混合动力专用高效发动机技术方案仿真分析

刘 阳 颜平涛 李红洲 田志松

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

一直以来高效节能都是汽车行业孜孜不倦的追求，在能源问题和环境问题备受瞩目的当下，相较而言，技术成熟度高、发展前景广阔的油电混合动力解决方案对节约能源和改善环境污染状况具有重大意义。

发动机作为油电混合动力解决方案的关键环节，不断提升其热效率就显得尤为重要。日企中Toyota[1]、Honda[2]和Nissan[3]分别对实现45%热效率的技术路线进行了研究；在国内，比亚迪的DM-i 超级混动专用高效发动机[4]的热效率达到了43.04%，广汽2.0ATK 发动机[5]最高热效率达到了42.1%，长城第三代TGDI 混动专用发动机[6]的热效率为42%。

基于吉利第一代三缸1.5L 增压直喷高热效率混动专用汽油机[7]，使用GT-Power 软件进行计算，并根据仿真结果选取合适的技术方案，实现发动机性能的提升。

1 技术方案优化

通过仿真分析的方法，主要对发动机的冲程缸径比，几何压缩比CR，进气门升程曲线包角InL，排气门升程曲线包角ExL 及增压器进行了优化选型。并验证了降摩擦技术手段的应用对提高发动机热效率的贡献。

在优化选型过程中采用负荷控制的方式使不同压缩比下LET 工况及Rated Power 工况分别保持相同的转矩，并采用爆燃控制模块对燃烧进行调节。

1.1 冲程缸径比

如图1a～图1d 所示，增加发动机冲程缸径比一方面可减小燃烧室面容比，从而改善传热损失；同时，可使缸内湍流强度增加，改善燃烧。另一方面也会使发动机整体高度和摩擦功增加，增大了整机在整车机舱中的布置难度，并对发动机油耗产生负面影响，不利于热效率的提升。

图1 冲程缸径比对发动机燃烧及结构的影响

最终，综合考虑冲程缸径比对上述发动机各方面的影响，确定了适合吉利的冲程缸径比方案。

1.2 压缩比

压缩比优化过程在整个外特性工况及最低比油耗工况进行，计算过程采用负荷控制形式，并使用爆震模块对燃烧进行控制。此处仅列举有代表性的LET 工况（低速最大转矩工况）、Rated Power 工况（额定功率工况）及Min.BSFC 工况（最佳比油耗工况）进行数据分析。

图2a～图2h 所示为外特性两个代表性工况压缩比优化的计算结果。

图2 外特性工况压缩比优化结果

LET 工况计算结果显示，随着压缩比的增加，燃烧重心AI50 出现明显的滞后，当压缩比为CR+1.0时，已然出现了爆燃，并导致油耗增加。且压缩比增加后，增压器旁通余量Rack Position 及喘振余量Surge Margin 都会逐渐缩小，使增压器匹配难度增加。

Rated Power 工况计算结果显示，随着压缩比的增加，压气机出口压力P2和温度T2，涡轮机入口压力P3和温度T3均会上升。当压缩比为CR+1.0 时，涡轮机入口温度已经到了涡壳材料的耐温极限；压气机出口温度过高会导致严重的机油结焦问题，对增压器的材料成本及耐久性能都会带来负面影响。当压缩比为CR 时，由于燃烧状态良好，促使缸压峰值增加，对发动机的机械强度要求更高。

如图3 所示，在最低比油耗工况，压缩比越高发动机的比油耗越低，热效率越高。

图3 最低比油耗工况压缩比优化结果

综上，虽然压缩比越高越有利于最低比油耗工况发动机热效率的提升，但考虑到外特性工况高压缩比所带来的爆燃问题及对增压器的不利影响，最终选取压缩比CR+0.5。

1.3 进气门升程曲线

进气门升程曲线优化过程在整个外特性工况及最低比油耗工况进行，计算过程采用负荷控制形式，并使用爆震模块对燃烧进行控制。此处仅列举有代表性的LET 工况、Rated Power 工况及Min.BSFC 工况进行数据分析。

图4a～图4h 所示为外特性两个代表性工况进气门升程曲线优化的计算结果。

图4 外特性工况进气门升程曲线优化结果

LET 工况计算结果显示，随着包角的增加，出现明显的燃烧退角现象，当包角为InL+10 时，出现了严重的爆燃现象。当包角减小时，增压器旁通余量及喘振余量都会逐渐缩小，使增压器匹配难度增加。

Rated Power 工况计算结果显示，随着包角的增加，压气机出口温度降低，涡轮机入口温度上升。当包角为InL+10 时，涡轮机入口温度已经超出涡壳材料的耐温极限，对增压器的材料成本及耐久性能带来负面影响。当包角减小时，由于燃烧状态良好，促使缸压峰值增加，对发动机的机械强度要求更高。

如图5 所示，在最低比油耗工况，进气门升程曲线的包角过大或者过小，都会造成泵气损失增加。当进气门升程曲线包角为InL+5 时，比油耗最低。

图5 最低比油耗工况进气门升程曲线优化结果

综上，结合最低比油耗工况的计算结果，同时考虑小包角使低速转矩工况出现严重的爆燃，以及额定功率工况大包角带来对增压器的不利影响，最终选取的进气门升程曲线包角为InL+5。

1.4 排气门升程曲线

同样，排气门升程曲线优化过程在整个外特性工况及最低比油耗工况进行，计算过程采用负荷控制形式，并使用爆震模块对燃烧进行控制。此处仅列举有代表性的LET 工况、Rated Power 工况及Min.BSFC 工况进行数据分析。

如图6a～图6h 所示为外特性两个代表性工况排气门升程曲线优化的计算结果。

图6 外特性工况排气门升程曲线优化结果

LET 工况计算结果显示，排气门升程曲线的变化对该工况的影响不是很大。

Rated Power 工况计算结果显示，随着包角的增加，压气机出口和涡轮机入口的温度都呈降低趋势，即排气大包角更有利。

如图7 所示，在最低比油耗工况，排气门升程曲线的包角为ExL+5 时，比油耗最低。

综上，排气门升程曲线对发动机的影响没有进气门升程曲线明显。结合最低比油耗工况及额定功率工况的计算结果，最终选取的排气门升程曲线包角为ExL+5。

1.5 增压器匹配

图8 所示为二代发动机匹配的混动专用增压器的效率与供应商数据库中的高效混动专用增压器处于同等水平。Geely TC 压气机高速区的效率虽然偏低，但低速端的效率略高，有利于低速大负荷热效率的提升。

图8 增压器效率对比

如图9 所示，使用此混动专用高效率增压器，外特性工况的运行点处于压气机较为高效的效率区域，最低比油耗工况的运行点更是处在压气机最大效率线上。

图9 压气机效率Map

1.6 性能提升

通过上述对发动机冲程缸径比、压缩比、进排气门升程曲线的优化和增压器匹配及降摩擦技术的应用，燃烧系统的升级等措施，如图10 所示，与一代发动机相比，外特性最大转矩相同，但转速范围得到扩展，且最大功率提升了5%；最低比油耗工况的热效率提升了1.7%。

图10 一代与二代发动机性能对比

2 结束语

通过仿真分析的手段快速完成对发动机冲程缸径比，压缩比，进排气门升程曲线的优化，并完成增压器的匹配，确定了二代发动机的技术路线，节省发动机开发成本，缩短开发周期，助力产品升级换代。

国家科研机构要以国家战略需求为导向，着力解决影响制约国家发展全局和长远利益的重大科技问题，加快建设原始创新策源地，加快突破关键核心技术。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话