TD50%熱效率的增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6 E-Power發(fā)動(dòng)機(jī)提高熱效率技術(shù)路線(xiàn)圖

3 增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)總結(jié)

“高效”是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)包括增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)目標(biāo)。從發(fā)動(dòng)機(jī)能耗分布圖（圖7）可知，要提高發(fā)動(dòng)機(jī)閘測(cè)熱效率（Brake Thermal Efficiency，BTE），就要減少能量在燃燒、冷卻、泵氣、排氣、機(jī)械損失方面的消耗。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)能耗分布圖

由于增程發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比可以更多的挖掘高壓縮比、高EGR率、高空燃比的節(jié)能潛力，如：EGR率，傳統(tǒng)高效內(nèi)燃機(jī)，EGR率可以做到25%，而增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)可以將EGR率提高到30%。

冷卻損失和排氣損失方面，增程發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用的技術(shù)是通用的，通過(guò)電子水泵、電子節(jié)溫器、排氣余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，精細(xì)智能化熱管理，減少能量損失的同時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)在舒適的水溫油溫條件下高效工作。差別在于零部件的選型，如電子水泵，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)難免會(huì)工作在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速高功率區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)電子主水泵的選型需要考慮極限工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求；而對(duì)于增程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)的最高需求功率約為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的 70%～80%，相對(duì)可以選擇功率較小的電子水泵。對(duì)于增壓機(jī)型，增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)還可以考慮取消機(jī)油冷卻器的技術(shù)方案。

在降低機(jī)械損失方面，由于增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)不再驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，僅驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，增程發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求大幅降低。因此，在采用降摩擦涂層這一類(lèi)傳統(tǒng)與增程發(fā)動(dòng)機(jī)通用的降摩技術(shù)外，還可以減小曲軸、凸輪軸軸頸，通過(guò)減小摩擦面的方式降低機(jī)械摩擦損失，同時(shí)又能滿(mǎn)足增程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸等運(yùn)動(dòng)部件的強(qiáng)度需求。對(duì)于低粘度機(jī)油的使用，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)需要考慮高轉(zhuǎn)速高扭矩工況時(shí)機(jī)油溫度過(guò)高，粘度太低，無(wú)法形成完整的油膜造成拉缸、燒機(jī)油等故障；而對(duì)于增程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)高轉(zhuǎn)速高扭矩的惡劣工況，可以在低粘度機(jī)油的使用方面更加大膽。

4 結(jié)束語(yǔ)

在全球能源危機(jī)及國(guó)內(nèi)“碳達(dá)峰、碳中和”政策的雙重壓力下，汽車(chē)行業(yè)只有制造出真正節(jié)能的產(chǎn)品才能禁得住法規(guī)和市場(chǎng)的考驗(yàn)。相信不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)各車(chē)企在增程專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)上也會(huì)有不俗的表現(xiàn)。