一汽最新45%热效率混动专用发动机技术

近些年来，插电混动汽车（PHEV）已成为中国新能源汽车增长的重要技术路线之一。如图1显示，从 2021 年到 2022 年，PHEV 在增长率上始终保持较为迅猛的发展态势。疫情期间的 PHEV 销量增长率达到了 180%，甚至超过了纯电动车。

从政策的角度考虑，纯电动车的车辆制造周期碳排放始终要高于插电混动汽车。基于以上前提，预测在 2045 年之前，PHEV 的全生命周期碳排放均会低于 EV（见图 2）。从用户的角度考虑，PHEV 有着与 BEV 相同的驾驶体验，但没有里程焦虑和寒区焦虑。因此，PHEV 将在很长一段时间内与 BEV 共存，尤其是在当今多元化技术互相碰撞和竞争当中可以促进整个产业链包括全套技术的迭代和提升。

EVH 2023第五届全球新能源动力总成年会

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赵雪松

一汽研发总院首席专家

目标开发基于 FAW 的 2.0L 量产发动机，发动机性能侧重热效率和 PHEV 车型，主要从以下五个方面考虑开发目标：

①高热效率 45%有效热效率，55kW/L 升功率，125Nm/升扭矩；

②低排放：面向国 7 排放法规；

③量产共线：最大限度地保证与当前 FAW2.0L 量产发动机共线；

④低新增成本：在当前 41%热效率的发动机上合理增加成本；

⑤聚焦 PHEV：侧重B/C 级 PHEV 轿车和 SUV。采用超高稀燃/超高 EGR 率、超高压缩比、主动预燃室技术路线。

首先进行多缸机一维仿真标定，在模型准确的情况下对发动机主参数进行寻优，通过燃油系统设计与一维迭代，得到完整的发动机体系和参数，最后完成单缸机试验研究和开发验证。

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严军

东风集团技术中心

新能源动力总成技术副总工程师

为实现高热效率，考虑两种方案：EGR 方案通过大于 40%的 EGR 率、高压缩比和主动预燃室实现，后处理使用三元催化加 GPF 方案；稀燃方案采用大于 2 的空燃比、高压缩比主动预燃室，后处理采用三元催化、GPF 和 SCR。针对 EGR 方案的发动机主参数进行寻优，结果为 EGR 率 42%、压缩比 18:1、冲程 113mm、3000rpm/12.5bar BEMP，达到 46.6%热效率。而在稀燃方案下，进气量需求大增，需要重新优化涡轮尺寸和进气型线包角。优化结果是当采用更小的涡轮尺寸和进气型线包角 149°CA 时，可达到 46.8%热效率。

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陈淑江

长城 混动系统总工

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主动预燃室燃烧系统核心在于油气混合喷射器和预燃室设计（见图 3）。预燃室供油方面采用了扫气主动预燃室系统，包括常规的 DI 喷射器，以及油气混合腔和外界的高压气源。首先燃油喷入腔内经过短暂的蒸发和混合，由外界的高压气源冲入到预燃室当中，既可以完成对废气的清扫工作，同时也可以完成油气的混合，尤其是在预燃室狭小的空间下可以降低排放。油气混合喷射器的作用是提前进行油气混合，并尽可能在点火之前扫除或降低预燃室内的废气。油气混合喷射器的喷射策略，需要针对喷射持续期、喷射结束时刻和喷射压力进行优化，最终的优化结果是喷射压力是 18bar，在 30°左右完成扫气，扫气的时间持续 100°左右。设计两种活塞形状（平顶和凸顶）来配合射流火焰，主燃室采用 500bar 喷油器提高混合均匀度，预燃室采用 150bar 喷油器。射流火焰和活塞形状的匹配，对燃烧系统设计至关重要，需要避免过早撞壁，但同时也要尽可能充满燃烧室。

针对 EGR 和稀燃方案，进气道需要高的流量系数，并兼顾缸内流动和混合。为达成以上目标，对进气道形状、进气道喉口、Masking 等关键结构进行了优化。最终气道吹风盒的试验结果显示了非常好的αk和滚流平衡，处于帕累托边界上。7mm 升程的αk为 13%，滚流为 0.67；8mm 升程的αk为 13.4%，滚流为 0.7。排气道优化侧重流通性能，以降低排气泵气损失。最终的排气道在 8mm 升程的αk为 12.1%，高于设计目标。主燃室内的混合状态好坏会直接决定稀燃发动机的燃油速度，以及燃烧最终的结果，因此进行了多次的主燃室喷油落点设计。经过多种喷油落点方案的 CFD 仿真优化，选出混合均匀度最佳方案。仿真结果图4显示 500bar 喷油器的混合均匀度显著优于 350bar。预燃室方面设计两种预燃室孔数和孔径，1.0mmx8（A/V=0.048，PC43）和 1.2mmx8（A/V=0.055，PC44），CFD 仿真结果显示， 1.0mmx8（A/V=0.038）具有更短的燃烧持续期。

与传统发动机不同，由于预燃室需要在很小的空间内进行多次反复的燃烧，热量不容易散，因此热管理缸盖采用双层水套，其中的上层水套专门用于冷却预燃室。预燃室压入缸盖以保证良好的传热性能，防止预燃室温度过高。最终热负荷仿真显示预燃室内的温度在可接受的范围之内，且实验中没有在预燃室内内部发生积炭、滑塞损坏的情况。

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缪曙霞

北汽总院领域专家

单缸机的供气量由一套模拟增压系统提供，EGR 模块包括 GPF、EGR 冷却器、水分离器、EGR 泵和进气中冷器（见图 5）。单缸机主参数为压缩比 17.5:1、冲程缸径比 1.37、500bar 主燃室喷油压力。试验过程中，通过调节排气背压阀来保证泵气损失与 1D 仿真一致，以在单缸机上精准地测算有效热效率。

稀燃方案中，预燃室燃油喷射和油气混合喷射持续期的优化目标是寻求最低 ISFC，同时保证 COV 低于 3%，并平衡燃烧效率。最终优化结果为预燃室燃油喷射持续期 0.5ms，油气混合喷射持续期 5.5ms。油气混合喷射结束时刻（EOI）的优化平衡了喷射压力、COV、燃烧重心、燃烧持续期和燃烧效率，可行最晚的 EOI 为 30°CA bTDC，此时喷射压力为设计的 18bar，优化结果显示 COV 为 1.5%、燃烧持续期 15°CA 、燃烧重心 9.3°CA。优化空燃比，指示热效率（ITE）48%，指示油耗（ISFC）176g/kWh，此时 lambda 为 2.4。基于当前多缸机摩擦功（FMEP）0.53bar，有效热效率为 45.8%，此时燃烧持续期接近 14°CA。达到最高热效率时，燃烧重心约 8°CA，COV 小于 2%，燃烧稳定。HC 原排 650ppm，与传统发动机相当。NOx 排放为 75ppm。

EGR 方案（lambda=1）中，在相同 EGR 率下，虽然预燃室 1.0mmx8（A/V=0.048，PC43）具有更好的燃烧持续期，但预燃室 1.2mmx8（A/V=0.055，PC44）的 PMEP 更小，总体的 ISFC更低。为了进一步提高 EGR 率，预燃室 1.2mmx8（PC44）抬升火花塞 3mm 以降低 A/V。

预燃室 1.2mmx8（A/V=0.048，PC44）EGR 率提高到 40%，此时的燃烧持续期为 28 °CA，COV 小于 3%。EGR 方案的燃烧持续期和 COV 仍然良好，但不及稀燃方案。最终的优化结果显示，指示热效率（ITE）46.4%，指示油耗（ISFC）181g/kWh，此时 EGR 率为 40%。基于当前多缸机摩擦功（FMEP）0.53bar，有效热效率为 44.8%。HC 原排 1200ppm，NOx 排放 125ppm，与传统发动机相当，但都高于稀燃方案。

对比稀燃方案和 EGR 方案，图 5 显示，由于稀释成分不同，稀燃方案的爆压更高，燃烧更剧烈，EGR 方案的爆压较低，燃烧较慢。稀燃方案的热效率，比 EGR 方案高 1%。

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汪建忠

合众零部件技术中心副主任

兼增程与热管理公司总经理

稀燃方案和 EGR 方案，均达到优秀的综合性能指标。稀燃方案，达成 45.8%有效热效率和 47kW/L 升功率，很好地满足 PHEV 的需求；EGR 方案，达成 44.8%有效热效率和 55.5kW/L 升功率，通过进一步的精益化设计，有效热效率能够提高到 45%。对于 HC 和 NOx的原排，稀燃方案达到了很低的水平，后续需要稀燃后处理解决，EGR 方案达到了较低的水平，采用传统的 TWC 方案处理更具优势。

基于未来市场的需求，大于 45%热效率的混动专用发动机量产开发是关键的技术路线之一，PHEV 是主要的目标。通过继续增大冲程缸径比、绝热、两级增压和深度精益化设计等方法，达成 46%热效率是可以期待的。该混动专用发动机的设计理念，可以移植到碳中性燃料发动机上，并保持高热效率，这将促进内燃机从传统化石燃料向碳中性燃料的转变。

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黄振扬

三一重工 研究院副院长