混合動力車用發(fā)動機(jī)快速起動性能分析及駐車優(yōu)化

陳楠?黃旭?馬東元?張偉?許偉利

摘 要：良好的節(jié)油性是混合動力汽車（HEV）的優(yōu)勢之一。在市區(qū)行駛時，遇到擁堵路段或紅燈，汽車需要頻繁駐車。駐車時選擇怠速還是停機(jī)/再起動策略，是影響混合動力汽車油耗的重要因素。本文首先選擇電機(jī)拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和燃料兩項因素，分析了不同拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、不同燃料對發(fā)動機(jī)快速起動性能的影響;隨后通過實驗，在計算電機(jī)能耗、發(fā)動機(jī)能耗的基礎(chǔ)上，對比計算結(jié)果總結(jié)了駐車策略的優(yōu)化方案，即使用醇類燃料，將快速起動轉(zhuǎn)速控制在1000r/min，能夠顯著提高混合動力車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：混合動力發(fā)動機(jī) 快速起動性能 醇類燃料 駐車優(yōu)化

混合動力車用發(fā)動機(jī)的起動表現(xiàn)，受到多種因素的影響，其中比較重要的有電機(jī)拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、起動冷卻水溫，以及燃料類型等。在市區(qū)行車時，混合動力車用發(fā)動機(jī)會頻繁啟停，對發(fā)動機(jī)的起動性能有著較高的要求，具體又包括起動時的平穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性、排放性等。其中，燃油經(jīng)濟(jì)性（即油耗）與車主利益直接相關(guān)，也是決定混合動力車市場競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵因素。因此探究不同因素對發(fā)動機(jī)快速啟動經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)而尋找最佳駐車方案，對進(jìn)一步提高混動車使用性能有積極幫助。

1 混合動力車用發(fā)動機(jī)快速起動性能的影響因素

1.1 電機(jī)拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對快速起動性能的影響

混合動力車用發(fā)動機(jī)在快速起動時，由大電機(jī)拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，造成進(jìn)氣道壓力出現(xiàn)明顯改變，對能耗、燃燒效率、排放指標(biāo)等產(chǎn)生影響。以能耗為例，不同拖動轉(zhuǎn)速下怠速循環(huán)油耗的變化曲線如圖1所示。

結(jié)合圖1，在首次循環(huán)中，拖動轉(zhuǎn)速為600r/min時，油耗為87.5mg;拖動轉(zhuǎn)速為800r/min時，油耗為57.3mg;拖動轉(zhuǎn)速為1000r/min時，油耗為43.1mg。在首次循環(huán)之后，隨著循環(huán)次數(shù)增加，3種轉(zhuǎn)速下的油耗也呈現(xiàn)出下降趨勢，最終趨于穩(wěn)定，維持在23mg。將拖動轉(zhuǎn)速控制在1000r/min，初始循環(huán)油耗較低，同時也能盡快達(dá)到穩(wěn)定油耗，有助于改善發(fā)動機(jī)快速啟動性能。

1.2 醇類燃料對快速起動性能的影響

目前混合動力車的燃料還是以汽油為主，而醇類燃料（甲醇、乙醇）在普通汽車上表現(xiàn)出了良好的節(jié)能效益，因此探究混合動力車用發(fā)動機(jī)使用醇類燃料，在快速起動時的能耗，將會為進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能提供幫助。在發(fā)動機(jī)怠速情況下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，使用汽油、甲醇、乙醇3類燃料時怠速能耗變化如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，使用不同的燃料，其怠速循環(huán)能耗變化規(guī)律基本一致，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到2次時，能耗快速下降，之后繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)，能耗平穩(wěn)下降，最終趨于平穩(wěn)。橫向?qū)Ρ?種燃料，可以發(fā)現(xiàn)醇類燃料在相同循環(huán)數(shù)下，發(fā)動機(jī)怠速能耗要低于汽油，并且使用甲醇的能耗要略低于乙醇。這是因為3類燃料的汽化潛熱值為甲醇>乙醇>汽油。汽化潛熱值越高的情況下，發(fā)動機(jī)輸出功率越大，相當(dāng)于消耗更少的燃料，達(dá)到了目標(biāo)輸出功率，因此使用甲醇燃料時，發(fā)動機(jī)能耗最低，其次是乙醇。

2 混合動力車用發(fā)動機(jī)的駐車優(yōu)化策略

對于混動汽車，若市區(qū)行駛時遇到擁堵路段或紅燈，此時有怠速以及停機(jī)/再起動兩種駐車策略。選擇何種策略，主要受到兩項因素的影響，即駐車時間與能耗?，F(xiàn)以能耗作為研究對象，選取電機(jī)能耗、發(fā)動機(jī)能耗作為評價指標(biāo)，探討駐車策略的優(yōu)化路徑。

2.1 電機(jī)能耗

試驗所用電機(jī)為一臺功率8.5kW的永磁同步電機(jī)，將快速起動電機(jī)的拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速設(shè)定為統(tǒng)一數(shù)值，并測量其在不同拖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的起動能耗。測量方法為：電機(jī)起動后，模擬電機(jī)拖動發(fā)電機(jī)，并依托BMS系統(tǒng)收集電機(jī)運行參數(shù)，如電壓、電流等，采樣周期設(shè)定為20ms/次。結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)，利用公式計算電機(jī)能耗（E）：

式（1）中，U為電機(jī)電壓，單位為V;I為電機(jī)電流，單位為A;d為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min;t為一個周期內(nèi)的采樣時間，單位為ms。

根據(jù)上式，可得轉(zhuǎn)速為600r/min時，能耗為6.7kJ;轉(zhuǎn)速為800r/min時，能耗為9.8kJ;轉(zhuǎn)速為1000r/min時，能耗為15.8kJ;轉(zhuǎn)速為1200r/min時，能耗為19.3kJ。

2.2 發(fā)動機(jī)能耗

分別計算發(fā)動機(jī)在怠速時、快速起動時的能耗。怠速能耗率（ER）可通過以下公式計算：

式（2）中，ER為發(fā)動機(jī)怠速循環(huán)能耗，單位為kJ;S為發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

以汽油為例，在怠速轉(zhuǎn)速為600r/min時，怠速能耗率為2.9kJ/s;在怠速轉(zhuǎn)速為800r/min時，怠速能耗率為6.2kJ/s;在怠速轉(zhuǎn)速為1000r/min時，怠速能耗率為7.9kJ/s;在怠速轉(zhuǎn)速為1200r/min時，怠速能耗率為9.7kJ/s。在得出ER后，可根據(jù)公式求得不同駐車時間（T）下的怠速能耗（EZ）：

快速起動時的能耗由2部分組成，即電機(jī)能耗（EM）、發(fā)動機(jī)消耗的燃料能耗（EZ）。則一次快速起動時能耗EY=EM+EZ。仍然以汽油燃料為例，快速起動至轉(zhuǎn)速為600r/min時，能耗為18.1kJ;轉(zhuǎn)速為800r/min時，能耗為29.4kJ;轉(zhuǎn)速為1000r/min時，能耗為36.7kJ;轉(zhuǎn)速為1200r/min時，能耗為41.2kJ。

2.3 駐車能量優(yōu)化

在不同的駐車時間下，比較發(fā)動機(jī)怠速與快速起動時能量消耗的差異，能耗更低的即為駐車優(yōu)化策略。為了使比較結(jié)果更加直觀，引入了臨界駐車時間（T1）的概念，即EZ等于EY的駐車時間。圖3為發(fā)動機(jī)怠速和快速起動時，能量消耗率與時間的關(guān)系，t1、t2分別為怠速開始和結(jié)束的時刻，T為駐車時間。

在駐車時間為臨界駐車時，可以認(rèn)為EZ=EY，則T1由以下公式計算：