第2章　混合动力汽车的动力系统

2.1　混合动力汽车的发动机

在电动汽车的电力能源为完全解决之前，综合发挥发动机汽车及电动汽车各自的优势，使发动机的燃料消耗率降到最低，发动机排放的污染减至最小，并充分发挥电力驱动的效率，这是混合动力汽车得以快速发展的基础。

2.1.1　汽油发动机

汽油发动机在当前混合动力汽车上占有主导地位，汽油发动机技术上已经相当成熟，在节能和环保方面也取得了极大的进展。混合动力汽车选择发动机时，侧重于选择小型化、低油耗、低排放的发动机，并且控制在最佳效率范围内稳定运转。在混合动力汽车上除了采用最新的各种节能和环保措施外，还采取下列控制方法：采用全新的理论及全新结构的发动机；由电动/发电机在短暂的时间内，完成发动机的启动加速，减少发动机的启动时间和排放；采用“开-关”控制方式，完全避开发动机的低效率运转（如怠速）工况范围；减少泵气阻力及各种运动副中摩擦阻力等。

（1）汽油发动机节能和环保的主要技术措施　为了节能和环保，现代汽油发动机应用了各种各样的机外或机内的控制技术，努力使发动机在节能和环保方面达到各国越来越严格的燃油消耗及排放标准的要求。由于维护厂家的不同，各个厂家所采用的发动机降低燃油消耗和对有害气体排放的控制对策和具体措施各有不同的特色，在发动机燃烧室结构、活塞顶结构、气门结构、电控喷射系统、电子控制系统等各有特长。目前，混合动力汽车仍然是以采用发动机为主要方法，在选用发动机时应扬长避短，并结合不同的混合动力汽车所需要的发动机的应用特点，来取得最佳节能效果和“超低污染”的环保效果。汽油发动机节能和环保的主要技术措施见表2-1。一般只是在小型混合动力汽车上才采用汽油发动机作为动力源。

（2）本田汽车公司Insight混合动力车的汽油发动机　Insight混合动力车以汽油发动机作为主要动力，电动/发电机为辅助动力，它们的动力配比为9∶1。Insight混合动力车的发动机是1L、直列3缸、直喷式、铝制气缸体。发动机最大功率为52kW（6000r/min），转矩为91N·m（4600r/min），当电动机介入时，系统在1500r/min时的转矩为107N·m。发动机的质量只有60kg，是当前世界上1L级发动机中质量最小、效率最高的发动机。

①极端稀薄燃烧技术。发动机的排气门采用铝制结构，进、排气门由同一个摇臂轴支撑，能够使进、排气门之间的夹角达到30°，进气门接近垂直状态，紧凑排列的进、排气门，能够增强进气时气体的旋转涡流，涡流的旋转速度比通常稀薄燃烧的发动机高出20%；并且使燃烧室的结构更加紧凑，有利于稀薄燃烧气体充分混合。此外，发动机横置，进气口一侧朝前，这种设计有助于增加进气压力。

每个气缸有4个气门，对发动机混合气的控制发挥重要作用，使混合气的空燃比由过去23∶1扩大至26∶1的极端稀薄比例。

在低速运转时，可以将每个气缸的两个进气门中的一个关闭，来增强发动机低速运转时进气的旋转涡流，可以使油气混合更加均匀，保证发动机在低速时仍然保持稀薄燃烧状态。

②高效催化转化，实现超低污染。双催化转化器和发动机铝制气缸盖一体化，这样可以有效地加热催化转化器，促进催化反应，实现超低污染。当在理论空燃比工况下燃烧时，催化转化器能够吸附燃料燃烧后产生的大部分NO x ，经过催化和转化后，因为HC和CO的还原作用，使NO x 被还原为N2再排入大气，所以，Insight的HC、CO、NO x 排放量比日本标准所规定的排放量低68%，催化转化器的重量也大大减小。

发动机配置了“开-关”自动控制系统，可以在汽车启动时使发动机快速启动，并根据行驶工况，自动控制汽车发动机启动与关闭，进一步避免发动机在启动和低速运转时排气造成的污染，从而达到“超低污染”排放标准的要求。

③先进的结构，降低发动机的质量。发动机气缸体采取铝合金压铸法制造，内铸薄壁钢衬套，油底壳用镁合金铸造，质量为2.1kg，是铝合金制造油底壳的65%。凸轮轴由单级无声链驱动，再通过4个气门摇臂操纵每缸的4个气门，气门摇臂采用滚动轴承，有效地减少了摩擦，进气歧管用轻质材料制造。锻造的连杆经过表面碳化处理，强度增大，使每个连杆的质量降低到258g。在发动机轻量化方面，采取了新材料、新技术及新工艺，使发动机的质量降低到60kg。

因为发动机采用铝合金、镁合金和轻质树脂等多种轻质材料制造零件，所以，该发动机是当今世界上最轻的1L发动机。

④有效的措施减少运动副中摩擦阻力。为了降低活塞在由下止点向上止点运动时因连杆作用力的“拍击”作用而产生的活塞和气缸壁的摩擦，气缸中心线和活塞中心线有微小的偏移。活塞微观表面呈波纹状，有助于保持活塞表面的油膜和润滑。活塞装有两道厚度分别是0.8mm、1.0mm的压缩环和一道厚度是2.0mm的油环，采用低刚度弹簧，双环设计能够获得最小的活塞环缩进量，一方面提高了气密性，另一方面还使活塞和气缸壁的摩擦力大幅降低，与传统的结构相比，能够使摩擦能量损耗减少10%。

气门摇臂轴与气门摇臂采用滚动轴承，使运动结构件之间的摩擦能量损失减少了70%左右，改进后的进气歧管，使泵气损失明显降低，降低了发动机各个部分的摩擦阻力，有效地提高了发动机的效率。

根据日本汽车运行试验法规要求，Insight混合动力跑车在配置5挡变速器时创造了3L汽油行驶105km的世界纪录，在配置无级变速器时创造了3L汽油行驶96km的好成绩。

2.1.2　柴油发动机

目前，柴油发动机在汽车上的使用逐渐增多，在节能和环保技术上已经有很大的进展，近年来开发了多种小型化、低油耗、低排放和高性能的4冲程柴油发动机，已经被各种混合动力汽车所采用，尤其是在混合动力大中型客车上普遍采用。通常所采取的控制策略如下。

①采用多气门技术、废气涡轮增压、增压中冷、高压喷射或超高压喷射、电磁阀正时控制、扩散燃烧及稀薄燃烧等新技术。

②采用部分废气再循环来降低NO x 或采用新型NO x 催化剂来降低NO x 的排放。采用颗粒滤清器（DPF）减少黑烟中的固体颗粒。柴油机四效催化转化器可以同时吸收废气中的HC、CO、CN x 和碳颗粒（PM）中的SOF（有机溶剂可溶成分）。采用小型柴油发动机的燃油经济性优于汽油机。

（1）柴油发动机节能和环保的主要技术措施　现代柴油发动机在节能及环保方面已经采取了各种先进的技术措施。根据混合动力汽车上发动机使用的特点，利用电动/发电机调节功率输出，维持柴油发动机在一定范围内稳定运转，充分利用柴油发动机的特性，进一步减少燃料消耗并减少了排气污染。柴油发动机节能和环保的主要技术措施见表2-2。

（2）大众高尔夫TDI Hybrid柴油混合动力发动机　大众高尔夫TDI Hybrid混合动力汽车采用的是著名的TDI柴油发动机，其结构是直列3缸，排量为1.2L，最大功率为75hp，最大转矩为182N·m，其燃油系统采用高压共轨系统。高尔夫TDI Hybrid概念车的百公里平均油耗为3.5L，其CO2排放量达到89g/km的优异水平。其电动/发电机最大功率为27hp，最大转矩为142N·m。电池应用镍-氢电池模块，质量为45kg，电压为220V，储电量为1.4kW/h。整车配备7速DSG双离合器变速箱，使用两片干式离合器，与过去的湿式离合器相比，具有轻量化的优点。

（3）福特汽车公司Prodigy发动机　福特汽车公司Prodigy安装直列4缸、1.2L、4气门直喷式DLATA发动机，功率为54.4kW，转矩为153N·m。DLATA代表直接喷射、铝缸体、贯穿式螺栓总成的一种新型结构的发动机，这种发动机结构在世界上属于首创。发动机装在汽车的前部，通过自动离合器、MTX-75型5挡变速器、主减速器及差速器，带动汽车前轴行驶。其结构和传统的内燃机汽车基本相同，动力系统总质量为488kg。发动机的输出轴上安装电动/发电机（S/A），它代替了发动机的飞轮及发动机的启动电动机，可以快速启动发动机。发动机启动后所发出的电能储存到电池组中。

2.1.3　混合动力汽车对发动机的要求

开发混合动力汽车的目的就是解决节能和环保问题，所以混合动力汽车必须围绕着节能和环保来选用所需要的发动机，发动机的动力性、经济性和排放是选择发动机的基本内容，混合动力汽车发动机的控制目标如图2-1所示。

目前汽车上可参考选用的发动机包括汽油机、柴油机、二冲程柴油机、压缩天然气发动机、液化石油气发动机、甲醇发动机、转子发动机、燃气轮机发动机、斯特林发动机、氢发动机、二甲醚（DME）发动机等。这些发动机均可能应用在混合动力汽车上，设计时通常从以下几个方面进行考虑。

（1）发动机的动力性　混合动力汽车的节能和环保效果，主要表现为如何在确保车辆动力性能的情况下，使发动机动力适中，确保电力驱动系统发挥最大效率，从而能够在混合动力汽车上采用既满足车辆动力性要求，以接近内燃机汽车动力水平，又可以降低燃料消耗和减少排放的小排量发动机。混合动力汽车必须经过动力匹配计算及优化设计来选择所需的发动机。

混合动力汽车的发动机要求具有一定的驱动功率、足够的动力性能和机动性能，能够达到混合动力汽车的基本动力性能要求，并且能够与驱动电动机一同提供混合动力汽车所需的最大功率，使混合动力汽车可以达到或接近内燃机汽车的动力性能水平。

混合动力汽车可根据汽车类型的不同（轿车、客车、货车和重型自卸车等）、使用条件的不同（城市、高速公路或混合条件下使用）以及所设计性能要求的不同（载客量或载重量、舒适性和智能化水平等）来选用不同类型的发动机。

通常汽油机和柴油机仍然是首选的发动机，二冲程柴油机也可满足大多数混合动力汽车配套需要。转子发动机和燃气轮机通常用于大型客车、载货车和非公路重型自卸车。

串联式混合动力汽车的发动机功率等于或接近于其行驶时所需要的最大功率。混联式和并联式混合动力汽车的发动机功率可以小于行驶时所需要的最大功率。这是因为电力驱动系统在需要提供最大功率时发挥了重要作用。

（2）发动机的经济性　通常情况下，用发动机的比油耗[g/（kW·h）]来表达发动机的燃料经济性，可作为混合动力汽车按照“节能”要求选择发动机时的参考。在混合动力汽车中，因为采用“开-关”控制模式，电动/发电机带动快速启动方式以及发动机控制在比较狭窄的转速范围内稳定运转等特有的条件下工作，所以，发动机的比油耗将会低于或接近于发动机的最低比油耗。

（3）发动机的环保性　混合动力汽车必须是“超低污染”和接近“零污染”的车辆，尤其是在城市低速行驶条件下，必须实现“零污染”行驶，这是混合动力汽车存在及发展的基本条件。在上述各种发动机中，介绍了各种发动机在节能及环保等方面采取的各种措施和方法。因为混合动力汽车进一步采取了电力辅助驱动系统及通过中央控制器控制的发动机“开-关”控制模式、发动机启动加速控制、发动机稳定运转控制和制动能量回收等措施，使混合动力汽车发动机的排放进一步降低。