研究发动机混合传动用汽车应用能量转换系统
文：赫曼•罗腾格鲁贝尔和埃克•克里斯蒂安•托德森，马德格堡
汽车和发动机工业目前必须面对的一个巨大的挑战就是已经呈现出的一种结构和科技革新。
市场的发展是由持续性、客户期望和市场竞争三方面相互角力相互促进的。新颁布的且苛刻的排放规定需要我们主动适应新的要求。
可观的动态测试周期，例如WLTC(世界轻型汽车测试规程)以及在实际交通工具中进行废气测试（实际驾驶废气排放＝RDE），这些测试都已经计划好的，直到一个十年结束都是强制进行的。这会出现一种结果，在废气排放技术的特性曲线（图1）中宽广的高压区会变得意义重大，汽车制造商会面临利益冲突，此外还有过高的废气处理费用或者增加燃油消耗的结果。
基于这些限制条件，越来越严苛的CO2废气排放规定在鞭策着全世界（图2），以下概括出的主题便是发动机制造的大势所趋：
> 传动结构的电气化；
> 通过精简而高的高增压度以及热力学和摩擦工艺的优化来提高单位功率，从而达到提高内燃机效率的目的；
> 整车的能源管理线路要相互连接；
> 引进其它可选择的燃油，满足资源可支配性和气候保护；
> 提高固定汽车构件和联动装置构件的方案多样性；
> 轻型结构；
关于轿车技术，目前要认清一种明确的趋势，部分架构已经实现汽油和柴油发动机内部的组合部件结构（图3）。
> 来自宝马最新的，今年介绍过的，直列式发动机组合部件；
> 来自沃尔沃的纯四气缸发动机组合部件；
> 来自马自达的创驰蓝天－汽油和柴油发动机家族；
> 以及来自大众的横置发动机模块技术和来自奥迪的纵向发动机系统；
混合化和电气化的趋势
轿车传动系统的电气化在几年前就曾被积极推行过。原因在于能减少城市交通中的CO2排放，这是目前在合法的认证循环中被认为极具优势的。所有内燃机都被证明一点，即极差的部分负荷效率，以及在“停止和启动”－传动过程中，制动能－回收利用（余热利用）将大大影响燃油消耗，因此混合化和电气化对于短程交通而言意义重大。
纯电动车对于用户而言有各式各样的缺点，中期内无法去克服，归结到底还是集中在蓄电池上，也就是电池系统。
基于上述理由，相对于电池－电力轿车，日益增强的混合化传动系统极有可能成为一个非常重要的科技转折点。
混合传动系统的分类首先根据混合度来区别，也就是说在混合传动系中，电力操纵的支持达到何种程度：在微量和轻度混合传动系中，一般来说不可能有电力操纵驾驶。它们所呈现的功能有，例如：启停系统，余热利用和增压运转。
首先，全混合动力可以描述为电动驾驶。插电式实现了外部充电以及大多数行驶依靠着更大的电池电容，使得电力有效行程得以提高。
电动轿车行驶只依靠电力，因此并不是混合动力轿车。（图4）
全混合动力或插电式混合动力区别于它们的构造以及产生的能流。
节本：
挑战性的立法，燃油消耗及废气排放继续限制，内燃机需要稳定的发展。这个进程必然涉及来自顾客期望、巨大的竞争压力，以及不同的传动装置形式（例如电动驱动式）。
这份报告是概述目前的发动机技术下所涉及到的铸造技术。
混合动力化关键是缩小体积对比，混合动力的发动机技术更早前就开始研究了。在这里还有其它发展进程值得期待。令人兴奋的材料组合。其它可供选择的燃料一直是汽车生产商关注的焦点，要注意的当然还有材料的相容性。最后要专注的就是未来的发展和当前的研究工作。
但这样也会引起一种结果，车辆在停车状态时不能被充电。
混合动力驱动装置在功率分流时，将电动机驱动的和内燃机驱动的功率路径通过一个行星齿轮变速器联合。因此可以达到一个行驶舒适性的目的，但是对应的，也会有相对更高的制造费用。
串联式混合动力仅仅靠电动机驱动车辆，内燃机和传动轴之间没有直接的连杆。
电动车行驶只依靠纯电力。纯电动车的有效行程首先由于蓄能器的高密度受到限制。因此电动车可以添加一个所谓的增程器。这个一般用于小尺寸的内燃机上，最常应用于二冲程。串联式混合动力的内燃机区别于增程器的构造，因此有功率级之分。后来的构造通过配合一个更大的电池电容使用。焦点朝着电动车的方向日益增强，这个界限的定义是模糊的并且还没有一个确切的结论。
配置增程器的电动车有一个实例，即宝马i3。汽油机来源于宝马的轻型摩托车模型,两个气缸分别
并行式混合动力在部分负荷范围中有极大的优势，在内燃机向传动轴推进时可以显示这种优势。除此之 外这种类型还需要一台电机。轴裂式混合驱动实现了牵引力的附加功率。内燃机和电动机作用于两个轴。
有647cm3的工作容积以及提供25kw。i3的电力有效行程结合实际情况总计达到130至160km。加上增程器的辅助可以使有效行程几乎增加一倍。更重要的是，加上增程器之后不仅可以在运作时减少废气排放而且具有更少的NVH值（NVH：噪音－震动－粗糙度：即内燃机的噪音和震动），大规模的隔音是必然要做的。
宝马i8拥有一个轴分离混合拓扑技术。后轴上装载三气缸汽油机，气缸工作体积有1.5升，每分钟5800转可提供170kw，来源于宝马新式的发动机标准构件。所产生的升功率达到113kw／L。轴分离技术如果要满足驾驶人的加速期望，则需要停止的内燃机非常快的加速。这要求一个很高的冷启动稳定性，摩擦副要经常润滑以及选择轻型叶轮。
丰田自从2012年出售的普锐斯插电式。内燃机每分钟5200转可以提供最大73kw，其气缸工作容积为1.8L，以及在阿特金森循环中优化了效率。此外这种内燃机还优化了摩擦技术－例如活塞环的预张力减小了以及避免使用皮带传动，而是通过电力用辅助机组操纵。插电式混合动力的电池容量是全混合动力的四倍，以至于反应在NEFZ（NEFZ：新欧洲行驶循环）的消耗量来看两者，几乎能够对等。
每一款这些混合动力汽车的例子都有一个不同的亮点。每款的最重要的发展重点在图5中列举出来了。
混合动力汽车提供的结构空间十分有限，因为一辆车上要安装两台传动装置。尤其是在紧凑型和运动型汽车中。除此之外，必须追述到部件的标准结构－一个显然的偏差将会使之成为经济上无法承担的方案。因此要力争达到极高的功能集成化。所以电机和传动装置之间的需要联结。一个例子就是大众的高尔夫插电式混合动力。
增程器－作为分离式内燃机－相对于并行式混合动力结构有个优点，即只在选取的运转点上工作。因此动力就完全是一个次要的目的了。
并行式混合动力一定可以在电力行驶模式瞬间达到最高功率。只需要依赖内燃机的工作，这会引起的，必然是内燃机的冷启动。这是轴承支承架和活塞－活塞环－气缸系统在摩擦工艺上的挑战。
轮边电动机也是一个发展对象，已经可以描绘出一个大有作为的行驶动力学状态，不过必须要实现用极轻型结构来包装出一个最小的空间。但是也有缺点，相较于那种跟底盘紧密固定的驱动电动机，轮边电动机具有非弹性的质量。
趋势在于缩小体积和减小摩擦
正如在引言中所描述的那样，首先是聚焦内燃机的发展，提高其效率。
提高功率密度（缩小体积）以及提升机械功率（优化摩擦工艺）是主要目的。
高增压－缩小体积
缩小体积所描述的一种操作，即减小气缸工作容积和增强内燃机气缸工作的功率。缩小体积一般而言会通过涡轮增压来转变。缩小体积的发动机，其减少的燃油消耗归因于提高了发动机的单位负荷。因此减少了摩擦功以及在汽油机上进行分离节流－两者都使有效功提高了。可以确定这是一个不会减弱的趋势，不仅是汽油机的单位功率而且柴油机的单位功率都会不断提高。（图6）
戴姆勒2013年介绍过的A45 AMG中的汽油机M133，其气缸工作容积达到了2L，功率是265kw。133kw/l意味着一个很高的升功率。只有在双涡轮-涡轮增压器达到增压压力1.8bar（相对）时才能达到。气缸曲轴箱外壳（ZKG）和气缸头由铝（EN AC-Al Si7Mg）铸成,以及在冷铸模中由重力浇铸法制作。气缸曲轴箱外壳是一个盖子封闭的结构。整体动力传动器会规划最大燃烧压力达到150bar。活塞、曲柄和曲柄轴由于较高的单位功率需要进行模锻。
大众在2014年时预告了高尔夫R400，其气缸工作容积有2L，理论上可以提供294kw－即147kw/L。沃尔沃则接着介绍了一款方案，在三倍增压下达到168kw/L。
大众在柴油机方面预告其为大众帕萨特设计的2.0L-双涡轮－TDI。这款发动机的升功率理论上是100kw/L，与之前的发动机相比提升了将近14％。
众所周知，沃尔沃之前发布的，新XC 90是两倍增压柴油机 D5得到86kw/L。大众新帕萨特中的2.0L－TDI-双涡轮是88kw/L。宝马的N57六气缸呈现的是93.5kw/L。
显而易见的，发动机的负荷经过高增压总是增大的。还有一点也是显然的，热量管理－尤其是汽油机－具有更重要的意义。大陆公司发展了一款水冷－涡轮机－外壳（铝硅镁合金），为了避免使用特殊的合金，以及减少紧贴发动机包装箱的涡轮增压机的热辐射。在这种情况下，废气弯管就集成在涡轮机体里了。水冷－涡轮机－外壳第一次被运用在新款MINI系列中。（图7）
通过改变材料可以使得重量减轻达14％（在4.4kg的基础上开发）。此外，废气质量流也有积极的效果，催化器的热时效几乎完全可以不考虑。还有就是材料会更优质，因为可以放弃使用昂贵的高温合金用于废气涡轮增压机的涡轮。
此外要关注的是内燃机优化的结构，尤其是气缸体曲轴箱。首先涉及到的柴油机，被作用于较高的气缸压力是合乎自然的。如此在三倍增压的宝马N57（见上文）的六气缸柴油机里放置角牵板，它会作用于整块铝制的ZGK。
减小摩擦
摩擦损失对发动机的效率有着负面的影响。摩擦损失功率和发动机负荷以及转速有关。通常情况下，当发动机负荷小时，也就是在欧洲行驶循环测试里(NEFZ)的重要组成部分，与满负荷状态相比机械效率相对较低。在汽油机里产生摩擦的位置或最主要原因是活塞-活塞环-气缸的组合，主轴承和连杆轴承，附加部件以及阀门驱动。
想要节省燃料，在气缸套筒处将摩擦损失最小化是非常具有潜力的方法。之前介绍过的戴姆勒公司的发动机M133在其气缸滚动面上即所谓的微米级磨光涂层。微米级磨光所说的是一种由碳化铁金属丝制成的涂层，用于加工电弧磨细或者水射束打磨过的气缸滚动面上。所产生的气孔使滚动面上的滑油残渣有所保留，使之保持称为润滑油膜。
内燃机的增压还实现了相对增强的机械效率，因为发动机处于频繁的高负荷运行状态。有效功率和摩擦功率的比例得以改善。发动机油的负荷在较高的单位功率下当然会增加了。
其它选择的燃油趋势
欧盟在2011年开始推广燃油E10。主要目的在于，增加生物燃料混合在汽油里的比例。增加的乙醇份额提升了汽油机的有效功能性。市场上现有的大多数汽车和传动装置都已经更换。当然，如果乙醇的比例继续增加或者生物混合物成分有所改变，发动机的改造也是必然的。例如混合物中一旦超过25％的乙醇，喷油系统就要改换成不锈钢的，碳化量及喷油量要与燃油相配合。点火系统对于E25燃油的燃烧温度进行了优化。还有燃油泵、燃油过滤器以及蓄压管压力控制器都要作相应的改变以配合。根据乙醇混合物的比例升高还会出现其它变化。（图8）
除欧洲以外的其他市场同样大力推广了其它可选择的燃油。首先在于原料的稀缺和日益强化的自给自足经济政策。尤其在中国市场出现了有趣的现象，中国的煤资源丰富，希望借助于煤的液化（所谓的煤－液体－加工技术，CTL）作为燃油添加剂。因此在中国——一个全球最重要的汽车市场－需要计算一下未来的燃油里不断攀升的甲醇含量。
电镀金属材料，铝和合成材料例如丁纳橡胶、氯丁橡胶以及聚氨酯在甲醇中尤其易受影响。在发动机的构造中必须要考虑到。
未来的发展
曲轴箱的材料替代
在发动机制造中，过去常常使用轻质金属，也就是铝和镁代替了铸铁（铸铁与片状渗碳－EN-GJL，铸铁与蠕虫状石墨-EN-GJV）。这尤其适用于气缸曲轴箱（ZKG）,因为这个部件是发动机中质量最大的。
在汽油机中，通过替球墨铸铁为铝合金的缩减潜力参考值约为40%，在柴油机中则是35%。镁合金可以提供更高的节省潜力，但是在功能部分总是有所减少。这归因于内燃机构造中的功率提高部分的增加。对坚固性和耐热性的要求也会相应增加。
铝合金被广泛引入，但却因为在使用过程会出现丝状结构而受到其他铸铁材料的强力竞争。由于铝合金刚性相对差，所以就要使用更为坚固的构造来弥补，因此铝合金密度低的优势就被削弱了。
下一步就是根据各个部件的功能需要应用不同的材料。2004年宝马在它的直列六缸汽油机里就应用了镁和铝。在曲轴箱里用铝作为和气缸套的接合部分，水冷循环系统和曲轴主轴承则使用镁压铸工艺制成。以下也是一种可能性：曲轴箱里的防火罩使用耐高温高压材料，而水循环的部分则由轻金属或人工合成材料加工而成。
按需切换---闭缸
降低燃料消耗可通过闭缸来实现，因为不同的工作点（发动机运行状态）对应的单位消耗（燃料消耗/机械能输出）是不同的，因此可以根据不同的行驶状态通过开/闭缸转换的方式切换发动机的工作点，从而达到减少燃料消耗的目的。此外发动机换气消耗被最小化，因为气门依然一如既往地打开。但是，摩擦扭矩却无法减小，因为虽然缸闭了，活塞却依然被带着跑。闭缸技术一般应用于多缸发动机和V型发动机。而对相对较小的发动机而言，闭缸这一方法应用的还不是很广泛，尽管本田公司在2006年就已经在它的混合动力思域（四气缸）实现了这一技术的运用。
2012年大众研发了一台具有闭缸技术的四缸汽油机;这台1.4升TSI发动机（103kW）被使用在了奥迪A1和大众Polo上。在非满负荷运作状态下，停止对中间的两个缸供应燃料，对应进出气阀门也通过AVS(奥迪阀门电梯系统)这一系统被关闭。因此2号和3号缸实质上就成为了“气弹簧”，因为在闭缸前最后一个冲程中只有空气进入，并没有燃料。在NEFZ（新欧洲行驶循环）测试里，在闭缸条件下燃料消耗减低了0.4升/100公里。
缸内直接喷射技术和发动机构造的升级为闭缸技术的应用创造了有利条件。大众发动机的曲轴箱由坚固的铝结构制成。活动部件如铝活塞，连杆和曲轴的质量被很大程度地减小了。
Split-曲轴
IAV(汽车与交通行业工程师协会) 研发了称为I2+2 接入式发动机。这台发动机由两组直列两缸组成，其中一组始终保持联动，而另一组则通过离合器接入。这台发动机含有一根中和轴(用来中和与抵消转动不均力)，使第一组气缸运作更加稳定。这根中和轴和电机相连，而且可以通过离合器与空心轴联动。
这个系统需要一台48伏的电动机来启动另一组气缸。而且当牵引力中断时，这台电机也可以起到弥补和调整的作用。另一组气缸的接入过程小于0.5秒。将来将实现分别为两组气缸提供各自的机油和水冷供应系统。
可以充分证明的是，在测试过程中，低负荷行驶的比重越大，这种措施带来的减少燃料消耗的优势就越明显。当然这也有劣势：复杂的结构和制造过程，发动机质量更大，调节控制系统的研发和相关应用软件的开发耗费人力财力。
发动机隔绝
发动机隔绝包括隔热和隔音效果两个部分。应用不同的隔绝材料和加工方法带来的隔绝效果也会不同。
有的隔热性能好，有的隔音能力强。但是无论如何都无法做到完全隔绝。隔绝措施可以有效降低噪音放射度（发动机内的机械波传输到空气中成为声波）。因此隔绝措施被应用在产生显著噪音的位置，例如表面积很大且壁很薄的机油池。因为混动汽车发动机的运作方式特殊，是非连续性的，所以难免在噪音方面不尽人意。因此与传统汽车相比多了一个评判标准，那就是隔音减噪做的是否令顾客满意。
同时有目的性的隔绝能使内燃机的温控得到优化。在混动汽车中，为了节省燃料，内燃机只是间歇性地运作。然而这种运作方式会造成工作介质（水和机油）的逐步冷却，致使发动机在重新启动时，燃料消耗与尾气排放会比较高。用来隔热的隔绝措施可以很大程度地减缓冷却过程。因此尤其是针对于混动汽车，有效的隔热与隔音措施是必不可少的。可以考虑的隔绝材料有合成材料和金属泡沫材料。
除了良好的隔热与隔音效果外，结构方面也要满足轻量的要求。
