空气/燃油混合动力发动机的研究进展

2010-4-26

摘要：介绍了空气/燃油（油气）混合动力发动机的基本原理和国内外最新研究进展。油气混合动力发动机不增加驱动系统，结构简单，节油效果明显，但还需大量的实验研究和全面优化。 

  

　　主题词：空气/燃油，混合动力，发动机 

  

　　0　引言 

  

　　随着石油资源的消耗殆尽和排放法规的逐渐严格，汽车发动机对节能环保的替代能源的需求更加迫切。随之而来的各种新能源和混合动力成为关注热点，其中对电力/燃油（油电）混合动力汽车的热度达到了空前的高度。与混合动力汽车不同，一种新型的混合动力发动机即空气/燃油（油气）混合动力发动机在国内外受到关注，并开展了广泛的研究。本文介绍了油气混合动力发动机的基本原理、国内外研究进展以及存在的问题。 

  

　　1　油气混合动力发动机工作原理 

  

　　1.1　基本结构 

  

　　发动机系统基本结构见图1。与传统内燃机相比，其除了每个气缸都具有喷油器、进排气阀外，还具有压缩空气阀、压缩空气管和气罐等。压缩空气阀打开时，发动机气缸通过管道与气罐连通。油气混合动力可以通过电控单元（ECU）控制压缩空气阀的开启和关闭时刻，来实现制动能量的回收和利用。 



  

　　1.2　制动能量回收和利用 

  

　　当车辆制动减速时，停止缸内燃油喷射，但车辆仍在行驶，可以利用车辆的动能带动发动机作为空气压缩机运转。气缸内的空气通过开启的压缩空气阀被压到相连的气罐中，以压缩空气的形式存储回收的能量。 

  

　　压缩制动理想循环示功图如图2实线图所示。进气阀在1点打开，活塞继续下行，进气阀在2点（下止点BDC）关闭，在这期间空气被吸人气缸。随后活塞上行压缩进气直到3点。压缩空气阀在3点打开，在4点关闭，在这阶段大多数空气被活塞压缩到气罐中，气缸与气罐中空气压力达到一致。从4点到1点活塞下行，少量存于间隙中的空气继续膨胀。如此循环往复。然而，车辆实际行驶过程中工况复杂，有时需要制动力保持不变，有时需要改变制动力大小，这些都可以通过调整压缩空气阀的开启关闭时刻来实现。 



  

　　在压缩制动过程中，由于发动机作为压气机导致气罐中的压力逐渐增大。为了保持制动力不变，每一循环发动机做功必须相同。为满足这一要求，可以通过ECU根据气罐压力的任何变动调整气阀正时，以保持相同平均指示压力（IMEP）。由图2可知，通过延迟进气阀开启（延迟到1点）和关闭（延迟到2点）时刻来保持IMEP相同（实线与虚线所围的面积相同）。 

  

　　制动力的大小取决于IMEP和传动比，当传动比不变时，可以改变IMEP大小满足制动力的增大或减小，而IMEP的改变可以通过改变气阀正时来实现。图3为延迟进气阀到2关闭，压缩空气阀提前到3打开，实现从较低的IMEP（实线）变换到较高的IMEP（虚线）。 



  

　　存储于压气罐的压缩空气可用于3种情况：四冲程空气助力、两冲程空气助力和空气马达。在这些情况下，进气门保持关闭，压缩空气阀打开，发动机从气罐中获得压缩空气的能量。 

  

　　在四冲程空气助力循环下，发动机不仅运行于传统的内燃机模式，而且还运行于空气马达模式，理想循环的示功图如图4所示。循环开始于压缩空气阀在1点开启，压缩空气从气罐中进入气缸，缸内压力升高达到与气罐内压力相同水平，然后从2点到3点，压缩空气推动活塞下行。在3点压缩空气阀关闭，从3点到4点，压缩空气膨胀推动活塞做功。气罐中的压力会逐渐降低，为了保证适量的空气进入气缸，可延迟压缩空气阀关闭时刻，即从3点到3点。循环的余下部分与传统的四冲程缸内直喷内燃机完全相同。四冲程空气助力循环相对传统的四冲程内燃机循环拥有明显优点：具有两个做功行程，可以提高最大扭矩，消耗较少的燃油获得所需的扭矩。 

  

　　两冲程的空气动力循环示功图见图5。压缩空气阀在1点开启，缸内压力升高与气罐内压力达到平衡（1点）。在2点压缩空气阀关闭，从2点到3点经历压缩、喷油、着火过程，压力升高到4点。从该点到5点膨胀做功。然后排气门打开，压力下降，从6点到1点活塞上行推动废气排出。在1点排气门关闭，压缩空气阀打开，循环重复。简单调整气门和喷油器工作的顺序和频率就可将四冲程循环切换成两冲程循环。相对于四冲程，在一定转速下，两冲程循环的燃烧次数增加了一倍，因此可以增大扭矩，这对于在低转速下突然加速有重要价值。 



  

　　油气混合动力发动机还可以作为空气马达，其示功图见图6。在点1压缩空气阀开启，在点2关闭。从点2到点3压缩气体膨胀做功。在点3排气门打开，活塞上行排出气体。气罐压力逐渐降低，延迟空气阀关闭到2点，可保证每循环的空气量基本保持不变。发动机作为空气马达只能提供相对较低的扭矩，可以用来重新启动发动机。 

  

  

　　国内外油气混合动力发动机研究方案的基本思路大致相同，即在传统内燃机气缸上增加压缩空气阀，再与空气罐相连；当汽车减速制动或下坡时将制动能量和车辆动能回收，回收的能量以压缩空气形式存储在气罐中，当汽车加速时释放压缩空气进行助力；停车怠速时关闭发动机，重新起动时利用压缩空气能量作为空气马达。压缩空气也可被用来进行进气增压，因此可以解决涡轮增压的迟滞问题。 

  

　　2　油气混合动力发动机典型方案 

  

　　气阀机构方案主要有两种：一种是仅压缩空气阀可变，另一种是进排气阀和压缩空气阀全可变。可变气阀要求升程和正时都是可调的，且能够快速切换。Schechter等人研究了一种电液阀驱动系统（图7），此系统具有高低压两套油路，两个电磁阀和两个单向阀有选择性地连接液压腔，可实现气阀正时、升程和持续期连续可控。控制电磁驱动装置的时间就能控制气阀开启和关闭的时刻，改变电磁驱动的持续时间即可改变气阀升程。该系统不需要传统发动机气阀机构中的凸轮和弹簧，一个重要的特点是加速气阀消耗的主要能量来自于气阀减速阶段获得的能量。 



  

　　由Cargine Engineering AB公司开发的气动可变气阀系统主要由一个驱动活塞和两个电磁阀构成。图8所示右边的圆为进气口，与压缩空气相连接，左边的圆是空气出口。当电磁阀1打开，压缩空气进入驱动活塞，电磁阀2关闭。当仅电磁阀1打开驱动活塞工作，气阀升程仅取决于设定的压缩空气压力。在固定压力下，当两个电磁阀同时工作可以改变气阀升程。例如当压力为250000pa时，气阀升程从2—12mm可变。 



  

　　Brunel大学提出了改动成本低的油气混合动力发动机概念，如图9所示。该系统与传统发动机主要区别在于，在进气道人道处装有簧片阀，增加的能量控制阀与气罐相连，两进气阀独立控制，一个气阀可停止工作，一个气阀具有可变气门正时系统。 



  

　　不同于上述设计思路，Scudefi公司提出了一种分缸发动机设计方案。从图10可以看出，分离式设计将原来的四冲程Otto循环气缸分成一个压缩缸和一个做功缸，两者通过一个气体管道连接，形成压力室。压缩缸作为压气机压缩进气，做功缸与常规发动机气缸作用类似。可以分别对两缸独立地优化以提高整体的效率。这种分离式设计的特点包括：压缩缸的行程较小，增加做功缸的行程；压缩缸缸径大于做功缸缸径，起增压作用；两缸之间可以随意角度偏移，提高机械效率；进气门晚关，进气扰动大幅提高燃烧速率；采用上止点后燃烧，燃烧效率提高。 



  

　　3　油气混合发动机性能 

  

　　油气混合动力即可用于汽油机，也可用于柴油机，并没有研究表明用哪种发动机最好。 

  

　　已有研究结果表明油气混合动力发动机的性能如IMEP、扭矩等不低于传统的内燃机。方清华等运用理想热力循环理论建立了油气混合动力发动机的数学模型，对IMEP仿真结果表明，发动机在压缩空气动力和内燃机两种模式下的IMEP等主要性能指标与传统内燃机相近，而且能够实现空气动力和内燃机两种工作模式的平稳切换。Schechter运用热动力循环理论分析了加速过程的IMEP，结果显示制动压缩阶段可以产生与着火阶段相同甚至更高的IMEP；在一个循环内将空气马达与发动机燃烧做功结合，可以产生更高的加速扭矩；将发动机变为两冲程的空气助力循环，可以使扭矩增加一倍，产生强劲动力。 

  

　　油气混合动力发动机或汽车的节油效果显著。Higelin等用热力学循环建立了油气混合动力发动机模型，瞬态驾驶循环模拟结果显示与传统的内燃机相比，油气混合动力整体效率大幅度提高，发动机没有任何优化油耗可降低约12%。Tai等人将一台2.5LV6汽油机改造成油气混合动力发动机并安装在1531kg乘用车上，进行了各工况下的热力学分析和车辆驾驶循环工况模拟。模拟结果显示在城市工况和高速公路工况分别比装备原发动机车辆分别节油64%和12%。Higelin等模拟了油气混合动力瞬态测试循环，结果在没有任何优化的情况下，总的油耗可降低15%。 

  

　　研究表明油气混合动力发动机同时采用一些其他措施，如增压、减小排量和优化措施，如优化气罐容积压力、能量管理策略和工况切换策略等可以进一步降低油耗，相对于传统的内燃机可降低油耗达30%。 

  

　　4　存在的问题 

  

　　油气混合动力发动机目前还存在一些问题。如压缩空气噪声，压缩空气阀节流损失。当采用进排气阀、压缩空气阀全可变策略，在发动机运行时可使一些缸工作而使其他一些缸进行泵气到气罐中，这一方法可以使发动机工作平稳，但不能使喷油进入到泵气气缸中；还需要专门的相位调节机构调整气门升程避免气门与活塞相撞。压缩空气在气缸内膨胀吸热降低机体温度可能导致润滑问题。由于排气温度较低（<0℃），易造成空气中的水蒸气结冰堵塞排气管。空气罐容积大可存储较多的能量，但在车上布置困难；空气罐需能承受一定的压力且绝热要求很高，气罐绝缘效果不佳导致传热损失。 

  

　　5　结语　 

  

　　油气混合动力发动机以压缩空气形式储存回收的车辆动能，不需要附加的压缩机。而且，该发动机还可以作为空气马达将储存的能量转化为扭矩输出。虽然油气混合动力发动机还有一些问题需要解决，但由于其节油效果显著，且比油电混合动力简单，不需要第二套驱动系统，成本低，因此具有巨大的实用价值。

来源：《上海汽车》