柴油混合动力车的发展趋势和应用前景

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：近年来，作为能同时降低燃油消耗和废气排放的系统，混合动力车正受到广泛的注目。混合动力车必须具有排放低、动力性能好，其中要求最高的是降低燃油消耗量。为此混合动力车应具有在加减速较多的城市道路行驶模式中效率较高、在高速行驶的条件下效率较低的特征。图6-60所示为传统汽油机车与混合动力车电动机驱动行驶时的发动机热效率。混合动力车通过低负荷领域停止发动机和在发动机驱动领域的最佳化，有效提高了发动机的平均效率。

与汽油混合动力相比，把效率高的柴油机与电动机-发电机系统结合的柴油混合动力可以更进一步降低燃油消耗率。

1.混合动力系统

混合动力的历史很悠久，20世纪初，第一辆混合动力车在欧洲出现。当时，混和动力的目的是补偿发动机低功率性能，因此随着发动机性能的提高逐渐退出了历史的舞台。20世纪70年代，为了应对马斯基法和石油危机，即为了降低燃油消耗量，在世界上开始开发了多种混合动力车，其后随着发动机技术的革新和石油危机的缓和，其开发又止步不前。

近年来，作为能同时降低燃油消耗和废气排放的系统，混合动力车正受到广泛的注目。现在正开发的各种混合动力系统，其典型结构与分类如图6-56所示。从怠速停走功能到发动机驱动力与电动机驱动力并联的混合动力系统、发动机的全部输出功率转换为电能并驱动电动机获得驱动力的串联混合动力、把这两者结合的混联型混合动力。

图6-56 混合动力车的分类

另一方面，如图6-57所示，混合动力车根据其功能可以分为具有再生功能的电动机辅助功能轻型混合动力，以及在行驶中发动机停止并能利用电动机驱动行驶的强劲混合动力。

混合动力车必须具有排放低、动力性能好，其中要求最高的是降低燃油消耗量。为此混合动力车应具有在加减速较多的城市道路行驶模式中效率较高、在高速行驶的条件下效率较低的特征。这是因为混合动力车辆主要通过下列功能降低燃油消耗量所致：

①怠速停走。

②能量再生。

③驱动力辅助。

④电动机驱动行驶。

为了能具备①～④的功能，需要蓄电池、驱动电动机、逆变器等电动驱动源。

图6-57所示为随蓄电池电能变化的混合动力车辆功能与提高燃油效率之间的关系。为了实现电动机驱动力辅助功能，需要除了发动机之外的动力源蓄电池，以增加各种混合动力车的功能，改善燃油效率。

图6-58所示为通过电动机驱动行驶的强劲混合动力车辆燃油消耗量降低效果。可以得知，通过怠速停走、再生、发动机运行领域最佳化，同时采用最佳的混合动力系统，能有效地提高发动机效率。

图6-57 蓄电池电能与混合动力车辆的燃油效率

图6-58 混合动力车燃油消耗量的降低领域

2.混合动力发动机的最佳化

根据混合动力功能程度的不同，对于发动机的要求具有很大的不同。

（1）仅配备怠速停走功能的系统在此，需要较小的发动机起动性能和良好的响应性。当然还需要具备基本的与传统发动机相同的发动机特性。即，发动机需要从低负荷到高负荷全领域提高效率。

（2）具备能量再生的系统车辆减速时尽可能减小发动机的能量损失很重要。通常，停止发动机就可以最小化发动机的能量损失，但对于考虑重新加速时的响应性等问题，蓄电池动力较低的轻型混合动力车辆则害处较多。因此在车辆减速时不停止发动机，利用可变气门正时（VVT）等降低发动机的泵气损失等方法较为有效。

（3）驱动力辅助系统该系统可以减小发动机的尺寸。利用电动机辅助确保其动力性能，以相对减小排气量，使发动机尺寸减小，从而可以提高发动机低负荷领域的效率。此类型混合动力车辆重视低负荷状态下的发动机效率，因此对于稀薄燃烧、废气再循环（EGR）系统等也很有效。尤其通过涡轮增压器的配合，可以增加发动机小型化的效果，现正在考虑利用电动机驱动力辅助完善涡轮响应延迟。

（4）仅电动机驱动即可以行驶的强劲混合动力车这是除了上述发动机的小型化外，考虑发动机与电动机的组合，以实现最佳化的方法。图6-59所示为强劲混合动力车的例子。该系统把发动机输出动力与电动机的输出动力用行星齿轮连接控制动力分配，驱动力为发动机和电动机动力的合力，以此能设置相对较低的发动机输出功率和转矩。

图6-60所示为传统汽油机车与混合动力车电动机驱动行驶时的发动机热效率。

混合动力车通过低负荷领域停止发动机和在发动机驱动领域的最佳化，有效提高了发动机的平均效率。图中把净热效率从A点提高到B点成为此类型混合动力用发动机的研究课题。在这方面利用上述特征，通过高膨胀比化或低自由缓冲化，可以提高发动机的最大效率。

图6-59 混合动力车构成例子

图6-60 发动机输出功率和净热效率之间的关系

柴油混合动力车的发展趋势和应用前景

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