混合动力节油的秘密-发动机万有特性
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前言
近年随混合动力汽车的普及，不少朋友常常问为什么混合动力会节油。把油转换成电再通过电驱动汽车，多增加一次转换不就会多一次效率损失吗？本公众号的读者大部分是汽车工程师或者汽车相关专业的学生，本期【思想】从发动机万有特性来看混合动力为什么节油。内容可能比较枯燥，但是看完绝对会有收获！在此之前先要介绍什么是发动机万有特性？
什么是万有特性
发动机万有特性数据反应了发动机在不同转速不同扭矩下的油耗情况，发动机厂可以通过调整点火提前角、喷油时机、喷油量等参数调整数据，来达到动力、排放、经济性的统一与妥协。
发动机部门提供的数据包含转速、扭矩、平均有效压力、比油耗、燃油消耗量、功率。有时候数据不会给这么全，可以自己通过换算关系计算得到完整数据。扭矩/平均有效压力反应的是负荷，在万有特性图上为y轴，他们的换算关系为：
BMEP：平均有效压力，单位MPa；
Pe：功率，单位kw；
V：发动机排量，单位L；
n：发动机转速，单位rpm；
比油耗/燃油消耗量反应的是经济性，在万有特性图上为z轴，他们的换算为：
B：每小时燃料消耗量，单位kg/h；
Be：比油耗，单位g/kw·h；
P：功率，单位kw；
可以选用Matlab、Uniplot、Orgin绘制万有特性曲线
以上是使用Uniplot绘制的万有特性曲线，图中X轴为转速（rpm），Y轴为扭矩（NM），Z轴（等高线）为比油耗（g/kwh），蓝色的曲线为功率线。比油耗反应的是每克燃料转换多少输出能量，反应的是燃料的转化效率，数值越大效率越差。越靠近经济区等燃油消耗线变化就越平缓，越远离经济区变化越剧烈。了解完发动机万有特性后，还需要弄清楚发动机万有特性如何影响传统燃油车的动力经济性的。
传统燃油车发动机工况分析
与船用、发电机用的发动机不同，根据汽车理论的知识，汽车发动机的转速与整车的车速耦合，扭矩与整车的阻力耦合，发动机功率与整车需求功率耦合。所以车辆正常行驶过程中发动机的工况点会散布在万有特性图中。
在前面的万有特性曲线中增加两条白线分别为四档、五档的阻力线（示意！非实际阻力！），和A、B、C、D四个工况点。举一个例子解释阻力线，例如：A点在五档的阻力线上，表示该车辆如果要在5档发动机转速为3000，发动机输出的扭矩不能够小于A点对应的扭矩值。那么ABCD四个点之间又有什么关系呢？
A与B：功率相同，扭矩转速不同，由于功率相同可以认为，在B点从四档升五档后发动机工况点迁移至A；
B与C：转速相同，但是扭矩、功率均不同，且B点时变速箱只能工作在四档；
C与D：转速相同，比油耗相同，功率扭矩均不同。注意这里是比油耗(g/kw·h)相同，由于D点的功率比C点大，所以燃油消耗量（kg/h）上D一定会大于C点。
严格上来说不能说ABCD四个点哪个更好哪个更差，只能说ABCD四点是发动机对四种不同工况所做出的响应。
上面图片运行NEDC循环工况后，统计的发动机工作点。可以看到发动机大部分都工作在低负荷区，这个区间的比油耗大、效率低，尤其是汽油机表现更为突出。针对传统燃油车的劣势混合动力汽车上发动机工作点又是如何控制的呢？
混合动力汽车发动机工况分析
混合动力汽车中，由于系统中加入了电机，使得发动机的控制变得非常灵活。对于整个系统来说，只要发动机提高的效率大于机械能与电能转化的效率损失就能够达到节油的效果
正如上面介绍的比油耗（g/kwh）反应的是发动机从化学能转换为机械能的效率，那么就能从万有特性中找到一条燃油最优工作曲线（Optimal Operating Line）。图上有两个工况点A与B，由于有了电机的参与。当整车需求扭矩在A点时，可以让发动机工作在C点，A到C之间的扭矩由电机提供；当需求扭矩在B点时，也让发动机工作在C点，B到C之间多余的扭矩利用电机转化为电能。由于屏蔽了发动机低负荷区，经济区占比较大转速范围的阿特金森循环发动机很受混合动力汽车的青睐。当然混合动力的构型也决定了发动机的控制方式，上图的让发动机处于最优工作曲线适用于并联、混联、功率平衡策略的增程式构型。以下介绍另外两种工况分布：
上图为功率分流构型的发动机工况点。发动机固定转速，根据需求的不同控制输出功率。
还有一种就是发动机定点工作，通常用于单点或多点工况的增程式构型上，根据整车功率在ABCD四个工作点进行转换。
总结
通过以上内容可以总结得到：混合动力节油的“秘密”是通过负荷转嫁的方式，提高了发动机的效率，避免发动机工作在万有特性曲线中经济性恶劣的区域。【思想】希望本期内容可以帮助大家读懂发动机万有特性，并理解混合动力汽车发动机的控制思路。
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