混合动力乘用汽车发动机的选择及其关键技术分析了吗？

在能源和环境危机的双重压力下，汽车行业正逐渐从传统燃油汽车转向节能汽车与新能源汽车，其中电动化成为汽车行业公认的发展趋势。

然而，由于动力电池在成本、能量储存及安全性能等方面的不足，纯电动汽车的发展受到了很大限制。在此背景下，混合动力乘用汽车（HEV）仍将在中长期内占据节能及新能源汽车市场的主要份额。

混合动力系统是指两个或两个以上不同工作原理的动力源组成，通过合理的转矩分配控制，使车用发动机能始终处于或接近最佳工况区运行。例如，丰田THS系统通过电机单独驱动车辆，其百公里油耗比同车型降低了50%以上。关键技术在于发动机和电机转矩之间的协调控制，整车综合控制器（HV-ECU）需要根据车辆、发动机、电机、剩余电池电量（SOC）以及道路等综合信息，确定工作模式，实时分配电机和发动机的工作转矩。

在发动机的选型上，大多数采用高膨胀比循环发动机，如阿特金森循环发动机。传统汽车由单一动力源驱动，发动机功率需求与整车一般行驶工况下的功率需求之间存在较大差别，导致发动机大部分时间处于轻载、低负荷工作状态，即“大马拉小车”的动力冗余。然而，发动机在低负荷工作时的效率与排放性能极差，造成整车燃油经济性与排放性能的恶化。

有研究数据显示，当发动机转矩在40N·m（负荷约为30%）以下，转速在1200r/min（最高车速的20%）以下的时候，发动机在不同工况下的时间比例和所消耗的燃油比例如下：中国商用车循环工况的时间比例为87.4%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的74.2%。

NEDC工况的时间比例为72.3%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的48.9%。1015工况的时间比例为73.2%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的56.0%。UDDS工况的时间比例为73.1%，在此区域内所消耗的燃油占总燃油消耗的54.4%。

因此，发动机在低负荷工作的时间比例非常大，这些低负荷工况主要对应于怠速与低速制动的时间。在此过程中，发动机主要以怠速消耗率运行，其燃油消耗速度（即发动机喷油率）低于其他工作区域，但累计燃油消耗量仍占总燃油消耗量的很大比例。例如，NEDC工况下发动机在低速与低负荷（1200r/min, 40N·/m以下）的时间比例为72.3%，而此区域消耗总燃油的49.9%。

可见，根据循环工况的燃油消耗分析法对于解析传统汽车的实际能量消耗特性具有实际意义，并且为当前轿车（混合动力轿车的原型车——传统汽车）如何通过混合动力技术实现高效节能提供指导。

混合动力汽车可以从以下4个方面达到节能目的：

（1）选择较小功率的发动机，从而提高发动机负荷率；

（2）改善控制策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗；

（3）发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以减少燃油消耗。

通过这些途径，混合动力汽车在特定工况下的总节能潜力可达30%～60%。

根据混合动力汽车具有两个或两个以上动力源同时运转与单个动力传动系之间的动力耦合位置关系，混合动力汽车驱动系统可分为串联、并联和混联等3种基本类型。串联式混合动力汽车驱动系统的主要特点是发动机没有直接与车辆传动系统有机械连接，而是通过发电机将机械能转换成电能，与动力蓄电池组成串联结构，共同给电机供电驱动车辆。发动机运行工况不受车辆运行工况的影响，提高了发动机工作效率。

并联式混合动力汽车的行驶驱动力由发动机和电机通过机电耦合装置单独或联合提供。混联式混合动力汽车同时具备了串联混合动力“电电”耦合及并联混合动力“机电”耦合的特点，车辆驱动力由发动机、电机通过机电耦合装置（ECVT）单独或联合提供。

综上所述，混合动力汽车的燃油经济性与排放性很大程度上取决于其选用的汽油机。阿特金森循环发动机在混合动力汽车发动机的设计和选择过程中显示出较好的优势，通过增加回流行程，提高了发动机的热效率和燃油经济性。