增程式電動汽車專用發(fā)動機技術(shù)淺析

王錦艷，張作美，孫 蕭，劉曉瑩

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315338）

《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》中明確到2035年，乘用車（含新能源）新車油耗達到2.0 L/100 km（WLTC），同時，混動新車占傳統(tǒng)能源乘用車的100%。增程式電動汽車是串聯(lián)式混合動力汽車，與純電車相比，通過發(fā)動機作為增程器節(jié)省40%～60%的電池容量，降低了在動力電池上的成本及整車重量。在增程式汽車行駛中，內(nèi)燃機和發(fā)電機可以始終在最佳工況下運轉(zhuǎn)，最大限度的降低整車油耗。本文對增程式電動汽車專用發(fā)動機的技術(shù)路線進行解析，為研發(fā)增程式電動汽車的車企及研發(fā)人員提供參考。

1 增程專用發(fā)動機工作特性

增程專用發(fā)動機的工作特性首先體現(xiàn)在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速上，發(fā)動機在增程式電動汽車中僅作為發(fā)電單元為動力電池充電或為驅(qū)動電機供電。因此，增程專用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可以控制在大概2 000 rpm～3 500 rpm的發(fā)動機油耗表現(xiàn)較好的區(qū)域，如圖 1所示，而傳統(tǒng)燃油車和普通混合動力汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍較廣，包含了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速高油耗區(qū)域。

圖1 增程發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速

其次，從發(fā)動機萬有特性圖上看（見圖 2），傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機的工況點大多集中在發(fā)動機萬有的左下方及部分中間高效區(qū)，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)燃油汽車在城市工況低速走走停停時油耗比較嚴重；普通混合動力汽車，由于有電機并聯(lián)驅(qū)動，可以將發(fā)動機的工作區(qū)間往高效區(qū)移動，同時在低速市區(qū)工況通過純電模式盡可能減少發(fā)動機工作在左下方低效區(qū)，而增程式電動汽車，可將發(fā)動機工況很好的控制高效區(qū)，特別是在多點控制的策略下發(fā)動機僅在3～5個固定工況點工作。

圖2 增程發(fā)動機萬有工況點示意

最后，由于增程式電動汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與車速解耦，當車輛低速行駛時，發(fā)動機有可能運行在高轉(zhuǎn)速發(fā)電，這樣的工作場景，用戶很容易感知到來自發(fā)動機的噪音振動，這對發(fā)動機的噪聲、振動、聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness,NVH）是一個不小的考驗。

綜上，針對上述增程專用發(fā)動機的工作特性，可以對發(fā)動機設(shè)計做減法，最大限度應(yīng)用降摩擦、降低熱損失等技術(shù)提高發(fā)動機在發(fā)電工況點的熱效率，同時還需要加強增程發(fā)動機NVH方面的優(yōu)化設(shè)計。

2 日產(chǎn)E-Power以動機技術(shù)解析

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

表1 E-Power發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

日產(chǎn)Note E-Power是一款純粹的增程式電動汽車，發(fā)動機在該車上僅有一個工作——帶動發(fā)電機進行發(fā)電。該車工作模式如下：

（1）起步、行駛狀態(tài)：僅通過電池為驅(qū)動電機供電，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：驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，回收制動能量為電池充電。

（3）巡航狀態(tài)：汽油發(fā)動機根據(jù)電池荷電狀態(tài)情況發(fā)電，可在給電池充電的同時給驅(qū)動電機供電，獲得更高的燃油經(jīng)濟性和發(fā)電效率。

（4）急加速、爬坡狀態(tài)：電池和汽油發(fā)動機同時為驅(qū)動電機提供電力，提供更加強勁的動力和瞬時加速體驗。

一代日產(chǎn)E-Power搭載1.2 L三缸自然吸氣發(fā)動機，該發(fā)動機是在燃油版的基礎(chǔ)上進行增程專用設(shè)計，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)動機，熱效率提升到50%。

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

（1）提升發(fā)動機理論熱效率，奧托循環(huán)的發(fā)動機理論熱效率公式：

式中，為壓縮比，為比熱容。

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

（2）減少發(fā)動機能量損失：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)動機在傳統(tǒng)燃油版的基礎(chǔ)上，通過使用長沖程、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)動機壓縮比提高到 12；同時采用了低壓力常數(shù)的氣門彈簧、小軸徑的曲軸、低粘度機油等降摩擦功技術(shù)；搭載電子主水泵精確冷卻，減少冷卻損失。經(jīng)過以上技術(shù)的應(yīng)用，該發(fā)動機熱效率提高到 43%。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 日產(chǎn)E-Power一代動力系統(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)動機，如圖4所示。該發(fā)動機是一款1.5排量的增壓直噴發(fā)動機，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)動機在增程專用發(fā)電工況熱效率高達 50%的國際領(lǐng)先水平。

圖4 日產(chǎn)E-Power二代發(fā)動機

從圖 4可知，該發(fā)動機應(yīng)用了進氣歧管集成水冷中冷，對進氣溫度進行精確控制是高效發(fā)動機的必備技術(shù)。讓該發(fā)動機達到 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)動機做到＞2的稀薄燃燒，日產(chǎn)應(yīng)用了強勁的滾流比和長通道的高能點火技術(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)動機在小負荷時燃燒穩(wěn)定性較差，高滾流比進氣系統(tǒng)可以有效地組織缸內(nèi)氣流運動，增強油氣混合程度，改善發(fā)動機燃燒穩(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)動機需要足夠高的滾流比才能在氣缸內(nèi)形成強勁的湍流使油氣進行充分混合，日產(chǎn)對燃燒室進行特殊設(shè)計，在噴油器附近向上設(shè)計凹陷，在進氣行程活塞下行時，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燃。常規(guī)的火花塞的點火流速較低，無法點燃稀薄的油氣混合氣體。如果點火流速太快，點火通道會斷裂，不能提供足夠能量保證點火成功。因此，日產(chǎn)使用了中等的點火流速，保證足夠長且能量穩(wěn)定供應(yīng)的點火通道，確保了＞2的稀薄燃燒，使該發(fā)動機的熱效率達到了50%。

圖6是日產(chǎn)E-Power發(fā)動機提高熱效率的技術(shù)路線圖，燃油基礎(chǔ)版發(fā)動機熱效率 38%，通過長沖程、優(yōu)化燃燒設(shè)計、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)計出一代E-Power43%的增程專用發(fā)動機；為進一步提升熱效率，日產(chǎn)通過增壓直噴、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)計出二代1.5TD50%熱效率的增程專用發(fā)動機。

圖6 E-Power發(fā)動機提高熱效率技術(shù)路線圖

3 增程專用發(fā)動機技術(shù)總結(jié)

“高效”是當前發(fā)動機包括增程專用發(fā)動機的技術(shù)目標。從發(fā)動機能耗分布圖（圖7）可知，要提高發(fā)動機閘測熱效率（Brake Thermal Efficiency，BTE），就要減少能量在燃燒、冷卻、泵氣、排氣、機械損失方面的消耗。

圖7 發(fā)動機能耗分布圖

由于增程發(fā)動機工況點集中在發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速中低負荷，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機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，EGR率可以做到25%，而增程專用發(fā)動機可以將EGR率提高到30%。

冷卻損失和排氣損失方面，增程發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，采用的技術(shù)是通用的，通過電子水泵、電子節(jié)溫器、排氣余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，精細智能化熱管理，減少能量損失的同時讓發(fā)動機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)動機難免會工作在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速高功率區(qū)域，發(fā)動機電子主水泵的選型需要考慮極限工況下發(fā)動機的散熱需求；而對于增程發(fā)動機，發(fā)動機發(fā)電時的最高需求功率約為傳統(tǒng)發(fā)動機的 70%～80%，相對可以選擇功率較小的電子水泵。對于增壓機型，增程專用發(fā)動機還可以考慮取消機油冷卻器的技術(shù)方案。

在降低機械損失方面，由于增程專用發(fā)動機不再驅(qū)動車輛，僅驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，增程發(fā)動機的扭矩需求大幅降低。因此，在采用降摩擦涂層這一類傳統(tǒng)與增程發(fā)動機通用的降摩技術(shù)外，還可以減小曲軸、凸輪軸軸頸，通過減小摩擦面的方式降低機械摩擦損失，同時又能滿足增程發(fā)動機曲軸、凸輪軸等運動部件的強度需求。對于低粘度機油的使用，傳統(tǒng)內(nèi)燃機需要考慮高轉(zhuǎn)速高扭矩工況時機油溫度過高，粘度太低，無法形成完整的油膜造成拉缸、燒機油等故障；而對于增程發(fā)動機來說，無高轉(zhuǎn)速高扭矩的惡劣工況，可以在低粘度機油的使用方面更加大膽。

4 結(jié)束語

在全球能源危機及國內(nèi)“碳達峰、碳中和”政策的雙重壓力下，汽車行業(yè)只有制造出真正節(jié)能的產(chǎn)品才能禁得住法規(guī)和市場的考驗。相信不久的將來，國內(nèi)各車企在增程專用發(fā)動機上也會有不俗的表現(xiàn)。