混合动力汽车参数匹配是混合动力技术的核心内容^{[ 1, 2]},发动机作为绝大多数动力的来源,其匹配的优劣更是决定了整车的性能。目前对混合动力汽车发动机的参数匹配大多是根据动力性要求,计算发动机最大功率需求^{[ 3, 4]}。在满足最大功率需求的前提下进一步提高发动机高效区利用率将能够有效降低整车燃油消耗率。目前对发动机工作状态的统计大多是对工作点的统计,而控制策略、换挡规律的不同会导致同一循环工况下发动机工作点的不同,因此基于发动机工作点对发动机高频使用区进行统计不够准确。本文以功率需求为目标对发动机需求功率的高频使用区间进行统计。以发动机在此区间上的效率发挥程度为评价指标对发动机进行优选。

在常用工况下的整车需求功率可以通过实车试验或者仿真统计得到^{[ 5, 6]},图1为某轿车(整车质量1800 kg)在不同车速下需求功率分布关系。据此统计得到的发动机需求功率如图2中以N为中心的类似正态分布区域A-A'所示。对于混合动力汽车,这样的统计结果不能反映发动机实际工作情况,因为整车功率需求通常由发动机、电动机协同提供,由于发动机在低速(转速低于n_min)和低功率区(发动机功率小于 )的燃油效率都很低,排放也差,在此区域内通常以纯电动模式驱动。纯电动所消耗的电能可以由再生制动回收一部分,其余的需要在发动机驱动时给电池充电,在统计中将这部分电能消耗转化为对发动机功率需求的增加,以纯电动的发动机平均等效功率 来表示:

(1)

式中: 为纯电动时的即时功率(kW);P_rec为制动回收功率(kW);t_e为发动机工作时间(s); 分别为电机和电池的充、放电平均效率。

图1

Fig.1

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	图1 需求功率分布图Fig.1 Required power graph

图2

Fig.2

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	图2 发动机高频使用区移动示意图Fig.2 HFWA of engine

同时,考虑到由发动机提供的附件功率P_a,可将考虑电量平衡和附件功率后发动机功率高频使用区从图2所示以N为中心的区域A-A'移动到以M为中心的区域B-B',如图2所示,依据此种方法确定的高频使用区覆盖了实际工况下大多数发动机工作点,可以较准确地确定发动机高频使用区位置。

基于上述统计,引入发动机效率区间权重函数G来表示发动机在此功率工作的几率,由循环工况的需求功率统计结果可将G定义为功率p的函数,为了计算方便,将G转化为转速n和转矩T的函数,由于工况需求功率的分布不是规则函数,因此可表示为分段函数形式:

(2)

图3为发动机燃烧效率map图^{[ 7]},图中曲线所围成的区域内具有相同的燃烧效率η。图中第i和i+1两条燃油消耗率等高线之间包围部分区域的燃烧效率为f_i (n,T),此区域在横坐标轴上的投影为 ,在纵坐标轴上的投影为 。

图3

Fig.3

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	图3 燃烧效率函数Fig.3 Combustion efficiency function

如图3所示将发动机燃烧效率η定义为发动机转速n和转矩T的函数,如下式:

(3)

为了评价发动机在某一工况下的效率发挥情况,引入“发动机效率发挥度”的概念^{[ 8]}。定义发动机效率发挥程度 D _m为发动机在高频使用区内的所有利用燃烧效率之和与以最大燃烧效率 η _max在此区间内工作的利用燃烧效率之和的比值,即

(4)

式中: D _m值越大代表发动机在高频工作区的利用燃烧效率越高; n _up 、n _down 、T _up 、T _down分别为发动机高频工作区所对应的转速和转矩的上下限。

对于三款高效区分布不同的发动机,在采用瞬时等效油耗最低控制策略下^{[ 9, 10]},选择美国的Atmis工况、欧洲的NEDC工况以及日本的1015工况进行比较,结果如表1所示,其高效区与常用功率区以及循环工况工作点的分布如图4所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同发动机不同工况 Dm值和油耗对比 Table 1 Contrast of Dm and fuel consumption of three different engines under different driving cycles Dm值 燃油消耗/(L·100km-1) NEDC Atmis 1015 NEDC Atmis 1015 发动机1 0.8150 0.8032 0.8241 6.51 9.58 6.41 发动机2 0.8268 0.8158 0.8361 6.18 9.11 6.11 发动机3 0.8076 0.7937 0.8154 6.86 9.98 6.72

表1 不同发动机不同工况 Dm值和油耗对比 Table 1 Contrast of Dm and fuel consumption of three different engines under different driving cycles

图4

Fig.4

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	图4 三款发动机的高效区与常用功率区以及循环工况工作点示意图Fig.4 High efficient area,HFWA of engine and driving cycles working point of three engines

由表1和图4可知,发动机2的高效区和高频使用区重合度最高,而发动机3的高效区和高频使用区重合度最低。同一工况下发动机2的 D _m相对于发动机3高2.78%(Atmis工况)、燃油消耗最多可降低9.91%(NEDC工况),在现有三款发动机中,发动机2是最优选择。因此发动机高效区与高频使用区越接近,发动机的实际工作点与发动机的高效区重合度越高,同一工况的发动机效率发挥程度 D _m值越大,经济性也越好。根据 D _m值和油耗表现可以确定发动机2为最适合该车型的发动机。在发动机设计阶段也可以参照此方法确定发动机的高频率使用区,通过对关键参数的调整使发动机高效区与高频使用区尽量重合,以提高发动机利用燃油效率。

基于对特定循环工况下发动机需求功率的统计分析,分析关键参数选取对发动机高频使用区的影响,最终得到发动机高频使用区间及其分布函数,在此基础上,以发动机效率发挥程度 D _m为评价指标提出了某车型基于特定循环工况的发动机优选方法。经过仿真分析验证,该方法可在备选发动机中选出经济性最佳的一款,为发动机优选提供了一种方法,同时也可为专用发动机设计提出技术指标要求。