混合动力车用发动机快速起动性能分析及驻车优化

陈楠 黄旭 马东元 张伟 许伟利

摘 要：良好的節油性是混合动力汽车（HEV）的优势之一。在市区行驶时，遇到拥堵路段或红灯，汽车需要频繁驻车。驻车时选择怠速还是停机/再起动策略，是影响混合动力汽车油耗的重要因素。本文首先选择电机拖转转速和燃料两项因素，分析了不同拖转转速、不同燃料对发动机快速起动性能的影响;随后通过实验，在计算电机能耗、发动机能耗的基础上，对比计算结果总结了驻车策略的优化方案，即使用醇类燃料，将快速起动转速控制在1000r/min，能够显著提高混合动力车的燃油经济性。

关键词：混合动力发动机 快速起动性能 醇类燃料 驻车优化

混合动力车用发动机的起动表现，受到多种因素的影响，其中比较重要的有电机拖转转速、起动冷却水温，以及燃料类型等。在市区行车时，混合动力车用发动机会频繁启停，对发动机的起动性能有着较高的要求，具体又包括起动时的平稳定、经济性、排放性等。其中，燃油经济性（即油耗）与车主利益直接相关，也是决定混合动力车市场竞争优势的关键因素。因此探究不同因素对发动机快速启动经济性的影响，进而寻找最佳驻车方案，对进一步提高混动车使用性能有积极帮助。

1 混合动力车用发动机快速起动性能的影响因素

1.1 电机拖转转速对快速起动性能的影响

混合动力车用发动机在快速起动时，由大电机拖转转速，造成进气道压力出现明显改变，对能耗、燃烧效率、排放指标等产生影响。以能耗为例，不同拖动转速下怠速循环油耗的变化曲线如图1所示。

结合图1，在首次循环中，拖动转速为600r/min时，油耗为87.5mg;拖动转速为800r/min时，油耗为57.3mg;拖动转速为1000r/min时，油耗为43.1mg。在首次循环之后，随着循环次数增加，3种转速下的油耗也呈现出下降趋势，最终趋于稳定，维持在23mg。将拖动转速控制在1000r/min，初始循环油耗较低，同时也能尽快达到稳定油耗，有助于改善发动机快速启动性能。

1.2 醇类燃料对快速起动性能的影响

目前混合动力车的燃料还是以汽油为主，而醇类燃料（甲醇、乙醇）在普通汽车上表现出了良好的节能效益，因此探究混合动力车用发动机使用醇类燃料，在快速起动时的能耗，将会为进一步优化发动机性能提供帮助。在发动机怠速情况下，随着循环次数增加，使用汽油、甲醇、乙醇3类燃料时怠速能耗变化如图2所示。

根据图2可知，使用不同的燃料，其怠速循环能耗变化规律基本一致，在循环次数达到2次时，能耗快速下降，之后继续增加循环次数，能耗平稳下降，最终趋于平稳。横向对比3种燃料，可以发现醇类燃料在相同循环数下，发动机怠速能耗要低于汽油，并且使用甲醇的能耗要略低于乙醇。这是因为3类燃料的汽化潜热值为甲醇>乙醇>汽油。汽化潜热值越高的情况下，发动机输出功率越大，相当于消耗更少的燃料，达到了目标输出功率，因此使用甲醇燃料时，发动机能耗最低，其次是乙醇。

2 混合动力车用发动机的驻车优化策略

对于混动汽车，若市区行驶时遇到拥堵路段或红灯，此时有怠速以及停机/再起动两种驻车策略。选择何种策略，主要受到两项因素的影响，即驻车时间与能耗。现以能耗作为研究对象，选取电机能耗、发动机能耗作为评价指标，探讨驻车策略的优化路径。

2.1 电机能耗

试验所用电机为一台功率8.5kW的永磁同步电机，将快速起动电机的拖转转速与目标怠速转速设定为统一数值，并测量其在不同拖转转速下的起动能耗。测量方法为：电机起动后，模拟电机拖动发电机，并依托BMS系统收集电机运行参数，如电压、电流等，采样周期设定为20ms/次。结合采集到的数据，利用公式计算电机能耗（E）：

式（1）中，U为电机电压，单位为V;I为电机电流，单位为A;d为电机转速，单位为r/min;t为一个周期内的采样时间，单位为ms。

根据上式，可得转速为600r/min时，能耗为6.7kJ;转速为800r/min时，能耗为9.8kJ;转速为1000r/min时，能耗为15.8kJ;转速为1200r/min时，能耗为19.3kJ。

2.2 发动机能耗

分别计算发动机在怠速时、快速起动时的能耗。怠速能耗率（ER）可通过以下公式计算：

式（2）中，ER为发动机怠速循环能耗，单位为kJ;S为发动机怠速转速，单位为r/min。

以汽油为例，在怠速转速为600r/min时，怠速能耗率为2.9kJ/s;在怠速转速为800r/min时，怠速能耗率为6.2kJ/s;在怠速转速为1000r/min时，怠速能耗率为7.9kJ/s;在怠速转速为1200r/min时，怠速能耗率为9.7kJ/s。在得出ER后，可根据公式求得不同驻车时间（T）下的怠速能耗（EZ）：

快速起动时的能耗由2部分组成，即电机能耗（EM）、发动机消耗的燃料能耗（EZ）。则一次快速起动时能耗EY=EM+EZ。仍然以汽油燃料为例，快速起动至转速为600r/min时，能耗为18.1kJ;转速为800r/min时，能耗为29.4kJ;转速为1000r/min时，能耗为36.7kJ;转速为1200r/min时，能耗为41.2kJ。

2.3 驻车能量优化

在不同的驻车时间下，比较发动机怠速与快速起动时能量消耗的差异，能耗更低的即为驻车优化策略。为了使比较结果更加直观，引入了临界驻车时间（T1）的概念，即EZ等于EY的驻车时间。图3为发动机怠速和快速起动时，能量消耗率与时间的关系，t1、t2分别为怠速开始和结束的时刻，T为驻车时间。

在驻车时间为临界驻车时，可以认为EZ=EY，则T1由以下公式计算：