2.2　混合动力汽车的发动机

混合动力汽车是一种用发动机和电动机组合起来共同驱动的低污染（超低污染）、高效率、经济性能好的汽车。在电动汽车的电力能源没有完全解决之前，综合发挥发动机汽车和电动汽车各自的优势，使发动机的燃料消耗降到最低，发动机排放污染减到最小，并充分发挥电力驱动的效率，这是混合动力汽车得到迅速发展的基础。

2.2.1　汽油发动机

汽油发动机是当前混合动力汽车的主力发动机，汽油发动机技术上已相当成熟，在节能和环保方面也取得了很大的进展。混合动力汽车选择发动机时，侧重于选用小型化、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采用最新的各种节能和环保措施外，还采取以下控制方法。

①采用全新的理论和全新结构的发动机。

②由电动/发电机在短暂的时间内，完成发动机的启动加速，减少发动机在启动时的时间和排放污染。

③减少泵气阻力和各种运动副的摩擦阻力等。

④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。

（1）汽油发动机节能和环保的主要技术措施

现代汽油发动机为了节能和环保，采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愈来愈严格的燃油消耗和排放标准的要求。各个厂家所采用的降低发动机燃油消耗和对有害气体排放控制的对策及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、气门结构及电控喷射系统、电子控制系统等方面各有特长。目前，混合动力汽车仍然是以选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使用特点，来取得最佳节能效果和超低污染的环保效果，当前汽油发动机节能和环保的主要技术措施见表2-3。一般来说，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为1L、直列三缸、直喷式、铝制气缸体。发动机最大功率为52kW（6000r/min时），转矩为91N·m（4600r/min时），发动机的质量仅60kg。

①极端稀薄燃烧技术　发动机的排气门用铝制造，进、排气门由同一个摇臂轴支撑，可使进、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，可以增强进气时气体的旋转涡流，涡流的旋转速度比一般稀薄燃烧的发动机高出20％，并且进一步使燃烧室的结构更加紧凑，有利于稀薄燃烧气体充分混合。另外，发动机横置，进气口一侧朝前，有利于增加进气压力。

每个气缸有4个气门，对发动机混合气的控制起重要作用。使混合气的空燃比由过去的23:1扩大到26:1的极端稀薄比例。

在低速运转时，可以将每个气缸的2个进气门中的1个关闭，以增强发动机低速运转时进气的旋转涡流，可使油气混合更加均匀，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　发动机3个气缸排气汇入与铝气缸盖铸为一体的双催化转换器中，有利于加热催化转换器，促进催化反应。当在理论空燃比工况下燃烧时，催化转换器能够吸附燃料燃烧后产生的大部分NO_x，经过催化后，由于HC和CO的还原作用，使NO_x被还原为N₂再排入大气，因此Insight所排出的废气HC、CO、NO_x的排放量比日本标准所规定的排放量低68％，催化转换器的质量也大大减小。

发动机配置了开-关自动控制系统，能够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和关闭，可以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　发动机气缸体采用铝合金压铸法制造，内铸薄壁铁衬套，油底壳用镁铸造，质量为2.1kg，是铝制造的65％。凸轮轴由单级无声链驱动，然后通过4个气门摇臂操纵每缸的4个气门，为了减小摩擦，气门摇臂采用滚动轴承，进气歧管用轻质材料制造。锻造的连杆经过表面碳化处理，强度提高，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、新技术和新工艺，使发动机的质量降低到60kg。

④有效的措施减少运动副间摩擦阻力　气缸中心线与活塞中心线有微小的偏移，可以减小活塞由下止点向上止点运动时因连杆作用力的“拍击”作用而产生的活塞与气缸壁的摩擦。活塞微观表面呈波纹状，有利于保持活塞表面的油膜和润滑。活塞装有两道0.8mm和1.0mm厚的压缩环，2.0mm的油环，采用低刚度弹簧，双环设计可以获得最小的活塞环缩进量，一方面提高了气密性，另一方面还使活塞与气缸壁的摩擦力大幅降低，与传统的结构相比，可以使摩擦能量损耗减少10％。

气门摇臂轴和气门摇臂采用滚动轴承，使运动结构件之间摩擦能量损失降低了70％左右。改进后的进气歧管，使泵气损失大大降低，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。

按照日本汽车运行试验法规要求，Insight混合动力跑车在装备五挡变速器时创造了3L汽油行驶105km的世界纪录，在装备无级变速器时创造了3L汽油行驶96km的好成绩。

2.2.2　柴油发动机

柴油发动机在汽车上的应用逐年增多，在节能和环保技术上已有很大的进展，近年来开发了多种小型化、低油耗、低排放和高性能的四冲程柴油发动机，已被各种混合动力汽车所采用，特别是在混合动力大客车上普遍采用。所采取的控制策略如下。

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

②采用部分废气再循环或采用新型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。柴油发动机四效催化转换器可以同时净化废气中的HC、CO、NO_x和炭颗粒（PM）中的SOF（soluble organic fraction，有机溶剂可溶成分）。

（1）柴油发动机节能和环保的主要技术措施

现代柴油发动机节能和环保方面，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，保持柴油发动机在一定范围内稳定地运转，充分利用柴油发动机的特性，进一步降低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2-4。

（2）通用汽车公司Precept混合动力车的柴油发动机

Precept混合动力车采用日本五十铃汽车公司制造的稀薄燃烧、压缩点火、涡轮增压直喷式三缸1.3L的柴油发动机。发动机通过自动离合器和自动/手动四速变速驱动桥（欧宝全电子控制的自动离合器和自动选挡变速器）独立带动汽车后轮转动。发动机还能够带动发电机发电，向电池组充电。动力系统的总质量为529kg。

（3）福特汽车公司Prodigy混合动力车的柴油发动机

福特汽车公司Prodigy混合动力车配置直列四缸、1.2L、四气门直喷式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是首创。发动机装在汽车的前部，通过自动离合器、MTX-75型五挡变速器、主减速齿轮和差速器齿轮，带动汽车前轴转动。其结构与传统的内燃机汽车基本相同，动力系统总质量为488kg。发动机的输出轴上装有电动/发电机（S/A），它代替了发动机的飞轮和发动机的启动电动机，能够快速启动发动机。发动机启动后所发出的电能储存到电池组中。

2.2.3　发动机的控制目标

开发混合动力汽车的目的就是解决节能和环保问题，因此混合动力汽车必须围绕着节能和环保来选择所需要的发动机，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控制目标如图2-18所示。

目前汽车上可参考选用的发动机有汽油发动机、柴油发动机、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、斯特林发动机以及氢发动机、二甲醚（DME）发动机等。这些发动机都可能应用在混合动力汽车上，一般从以下方面进行考虑。

（1）发动机的动力性

混合动力汽车的节能和环保效果，主要表现为如何在保证有足够的动力性能的条件下，使电力驱动系统发挥最大效率，从而可以在混合动力汽车上，采用既满足动力性能要求，又能够降低燃料消耗和减少排放的小排量的发动机。混合动力汽车必须经过动力匹配计算和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有一定的驱动功率，有足够的动力性能和机动性能，能够满足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起提供混合动力汽车所需要的最大功率，使混合动力汽车能够达到或接近内燃机汽车的动力性能水平。

混合动力汽车应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。

一般汽油机和柴油机仍然是首选的发动机，二冲程柴油机也能够满足大多数的混合动力汽车配套需要。转子发动机和燃气轮机发动机一般用于大型客车、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的最大功率。混联式与并联式混合动力汽车的发动机功率可以小于行驶时所需的最大功率，这是由于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

通常用发动机的比油耗来表达发动机的燃料经济性，可作为混合动力汽车按节能要求选择发动机时的参考。图2-19所示为各种汽车发动机的比油耗范围。在混合动力汽车中，由于采用开-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较狭窄的转速范围内平稳地运转等特有的条件下工作，因此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属于超低污染和接近零污染的车辆，特别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和发展的基本条件。在上述各种发动机中，介绍了各种发动机在节能和环保等方面采取的各种措施和方法。由于混合动力汽车进一步采取了电力辅助驱动系统，采用了由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。