前

概述¶

• 发动机
  将其他形式的能转化为机械能的机器，包括内燃机、外燃机、喷气式发动机、电动机等等
• 汽车发动机
  • 汽油机、柴油机、天然气发动机
  • 燃料电池发动机 + 电动机
  • 电动机 + 动力电池
  • 混合动力发动机（+ 电动机 + 动力电池）

内燃机的基本概念¶

• 两大机构和五大系
  曲柄连杆结构、配气机构
  供给系、冷却系、润滑系、点火系、起动系
• 上止点 TDC
• 下止点 BDC
• 曲柄半径 R
• 活塞行程 S=2 R
• 燃烧室容积/余隙容积 \(V_c\)
• 气缸总容积 \(V_a\)
• 气缸的工作容积 \(V_s\)（活塞的上下止点扫过的气缸的容积，也是总的容积减去燃烧室的容积）
• 气缸的排量 \(V_d=iV_s\)
• 压缩比 \(\varepsilon=V_{\mathrm{a}}/V_{\mathrm{c}}\)

汽油机与柴油机的不同：

内燃机的发展趋势¶

内燃机性能指标与影响因素¶

工质对活塞做功及示功图¶

• 指示功倾向于发动机实际上输出的功（不考虑泵气功的情况下就是总功，考虑的情况下就是净指示功）
• 而动力过程功更加倾向于，膨胀和压缩过程（这两个动力的过程）所作的功之和

内燃机动力性指标¶

功¶

指示平均压力¶

定义：单位气缸工作容积所作的循环指示功

• 可以认为是一个假想不变的压力 \(p_{mi}\) 作用在活塞上，使活塞移动一个冲程所作功正好是循环指示功
• 指示平均压力反映发动机作功能力的大小 (单位体积作功量大小 \(J/m^3\)) 和强化程度。使不同发动机的动力性具有可比性
  平均指示压力：

这里实际上是一个压强

功率¶

• 指示功率：\(P_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathrm{i}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mi}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)
• 有效功率：\(P_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot W_{\mathbf{e}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathbf{me}}\cdot V_{s}\)
• 机械损失功率：\(P_{\mathrm{m}}=P_{\mathrm{i}}-P_{\mathrm{e}}\)，\(P_{\mathrm{m}}=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{mm}}\cdot V_{\mathrm{s}}\)

转矩¶

• 公式：

  \[ T_{\mathrm{tq}}=\frac{i}{\pi\tau}\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{s} \]

  可见，转矩与有效平均压力是一一对应的（一个发动机确定时，就是一一对应的）
  压力反应转矩

• 功率与转矩的关系：（功率等于转矩乘以角速度，角速度与转矩有关系）

  \[ P_{\mathrm{e}}=T_{\mathrm{tq}}\cdot\omega=T_{\mathrm{tq}}\cdot\pi n/30=in/(30\tau)\cdot p_{\mathrm{me}}\cdot V_{\mathrm{s}} \]

经济性指标¶

能量转换效率¶

燃料消耗率¶

表示的是产生一千瓦时的功所消耗的燃料的重量（g/kwh）

功率密度¶

转速与活塞平均速度¶

限制的因素

• 惯性力引起的机械
• 应力摩擦 (表面磨损)
• 热负荷
• 充气效率
• 噪声

影响性能指标环节与因素¶

决定动力输出的两大环节¶

• 设单位时间加入发动机的燃料总质量为 B (kg/h)，燃料低热值 (low heat value) 为 H u (kJ/kg)，燃料能量转换的总效率为ηet ，则有效功率Pe 可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot B\cdot H_{\mathrm{u}}/3600 \]

• 设单位时间进入发动机的混合气总量为 G m (kg/h)，混合气低热值为 Hum (kJ/kg)，则有效功率Pe 也可表示为：

  \[ P_{\mathrm{e}}=\eta_{\mathrm{et}}\cdot G_{\mathrm{m}}\cdot H_{\mathrm{um}}/3600 \]

其中的 H_um 为与燃料的热值和混合气的浓度直接相关

本小节之后提到的的都是上面这些计算中的参数的计算方式

可燃混合气浓度与热值¶

• 过量空气系数：
  设单位质量燃料完全燃烧所需理论空气量为 l 0，而实际供给的空气量为 l，则 φa 定义为：

  \[ \phi_a=\frac{1kg燃料实际供给的空气量}{完全燃烧需要的理论空气量}=\frac{l}{l_0} \]

• 空燃比α

  \[ \alpha(\text{或}l)=\frac{\text{混合气中空气质量}}{\text{混合气中燃料质量}}=\frac{A}{F}=\phi_{\mathrm{a}}l_{0} \]

• 燃空比φ ‘

  \[ \phi^{\prime}=\frac{1}{\alpha}=\frac{F}{A}=\frac{1}{(\phi_{\mathrm{a}}l_{0})} \]

• 可燃混合气热值 Hum
  单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量 (kJ/kg 或 kJ/m 3 )

  \[ H_{\mathrm{um}}=\frac{m\cdot H_{\mathrm{u}}}{m+m\cdot l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+l}=\frac{H_{\mathrm{u}}}{1+\phi_{\mathrm{a}}l_{0}} \]

混合气 (进气) 充量¶

能量转换效率¶

算是上面的一个小结

\(\eta_it\) 为指示效率，\(\eta_et\) 为有效效率，图与上面的说法一一对应的

最后将所有的式子带入最初的公式中，计算得到的效率为

对于直接加入燃料的压燃式（柴油机）来说，直接使用下面的公式就可以计算（虽然两个公式对于两种内燃机都是适用的）

有效燃油消耗率

做题¶

内燃机燃料、工质与热化学¶

燃料及其理化特性¶

燃料的选择¶

分类¶

燃料主要技术指标¶

碳氢 (hydrocarbon) 燃料及特性¶

汽油机柴油机工作模式的差异¶

燃烧热化学¶

首先是表：

上面计算的实际上就是需要的理论空气量\(l_0\)

体积混合气热值与燃料的热值、混合气的密度、混合气浓度和需要的理论空气量有关
注意：体积可燃混合气热值 (kJ/m 3 )，更具有可比性！（气缸中是看容积的）

内燃机工作循环和能量利用¶

循环模式与循环热效率¶

分类：

循环：
等熵压缩——>等容加热（等压）——>等熵膨胀——>等容放热

理论循环分类¶

• 等容加热
• 等压加热
• 混合加热（等容 + 等压）

最后得到的循环热效率（使用参数表示）

在温熵图上，等容线更陡（等容过程中温度随熵的变化率（T/s）大于等压过程）

等容循环¶

奥托循环 (Otto Cycle): 早期汽油机转速低，燃烧接近等容放热（燃烧的速度远大于活塞运动的速度，等容加热）

等容循环的效率：

加热时刻对循环的影响 (等容度)

• TDC 加热: 1 -2 -3 -4
• BTDC 加热: 1 -2*-3*-3’-4*-1（上止点之前点燃）
• ATDC 加热: 1 -2 -2*-3*-4*-1
  等效压缩比

等压循环¶

狄赛尔循环 (Diesel Cycle):
早期柴油机喷油压力低，喷油燃烧持续期长（整个燃烧的过程很长，边燃烧，边膨胀）

• 效率：

  \[ \eta_{\mathrm{t,p}}=1-\frac{1}{\varepsilon^{\kappa-1}}\cdot\frac{(\rho^{\kappa}-1)}{\kappa(\rho-1)} \]

• 等容度：

  \[ \sigma=\frac{\varepsilon_{m}}{\varepsilon}=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\rho}+1\right) \]

比较¶

对于四大循环参数：

理想循环¶

• 保持理论循环中的循环的假设
• 使用真实的工质
  • 成分是变化的
    • 压缩：空气 + 燃料蒸气 + 残余废气
    • 膨胀：废弃 + 空气
  • 工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度变化
  • 过浓的部分燃料不会燃烧放热
• 目的：
  • 工质的特性对热效率的影响
  • 代表了人类努力所能达到的水平
• 相对热效率：真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。反映了实际发动机指示效率接近理想水平的程度。

主要热力参数¶

• 比热随温度的上升而上升
• K 随温度的上升而下降
  

考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：

真实循环¶

1) 传热损失 (总加热量的 6%)

真实循环并非绝热过程，通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。
散热量 \(Q_{w}=\int\alpha F_{w}(T - T_{w})d\varphi\)
式中，\(\alpha\)— 传热系数；
\(F_{w}\)— 散热面积，\(F_{w}=f(\varphi)\)；
T— 缸内工质温度，\(T = f(\varphi)\)；
\(T_{w}\)— 燃烧室壁面温度，可设为定值。

• 压缩过程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降 (有利)。
• 燃烧及膨胀过程：温差大，散热强烈，使 \(p_{z}\) 和膨胀线下降 (不利)。
• 燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线，使动力过程功减小。

2) 燃烧提前时间损失及后燃损失

实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成：

• 存在点火 (喷油) 提前，使有用功面积下降，\(\eta_{t}\downarrow\)。
• \(p_{z}\) 出现在 TDC 后 \(10^{\circ}CA\)，而非等容加热，使有用功面积减小。

3) 换气损失

• 排气门早开，造成膨胀功损失。
• 泵气损失功 (\(W_{2}+W_{3}\))

4) 不完全燃烧损失

• 燃料与空气混合不良
• 燃烧组织不完善

5) 缸内流动损失

流动增强以及提高涡流与湍流程度，\(\eta_{t}\downarrow\)

因为：克服气流阻力、造成能量损失、散热损失

例如：流动损失，非直喷式柴油机 \(>\) 直喷式柴油机

6) 工质泄漏损失

机械损失和机械效率¶

定义：¶

组成和份额¶

1. 机械摩擦损失 (50％～80％ )
   活塞组件、轴承、气门机构等
2. 附件驱动消耗 ( ～10％ )
   水泵、风扇、机油泵、高压油泵、点火装置等运转必不可少的辅助机构
3. 泵气损失 (5％～40％ )

测量¶

示功图法¶

由总指示功 Wi，减去台架上测得的有效功 We

倒拖法¶

发动机正常运转后，断油或断火，用电机反拖发动机，测得的反拖功率

也就是维持之前的运转，反拖的功率就是机械功率（没有输出，输入的就等于损耗掉的）

灭缸法¶

用于多缸机

一个一个灭（轮着灭）
灭一个少了一个的有效功，同时增加了倒拖的功率损耗，所以差值就是指示功

油耗线法¶

转速不变，测出整机燃料消耗率随负荷的变化曲线。将此线外延到与横坐标相交的 a 点，则 a 点之值为机械损失值。

适合柴油机，不适合汽油机

影响因素¶

能量的分配和利用¶

1. 废气涡轮增压发动机
   • 废气温度高，能量品质高
   • 废气能量通过涡轮机和压气机转化为泵气过程功（正功）
   • 进气量、输出功率、有效效率显著提升
   • 增压配合中冷进一步提升输出功率
2. 复合增压发动机
   • 利用废气直接驱动动力涡轮，增大曲轴输出功率
   • 利用废气驱动汽轮机发电
3. 低散热（绝热）发动机
   • 低散热发动机提升热效率有限，但可增大废气可用能
   • 低散热 + 复合增压可大幅度提高有效热效率

内燃机换气过程和进气充量¶

四冲程内燃机换气过程¶

换气过程¶

功率的公式：

换气系统和换气过程¶

进气——>压缩——>膨胀（做功）——>排气——>进气——>压缩

• 换气过程: 从膨胀冲程末期排气门开启时算起，直到压缩冲程初期进气门关闭时为止，大约为：410ºCA~480ºCA
  
  排进气门都是早开晚关的

换气过程分期¶

• 进气阶段：核心是充量系数 \(\phi_c\) 的问题
• 气门重叠的过程

进排气相位角的影响¶

充量系数及其影响因素¶

定义¶

实际上就是实际吸入的新鲜空气的质量除以理论上进入的新鲜空气的质量（理论上使用密度乘以体积）

解析式¶

• 进气门晚关系数：\(\xi=V_{a^{\prime}}/V_{a}<1\)
• 进气门晚关系数：\(\psi=V_{r^{\prime}}/V_{r}>1\)
• 括号中的第一项与进气相关，对充量系数的影响大
• 第二项与排气有关，对充量系数的影响小

影响因素¶

流动阻力¶

• 流动阻力（\(\Delta p_a\)）
  • 沿程损失（次）+ 局部损失（主要的损失）
  • 局部的损失有：
  • 
• 此外流动阻力还有
  • 进气涡流、滚流和气道阻力
  • 
    • 分为 Tandem：四气门前后排列
    • Twisted：四气门扭曲排列
    • Twin：四气门并列排列
    • 2V-DI：两气门排列

• 阻力还与流速有关：

  \[ M\mathrm{a}_\mathrm{m}=\frac{2ns}{a}\cdot\frac{F_\mathrm{p}}{(\mu_\mathrm{s}f_\mathrm{a})_\mathrm{m}}=\frac{Kns}{a}\left(\frac{D}{d_\mathrm{s}}\right)^2 \]

  在马赫数>0.5 时，充量系数会急速下降
  所以要降低进气的马赫数：
  提高气门的流通面积（多气门）
  气门数增加，转矩增加，允许的最高转速增加，最大的功率增加

进气温升（ Δ Ta’）¶

进气温升的组成部分：

式子中的组成的含义为：

• \(\Delta T_{\text{w}}\)— 高温壁面传热所引起的温升→合理冷却，降低热负荷，影响最大
• \(\Delta T_{\text{l}}\)— 压力损失变为摩擦热引起的温升→减小 \(\Delta p_{\text{a}}\)
• \(\Delta T_{\text{r}}\)— 残余废气与新气混合引起的温升→减小残余废气系数
• \(\Delta T_{\text{g}}\)— 进气过程中，燃料气化、吸热所引起的温度降低（负值）

其余的影响因素

稳态进气速度特性¶

• 定义：油量调节机构不变时，充量系数 \(\phi_{\text{c}}\) 随发动机转速或活塞速度的变化规律，即 \(\phi_{\text{c}}\)-n 曲线（进气外特性、部分负荷进气速度特性）。
• 进气外特性决定了发动机的最大动力性（转矩和功率）。
• 汽油机：\(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\)；部分负荷时，随 \(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\downarrow\)（斜率更大）；
• 柴油机：\(n\uparrow\)，\(\phi_{\text{c}}\downarrow\)（但斜率小于汽油机）；部分负荷时，进气温度低，\(\phi_{\text{c}}\) 略升。

进排气系统的动态效应¶

实际上就是压力波的传播对进排气的压力的影响

压力波传播的基本知识¶

• 产生：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播
• 静止介质中，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速
• 若介质具有速度 v，则压力波传播速度 c=v± a

进排气动态效应¶

压力波动对进、排气过程（充量系数、排气流率以及各缸进、排气不均匀性）的影响称为进排气动态效应。

利用这一动态效应¶

进气门开启的时候，产生压降，为右行的膨胀波
实际上就是波的叠加
此时在气门处的反射是全负反射，疏波反射之后为密波

所以：管长 L 与转速 n 要合理匹配：
L 太长，对φ c 没有影响；太小，多次返回的密波和疏波相互抵消

上循环压力波动态效应

使用可变进气管的长度的技术

多缸机的动态效应与各缸不均匀性

• 多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，因而存在 “进气干涉” （“抢气”）和“排气干涉”，造成各缸不均匀
• 解决办法：气缸分组

增压系统¶

改变公式中的 \(p_s\)

• 目的：
  提高进气压力，增大进气量（空气的量多了）

• 增压度：增压后的功率的增值与原来的功率的比

  \[ \varphi=\frac{P_{\mathrm{ek}}-P_{\mathrm{eo}}}{P_{\mathrm{eo}}}=\frac{p_{\mathrm{mek}}-p_{\mathrm{meo}}}{p_{\mathrm{meo}}} \]

• 增压比：压气机的出口压力与压缩前的压力的比值 \(\pi_\mathrm{k}=\frac{p_\mathrm{b}}{p_0}\)

增压方式和增压系统¶

• 涡轮增压系统
  • 直接利用废气能量，无需额外功率；（还能回收余热——通过泵气的正功）
  • 改善发动机动力、经济和排放性能（燃烧更加充分）；（主要提升的是高速、高负荷的情况）（使用的增压器是离心式增压，需要高转速）
  • 与发动机柔性连接，便于安装布置（进排气管布置非常灵活）；
  • 车用发动机领域应用最为广泛。
    使用尾气（右侧的）的能量，驱动涡轮，涡轮带动增压器，之后将压缩之后的气体降温（使进气的温度保持较低）（风冷的）

• 机械增压系统
  • 通过曲轴驱动，需要消耗曲轴功率；
  • 通常用于低增压发动机 \(r_k < 1.6\)；
  • 容积式增压，受转速影响较小；
  • 低速工况性能好，动态响应快；
  • 通常用于赛车、坦克发动机等。

• 复合增压系统

  • 机械增压 + 涡轮增压

    前者保证了低速、低负荷转矩特性和动态响应，后者保证了整机的燃油经济性和高功率密度。
    - 涡轮增压 + 调谐增压（可以使用可变进气管长度技术）

    利用进气动效应增大低速工况充气效率，改善低速转矩特性，利用涡轮增压改善高速工况动力、经济性。
    兼顾低速低负荷和高速高负荷
    

柴油机混合气形成和燃烧过程¶

燃烧概念与着火理论¶

燃烧：燃料与空气产生的激烈的放热化学反应

燃烧分期：完整的燃烧过程为：着火和燃烧两部分

对比¶

• 速度：
  • 汽油机取决于化学反应速度
  • 柴油机取决于混合速度与反应速度中较慢的过程
• 空燃比：
  • 汽油机的稀燃存在极限（就是燃料的浓度非常稀，空燃比非常大时，不能着火）
  • 柴油机的宽广范围内稳定稀燃
• 碳烟：
  • 汽油机不易产生（燃烧充分）
  • 柴油机易于产生
• 火焰：实际上就是由碳烟才会产生焰火（黄色白色），燃烧充分没有碳烟的话就是无焰燃烧）蓝色
• 回火的风险：
  • 因为汽油机在进气道内就混合好了，高温的烟气会点绕，柴油机进气道没有空气

着火理论¶

热着火理论¶

可燃混合气的着火的原因在于热量的积累，当放热的速率大于散热的速率时，温度升高，反应逐渐加快，最终导致着火
所以要比较两个的速率：

• 放热速率：\(\frac{\mathrm{d} q_{1}}{\mathrm{~d} t}=C \cdot \exp \left(-\frac{E}{R T}\right)\)
• 散热速率：\(\frac{\mathrm{d} q_{2}}{\mathrm{~d} t}=A \cdot F\left(T-T_{0}\right)\)

链式着火理论¶

高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心就能引起着火，反应物分子受激首先产生活性中心，然后通过链式反应产生分支。

类似核裂变的链式反应

• 柴油机的压燃和汽油机的爆燃属于低温多阶段的着火（也就是燃料的自燃着火）
• 汽油机的点燃和柴油机的后燃属于高温单阶段的着火（外部的点燃着火）

喷雾与混合气形成¶

液体燃料的喷射和雾化¶

上面就是柴油机着火的过程，下面是高压喷射的过程，可以看见是多点着火的
并且高压燃烧速度快，且靠近缸壁

缸内的气流运动¶

• (1) 进气流 (Intake Flow)：促进油 / 气混合
  • 涡流 (Swirl)：涡流比与充量系数的平衡
    螺旋的形状，需要进气道特殊的形状
    
  • 滚流 (Tumble)
    
• (2) 压缩 / 膨胀流 (Compression/Expansion Flow)：加速燃烧
  • 挤流 (Squish)/ 反挤流 (Reverse Squish)
    燃烧室的凹坑，当燃烧室上升或者下行时
    
  • 压缩涡流 (Compression Swirl)
    主副燃烧室，燃料在副燃烧室中，主燃烧室的空气进入副，形成压缩的涡流
    
  • 微涡流 (Micro-turbulence)（四角型的燃烧室中存在）
• (3) 燃烧流 (Combustion Induced Flow)：改善燃烧 (作用较小)（燃烧时的温度压力不均匀导致的）

混合气的形成方式——空间雾化混合¶

• 燃油喷射雾化＋缸内气流运动
• 两者比例不同导致不同燃烧室系统（静止或弱旋流场＋6～12 孔高压喷油；强旋流场＋3～5 孔高压喷射；强旋 / 湍流场＋低压单孔喷嘴）。
  
  a：气流运动比较弱，主要依靠喷射系统，采用多孔的高压喷射的方式
  b：油气相互运动的混合方式，对喷射系统的要求降低了
  c：湍流等等的运动，喷射流更强（最好是不同的流束接壤但是不重叠）
• 热混合现象：在旋转气流中，已燃气体向燃烧室中心运动，未燃燃油和新鲜空气向外周运动，促进空气与燃油的混合（离心力的作用，未然燃油的密度大，离心作用大，会向外围扩散）。
• 热锁现象：由于燃油集中在燃烧室中心，燃油粒子难以向周边与新鲜空气混合，而被已燃气包围，火焰被锁定在中心。（主要是喷射系统的贯穿距离太短，离心力不足，会被锁在中心）
  

燃烧室的特性¶

• 直喷式
• 非直喷式

先缓后急的放热速率

• 经济上直喷式的比较好
• 非直喷式，柔和，排放比较好

燃烧过程及特性¶

横坐标：曲轴转角
示功图，喷油规律，燃烧放热规律（上面的三个曲线的名字）
A——>B：自燃的区域

分期¶

• 着火落后期（滞燃期）
  • 喷油始点 A～压缩线偏离点 B 或 \(\mathrm{d}Q_{\mathrm{B}}/\mathrm{d}\varphi=0\) 点；\(\varphi_{\mathrm{i}}=8\mathrm{\text{∼}}12^{\circ}\mathrm{CA}\)，\(0.7\mathrm{\text{∼}}3\mathrm{ms}\)（从喷油到着火开始的阶段）。
  • 复杂的物理化学过程：雾化、蒸发、扩散、混合；低温多阶段着火燃前准备。
  • 精确控制（滞燃期内喷油量和预混合气量）
    会影响速燃期的可燃混合气的数量
• 速燃期
  • B 点～C 点（压力急剧上升段）。
  • 滞燃期中形成的非均质预混合气的同时着火，本质上属于预混燃烧。
  • \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi=0.2\mathrm{\text{∼}}0.6\ \mathrm{MPa/(^{\circ})}\)，衡量燃烧等容度和粗暴度的指标，不宜超过 \(0.4\ \mathrm{MPa/(^{\circ})}\)。
    所以开始的喷气的速率不能过大，1 需要已知初期的放热速率
    调整燃烧噪声和排放
  • \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi\) 主要取决于滞燃期内形成混合气量。
  • 累积放热率：\(20\mathrm{\text{∼}}30\%\)。
• 缓燃期：
  • C 点～D 点（最高燃烧温度或压力）。
  • 速燃期未燃烧燃料和缓燃期喷入燃料的燃烧，累积放热率：70-80%。
  • 放热率出现第二个高峰，“双峰” 现象（小负荷不明显或无此现象，全负荷的时候第二个峰会很大）。（柴油机是双峰，汽油机只有一个）
  • 放热率取决于油气扩散混合速度，属于扩散燃烧。（此时的喷油速率最大）\(max=5\mathrm{\text{∼}}9\ \mathrm{MPa}\)，增压机 > 10MPa。
  • 缓燃期燃烧不应缓（加快混合气形成速率，此时的喷油的速率是最大的，也要提高喷油的压力）。
• 后燃期：
  • D 点～E 点（燃料基本燃烧完毕）。
  • 累积放热率 > 95%。
  • 加速混合气形成和燃烧速度，缩短后燃期。（加强油气的混合，气流运动）

燃烧放热率计算¶

1. 瞬态放热率：（\(dB_q/d\phi\)）

   • 单位混合气在单位时间内或者单位曲轴转角内的燃烧发热量
     燃烧放热量=工质吸热量（变成了内能和做功量）+ 散热量
     \(\mathrm{Q_{B}=Q+Q_{W}=\Delta U+W+Q_{W}}\)

     \[ \begin{aligned}&{\frac{\mathrm{dQ}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{d}\varphi}}=\left\lfloor{\frac{1}{\kappa-1}}\left(\mathrm{V}{\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d}\varphi}}+\kappa\mathrm{p}{\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d}\varphi}}\right)-{\frac{\mathrm{pV}}{(\kappa-1)^{2}}}{\frac{\mathrm{d}\kappa}{\mathrm{d}\varphi}}\right\rfloor\\&+\alpha_{\mathrm{t}}\mathrm{F}_{\mathrm{W}}\left(\mathrm{T}-\mathrm{T}_{\mathrm{W}}\right)\end{aligned} \]

   公式中最后的是散热项
   与缸内的压力（直接测量）、容积（根据曲轴转角）、温度（由理想气体状态方程），工质的等熵指数，他们和曲轴转角都是有关系的
   这就是燃烧分析仪的原理

2. 累积放热率的计算
   就是对瞬态的积分之后，除以总的放热率

   \[ \mathrm{X}(\phi)=\frac{\int_{\phi_{b}}^{\phi}\mathrm{dQ_{B}}}{\mathrm{g}_{b}\cdot\mathrm{H}_{u}}\times100\% \]

燃烧放热规律分析¶

• 放热规律：燃烧过程中放热率随时间或曲轴转角的变化规律。

• 放热规律的三要素：放热始点、放热持续期和放热率形状。

• 放热始点：

  • 放热始点决定了放热率曲线（或放热率中心）距离 TDC 的位置，对循环热效率、压力升高率和最大燃烧压力等有重要影响。
  • 最佳放热始点：保证 \(p_{\max}\) 出现在 \(10\mathrm{\text{∼}}15\ ^{\circ}\text{ATDC}\)（放热率中心接近上止点，等容度↑）。
  • 点火提前角或喷油提前角调节特性
    • 汽油机：转速越高，点火提前；真空度越大、负荷越小，点火提前。
    • 柴油机：转速提前；负荷越大，喷油提前（因为喷油的持续期会变长）。
      
• 放热持续期：
  • 原则：越短越好（预膨胀比 \(\rho\downarrow\)）。
  • 柴油机：小于 \(40\mathrm{\text{∼}}60\ ^{\circ}\text{CA}\)。
  • 影响因素：喷油时间、混合气形成速度和质量。
• 放热率形状及控制
  放热率形状影响放热曲线面心位置，也影响预混燃烧和扩散燃烧比例。
  
  • a— 放热率先急后缓：热效率和 NVH（噪声、振动与 harshness）高
  • b— 放热率不变：介于 a 和 d 之间
  • c— 放热率先升后降：介于 a 和 d 之间（接近汽油机的放热曲线，工作过程是比较稳定的，这也是汽油机的效率不如柴油机的原因之一）
  • d— 放热先缓后急：热效率和 NVH 低
    a 的指示效率最高 (放热的重心最靠前，等容度高)，但是其他的性能差

理想放热规律¶

1. 尽量接近上止点燃烧（放热率中心接近上止点）；
2. 放热持续期宜短一些；
   上面的两个都是为了提高等容度
3. 放热率曲线形状以先缓后急，急速停止模型为最佳。
   
   要将前面的峰下降（虚线的部分为最佳），速燃期
   促进扩散燃烧，提高等容度，使得充分燃烧，同时提高 NVH 的性能（虚线的部分，平衡不同的需求）
   • 速燃期不速
   • 缓燃期不缓
   • 后燃期不后
4. 怎样保证：
   • （1）控制燃油喷射
   • （2）控制气流运动（特别是后燃期，都没有喷油了）
   • （3）燃烧室合理设计
     油气室三者平衡之后就可以了

氮氧化物的生成和颗粒的生成是此消彼长的关系
一个是富氧、一个是缺氧

粗暴燃烧与燃烧噪声¶

粗暴燃烧¶

• 现象：
  当滞燃期内喷入的燃料较多，进而形成了较多的可燃混合气后，在速燃期内便会一起燃烧，使燃烧初期的压力急剧升高，当压力升高率大于 \(0.4\ \mathrm{MPa/^{\circ}CA}\) 以上便会产生粗暴燃烧。
• 危害：
  使发动机燃烧和机械噪声增大，严重时使发动机负功增大，功率降低。
• 与汽油机爆燃区别：
  发生时期不同：爆燃发生在速燃期的后期（发生了多点的同时着火，影响了正常燃烧，使得产生了激波），而粗暴燃烧发生在速燃期的前期；
  缸内压力不同：爆燃时缸内压力不均匀，缸内产生激波，而粗暴燃烧时缸内压力仍然均匀，无激波产生。

燃烧噪声¶

1. 燃烧的噪声机理
   • 燃烧噪声主要在速燃期内产生；
   • 气体动力载荷引起发动机零部件振动；
   • 气体压力缸内来回传播引起的高频振动。
     
     喷油的提前角早，滞燃期的时间就越长，到速燃期的可燃混合气就越多，更容易振动
     
2. 降低燃烧噪声的措施：
   • 缩短滞燃期（着火落后期）：提高燃料十六烷值、推迟喷油时间；
   • 减少滞燃期内的喷油量：靴型喷油规律和多段喷射（Multiple-Injection）；
     多段喷射，利用提前喷射的反应，提高温度和压力，缩短主喷射的时间
   • 减少滞燃期内形成的可燃混合气（球形燃烧室、挤流口式燃烧室）；
   • 提高冷却水温度和进气温度（可以缩短滞燃期）。
     都是为了抑制预混合燃烧的速率（也就是速燃期的速率）

汽油机混合气形成和燃烧¶

混合气的形成与要求¶

PFI 汽油机混合气形成

• 采用电磁阀喷油器，喷油压力一般为中低压力（0.3～1.5MPa），喷射方向一般指向进气阀背中央（温度高、便于蒸发）。
• 以进气道闭阀喷射（进气门是关闭的）为例，混合气形成过程包括进气道中的喷油雾化蒸发、缸内蒸发混合两个阶段。

• 缸内蒸发混合
• 喷射策略：不同的喷射策略
  

GDI 混合气的形成

• 概述：缩短混合气形成时间制造缸内分层混合气，高空燃比稀燃，达到节油率
  
  稀燃，排放减少
• 分类：
  • 均质当量比：进气冲程早喷
  • 分层稀燃：压缩冲程晚喷
    
• 控制策略：
  • 分层稀燃 GDI 实现高度稀燃的关键是：总体φ a ＞ 1，火花塞周围φ a ≤ 1 的浓混合气，以保证稳定着火 。
  • 分层混合气的形成方式：喷雾引导、壁面引导、气流引导。
  • 三菱的是气流壁面的混合引导
    • 低负荷时，随功率变大，增加空燃比
    • 高负荷时，量调节，提高均质混合气的数量
      
• 均质当量比的形式
  • 分层的稀燃难以满足排放法规，分层混合气的组织也比较困难
  • 虽然不是稀燃了，但是相对于 PFI 的还是有提高的——喷雾放热使得温度下降，充量系数提高、爆燃降低、ε提高 1 ～ 2 单位。

火花点火和火焰传播¶

点火过程和点火能量：

• 火花点火过程（短而复杂的过程）
  • 击穿阶段：高压 (10~35kV)→击穿混合气→离子通道 (400μm)→电阻急剧下降，电流 200A，温度 60,000K，持续约 10ns。
  • 电弧放电：电压较低 (60~100V)，电流仍较高，中心温度 6,000K，但离子化程度较低 (1%)，持续时间约 100μs。
  • 辉光放电：电流低于 1A，阴极上有较高压降 (300~500V)，温度降至 3,000K，离子化程度很低 (0.01%)，释放大部分能量，持续时间长 (几 ms)。
  • 火核形成：火花出现数百微秒后，1~2mm 火核形成。
• 点火能量及影响因素：
  • \(E_{\text{b}} > 0.2\,\text{mJ}\)；实际上，\(E_{\text{b}} = 30～50\,\text{mJ}→100～150\,\text{mJ}\)。（稀燃的情况下需要的点火能量高）
  • 影响因素：燃料特性，过量空气系数，混合气温度 / 压力，气流运动，火花塞参数。
  • 电极间隙（\(s=0.7～0.8\,\text{mm}\)）
    • 存在最佳的电极间隙 \(s_0\)；
    • \(s>s_0\)，电极间混合气容积 \(\uparrow→E_{\text{b}}\uparrow\)；
    • \(s<s_0\)，火花向电极散热 \(\uparrow→E_{\text{b}}\uparrow\)；
    • \(s_{\text{min}}\)= 淬熄距离 (传热过多)。
  • 过量空气系数 \(\varphi_{\text{a}}\)
    • \(\varphi_{\text{a}}=1→E_{\text{bmin}}\)
    • 对于一定的 s，存在可燃混合气浓度的点火稀限和浓限（\(0.4<\varphi_{\text{a}}<1.4\)）
  • 

火焰传播：

• 层流火焰
  • 火焰前锋面：
    
    前锋面就是中间的红黄色区域，之前是燃烧完的区域，后面是未燃烧的区域
    Re<2300
    火焰前锋面释放能量：90％～95％
    火焰面厚度δ：烃燃料－ 1 mm；H 2 － 0.1 mm
  • 前锋面的结构
  • 火焰的传播速度和燃烧速度
    
    \(\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{F}}=\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{B}}+\vec{\mathrm{v}}_{\mathrm{T}}\)
    F 为火焰的传播速度，B 是火焰的燃烧速度，T 是气流输运速度
    燃烧速度与温度、燃料、过量空气系数等等因素有关
    
    最大的燃烧的过量空气系数在功率浓度（稍微稀一点的）上

湍流火焰：

• 效果：
  
  Re>6000 时，已燃烧的区域不连续
  1. 微元气体脉动加速了火焰前锋面内的传热传质和反应过程，使火焰燃烧速度加大。
  2. 微元气体脉动使火焰前锋面出现皱褶，加大了与未燃气体接触表面积。
     所以要提高混合气的湍流程度

燃烧过程¶

上方的是缸内压力随着曲轴的转角
下方的是瞬时放热速率随着曲轴转角的变化（虚线是总的放热）

燃烧分期：

• A->B，着火的过程（相当于滞燃期），滞燃期的终点以 CA 05 作为终点（即累计放热5% 相位）、或者脱离缸压曲线、或者在光学镜头下产生火核
  燃烧特性参数：着火落后角ϕi 或时间τi
  • 10~20°CA 左右；
  • ϕi 对汽油机性能影响不大，但不要离散过大，确保B 点（12~15 °CA BTDC）与 \(p_{max}\) 点位置稳定（ 10~15 °CA ATDC ）；
  • 所以要调整点火提前角 \(\theta_{ig}\)，对 \(p_{max}\) 相位有重要影响
    转速提前，真空提前，负荷延后（负荷上升之后，滞燃期缩短，为了保证在上止点着火，需要延后点火时间）
• B->C，明显的燃烧阶段（速燃期）
  • 其间 80～90％燃料被燃烧。
  • 燃烧等容度表征 CA50：累计放热 50% 的相位，5~10° CA ATDC。
    参数：
  • \(p_{\text{max}}\) 和 \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi \uparrow \to \eta_t\) 和 \(W_i \uparrow\)，但 \(\text{NO}_x \uparrow\)，机械负荷及热负荷 \(\uparrow\)。
  • \(p_{\text{max}} \leq 5.0\,\text{MPa}\)，\(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi = 0.2\sim0.4\,\text{MPa}/(\text{°CA})\)。
  • \(p_{\text{max}}\) 位置，\(\varphi_c = 10\sim15\,\text{°CA ATDC}\)。
  • \(p_{\text{max}}\) 位置可用点火提前角 \(\theta_{\text{ig}}\) 来调整。

• 后燃期
  • 燃烧剩余约10％燃料，主要存在于火焰前锋面扫过后尚未完全燃烧区域、壁面（壁面附近的温度较低，）附近未燃混合气、高温热分解产生的 CO、OH 等成分
  • 后燃期要短，否则影响等容度、经济性；排温上升，甚至到排气道，三元催化中
  • 保证燃烧持续期 40-60 ° CA。

依靠火花点火，依靠火焰传播完成燃烧过程（偏离量两者就会不正常燃烧）

异常燃烧及其控制¶

1. 爆燃现象
   • 示功图出现不同程度的 “锯齿波”
   • 尖锐的金属敲击声，声频为 3～7KHz
   • 机身有明显振动
   • 功率下降、转速不稳，甚至冒黑烟
   • 冷却水、机油和气缸盖等温度升高
     
     从左到右是正常、轻微、强烈爆燃
2. 常规爆燃机理
   • 火花点火后，燃烧产生压力波和热辐射；
   • 末端混合气（End gas）受压缩和热辐射，温度压力上升，燃前反应加速，严重时会以低温多阶段方式产生自燃（Self-ignition）；
   • 多点大面积自燃，形成局部温度压力陡升（瞬时压力 18MPa），压力波在传播过程中形成 “激波”；
   • 激波冲击燃烧室壁面产生高频振音（也有说共振），并在示功图上可观察到这种压力波动。
     注意：
   • 火焰前锋面速度（湍流）<100m/s
   • 压力波和热辐射分别为音速和光速
   • 前锋面要慢得多，所以爆燃的原因就是末端的混合气自燃
     
     自燃——>压力分布不均匀——>产生激波——>无序放热，使得温度急剧上升
3. 超级爆震
   • 末端混合气自燃形成了爆轰波（Detonation Wave），是一种激波和火焰面耦合传播的燃烧波，速度远高于常规爆震的燃烧波和激波；
   • 增压直喷汽油机在低转速全负荷时会出现超级爆震现象，本质是激波与燃烧波叠加；
   • 超级爆震压力幅值 \(\Delta p\)（>5.0MPa），高出常规爆震（<0.5MPa）1 个数量级，也有称之为 “早燃”（Pre-Ignition）。
     超级爆震会产生早燃，反过来不一定
4. 危害：
   • 无序放热和激波冲击，燃烧室壁面的层流边界层和油膜被破坏，散热↑，热负荷↑；（热阻下降，散热上升）
   • 由于油膜层被破坏，引起活塞组磨损加剧，甚至拉缸，甚至活塞环断环；
   • 轻微爆燃有可能略改善油耗和功率（可能是等容度上升了），但严重爆燃时，热损失↑，导致 \(\text{be}\)、\(P_e \downarrow\)；
   • 燃烧粗暴、热烈解发生，甚至冒黑烟；
   • 缸内压力剧烈波动使 \(p_{\text{max}}\) 和 \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}\varphi \uparrow\)，零部件应力↑，使机械负荷↑。
5. 防止爆燃的对策：
   
   t 1：由火核形成至火焰前锋面传播到末端混合气所需时间；
   t 2：由火核形成至末端混合气自燃着火所需时间
   所以要让 \(t_1<t_2\)
   燃烧室紧凑——面积比上容积
   
   使得温度水平降下来，使燃烧的速度变慢
   但是上面的火焰传播速度和加长滞燃期矛盾了，但是发现加长滞燃期的效果明显
6. 实际的措施：
   • 降低 \(\varepsilon\)（最主要）(这也是汽油机不能高压缩比的原因)
   • 提高燃料辛烷值
   • 推迟点火时间（可以通过调节这个，使得发动机始终在临界爆燃的工况）
   • 燃烧室优化设计（含提高湍流度等，见左图）
   • 爆震传感器反馈控制
   • 可变压缩比技术（根据负荷调整压缩比）

1. 表面点火：
   由燃烧室内炽热表面 (如火花塞绝缘体和电极、排气门、沉积物)点燃混合气引起的不正常燃烧，通常在发动机长时间高速、高负荷运行后出现。
   分类：

   • 早火（早燃）：压缩行程负功增大; 沉闷的低频敲缸声 (600～1200Hz)。
     点火的面积大，初期的放热速率很高，使得压力温度迅速上升。活塞会有很大的高温热冲击
   • 后火（后燃）：对发动机影响不大; 有时会出现“续走”现象。
     可能增大发动机的动力性和经济性，但是会使压力水平上升，可能会导致早火
     早燃有可能诱发爆震/超级爆震，主要取决于早燃是否引发末端混合气自燃以及自燃后火焰传播形式（表面点火和爆震会相互促进）

   影响因素和措施：

   • 影响因素：凡是促进燃烧室温度和压力升高以及积炭形成的因素，都会导致表面点火。
   • 抑制措施：
     • 防止燃烧室温度过高：降低压缩比、减小点火提前角等；
     • 合理设计燃烧室形状：冷却排气门和火花塞；避免尖角和突出部；
     • 选用低沸点汽油，减少重馏分，减少积碳；
     • 选用成焦性较小的润滑油；
     • 提高燃料中抗表火性好的成分（点火能量大的燃料，如异辛烷）。

1. 循环波动
   1. 现象：
      内燃机存在转速和转矩波动
      上述的波动源于各循环之间的燃烧的波动
      
      汽油机是单点着火，循环波动更大
   2. 危害
      点火时的空燃比等无法调节到最佳
      燃烧不好的循环会产生 \(η_i 、W_i\) 等下降，HC 等升高，振动↑、噪声 ↑。
   3. 循环波动的评价指标
      循环波动率（通常以最高燃烧压力为基准）\(\delta_{_p}=\left(\sigma_{_p}/\overline{p}_{_\mathrm{max}}\right)\times100\%\)
      使用多次测量的标准差除以平均值
      正常情况δp < 10%
   4. 产生的原因
      火花塞附近混合气成分波动（空燃比、残余废气系数）；（这个均值混合气又不是完全均匀的）（会影响滞燃期火核形成的差异）
      火花塞附近气体运动状态波动（流速过低不利于火核初始生长，流速过高会吹灭火核）。
      所以主要是火核形成时产生循环波动的
   5. 影响因素和改进措施
      • \(\phi_a\) 影响最大，\(\phi_a = 0.8 \sim 1.0\) 时，\(\delta_p\) 最小；
      • 油气混合均匀程度（绝对均匀，\(\delta_p = 0\)），应适当加强缸内气流运动；
      • \(\phi_r \uparrow\)，应加强火花塞周围扫气；
      • 负荷 \(\uparrow\)（\(\phi_r \uparrow\)），则 \(\delta_p \uparrow\)；
      • 转速 \(\uparrow\)（湍流 \(\uparrow\)），则 \(\delta_p \uparrow\)；
      • 提高点火能量或采用多点点火。

燃烧室及其特性¶

1. 燃烧室结构紧凑
   • 紧凑性评价指标：F/V（表面积 / 容积）
   • FV 越小越好：
     • 火焰传播距离短，避免爆燃，\(\varepsilon\) 可提高；
     • 燃烧放热速率高（火焰前锋面的面积比较大），等容度提高，\(\eta_i\) 高；
     • 淬熄效应（未到壁面时，燃烧熄灭）小，HC 排放低；
     • 散热损失小。
       
2. 燃烧室几何形状合理
   • 适宜的火焰传播速率和放热速率（火花塞位置、燃烧室形状）
   • 廓线圆滑、避免尖凸部，防止表面点火
     
3. 火花塞布置合理
   
   上面的从上往下的爆燃性下降，降低对燃料辛烷值的要求
   • 火花塞至末端混合气的距离最短，爆燃可能性小（篷型）；
   • 靠近高温炽热点布置，爆燃可能性小（火球型）；
   • 便于扫气，以清扫火花塞间隙处废气，有利于起动及低速低负荷的工作稳定。
4. 合理组织气流运动
   • 气流运动方式：
     • 挤流与逆挤流；（主要与剪切面大小有关）
     • 其次是进气涡流、滚流。（主要与进气道有关系）
       
   • 目的：
     • 微观油气混合更均匀；
     • 降低循环波动率，扩大稀燃极限；
     • 形成足够湍流强度加快火焰传播速度；
     • 减小壁面淬熄层厚度以降低 HC 排放；
     • 扫除火花塞处的废气。
5. 够的进排气门流通截面
   • 提高φc，降低泵气损失
     四气门截面大，斜面的截面大

• 特点
  • 多球形 — 顶部呈半球形，进排气门和火花塞周围均分别呈球形；
  • 篷型 — 顶部由若干平面构成帐篷形；（较为简单，一般是这种形式）
  • 便于四气门布置，火花塞中央布置，挤流较弱，可利用双进气道形成涡流或者滚流。
• 性能
  • F/V 最小，火焰传播距离最短，充气系数高，动力经济性好，高速适应性强；但 \(d_p/d_φ\) 高，工作较粗暴。
• 应用
  • 篷形燃烧室目前已成为国际主流形式。

内燃机排放污染物生成与控制¶

生成机理与影响因素¶

污染物的种类与危害¶

• 排气/非排气污染物（曲轴箱窜气，燃油蒸发）、常规污染物/非常规污染物（法规中没有的）
• 法规（常规污染物）：CO、HC、NOx（高温富氧的条件下生成的）、PM、NH3（作为还原剂）、CO2（不属于污染物，属于温室气体）等。
• 其他（非常规的污染物）：化物 SOx、铅化合物、部分 VOCs （醇类、醛类、酮类等）、胺类等，也称为非常规排放物。
  
  排放法规基本上

排放评定指标和单位¶

• 内燃机排放性能指标：浓度排放量、质量排放量、比排放量和排放率。

第一种和第三种使用的最多

有害排放物的生成机理¶

NOx：

• NOx = NO+NO2+N2O
• 燃烧主要生成 NO，少量 NO2，N2O（与燃料的含氮量有关，常规燃料可以忽略）（还有在催化剂还原尾气处理的过程中可能会产生）可以忽略
  汽油机产生的 NO2 占比少于柴油机（汽油机一般在理论空燃比附近）
• NO 生成的途径：高温、激发、燃料
  • 高温 NO：>1600℃条件下，富氧的条件下（空燃比大于 1）
    是最主要的生成途径
  • 激发 NO：相对低温，氧含量少的情况下
    反应的活化能不高，需要氧气的参与小，在火焰的前锋面上进行
  • 燃料 NO：≤ 1600 °C，主要和燃料中的含氮量有关
    
• NOx 生成三要素：高温、富氧和时间（主要针对的是上面的高温途径）
  • 温度：T↑，则 NO 生成速率↑，NO 平衡浓度↑，则 NO↑（其中生成速率影响最大）
    
  • 氧浓度：温度一定时，氧浓度↑，则 NO↑
  • 反应时间：相对 CO、CO₂、HC 等，NO 生成反应较慢，因此在实际发动机燃烧结束时尚达不到平衡浓度（适合用反应动力学计算）
    
    使用图中的实线的方法的计算的误差小

CO：

• 不完全燃烧产物，主要受混合气浓度影响（主要有下面的三种途径）
• 不完全燃烧（最主要的方式）
  • 均质混合气，φₐ < 1 时（例如起动、怠速、加速、功率混合气）：缺氧燃烧不完全
  • 均质混合气，φₐ > 1 时：混合不均，局部缺氧
  • 非均质混合气，混合不均，局部缺氧
• 高温热解
  • CO₂ → CO
• 排气中生成
  • HC 在排气中的不完全氧化反应生成 CO
• CO “冻结” 现象：实际 CO 浓度高于排气温度相对应的化学平衡浓度，汽油机 CO 浓度近似等于 1700K 时的平衡浓度。（所以也是得采用反应动力学的方式进行计算浓度）

未燃 HC（THC/UHC）

• 排放HC 在汽油机中的生成机理
  • 不完全燃烧
    • φₐ<1（过浓的情况），例如：起动、怠速、高负荷、加速
    • φₐ>1，混合不均、减速、失火、循环波动
  • 壁面淬熄效应（30%～50%）
    • 低温、弱气流运动和弱湍流导致壁面附近燃烧反应链中断，火焰无法继续传播，形成火焰淬熄层现象。
    • 窄缝处面容比大，淬熄更明显（缝隙效应）。
      这就是淬熄层的变化
  • 壁面油膜和积碳吸附效应（35%～50%）
    • 混合气形成过程中，吸附 HC（吸附效应）
    • 燃烧过程中，“躲过” 火焰
    • 排气过程中，脱附释放
• 排放 HC 在柴油机中的生成机理
  • 混合不均匀→过浓或过稀，局部失火或不完全燃烧
    
  • 喷油器压力室容积：燃油滞留于压力室→受热膨胀或汽化后低速进入燃烧室→难以完全燃烧。
    
    所以要减小压力室的容积
  • 二次喷油或后滴。
    正常的喷油结束之后的二次喷射（压力很低，雾化程度差）；后滴和压力室这个是相近的原理
• 非排气 HC：来自燃油供给系统和曲轴箱
  • 曲轴箱窜气：缸内气体→曲轴箱→大气（汽油机、柴油机都有）
    汽油机更加严重，因为是预混合气，漏一点影响很大；柴油机分布不均匀
    
  • 燃油蒸发排放：燃料挥发性引起，包括昼间换气损失（温度变化，热胀冷缩）、运转损失（同样是热胀冷缩）、热浸损失（主要是汽油机）
  • 措施：
    将初期的口上连接碳罐，吸附蒸发的气体；并且可以进行清洗
    

PM：

• 颗粒物及炭烟－PM：Particulate Matter，Soot
  • 颗粒物成分：
    SOF：重馏分的有机物
    
    
  • 颗粒物粒径分布： PM10、PM2.5、汽油机 PM
    
    • 大颗粒、细颗粒、超细颗粒、纳米颗粒
    • 粗糙态、凝聚态、核态
    • PM 以凝聚态（细、超细颗粒）为主（主要控制的是绿色区域的质量），PN 以核态（纳米颗粒）为主（蓝色区域的数量也需要减少）
      所以颗粒物的质量和数量都需要管控（数量占大多数的是纳米级颗粒，质量占大多数的是细颗粒）
  • 生成机理：
    
    以上是宏观的生成机理，重点在于碳烟的生成，有如下的三种机理：
    • 残炭型——液态重质烃在高温缺氧条件下直接脱氢炭化，形成多孔状的炭粒，几微米至十几微米。喷油压力不高以及使用重馏分燃料时不可忽视。（大颗粒的生成机理）
    • 气相析出型——现代高压喷射柴油机炭烟生成的主要途径，主要有多环芳烃中间体说和乙炔中间体说。（小颗粒的生成机理）（先生成小分子的不饱和烃，之后成环，继续脱氢）
    • 成核和长大：炭黑——>炭核——>炭粒
      所以条件：高温缺氧的条件
      通过炭烟的重新氧化，可以减少碳烟的生成

有害排放物生成的影响因素¶

• 过量空气系数（\(\Phi_a\)）的影响
  
  上图可见汽油机经济性与功率性与空燃比的关系
  CO、CH：受混合气浓度的影响
  NO 是高温富氧的条件，峰值在稍微稀点的位置
  
  过量空气系数越小，负荷越大
  柴油机的曲线类似于汽油机的右侧（柴油机是稀燃的）
  CO、HC 上升的原因是因为温度下降、过稀，超过了稀燃的边界
• 运行工况影响
  
  在不同的工况下混合气的浓度和温度都会发生变化
  得出以下的结论：
  NOx ↑ ——加速和高速，燃烧温度高；
  CO ↑ ——怠速和加速，混合气加浓（不完全燃烧的产物）；
  HC↑ ——减速（燃烧不稳定的工况），残余废气高，循环波动大；
  
  PM 的生成如上图：（两部分——碳烟的生成、碳烟的氧化）
  小负荷的温度低，氧化少了，所以排放多
  大负荷的时候混合气浓，生成速率加快

汽油机污染物控制¶

汽油机污染物控制概述¶

降低汽油排放的途径：机内、后处理和油品（相当于前处理）

汽油机机内净化技术¶

• 推迟点火时间：
  
  • 点火提前角（燃烧过程推迟了）↓→燃烧等容度↓→最高燃烧温度↓→NOx↓
  • 点火提前角↓→后燃与排气温度↑→THC↓（CH 可以后燃）
  • 点火提前角↓→燃烧等容度↓→油耗↑，功率↓
    不同的性能之间需要平衡
• 废气再循环（EGR）
  • 外部 EGR / 内部 EGR↑→ \(φ_r\) (残余废气系数)↑，燃烧速度↓，比热容↑→最高燃烧温度↓→NOx↓，但 THC、CO、油耗↑
  • 冷却 EGR 效果更好（降温的效果更好，同时提高充量系数，抑制燃烧的恶化）
    

• 优化燃烧系统设计：
  • 燃烧室紧凑型设计，减少淬熄效应；
  • 改善缸内涡流运动，保证燃烧快速充分；
  • 改善缸内气流运动，减少燃烧时的循环波动（HC）；
  • 减少活塞头部、火花塞和进排气门等的间隙容积，减少缝隙效应。（减少燃烧的死角）
    
• 提高点火
  • 增大极间电压（二次电压）、火花塞间隙、充电时间
• 汽油机电控技术
  • 喷油、点火和节气门精确控制；
  • 混合气浓度精确控制 + 三效催化器（尾气处理，将 NO 氧化 HC 和 CO, 要求化学计量空燃比，才能高效工作） + 颗粒捕集器

后处理的技术¶

包括热反应器、催化转化器、HC 捕集器和颗粒捕集器，其中催化转化器又可分为氧化型、还原型、氧化还原（三效）型以及稀燃型。

• 热反应器中：满足高温富氧的条件，所以需要二次的空气的喷射（只能处理 CO、THC）
• 氧化催化剂：和上面机理一样，但是需要的温度更低
• 三效催化器：三种的气态污染物同时处理（要保证缸内在化学计量空燃比附近）
  
  CO+2HC+6NO=3CO2+H2O+3N2
  
  在化学计量空燃比附近三种的转化率最高
• 稀燃 NOx 吸附还原催化器 LNT
  
  先是稀燃，产生很多的 NO，先对其进行吸附
  之后短暂的调整为浓燃，产生大量 CO、CH，还原储存的 No
• 汽油机颗粒捕集器 GPF
  
  化学计量空燃比工作，温度高，但是没有多余的空气
  可以利用短暂的断油，实现 GPF 的再生

柴油机的污染物控制¶

概述¶

• 柴油机降排的主要目标：NOx 和 PM（Trade-off）；
• 理想的低排放柴油机燃烧过程：抑制预混合燃烧（NOx——高温富氧）、促进扩散燃烧（PM——高温缺氧和热效率）；
  
  通过上图的红线的方式，实现同时优化的效果
• 降低柴油机排放的途径：机内措施、后处理和油品（含硫量）。
  但是变成理想的燃烧过程之后，排放还是不满足要求，所以还需要进行尾气的净化

柴油机机内净化的方式¶

• 推迟喷油时刻
  
  • 喷油推迟→燃烧过程避开 TDC→燃烧等容度↓→最高燃烧温度↓→NOx↓（这个原因和汽油机相同）
  • 接近 TDC 喷油→着火落后期↓（因为温度压力水平高）→燃烧初期放热率↓→最高燃烧温度降低→NOx↓
    所以当在上止点之后喷油时，NO 的排放会增加
  • 着火落后期↓，燃烧温度↓（燃烧不充分，后期的氧化不充分）→PM↑，油耗↑
• 废气再循环（EGR）
  • EGR 引入大量惰性气体阻碍了燃烧快速进行、增大了混合气比热容，因此降低了最高燃烧温度
  • EGR 对进气加热和稀释降低了实际混合气过量空气系数（氧化剂会不足），导致 PM 和油耗变差
  • 采用冷却 EGR 可以兼顾 PM 和油耗
    进一步降低温度，同时降低对空气的稀释，缓解对 PM 和油耗的增加
• 增压及增压中冷
  • 增压提高进气密度 / 增大 \(φ_a\)，显著降低 PM、HC 和 CO
  • 增压使柴油机功率提高 30%～100%，燃油经济性好
  • 增压导致燃烧温度升高和富氧氛围，NOx 排放升高
  • 采用进气中冷降低进气温度，抑制 NOx 排放
    也是一样的，配上中冷的技术（和 EGR 一样）
• 改善喷油过程（喷油规律 + 喷雾特性）
  • 合理喷油规律：靴型（初期缓慢、中期急速、后期快断）
    
    初期缓慢喷射，降低混合气的形成，降低速燃期，降低燃烧温度（抑制预混合燃烧）
    后期快速喷射，提高效率
  • 预喷射 + 多段喷射
    1. 预喷射的低温多阶段冷焰反应提高了主喷时缸内压力和温度，使主喷滞燃期缩短；
    2. 后喷燃油主要是提高排气温度，促进大负荷工况炭烟氧化，提升后处理系统效率（保证后处理装置处于最佳的温度范围，一些后处理装置的再生）。
  • 提高喷射压力，加速油气混合，改善 PM 和热效率（等容度提高）
• 优化燃烧室设计
  • 合理组织燃烧室内的气流运动（如涡流、挤流和湍流）（加快混合，显著降低颗粒物的生成）
  • 控制滞燃期内的混合气形成量（如涡流口燃烧室）（控制初期的燃烧速率——速燃期）
  • 紧凑型燃烧室（如减少余隙容积、集中燃烧室凹坑）
  • 加强燃烧期间和燃烧后期的扰流（促进扩散燃烧）
  • 浓稀两段混合燃烧方式（如涡流室燃烧室）
    
    副燃烧室浓燃烧（A 点），抑制 NO
    主燃烧室稀燃烧（B 点），氧化碳烟
    所以非直喷的燃烧室排放好，但是经济性没有直喷式的好

柴油机后处理技术¶

LNC： Lean NOx Catalyst （HC Reductant）
LNT： Lean NOx Trap （和汽油机一样，先在稀燃下储存 NO，之后调整为浓燃条件下还原，多用于轻型车，因为结构比较紧凑）
SCR： Selective Catalytic Reduction（会额外添加一些还原剂，多用于重型车）（典型的还原剂就是尿素水溶液）
DOC： Diesel Oxidation Catalyst
DPF： Diesel Particulate Filte

• 柴油机氧化催化器 DOC
  • DOC 多为陶瓷载体流通式催化剂，表面贵金属为 Pt 或 Pb，用于降低 THC、CO 和 PM 中 SOF，根据 SOF 在 PM 中的含量不同，DOC 可以降低 3%-25% 的 PM 排放；
    也就是进一步氧化（使用原有的氧化剂）
  • 服务 DPF 与 SCR：放在 DPF 前用于生成 DPF 再生需要的热和 NO2（因为 DPF 里面是颗粒物）；放在 SCR 之前用于生成 NO2，提高 NOx 转化效率；放在 SCR 之后，氧化富余 NH3；
    多种相结合提高转化效率
  • 对燃油中 S 含量敏感（PM 硫酸盐↑，催化剂中毒劣化）。
    会将 SO 2 氧化为 SO 3 生成硫酸盐
• 颗粒捕集器 DPF
  
  碳化硅的碳载的容量比较高，适用于周期性主动再生的场景（它的耐受温度高）
  前者适用于连续的被动再生的场景
  • 主动再生（升温措施，碳载量判断，再生速度控制）
    • \({C + O_{2} ->[~600^\circ C~] CO_{2}}\)
    • \({C + O_{2} ->[~600^\circ C~] CO}\)
      加热的措施：电加热，DOC，燃料后喷的方式，直接在排气管中释放化学能，通过节气门调整排气的温度
      碳载量的判断：，通过这个背压传感器
      再生速度可以通过温度控制
  • 被动再生（燃油添加剂 / 催化过滤 / NO2 连续再生捕集）
    • \({C + NO_{2} ->[~>210 - 300^\circ C~] CO_{2} + NO}\)
• 选择性催化还原 SCR
  • 

现在的主要方式就是机内与机外协同

目前主要是低 EGR（常规路线） 和无 EGR （高效 SCR 路线）两种路线
欧六、国六的后处理的方案

欧/国七潜在后处理方案¶

重点关注低速低负荷下的冷机的排放，还有就是减少副反应的生成（氧化亚氮等等）
有两种方案：

• NOx 被动吸附 + 主 SCR（PNA 方案）
  
  低温工况的时候吸附 NOx，温度较高
  
• 方案紧 耦合 SCR+ 主 SCR（CC-SCR 方案）
• 
• 冷启动——>热机状态
• 

内燃机运行特性与整车匹配¶

仍然关注内燃机的动力性和经济性
但是关注的点变成了在整车上提高内燃机使用性能

内燃机运行工况¶

内燃机运行工况¶

负荷 \(T_{tq}\)，\(p_{me}\)，(\(P_e\))，转速等等参数（汽油机可以看节气门的开度）

• 点工况：抽水机①，增程式的发动机（最简单的单点工作的）
• 线工况：发电机组②，船舶发动机③
• 面工况：汽车、拖拉机
  
  a——最大功率限制线（每一个转速下最大有效功率）
  b——最高转速限制（每一个负荷下最高的转速）
  c——最低稳定转速限制线（汽油机在 750 左右可能）
  d——怠速线
  e——倒拖线
  上述就是面工况范围的特征线
  下面是一些特征点
  B——最大转矩的工况
  A——最大的功率的工况：标定工况
  C——最低稳定怠速工况
  D——最高空转工况
  在中高负荷上会有最低油耗的点

内燃机功率标定¶

• 标定工况：铭牌上规定的最大输出功率及其对应转速所确定的工况
  1. 15 分钟功率：汽车、舰艇、坦克
  2. 1 小时功率：拖拉机、工程机械
  3. 12 小时功率：农业排灌、机车
  4. 持续功率：远洋船舶、发电
     
     图中的 A 点，所以实际上的最高的功率比标定的要高
• 同一台内燃机，标定功率下适用的时间越长，标定功率越小

内燃机特性分类¶

• 内燃机特性定义：
  在一定条件下，内燃机性能指标与特性参数随着各种可变因素的变化规律（特性曲线、特性曲面）

• 特性分类：

  • 工作特点分：稳态特性（我们这节关注这个）、动态特性（瞬态）
  • 按可变参数分：调整特性、运行特性
    进气管长度的影响：（调整特性）
    

• 调整特性：
  转速和油量调节位置（节气门或油量调节杆）不变时，内燃机性能指标的变化规律内燃机性能指标随调整参数（\(θ_{ig}\)，\(Q_f\)，\(φ_s\)，\(ε\)，配气相位，气门升程，歧管长度，涡轮喷嘴等）的变化规律。
  只要是对内燃机性能有明显影响，而又能实时变动或试验时人为变动的参数，都可归入调整参数之列。
  （目的：使发动机性能最优）
  上述的调整参数都可以使用电控技术来实现（）

• 内燃机运行特性：在一定条件下，内燃机性能参数随运行工况参数（负荷和转速）的变化规律（在稳态条件下）。
  • 速度特性——油量调节部位不变，性能指标随着转速变化规律
  • 负荷特性——速度不变，性能指标随负荷变化的规律
  • 全（万有）特性——转速和负荷都变化时，性能指标的变化规律
    将功率计算公式中的负荷（\(\Phi_c\)）和转速提取出来，得到如下的公式：
    
    使用这 7 个公式进行分析

内燃机的运行特性¶

速度特性曲线¶

• 油量调节部位不变，内燃机性能指标随转速变化的规律；
• 理论上每一个油量调节位置都对应一条速度特性曲线；
• 外特性 (WOT)：标定工况位置所决定的全负荷速度特性曲线，决定了内燃机最大动力性能；
• 部分负荷特性：低于标定工况位置对应的部分负荷速度特性曲线
  
  为什么上述呈现这样的变化

首先看一下热效率：
汽油机

• 指示效率：
  
• 机械效率（随着转速的上升，机械损失会增大），怠速时机械效率为 0
  
• 充量系数：
  
  小负荷的时候节气门开度小，流动阻力大
• 过量空气系数：
  

再带入上面的三个公式中：

将章节前面的内容穿起来了

柴油机速度特性：
油量调节杆的位置保持不变

功率=扭矩乘转速

三个参量的变化对速度特性的影响

比较：

• 汽油机 \(T_{tq}\) 总体向下倾斜较大，尤其是在低负荷；柴油机 \(T_{tq}\) 总体变化平坦，低负荷时向上扬 → 动力性、稳定性
• 汽油机 \(P_e\) 外特性的最大值往往是标定功率点；柴油机 \(P_e\) 外特性无此极值点。
• 汽油机 \(b_e\) 线陡峭些，尤其是低负荷 \(b_{tq}\)；柴油机 \(b_e\) 线较平坦。
  • 汽油机
    
  • 柴油机
    

相同标定点条件下，汽、柴油机动力适应性对比

• 同一档位下，汽油机的加速和克服阻力能力优于柴油机。（同一档位下汽油机 的线高）
• 柴油机的最高转速偏离标定转速更远，容易出现 “飞车” 现象。（与阻力线的交点的转速柴油机高）
• 柴油机需要进行低速 “校正”、高速 “调速” 的操作。——运行稳定性（因为扭矩变化太平缓了，当外界的阻力变化时，需要很大的转速的变化）

动力适应性¶

\(K_T和K_n\) 越大，低速扭矩越大，发动机克服阻力的能力越强
（1）：纵坐标方向；（2）：横坐标方向

柴油机外特性的校正

所示的就是柴油机的
将平缓的扭矩的线调整为下倾幅度比较大的曲线

• 虚线 —— 烟度限制线。（防止烟气的产生）
• 剖面线 —— 可以让外特性进行校正而不使烟度超标的空间。
• 校正方法：
  机械校正：加速踏板位置不变，油量调节杆位置随转速下降而自动增大。（使得油量 \(g_b\) 随着转速下降而上升）
  现代车用电控柴油机一般通过直接控制燃料喷射量对外特性进行校正！
• 校正外特性曲线 —— 校正后得到的速度特性已不符合油量调节杆位置不变的定义，故称之为校正外特性曲线。

柴油机的调速特性¶

调速器的调速模式¶

1. 发动机稳定工作原理：
   • 汽油机节气门控制负荷，向下倾斜的速度特性具有很好的自我调节能力。
     汽油机的扭矩 \(T_{tq}\) 与阻力扭矩 \(T_R\) 的交点就是平衡点, 随着阻力扭矩的变化，因为汽油机扭矩下降幅度大，所以达到新的平衡时转速的波动小，运行稳定
   • 柴油机油量调节杆控制负荷，速度特性变化平坦，速度波动大，运转不稳。
     
     对柴油机来说由于过于平缓，所以阻力的波动会导致比较大的转速波动
     在低转速的时候，线反而是上扬的，大于平衡点时，会不断上升，转速波动大或飞车；小于平衡点时，会转速不稳定或熄火

1. 柴油机的调速模式
   
2. 全程调速：所有转速起作用，加速踏板不直接控制油量调节杆，而是直接控制弹簧预紧力
   作用：
   • 调速前, 油量调节位置处于最大供油
   • 转速增加, 飞锤张开, 推动滑套右移摆动摆杆 9, 通过牵引杆 10 带动从动杆 11, 使油量调节杆 17 往右移减油; 反之加油。
     
     上面的曲线就是调速特性曲线，每条曲线都是从低速时的外特性平线开始，到了各自的调速转速后才变为下降的调速特性线；
     加速踏板位置越大，调速转速越高
3. 两级调速：
   标定转速和低速起作用。中间转速由驾驶员直接控制油量调节杆
   
   • 每一个踏板位置只对应一条调速特性线；
   • 两级调速特性具有阶梯状变化特点；
   • 每一个加速踏板位置均在固定的低速 \(n_1\) 和标定转速 \(n_n\) 调速；
   • 加速踏板位置越大，曲线由下向上移动。

全程与两级调速器的性能对比¶

这就是供油量的图：全程——A-C-D-B；两极：A-C’-B，可见全程的供油量的幅度变化大，加速时不平稳

内燃机的运行特性¶

负荷特性：反映发动机的燃油经济性¶

• 
• 汽油机
  汽油机参数的变化，在转速不变的情况下。怠速的时候机械效率为 0
  指示热效率是开口向下的，因为低负荷时，节气门的开度小，废气量大，等容度小；高负荷时，为功率线，可燃混合气浓，不充分燃烧（总体上负荷越小，热效率越小）
  \(b_\mathrm{e}=\frac{K_2}{\eta_\mathrm{it}\eta_\mathrm{m}}\)：有效燃油消耗率（受机械效率和热效率的影响）
  \(B=K_{4}\frac{\phi_{\mathrm{c}}}{\phi_{\mathrm{a}}}n\)：汽油机的
• 柴油机：
  指示热效率：负荷低时，供油量少，燃烧持续期短，等容度高，指示热效率高（太低时，过稀）
  柴油机的油耗和负荷之间有很好的线性关系
  机械损失和转速有关，转速不变时损失不变，负荷越大，机械效率越高
  \(B=K_{\gamma}g_{\mathrm{b}}n\)
  柴油机有效燃油消耗率最佳的部分比较宽
• 同负荷条件下，汽油机 \(be\) > 柴油机 \(be\)
• 中、低负荷时，汽油机 \(be\) >> 柴油机 \(be\)

全特性曲线¶

全工况面内，速度特性与负荷特性的综合，用以分析多工况的性能。

• 五条重要的特性曲线
  1. 转矩外特性线
  2. 等油耗线
  3. 等功率线（该线与外特性曲线的交点是标定功率）
  4. 道路行驶阻力线
  5. 倒拖线

比较：左为柴油机，右为汽油机

1. 汽油机的最大转速高
2. 柴油机的油耗低，且油耗线不完整（因为柴油机混合气不能浓，只有一半），油耗线比较稀疏（变化比较缓）
   
   这是汽油机

内燃机与整车匹配¶

内燃机外特性与整车动力性¶

车辆输出力：（档位下）

最高车速、加速时间、最大爬坡度

• 最高车速：最高档位的线与阻力线的交点
• 最大的爬坡度：低档位的最大的驱动力

• 加速时间：换挡，使得从一个速度加速到另一个速度时始终是最大的驱动力和加速度（就是右边图的面积）
  怎么优化呢？

• 无级传动使整车具有最大的动力性能：

  • 最大驱动力 \(\text{a} \to \text{b}\)
  • 最大车速 \(\text{c} \to \text{d}\)
  • 储备功率增大
• 档位越高，覆盖的车速范围广

内燃机全特性与整车燃油经济性¶

使用百公里的油耗来衡量燃油经济性
百公里油耗（L/100 Km）

虚线表示每一个功率下的最佳的经济线，高档的线离最佳的经济更近，所以尽量使用高档

• 对于汽车任一工况，理论上可以合理选择 \(i_0\)、\(g_1\)、\(p_{me}\) 和 \(b_s\) 值，使 \(g_{100}\) 最小；
• 对无级传动（CVT），选择发动机等功率线上最低燃油耗率（黑点）来匹配，可以使汽车燃油经济性最佳。

改善整车经济性匹配的途径¶

• 内燃机：设法使内燃机万有特性低油耗区位于常用排挡、常用车速区。
  
  使得汽车对的特性区域对转速不敏感（汽车常用的转速很多）
  柴油机对功率不敏感
• 档位：在同一道路和车速条件下，尽可能使用高档；档位越多，增加了内燃机处于经济性工作状态的机会，有利于提高整车燃油经济性（如采用 CVT）。
• 行驶车速：接近于中等车速，使用油耗最低。
• 适用车速\(=(g_{100}/u)_{\text{min}}\)：既可节油，又可提高生产效率。

接下来是电驱的部分

纯电驱动系统¶

纯电驱动系统概述¶

纯电驱动系统定义及构成¶

• 定义：用动力电池存储的电直接驱动车辆，包括驱动电机系统、动力电池系统两部分。
  
  动力电池系统——>（通过逆变器：交直流转换）驱动电机系统——>变速/减速机构

纯电驱动系统拓扑结构¶

分为：

• 集中式驱动
• 分布式驱动：
  • 轮边电机
  • 轮毂电机
    
    上面的是集中式驱动，下面的是分布式驱动

驱动电机系统¶

构成¶

• 驱动电机系统：驱动电机、电机控制器及相关辅助装置的组合。
  • 驱动电机功能：实现电能与机械能之间转换的、可为车辆提供驱动力和制动力的电气装置。多数电动汽车的驱动电机既可以工作在电动状态来驱动车辆，也可以工作在发电状态来回馈制动能。
  • 电机控制器：将车载电源输出的电能转换为驱动电机所需电能的电力电子装置，可基于上层控制器的指令控制驱动电机的输出转速或输出转矩。
  • 相关辅助装置：保证驱动电机和驱动电机控制器正常工作的附件，如电气开关、冷却装置、线缆、保护用的熔断器等。
    
    虚线上方的是电机控制器，下方的是驱动电机

• 车用驱动电机多为旋转电机，通过电机控制器实现DC/AC 转换进行控制。
• 驱动电机：定子 + 转子
• 电机控制器：
  • 控制器框架
  • 主控电路：

驱动电机系统分类¶

• 两种电磁力的原理：
  • 电磁转矩
    两者磁场之间的相互作用
    • 分为直流电机和交流电机
    • 交流电机又分为同步电机和异步电机（交流感应电机）（异步电机转子的旋转速度低于定子磁场变化）
      交流感应电机转速高、成 本低、可靠性好，商用车 领域应用较多
    • 同步电机：中间是一个永磁体
    • PMSM：主要使用的是这种——永磁同步电机
      • 表嵌式：SPMSM
      • 内嵌式：IPMSM：还使用了磁阻转矩
  • 磁阻转矩的：SRM

驱动电机系统特性与效率¶

• 驱动电机机械特性：电机的转矩 - 转速关系，也称为电机的外特性。（全负荷）
  1. 按象限可分为四个区域：正向驱动区、反向制动区、反向驱动区和正向制动区。
     
  2. 在第一、四象限，存在恒转矩区和恒功率区，两个区域的转速边界即为电机的基速（通常也是设计的额定转速）。
  3. 相关参数：
     • \(T_m\)：电机的最大转矩；
     • T：电机的额定转矩；
     • \(n_m\)：电机的正向最高转速；
     • \(n_{mp}\)：电机的反向最高转速；
     • \(n_r\)：电机的额定转速 / 基速；
     • \(P_m\)：电机的最大功率；
     • P：电机的额定功率。
• 特性：
  1. 低速大扭矩
  2. 调速特性非常好
  3. 有短时过载的能力

• 驱动电机系统效率：
  交直流转换的功率（电机控制器损耗）和机械的功率（驱动电机损耗）

  $$
  \eta_{INV}=\frac{P_{AC}}{P_{DC}}\times100\%\quad\eta_{EM}=\frac{P_{M}}{P_{AC}}\times100\%
  $$
  
  总的来说：

  \[ \eta_{SYS}=\eta_{INV}\cdot\eta_{EM}=\frac{P_{M}}{P_{DC}}\times100\% \]

• 驱动电机损耗

  • 铜损：电机绕组等效电阻产生的损耗。
  • 铁损：电机铁心产生的损耗，主要为磁滞损耗（Hysteresis Loss）和涡流损耗（Eddy Current Loss）。
  • 机械损耗：电机转动过程中，因机械摩擦、风阻等产生的损耗。
  • 杂散损耗：其他损耗的总和。
• 电机控制器损耗
  • 主电路（Main Circuit Loss）：（主要的）
    主要包括电力电子器件的损耗（Power Device Loss）和支撑电容器（DC-link Capacitor Loss）的损耗，其中以电力电子器件损耗为主。
    电力电子器件的损耗包括开关损耗（Switching Loss）和通态损耗（Conduction Loss）。
  • 控制电路（Control Circuit Loss）：（低压回路的损失，少数的）
    主要包括 MCU、驱动电路、保护电路等产生的损耗。

万有特性曲线：

电机控制器和驱动电机的最高效率都很高

上述是外特性曲线，低速大扭矩和高速大功率都满足了

永磁同步电机工作原理¶

• 表贴式永磁同步电机（SPMSM）

  表贴式永磁同步电机（SPMSM），直轴和交轴磁路磁阻近似相等，直轴和交轴电感近似相等，电机转矩可以认为只包含电磁转矩。
  

• 内置式永磁同步电机（IPMSM）

  内置式永磁同步电机（IPMSM），直轴磁路磁阻相比交轴更大，直轴电感相比交轴电感更小，电机转矩包含电磁转矩和磁阻转矩，有助于提高电机过载能力、转矩和功率密度，方便弱磁控制拓宽高速范围。
  
  转矩的表达式：

\(d\)：直轴
\(q\)：交轴
将定子电流分解为 \(i_d,i_q\) 两个正交分量

• 永磁同步电机矢量控制（FOC）
  1. 根据电机目标转矩 \(T^*\)，按照选定控制策略计算直轴和交轴电流目标值 \(i_d^*\) 和 \(i_q^*\)；
  2. 对电机三相定子绕组实际电流\(i_A\)、\(i_B\) 和 \(i_C\) 进行采样，通过坐标变换得到实际的直轴和交轴电流 \(i_d\) 和 \(i_q\)；
  3. 基于 \(i_d^*\) 和 \(i_q^*\)，对 \(i_d\) 和 \(i_q\) 进行闭环反馈控制，得到定子绕组目标电压 \(u_d^*\) 和 \(u_q^*\)；
  4. 根据 \(u_d^*\) 和 \(u_q^*\)，利用坐标反变换得到静止坐标系下的 \(u_\alpha^*\) 和 \(u_\beta^*\) 或 \(u_A^*\)、\(u_B^*\) 和 \(u_C^*\)；
  5. 根据 \(u_\alpha^*\) 和 \(u_\beta^*\) 或 \(u_A^*\)、\(u_B^*\) 和 \(u_C^*\)，控制电机控制器中电力电子器件的通断，实现对 \(i_d\) 和 \(i_q\)、转矩 T 的控制。
     所以先对两个轴的电流进行闭环控制
     目标电流是通过目标扭矩来确定的
     可能还由目标的转速控制（在转速控制的模式下）

动力电池系统¶

车用动力电池概述¶

• 动力电池定义

  用于驱动电动车、船、飞行器等移动装置的可充电式电池，属于电化学储能部件。

• 动力电池特点

  较高的体积 / 质量能量密度、一定的功率密度、较宽的工作温度范围、较长的使用寿命、极高的安全性。

• 动力电池分类

  按照电池材料体系，分为铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池，其中后者又分为磷酸铁锂、三元锂等类型。
  锂离子电池是目前电驱系统的首选
  

锂离子电池工作原理¶

• 工作原理
  锂离子（\(\text{Li}^+\)）在正负极间反复脱出 / 嵌入。
• 主要特点
  1. 属于氧化还原反应，存在元素价态改变与电子得失；
  2. 正常情况，锂在正、负极始终保持\(\text{Li}^+\) 态，正极其他金属元素存在价态变化，如钴酸锂\({Co^{+3/+4}}\)、磷酸铁锂\({Fe^{+2/+3}}\)、锰酸锂\({Mn^{+2/+3/+4}}\)；
  3. 正负极材料主要结构不发生改变，物质可逆；
  4. 充放电能量转换效率高（\(\geq98\%\)）。
     
     

锂离子电池材料与部件¶

• 离子通道：
  1. 正极活性材料：不同正极活性材料在性能、成本上有差别，用于不同场景。
     
  2. 大规模使用的最常见的负极材料为石墨（Graphite），其他新型负极材料也有一定规模应用，如硅碳材料（SiC）、钛酸锂（LTO）、碳纳米管（CNT）、石墨烯（Graphene）等。
• 电解液：
  1. 电解液组分：
     • 高纯度有机溶剂：如碳酸乙烯酯 EC、碳酸二甲酯 DMC、碳酸二乙酯 DEC 等；
     • 锂盐：如六氟磷酸锂 LiPF₆，易溶于有机溶剂，可高度电离，具有良好的离子电导率（1mol/L）；
     • 添加剂：用于阻燃、成膜等，含量较少。
  2. 存在位置：
     • 负极多孔电极内部孔隙；
     • 多孔隔膜的内部孔隙；
     • 电池壳体内的其他自由位置。
• 隔膜：用于隔离和饱和正负极

• 电子通路（其他的正负极固相材料）：正负极物质不仅有反应物活性材料，还至少包括导电剂、粘结剂等其他功能性材料。
  
• 电子通路（集流体）：
  1. 主要功能：作为正、负极材料的涂敷载体
  2. 常用材料：正极用铝箔，负极用铜箔
  3. 箔材厚度：4~15μm，厚度越薄，材料用量越少
• 电子通路（极耳）
  1. 主要功能：连接集流体和外电路（相当于电流的输出入的端口）
  2. 常用材料：正极用铝（Al），负极用镀镍铜（Ni-plated Cu）
  3. 极耳厚度：包含金属层、胶层（密封性），约 100μm，远大于集流体，具备一定机械强度
• 锂电池的多层结构与极耳位置：
  
  内部有多对并联的电极对
  正负极片交替排列，中间夹有隔膜
• 外包材料：硬壳电池与软包电池

锂离子电池性能参数¶

• 开路电压（OCV/E）
  • 定义：开路状态下，无外电流时，电池两端测得的电压
  • 影响因素：
  • 电池的荷电状态（SOC）、材料体系
    不同的材料体系中的曲线——
  • 温度、老化或健康状态（SOH）
    
• 端电压/工作电压：
  1. 定义：端电压是指电池带有负载时正负极两端的实际电压。
  2. 与开路电压的差异：该差异是由电池内阻引起的电压降导致的。
     
• 电流与相对电流倍率：
  1. 电流：绝对数值
  2. 相对电流倍率：电池 x 小时从满放空，则放电倍率为 1/xC，表示放电电流的相对大小，使不同 Ah 电池的工作强度具有可比性。
     
• 电池容量：
  1. 参数定义：电池能够放出的电量大小，一般以安时（Ah）为单位，1Ah=以 1A 可从满到空放电 1h，\(1Ah=3600A·s=3600C\)。
  2. 因素：
     • 电池实际容量会随正负极材料、电池体积、电流倍率、电池健康状态的增大而减小。
     • 描述规律：两者关系可通过 Peukert law（佩克特定律） 描述。
     • 参考标准：常用1/25C 放电倍率下测定的实际容量，被认为是电池能放出的最大热力学容量。
       普克定律：

• 电池能量：
  1. 参数定义：
     电池容量是指电池内部存储并可放出的能量，以 Wh 为单位（与焦耳同属能量单位，换算关系：\(1Wh = 1W×3600s = 3600J\)）。
  2. 影响因素：
     • 材料克容量：单位为 mAh/g，代表单位质量材料储存自由电荷的能力；
     • 体系电压：与正负极材料平衡电位、电解液浓度、支持体系的兼容性相关。

• 荷电状态：

  1. SOC 参数定义：电池当前可用容量占标称容量的百分比：
  \[ SOC_t=\frac{C_t}{C_{nom}}\times100\% \]
  1. 计算方法：安时积分法：
  \[ SOC_t=SOC_0-\frac{1}{C_{nom}}\int_0^t\eta Idt \]

• 直流内阻：

  1. 参数定义
     • 是电池功率特性的重要指标
     • 电池存在内阻，会导致产热（产热公式：\(I^2R\)，单位：W）
  2. 影响因素
     • 电池 SOC（荷电状态）
     • 电池温度
     • 电池健康状态 SOH
     • 变化特点：长周期（不同老化状态）、短周期（某次工作）中均剧烈变化
  3. 内阻的影响
     • 欧姆产热使电池效率低于 100%
     • 对比各类能量转换装置：电池充放电效率最高，一般大于 90%
• 健康状态：
  1. 参数定义
     • 电池当前最大放电容量与初始状态下最大放电容量的比值
     • 也可使用内阻增长率等进行定义，取值范围 0-100%
  2. 影响因素
     • 与电池老化过程密切相关
     • 具体影响因素：温度、充放电电流、充放电截止电压、外部机械加载等

燃料电池动力系统原理¶

燃料电池概述¶

• 定义：燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的电化学装置，又称电化学发电器。
• 特点：
  1. 通过电化学反应将化学能转化为电能
  2. 工作过程中与外界存在持续的物质和能量交换，是一个开放系统。
     

分类¶

PEMFC 的工作原理¶

基本原理¶

1. 阳极侧反应
   • 氢气通过双极板表面流道，经气体扩散层到达膜电极阳极催化层；
   • 在阳极催化剂作用下，氢气被催化分解为质子（氢离子）和电子。
2. 质子和电子传输
   • 质子（氢离子）进入质子交换膜，与膜中磺酸基团的氢离子发生交换，最终到达阴极；
   • 电子通过气体扩散层、双极板，流经外部负载后，到达阴极催化层。
3. 阴极侧反应
   • 氧气通过双极板表面流道，经阴极扩散层到达膜电极阴极催化层；
   • 氧气与质子、电子结合，生成水并释放热量。

组成以及结构¶

• 电堆结构：
  燃料电池电堆常用功率范围 50-150 kW，由几百片单体串联层叠而成，每片单体面积 \(200-300 cm^2\)，工作电压 0.5-1.0 V。
  
• 单体结构：
  
  燃料电池单体主要是双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成
• 质子交换膜
  1. 核心功能
     • 作为燃料电池电化学反应的电解质，起到传递质子、隔绝阴阳极反应气的作用。
  2. 性能要求
     • 稳定不降解
     • 传导质子能力高
     • 气体渗透系数和溶胀系数低
     • 机械强度和柔韧性高
  3. 常见类型
     • 全氟磺酸膜（磺酸集团，亲水的集团，形成 H 离子通道），所以质子交换膜上要有一定的水分子
     • 非全氟磺酸膜
     • 耐热质子交换膜
• 催化剂层：
  1. 核心作用
     • 提供电化学反应的三相界面，加速电子 - 质子交换膜界面的电荷转移反应
  2. 结构形式
     • 载体（碳）上附着细小的金属颗粒
  3. 性能要求
     • 良好的导电性
     • 耐腐蚀性
     • 较高的催化活性
       
• 气体扩散层（基底层 + 微孔层）
  1. 功能
     • 传质、导电（要将电子传输到催化等）、传热（冷却液在双极板中，所以需要通过气体扩散层传到反应的地方）以及支撑催化层，分基底层和微孔层 MPL 两部分
  2. 要求
     • 高孔隙率、小接触电阻、高电导率和良好的导热性
     • 稳定不易降解、溶胀率小和强度高（常用石墨化碳纸或碳布）
       
• 双极板：
  1. 布置有气体和冷却液流道，提供反应气体并及时排出水，在电堆中起到电池串联（一个单体的阳极、另一个的阴极）、耗散反应热、密封等作用。
  2. 材料要求电导率高、导热性好、气体渗透率低、耐蚀性好及强度高，同时轻薄

双极板的流道的设计

电压计算方法¶

• PEMFC 极化曲线（伏安特性曲线）
  1. 在一定的温度、压力条件下，燃料电池工作电压（V）随电流（I）的增加而减小，V 和 I 的关系曲线称为伏安特性曲线、极化曲线。
     
     \(E_N\)：电池的开路电压——可逆电动势（也就是能斯特电压）
     \(E_H^0\)：标准状态下燃料电池的热平衡电势
     \(E_N^0\)：标准状态下燃料电池的可逆电动势
  2. 燃料电池电压极化（也就是电压损失）可分为活化极化（ηact）、浓差极化（ηconc）和欧姆极化 （ηohm）；
  3. 也可按电极特性分为阳极极化 （ ηa ） 、阴极极化 （ ηc ） 和欧姆极化 （ηohm）。

• \(E_H^0\) 的计算：
  标准状态热平衡电势是指与氢气在标准状态（1.013bar、25℃）下的低热值或高热值（两个热值，燃料电池生成的时液态水，所以主要使用的是高热值）所对应的电势

\(E_{H}^{0}\)：
\(\Delta H^0\): 标准状态 化学反应过程的焓变化 （氢气热值）
F：为法拉第常数
2 表示氢气氧化转移 2 mol 的电子

• \(E_N^0\) 的计算

就是将上一个的焓变变为自由能的变化
\(\Delta G=\Delta H-T\Delta S\)
所以两者的主要差异是熵增的不可逆损失的能量

1. 反应生成物为气态水时
   • ΔG = -228.6kJ/mol
   • 标准状态可逆电动势 = 1.185V
2. 反应生成物为液态水时
   • ΔG = -237.3kJ/mol
   • 标准状态可逆电动势 = 1.229V

• 能斯特电压 \(E_N\) 的计算：

气态时候的公式：后面的 \(ln\) 中的内容就是压力相对于标准大气压的比值（就是计算热平衡的式子）

当产物为液态水时，上述的方程简化为：

\(E_{T}^{0}\) 表示表示不同温度下，标准大气压下的能斯特电压
工作压力上升，温度上升（一般情况下，当对数项>0 时），该电压上升

• 活化极化：
  电化学反应克服活化能壁垒导致的极化，由巴特勒 - 福尔默方程描述给出。
  
  1. 交换电流密度 \(i_0\)，阴极远小于阳极，因此阴极活化过电位远大于阳极，阳极活化过电位通常忽略不计；
  2. 工作电流密度 i 远大于交换电流密度 i0， B-V 方程中逆向反应产生的电流密度可忽略。
     两者交换的电流为：

后面的一项较小，主要是正向反应的交换电流密度

活化电极电位为：

主要改变的就是正向反应的交换电流密度：

燃料电池实际工作过程中，总有少量氢气会从阳极扩散到阴极、氧气从阴极扩散到阳极，少量电子从阳极渗透到阴极，等效于燃料电池内部有电流，尤其在燃料电池工作于开路状态或极低电流时，内部电流不能忽略。

• 欧姆极化：
  由于电池内阻 Rohm 所产生的极化，包括离子电阻 Rohm,i、电子电阻 Rohm,e 和接触电阻 Rohm,c。

  1. 离子电阻：\(\sigma_{m}=(b_{1}\lambda_{m}-b_{2})e^{b_{3}\left(\frac{1}{T_{R}}-\frac{1}{T}\right)}\)，\(R_{ohm,i}=\frac{L_{m}}{\sigma_{m}}\)
     所以使得含水量高，反应温度高就能降低离子电阻
  \[ R_{ohm}=R_{ohm,i}+R_{ohm,e}+R_{ohm,c} \]

• 浓差极化
  由于催化剂表面反应物浓度低于反应物总浓度而造成的电压损失。（流道中的浓度到催化剂表面的扩散系数跟不上反应的速度）

上述为电池极限电流密度

浓差极化电压的表示：

• 燃料电池工作电压：
  1. 工作温度 100℃以下，反应生成液态水；
  2. 气体压力、浓度为双极板流道中的值；
  3. 由于阴极交换电流密度比阳极低几个数量级，忽略阳极活化过电位；
  4. 由于阴极气体扩散系数和体积浓度低于阳极气体，忽略阴极浓差极化；
  5. 电子电阻比离子电阻和接触电阻小几个数量级，忽略电子电阻。

所以总的来说：

性能影响因素¶

由上面的分析：
燃料电池电压受温度、压力、湿度、电堆 结构、反应气纯度等诸多因素的影响。

燃料电池效率 \(\eta_{fc}\)¶

1. \(\eta_{T0}\)：标况下热力学效率（能达到的最高效率）（熵增造成的不可逆损失）
2. \(\eta_v\)：\(\eta_{v}=\frac{V}{E_{N}^{0}}\)，电压效率（取决于活化/过电位），也就是电压损失掉的
3. \(\eta_{I}=\frac{It}{2m_{H2}F\mu_{f}}=\frac{I}{I+I_{loss}}\)：电流效率，非常接近一，漏电流产生的
4. \(\mu_f\)：燃料利用率，就是参与了电化学反应的燃料

燃料电池理论热效率和内燃机卡诺循环的理论热效率比较

PEMFC 发动机原理¶

燃料电池发动机构成¶

燃料电池发动机（也称燃料电池系统），是燃料电池电堆与附件系统的总成。

• 空气系统
  提供空气 / 氧气，分为自吸式和增压式
• 氢气系统
  提供氢气，高压气态储氢，采用盲端或循环结构
  1. 盲端阳极式：
  阳极入口处用比例阀控制入口压力，出口处则用尾排阀定时开启排除积累在电堆阳极侧的水分和氢气。
  
  1. 氢气再循环式：
     提高氢气利用率，同时电堆出口氢气携带了较多水分，也可以起到增湿进气作用
     
• 增湿系统
  保证质子交换膜具有适当的含水量和较高的电导率，通常采用阴极增湿方案，分外部增湿、内部自增湿
• 热管理系统
  带走电堆运行产生的热量，使电堆工作在合适的温度
  
  冷却 + 加热系统
• 电控系统
  包括 FCC、单（多片）电压巡检系统、DC/DC 变换器、各种温度 / 压力 / 流量 / 湿度传感器和 CAN 网络
  
• 空气系统 + 增湿系统：
  

燃料电池发动机工作特性¶

燃料电池发动机工作特性参数主要有： 燃料电池发动机净功率 Pfce、燃料电池发动机效率ηfce。

\(P_{aux}\) 为附件消耗功率
\(P_{fc}\) 为电堆的功率
\(P_{fce}\) 为最后输出的功率

燃料电池动力系统原理¶

燃料电池动力系统¶

燃料电池不能充电，且燃料电池输出的特性偏向稳态运行

• 燃料电池为主动力源的动力系统 (fuel cell dominant, FCDP)，又称“功率型”动力系统；
  
• 锂电池为主动力源的动力系统 (battery dominant powertrain, BDP)，又称“能量型”动力系统。（一般采用这种形式）
  
  燃料电池发动机提供车辆运行所需要的平均功率，而动力电池承担动态加载和制动能量回收功率，优化燃料电池性能和耐久性。
  

混合动力系统原理¶

概述¶

定义：¶

• 广义：由两个或多个动力源单独或同时驱动车辆的动力系统，称为车用混合动力系统。
• 狭义：采用内燃机和电机作为动力源，两种动力可以单独驱动车辆，也可以联合驱动车辆（HEV/PHEV）

分类¶

• 依据动力连接方式划分：
  
  • 混联式动力分配：发动机的功率向发电机和机械直接驱动（依靠行星齿轮进行动力）
  • 混联式离合器
• 依据电机功率混合比划分
  • 微混合：驱动功率主要来自内燃机，电机用于辅助内燃机启停及有限的制动能量回收。（48V、BSG：安装在皮带轮侧）
  • 轻混合：驱动功率仍以内燃机为主，电机用于助力，可回收更多制动能量。（ISG：安装在发动机飞轮侧，机械硬联接的方式）
  • 深混合：电机功率和内燃机功率比例接近，具备一定里程的纯电驱动。
  • 全混合：驱动功率全部由电机提供，内燃机通过发电提供电能（串联式混动、增程式混动）。
  • PHEV 混动：通过外接插头获取电能，电驱化程度更高，利用电网低谷充电，使用成本低，同时无 EV 里程焦虑问题。
    混合比：\(\frac{\sum P_{\mathrm{mot}}}{\sum\left(P_{\mathrm{mot}}+P_{\mathrm{cag}}\right)}\)
• 依据电机布置位置划分：
  P0：电机位于内燃机前端皮带上，如 \(48V\) 系统的 BSG（微混）功率为 10% 以下
  P1：电机位于内燃机曲轴输出端，如 ISG（轻混）
  P2：电机位于内燃机与变速箱之间、离合器之后（深混）（可以实现纯电行驶）
  P3：电机位于变速箱输出端，与内燃机共享输出（深混）
  P4：电机与内燃机轴分离，驱动无动力车轮（纯电、全混）
  PS：功率分流（混联）
  

节能的原理¶

• 优化内燃机工作区域：在内燃机工作效率低的区域使用电动，内燃机尽量聚焦高效区。
  这个图像是内燃机的能量损失
  
  
  现在有两个动力源，使得发动机可以工作在高效的区域
• 减少怠速工作状态：停车状态等待时，关闭内燃机减少功耗，依靠驱动电机完成车辆迅速起步并快速启动内燃机。
• 高效制动能量回收：通过电机反拖发电将制动动能转化成电能回馈到动力电池中用于后续驱动。（电机的工作是双向的，实现能量回收）
• 使用 Plug-In 插电：通过外接充电获取电网能源到动力电池中，直接从能源上部分替代燃油。

混合动力的优势¶

1. 无续航焦虑：续航里程和燃油车等同，不存在电动车里程顾虑问题；
2. 动力性更优：内燃机提供持续功率，电池提供瞬态工况，整车动力性更好；
3. 能量可回收：制动再生系统可在制动和下坡时回收动能再利用；
4. 优化内燃机工况：减少怠速工况，内燃机运行工况区域更窄，聚焦高效区，方便优化排放；
5. 补能便捷：可以利用现有加油站加油；
6. 电池性能更优：动力电池多数时间保持在 “浅充浅放” 工作状态，有效避免过充过放，安全性高、寿命长、成本低。

缺点在于动力系统的结构负责，技术难度大，价格也较高

• HEV 、PHEV 节油潜力
  
  混合电动化

构型及其工作模式¶

串联式混合动力系统¶

• 构型特点：
  
  1. 内燃机只带动发电机发电，不直接为车辆提供驱动力，主要由电机单独驱动车辆；
  2. 内燃机和发电机构成辅助动力单元（APU 或增程器），发出的电能可直接供给主电机驱动车辆，也可存储在动力电池中。
• 构型优缺点：
  1. 优点：内燃机与车辆行驶工况解耦，可始终工作在高效和低排放工况区间；（串联的工作区域最小，甚至是在最佳的工作点工作）
  2. 优点：市区工况节能明显（启停是比较多），高速工况因存在多次能量转换转换效率低；
  3. 缺点：双电机功率要求较高，成本偏高。

工作模式：

1. 纯电动驱动模式（大部分的工况都是纯电的驱动）：
   
2. 内燃机、电机联合驱动（功率分配）
   
   此时的电池有可能充电或者放电（根据工况的）
3. 制动能量回收：
   
4. 停车充电模式：
   

并联混合动力系统¶

• 构型特点：内燃机和电驱动系统通过动力耦合装置与驱动轴连接，可以单独或共同驱动车辆。
  有很多种的构型，根据电机的位置不同
• 优缺点：
  1. 优点：两套动力源，整车动力性更好；
  2. 优点：内燃机可以直驱，减少能量转换损失；
  3. 优点：电驱动系统优化内燃机负荷率（并联是使得发动机的扭矩与工况解耦），提高整车燃油经济性；
  4. 优点：与串联构型相比，电机功率需求降低；
  5. 缺点：需要配置离合器、变速器等传动部件，结构复杂，控制难度大；
  6. 缺点：内燃机与车辆工况无法完全解耦。

工作模式：

1. 内燃机启停模式
   P0/P1/P2 等构型，将内燃机与传动系统脱开，通过电机实现内燃机快速启动，减少怠速工况。
2. 纯电驱动模式：
   P2/P3/P4 等构型，在电池 SOC 较高和车辆需求功率较低时，通过离合器分离断开内燃机与传动系统，可实现纯电驱动模式。
3. 混合驱动模式：
   1. 在 P0/P1/P2/P2.5/P3/P4 等状态下，当离合器处于结合状态时，内燃机与电机可实现混合驱动；
   2. 车辆加速或上坡时，电机处于电动模式，动力电池供电；
   3. 车辆中低速巡航或动力电池 SOC 较低时，电机处于发电模式，为动力电池充电。（电机可以既是电动机又是发电机）
4. 制动能量回收模式：
   1. 制动能量回收模式：在 P0/P1/P2/P2.5/P3/P4 等构型工作在减速制动时，车辆机械能进行回收转换，将电能为动力电池充电；
   2. 制动能量回收模式：P0/P1 构型处于制动能量回收模式时，内燃机可以先断油处理；（内燃机会倒拖，回收能量的效率不高）
   3. 制动能量回收模式：处于 P2/P2.5/P3/P4 等构型，可通过离合器断开内燃机。
      P 2：
      
   4. 本田 i-DCD：
      

混联混合动力系统¶

• 构型特点：
  混联系统兼具串联和并联构型的特点，至少需要两个电机（包含发电机、电动机 / 制动能量回收电机），具体可分为功率分流式、串并联式。
• 构型优缺点：
  1. 优点：融合了串联和并联两种构型的优点，能通过内燃机、发电 / 电动机等部件的更多组合，最大限度提升整车动力性和经济性；
  2. 缺点：结构和控制策略较复杂，系统成本较高，同时动力系统布置存在一定困难。
     
     

丰田的功率分流：

• 三个：太阳轮——发电机；行星架——发动机；行星——电动机

• 上图的左边为转速的关系（在同一条直线上），右图是扭矩的关系（满足力的平衡）

• 发动机按固定比例分配动力到发电机和驱动轮；

• 发动机转速与发电 / 电动机转速相关，受发电 / 电动机转速控制；（调节发电机的转速，从而优化发动机的工作区域）（工作在低速高负荷的区域）（电动机的转速=实际车轮转速）（电机的目标转 速，发动机的目标转矩）
• 发动机功率通过 “发动机扭矩 × 发动机转速” 计算，分配比例由发动机扭矩、发电 / 电动机扭矩共同决定。
  
• 发电机是太阳轮：发电机转速可以随意控制
  电动机是行星轮
  功率分配的是发动机到电动机和发电机的功率

1. 起步、低负荷行驶：纯电行驶：
   
2. 低负荷转为中等负荷行驶：发动机启动（通过发电机倒拖）
   
3. 中负荷行驶：（混合驱动）（电池不提供能量）
   发动机的功率提供给电动机和发电机
   所以发动机的功率是确定的，但是可以调节转速（发电机），从而使得工作在高效率的区域
   
4. 中高/中低负荷行驶：混合驱动 （电池放电/电池充电）
   不仅有发动机的功率，还有电池提供的功率
   

5. 减速行驶：电动机再生制动
   

6. 本田 iM M D 混合动力系统 （ 串并联 ）

   1. 使用离合器而非行星齿轮机构，通过离合器的断开和结合实现不同的工作模式，故又称为开关式；
   2. 当离合器断开时，内燃机带动发电机工作，产生的电能供电动机驱动车轮，系统具有串联构型特征；（只发电，完全解耦）
   3. 当离合器结合时，内燃机动力直接传递到输出轴，与电动机共同驱动车轮，系统具有并联构型特征；（发动机不仅能发电，还与驱动桥联接）
   4. 具备工作模式：纯电动、混合驱动、内燃机直驱、制动能量回收。
      
      实际上就是在串联的基础上加上高速时的发动机直驱（从而减少串联时高速多次能量转换的损耗）
      
   5. 发动机功率与输出（驱动桥）功率的解耦是通过电池的充放电（使得发动机的功率最佳）
   6. 发动机与驱动桥之间还可以机械解耦，从而使得发动机工作在低速高负荷
   7. 直驱时（此时的转速为最佳的，但是扭矩不是），可以通过电动机的边缘驱动，可以略微调整发动机输出的扭矩，实现与驱动桥的扭矩的解耦

7. 比亚迪超级混动 D M -i（ 串并联）

   1. 纯电模式：发动机不启动，离合器分离，驱动电机单独驱动；
   2. 增程模式：发动机启动带动发电机发电，离合器分离，驱动电机单独驱动；（串联，只发电）
   3. 混动模式：（并联）
      • 巡航模式：发动机启动，离合器结合驱动车辆，两电机不工作；
      • 巡航发电模式：发动机启动，发电机给电池充电，离合器结合驱动车辆，驱动电机不工作；
      • 加速模式：发动机启动，离合器结合，两电机和发动机共同驱动车辆；（发电机也可以作为驱动）
   4. 回收模式：离合器断开，驱动电机回收车辆动能。

混动能量管理系统¶

混动系统控制策略概述¶

上层——>中层（动态协调控制）：不同工作模式的切换，动力的分配——>底层（实时动态控制）

优化的目标：

1. 在满足各个部件功率限制的条件下（发电机的最大功率）（电池的 SOC）
2. 满足功率、排放、NVH 等等要求

串联混动的动力能量管理策略¶

• 恒温器控制 Thermostat
  策略特点：
  1. 以动力电池 SOC 作为触发信号控制内燃机的启停；
  2. 内燃机运行工况点取决于油耗、排放、噪音等多种因素；
  3. 动力电池 SOC 被期望控制在两个高低阈值之间。
     优缺点：
  4. 优点：算法简单、实现方便，同时内燃机定点工作，有利于降低油耗和排放；
  5. 缺点：电池 SOC 变化幅度大，影响寿命，噪音问题突出（发动机的转速和负荷比较高）。
• 功率跟随策略 Power Follower
  策略特点：
  1. 根据动力电池 SOC 和功率需求确定内燃机的工作状态；
  2. 内燃机输出功率跟随车辆功率需求变化，同时维持动力电池 SOC 在一定范围。
     优缺点：
  3. 优点：避免动力电池频繁充放电，优化了电池工作状态；
  4. 缺点：
     1. 内燃机瞬态工况比例增加，性能变差；
     2. 需要平衡内燃机工况切换和电池充放电，工程上通常采用多点功率跟随。

并联式混合动力能量管理策略¶

• 基线能量管理策略 BaselineControl
  1. 车速较低时关闭内燃机，完全使用电机进行驱动；
  2. 转矩需求超过内燃机外特性时，使用电机进行补充；
  3. 转矩需求较低时关闭内燃机，完全使用电机进行驱动；
  4. 动力电池 SOC 低于一定限度时，内燃机提供额外转矩使电机进行发电，且内燃机转矩不能低于最小工作转矩线。
     

混联混合动力能量管理策略¶

1. 丰田 THS
   1. 纯电动、制动能量回收模式：内燃机关闭，不涉及能量管理；
   2. 基于单排行星齿轮动力耦合装置：通过发动机扭矩 / 发电机转速调整（功率分流调整），使发动机沿等功率线收窄经济运行线，行星齿轮等效于 E-CVT；
   3. 基于动力电池充放电功能：通过发电机与驱动电机功率分配，实现发动机与驱动桥功率解耦，让发动机沿经济运行线进一步收窄高效运行区域。
2. 本田 i-MMD 系统
   1. 纯电动、制动能量回收模式
      内燃机关闭，不涉及能量管理。
   2. 混合驱动（Hybrid Drive）模式（串联构型）
      内燃机和驱动桥机械解耦，通过动力电池充放电补偿，使内燃机在经济运行线上并始终处在最佳油耗区。
   3. 混合驱动（Hybrid Drive）模式（并联构型）
      内燃机和电机同时驱动，通过电机扭矩补偿，使内燃机负荷水平处在最佳燃油经济性位置。

CDCS 策略：

其他的混合动力能量管理策略¶

• ECMS 算法：将电池视为可逆“油箱” ，电量消耗等效为燃油消耗，PMP 极小值原理求解等效油耗最小能量决策。

• DP 算法：将混动能量管理视为多阶段决策过程，动态规划求解最佳决策序列，通常结合 MPC、模式识别等算法。

• 预见性、智能化能量管理策略：

  1. 长时 SOC 轨迹规划：获取实时交通数据、路径信息，预测长时车速变化，据此规划最优动力电池 SOC 轨迹；
  2. 短时车速预测：融合历史车速、前车状态、交通信号灯等信息，预测并捕捉短时车速变化；
  3. 能量流控制与 SOC 跟踪：通过 MPC（模型预测）/DP 方法规划短时能量流分配序列，实现 SOC 轨迹跟踪控制（也可基于 ECMS/RB）。

SOC 的轨迹

复习¶

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