淺析內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車上的應(yīng)用

李秋怡

摘要：在環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境下，電池的技術(shù)還不能從根本上滿足汽車的需求，因此采用內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)混合驅(qū)動的汽車成了當(dāng)下汽車發(fā)展的方向?；旌蟿恿ζ嚳梢愿玫靥岣邇?nèi)燃機(jī)的效能，根據(jù)不同的需求進(jìn)行動力的互相轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效的目標(biāo)。本文將結(jié)合混合動力汽車的特點(diǎn)，對內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車上的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步論述，供大家參考。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車;內(nèi)燃機(jī);應(yīng)用方法

0? 引言

內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過長時間的發(fā)展，性能和潛力已經(jīng)到了極限，內(nèi)燃機(jī)汽車的弊端也逐漸突顯，普通內(nèi)燃機(jī)的效能只有40%左右，如果在市區(qū)低速、堵車的情況下，可能只有20%左右。隨著節(jié)能環(huán)保理念的提出，改善汽車排放，提高汽車性能成了未來汽車發(fā)展的方向。然而由于電能存儲量的限制，純電動汽車還存在很多沒有突破的難題，這樣的背景下，以內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)混合提供動力的汽車就成了發(fā)展的最佳選擇。

1? 混動動力汽車基本原理

混合動力汽車一般由燃料轉(zhuǎn)化裝置（內(nèi)燃機(jī)）、電動機(jī)（發(fā)電機(jī)）、電池（儲電裝置）作為動力的來源，通過汽車控制裝置協(xié)調(diào)汽車的動力，讓汽車的燃料轉(zhuǎn)化更加的高效，尾氣排放更少。在汽車制動、下坡的時候，開啟能量回收裝置，將內(nèi)燃機(jī)的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，改善汽車的燃油性能、減少尾氣排放，增強(qiáng)汽車和實(shí)用性[1]。在混合動力汽車的動力系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)互相配合，根據(jù)汽車的行駛狀況采取不同的策略。當(dāng)汽車需要增加動力的時候，諸如加速、上坡等，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)同時工作，燃料和電能同時為汽車提供動力，讓汽車有更佳的性能;當(dāng)混合動力汽車在低速行駛時，經(jīng)常走走停停，可以由電動機(jī)提供動力，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用;混合動力汽車不需要動力或需要較低的動力時，諸如：剎車、下坡、轉(zhuǎn)彎，內(nèi)燃機(jī)的動能被轉(zhuǎn)化為電能存儲起來。這樣，通過內(nèi)燃機(jī)能量的回收與利用，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性。

內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車的應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)過了10多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)逐漸區(qū)域穩(wěn)定，以往內(nèi)燃機(jī)與發(fā)電機(jī)分離的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足混動汽車的需要，以內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)（電動機(jī)/發(fā)電機(jī)）、變換器、儲能裝置（電池）一體化結(jié)構(gòu)為代表的混合動力汽車登上了歷史的舞臺，進(jìn)一步提升了混合動力汽車的性能。內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車的應(yīng)用總體框架如圖1。

2? 內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車的應(yīng)用分析

2.1 內(nèi)燃機(jī)在電驅(qū)動混合動力汽車上的應(yīng)用

以電動機(jī)為主要驅(qū)動的混合動力汽車一般采用串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)，將內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)串聯(lián)起來組成汽車的動力系統(tǒng)，這類混合動力汽車一般都有外部充電接口，內(nèi)燃機(jī)輔助驅(qū)動汽車。在運(yùn)行的過程中，內(nèi)燃機(jī)的動能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電能根據(jù)實(shí)際情況分配給電動機(jī)或是被存儲到汽車電池中，這類混合動力汽車主要是由電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。當(dāng)汽車的負(fù)荷比較小的時候，主要由電池提供電能，通過電動機(jī)驅(qū)動汽車行駛;當(dāng)汽車的負(fù)荷比較大的時候，諸如加速、爬坡，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)和電池同時為電動機(jī)提供電能，增大汽車的功率;當(dāng)汽車的電池電量低的時候，則由“內(nèi)燃機(jī)——發(fā)電機(jī)”提供動力，并在滑行、低速的時候向電池組充電。這種以電力驅(qū)動的混合動力汽車一般用于城市通勤，其結(jié)構(gòu)比較簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對于城市擁堵、頻繁啟停的工況，混合動力汽車可以調(diào)整內(nèi)燃機(jī)和電池組的動力輸出來達(dá)到最佳效率，讓內(nèi)燃機(jī)在低速、滑行和怠速的工況下也能夠避免空轉(zhuǎn)，提高內(nèi)燃機(jī)的效率，減少汽車廢氣的產(chǎn)生。福特在2010年推出了采用燃料電池的城市通勤混合汽車“新能級2010”，汽車的動力由內(nèi)燃機(jī)和燃料電池提供，當(dāng)短距離城市行使的時候，動力全部由燃料電池提供，達(dá)到零排放目標(biāo)。其缺點(diǎn)也很明顯，能量轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，機(jī)械效率低下[2]。

2.2 內(nèi)燃機(jī)在電輔助混合動力汽車上的應(yīng)用

電輔助混合動力汽車又叫輕度混合動力汽車，這類混合動力汽車以內(nèi)燃機(jī)為主要動力來源，電動機(jī)的功率比較小，主要對汽車行駛過程中提供輔助動力，因此其配套的電池組儲能也比較低。電輔助混合動力汽車是混合動力汽車中成本最小的，對于改善汽車的排放和提高汽車內(nèi)燃機(jī)效率具有一定的作用，因此在混合動力汽車中的使用范圍比較廣泛，市場認(rèn)可度比較高[3]。例如，本田公司研究的Insight混合動力汽車就是采用輕度混合的方式，其動力系統(tǒng)如圖2所示，內(nèi)燃機(jī)是混動汽車的主要動力源，電輔助動力是集電動機(jī)和發(fā)電機(jī)于一體的永磁超薄電機(jī)，即ISA（Integrated Starter Alternator）。ISA取代了原有汽車的內(nèi)燃機(jī)飛輪，直接連接內(nèi)燃機(jī)的輸出端，從而實(shí)現(xiàn)自動啟停功能，這也是豐田Insight混合動力汽車最具特色的混合動力集成系統(tǒng)。ISA在汽車加速的時候充當(dāng)電動機(jī)的角色，為汽車提供輔助動力;ISA在汽車滑行、制動的時候又充當(dāng)發(fā)電機(jī)的角色，收集和利用內(nèi)燃機(jī)的動能，轉(zhuǎn)化為電能存儲起來。電輔助混合動力汽車既具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的出色性能，又能夠通過ISA來增加汽車的機(jī)動性，利用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的多余能量，在不需要外部充電的情況下，可以實(shí)現(xiàn)降低油耗量，減少尾氣排放的目標(biāo)。

2.3 內(nèi)燃機(jī)在油電混合動力汽車上的應(yīng)用

油電混合動力汽車與電輔助混合動力汽車相比，其采用的電動機(jī)功率更大，能量回收效率更高，電動機(jī)能夠?yàn)槠囂峁└鼜?qiáng)的動力，其在改善汽車燃油效率和減少排放的方面更具有廣闊的發(fā)展前景。在結(jié)構(gòu)上，油電混合動力汽車設(shè)置了單獨(dú)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)可以分別為汽車提供單獨(dú)的動力，也可以混合提供動力[4]。例如，豐田的THS（Toyota Hybrid System）就屬于真正的油電混合動力汽車，并在Prius上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，Prius由一臺4缸77kW的內(nèi)燃機(jī)和總功率為60kW的電動機(jī)組成，搭載288V的鎳氫電池。如圖3所示，Prius的內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)直接與動力輸出系統(tǒng)連接，形成各自獨(dú)立的動力輸出通道，即：以內(nèi)燃機(jī)為動力的傳統(tǒng)機(jī)械動力通道和以電動機(jī)為動力的電力驅(qū)動通道，兩個通道的動力可以疊加，最大能夠?yàn)槠囂峁?00kW的綜合功率。同時，內(nèi)燃機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，當(dāng)汽車在低功率行使的時候，內(nèi)燃機(jī)的能量實(shí)現(xiàn)回收。在動力方面，Prius品牌與同類汽油機(jī)驅(qū)動的汽車具有相同的性能，但是油耗卻能夠降低一半，尾氣排放更是減少到同類汽車的1/3。

總之，在電能存儲不能夠有效突破的情況下，開發(fā)內(nèi)燃機(jī)在混合動力汽車上的應(yīng)用，對于降低汽車油耗和減少尾氣排放具有重要的作用。與傳統(tǒng)汽車相比，內(nèi)燃機(jī)作為混合動力汽車的主要動力源，可以通過混合動力汽車的能量回收與輸出系統(tǒng)，更好地提高內(nèi)燃機(jī)的效率，滿足不同狀況下汽車的最佳性質(zhì)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)軍，岳偉甲.并聯(lián)型混合動力汽車控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2013（01）.

[2]余才光，包壽紅，馬智濤，張彤.傳統(tǒng)轎車搭載混合動力系統(tǒng)整車技術(shù)[J].汽車電器，2012（10）.

[3]伍星，王杰.混合動力汽車電池管理系統(tǒng)的分析[J].機(jī)械制造與自動化，2008（05）.

[4]韋樹禮，李程武.簡析新能源汽車分類及性能[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（02）.