采用AMESIM建模分析splitHHV系统,2009,ASME

1、新型可变排量发动机与功率分流液压混合动力系统输出耦合的仿真研究摘要 为了使无节流发动机能够工作在部分负荷，从而消除泵气损失，所以在对可变排量发动机充分研究的基础上做出了仿真。在这项工作中做建立的模型机制从赫夫利发动机的概念中衍生而来。涡轮增压技术和停缸技术是上述发动机的其他显著特征。停缸技术结合可变排量可以进一步扩展无节流发动机的工作范围，与此同时，涡轮增压技术增加了发动机的功率密度，使得发动机可以在没有性能损失的前提下进一步减小体积。虽然上述的具有可变排量涡轮增压发动机的概念可以使发动机拥有很大的工作范围，但是接近怠速运行依然是不切实际的。所以，集成有混合动力传动系的可变排量涡轮增压发动机（

2、VDTCE）允许在控制发动机，消除发动机空转，以及解决在发动机瞬态和模式转换中可能发生的问题时保持灵活。在基本物理原理和1-D气体动力学的基础上，发动机模型在AMESIM基础上开发。功率分流液压混合动力传动系统的预测模型在SIMULINK中创建，从而与发动机模型集成。集成的仿真工具是用来在确定包括可变排量涡轮增压发动机和液压混合动力传动系统的动力系统的燃油经济潜力之前，解决设计和控制方面问题的。简介 现代汽车的发展，不仅要求解决能源安全和气候变化问题，而且要提高汽车的燃油经济性，同时也要满足严格的排放法规。混合动力技术是减少排放和车辆油耗的关键。这是由于（）小型化的发动机，（）在再生过程中回收

3、能量，以及（iii）优化发动机运行的可能性。后者在配备有SI发动机的混合动力汽车上一直是很重要的。SI发动机的泵气损失（节流操作）不仅是它的软肋，而且是其在部分负荷下燃油经济性较差的主要原因。因此，混合动力系统的设计和控制通常试图尽量避免发动机低负荷运转，从而提高了驾驶循环中平均燃料转换效率。随着时间推移，像可变气门正时和可变气缸排量这样可以减少泵气损失的概念已将被提出，因此也提供了进一步改进动力总成整体效率的途径。我们的目的就是探索这样一个将可变排量发动机与混合动力系统将结合的系统的潜力。在这种情况下，混合动力的作用就是使一个先进的发动机概念在一定工作范围内是可行的。 可变排量技术的概念在过

4、去的几十年中已经出现在许多出版物中，但它尚未被证明能够应用在已经生产的发动机中。一些作者1，2，3提出了不同的机制来实现可变气缸内位移。波略特等4提出构造并研究5缸，四连杆机构发动机。王等人5利用二次活塞和辅助室，提出和分析了一种具有阿尔瓦周期的四缸发动机。一些作者运用这个概念的理论知识探索出一些能够独立实现可变排量的实际手段。根据史格拉和施维德6的早期工作，他们估计可变行程发动机可以改善燃料经济性高达20%，但这取决于可允许的NOx排放和车辆的功率 - 重量比。在后续的试验研究中施维德7发现，在很短的行程中，发动机会发生燃烧恶化，热量损失也会增加。Alsterfalk等8通过准二维SI发动机

5、的仿真研究了可变行程发动机的潜力和局限性，他们发现通过改变行程长度和无节流操作可以使发动机的效率在30%至70%的负荷范围内得到显著提升。当发动机符合低于30%时发动机效率变差是因为在极短行程时出现的效率下降已经超过了无节流操作时的效率提升；与此同时，接近怠速运转时就必须进行节流操作。这篇文章试图通过将可变排量发动机和其他两项技术即停缸技术和混合动力技术相结合，从而克服上述挑战。可变排量发动机与停缸技术的结合可以降低无节流操作的下限使其更加接近怠速，而功率分流液压混合动力系统能够避免不可行的操作范围。发动机也采用了涡轮增压技术从最大限度减小发动机的体积。在9中，普锐斯的丰田混合动力系统的功率分

6、配架构已经被采用。但是，这个丰田混合动力系统是由行星齿轮组和两个泵或电机以及液压气动蓄能器组成的液压混合动力系统，而没有使用电气元件。液压元件具有非常高的功率密度和转换效率，这使得它们非常有效地在制动过程中回收动能。另一个优点是相比于非常先进的电池，前者的成本相对较低10。然而液压蓄能器相对较低的能量密度也产生了特殊的困难，需要用新的方法来发展对其的监视和控制技术。并联和串联的液压混合动力系统的结构特征在之前就已经被深入研究，特别是在重型车辆上11,12,13，与此同时在设计和控制策略上的优化使得汽车的燃油经济性有显著的改进。功率分流系统在混合动力汽车和电动汽车领域都已被广泛研究，他表现出同时

7、对串联和并联系统的最佳性能进行匹配的能力。所以我们的目标有两方面，一方面要调查功率分流液压混合动力系统在正常驾驶条件下能否使可变排量涡轮增压发动机无节流运转，另一方面要了解对功率分流液压混合动力系统监视控制技术的发展方面的挑战。由于液压能量转换元件处于非常不同的速度范围并且能量存储容量较低，所以监控问题的约束条件在混合动力系统中显著不同。当然，这项研究通过给出的动力总成的配置提供了汽车燃油经济性潜力的所在。 这项调查基于预测模拟工具。两升四缸涡轮增压缸内直喷可变排量发动机的模型在AMESIM中建立。缸内模型考虑了热力学控制因素，质量和能量守恒因素，以及燃烧和传热因素。支管和端口的一维气体动力学

8、模型使涡轮增压器能够与发动机气缸进行耦合。机械损失会根据发动机转速的经典经验公式进行估计，但是我们一定要明白，在赫夫利发动机中，其复杂的轴承组件和轴向加载器可能具有比传统的基本略高的损失。液压能量转换和存储元件，以及功率分流变速器模型是在SIMULINK中基于物理原理建立，并且动力总成和车辆模型最终的集成也是在同一软件中建立。而上述研究整合的基础是原先研究人员在美国密歇根大学汽车研究中心开发的车用发动机仿真模拟平台。除此之外，该车用发动机仿真平台之前也配置了利用平行和系列架构的液压混合动力系统的研究。 本文的结构如下。首先说明可变排量涡轮增压发动机（VDTCE）的概念以及建模方法。发动机的主要

9、特点以及在部分负荷燃油消耗率的改善将通过仿真结果说明。接下来，我们讨论功率分流液压混合动力系统的液压组件的配置和传动系统的建模，以及车辆的动态模拟。对不同电源进行有效监控是充分利用混合动力系统潜力的关键，因此与PS-HHV系统的控制相关的独特挑战将在一个单独的小节探讨。然后提出了一个可以对发动机最佳燃油消耗率工作点的定位的蓄电池荷电状态的调制控制。最后，提出的包括可变排量涡轮增压发动机（VDTCE）和功率分流液压混合动力系统的动力总成的配置将在EPA城市和公路行驶工况中进行仿真，并与配备了传统SI发动机和5速自动变速箱的传统基准车辆进行对比。文章最后以结论结尾。可变排量涡轮增压发动机（VDTC

10、E）的概念及建模 可变排量发动机允许气缸工作容积基于执行命令而改变。气缸腔室大小的变化是通过移动活塞上止点（TDC）和下止点（BDC）的位置来实现的。其主要思想是通过改变排量而不是节流吸入空气来实现对发动机输出的调制。通过使发动机节气门全开（WOT），从而在部分负荷消除过多的泵气损失，进而显著提高了部分负荷效率。 本研究选择的可变排量发动机概念是基于赫夫利发动机设计的15。图1示出了所提出的发明的机理示意图。赫夫利发动机的气缸径向围绕曲轴，但在相对于上述曲轴的旋转平面呈一角度。这使得活塞被一个以一种特殊轴承组件构成的单一曲轴连接，从而能够沿着这个倾斜的曲轴移动。球形接头相当于连接杆的大端部，它

11、允许活塞能够活塞组件允许的范围内的不同位置做往复运动。如果需要使用不同的排量，曲轴的轴承组件将被向上或向下移动从而改变发动机行程。我们的研究就是利用这一概念探讨提高发动机循环效率的潜力，并试图了解这样做的局限性以及整合动力系统可能系统可能遇到的挑战。所以，虽然我们的本意不是解决这个机构的组件的设计以及这种发动机的可靠性和成本等等这些细节，这样一个机构的运动学和机和约束却被看做一个现实的平台。 对于赫夫利发动机的实际考虑和约束如下。该发动机的压缩比可以保持恒定或者在小范围内变化。在这项工作中首先需要考虑的就是保持压缩比恒定。由于有几何约束，发动机排量的最小值被限制，它也决定了发动机功率的下限。初

12、步分析表明，发动机排量的最小值依然与可变排量涡轮增压发动机非节流时的值相距较远，由于现实范围不同，他们排量之比大约为2:1。降低钝化作用被认为是为了进一步扩大非节流操作的很好方法。在上止点，涡轮增压增加了功率范围。因此，2升可变排量涡轮增压发动机被设计成可以达到3.6升常规自然吸气基线的效果。表1包含主机规格。表1：主机规格排量1-2L缸径83mm行程41.5-83mm连杆长160mm压缩比10.2汽缸数4每个气缸阀数4图1：赫夫利发动机概念图 发动机热力学模型和气体动力学过程模型采用LMS Imagine建立。实验室的AMESIM 是一个多域软件平台。该平台允许单个模块在一个图形化编程环境（

13、见图2）中集成，方便实现控制器，并提供了SIMULINK的接口（如需要）。接下来的部分提供了建模方法的细节，并说明了可变排量涡轮增压发动机的操作。图2：可变排量涡轮增压发动机的AMESIM模型发动机气缸模型 AMESIM中的燃烧模型 是用于开发可变排量涡轮增压发动机气缸模型的基础。该模型考虑了热力学控制因素，质量和能量守恒因素，以及燃烧和传热因素。为了允许发动机排量的动态变化，瞬时气缸容积的计算必须进行修改，这些细节将在下面单独一个小节。气缸内的气体包含三种气体，即空气，燃料蒸汽和燃烧后气体的混合物。燃料是由碳原子和氢原子的数目（CxHy）和其较低的热值来定义。燃料像液体一样被喷射，而且液体液

14、体的蒸发将会影响气缸中电荷的热力学状态。燃料蒸发的模型是根据一个依赖于混合物温度的蒸发时间长度建立的。气体和燃烧室壁之间的热传递是使用Woschni模型计算。燃烧模型考虑了两个区域，在这其中，根据气体未燃烧和已经变成燃烧后气体而被分离开来。反应速率是利用相干火焰模型，这需要对流层火焰速度和总的火焰面信息计算出来的。层流速度是由 Metghalchi和 Keck，以及瞬时温度和未燃烧气体的压力共通过决定的。总的火焰区域是平均火焰表面和火焰起皱前缘的组合。平均火焰面积的计算是先假设一个球形向前与中心的火花塞传播，直到与活塞接触。火焰向后接触到活塞是通过假设火焰的形状像气缸形状简化。火焰起皱前缘是基

15、于Damköhler“S解析表达式18，它考虑的火焰起皱的湍流效应。零维能量的梯级模型用来计算湍流动能。 预测爆震是确定现实的助力极限的关键。它是通过计算之前实物19的演变来实现的。当该前体实物的质量分数和初始燃料质量分数之间的比率达到1时，就会超过诱导时间而发生自燃。法国石油研究所开发的一个简单代数模型提供了爆震强度19的估计。可变排量发动机的曲轴模型 我们创建了一个新的曲轴模型让发动机根据轴承组件的位置改变而改变发动机的排量。图1所示的赫夫利发动机是通过修改标准模型的曲轴，使曲轴模型和曲轴轴颈的相对位置发生变化。这个模型还包括一个用来表示用于移动曲轴轴承组件的执行器的延迟，作为第

16、一阶动力。该模型是AMESIM中用C语言实现的，它的预测示于图3。该图表示出气缸 容积从最大到最小时执行器命令的阶跃变化。为了保持压缩比恒定，最小和最大体积之间的比值也要保持恒定。这可以通过改变净空高度与冲程长度的比例来实现。图3：从最多到最少命令后，气缸容积变化的情况进气和排气系统 进气和排气系统是通过将支管和管道相连，从而构建一维气体动力学模型。这使得模型能够预测支管等的波浪作用，以及发动机的呼吸准确性。涡轮增压器 涡轮增压器模型包含三个组成部分：压缩机，涡轮和转子。压缩机和涡轮车型都是从AMESIM的库20，21中查找建立的。利用具有可变节气门的可压缩流体方程可以计算出废气排放的质量流速

17、。为了实现在低转速的增压，涡轮的大小进行了优化。为了防止过度的高转速运行，所以又加上了废气门。废气门的控制命令是基于发动机转速，所需的增压压力和实际的增压压力计算的。排气泄压阀控制器的框图如图4所示。图4：废气们前馈和反馈控制 为了计算所需的最大增压压力，我们在不同的发动机转速下分析了爆震强度值。在这一过程中，可以创建一个前馈排泄阀控制的查询表。图5和图6示出了对于3000的每分钟转数的发动机速度测试方案。如图5所示，增压压力在逐步增加。整个瞬态的爆震强度都被记录，爆震发生约1秒内进入瞬态（见图6）。这相当与1-2倍升压，所以实际提升界限的安全值被选为1.8。同样道理我们可以为可变排量涡轮增压

18、发动机做出对不同发动机转速的增压压力图。图5：从零开始的进气压力积聚。发动机工况：3000每分钟转速和50%排量 图6：图5所示的增压压力历史的爆震强度变化图7：进气支管压力图燃料控制器 用于可变排量涡轮增压发动机燃料控制器是由姆拉德诺维奇（GM）发明的一种概念改进而成的22。节流估计空气流速是基于支管的气体压力，温度和空气质量流量确定的。通过对原方法的修改，我们实现了计算可变气缸容积的效果。图 8：燃料控制框图 因此，燃料控制器的前馈部分依赖于经过节流阀的空气质量流量信号，温度和活塞行程，从而可以估算支管压力。然后用实际质感的压力信号与这个估计的压力相比较，从而创建一个错误值。根据错误模块可

19、以使用PI控制估计气缸空气流量，从而可以计算燃料喷射的期望量。通过标准化的空气-燃料比的反馈回路可以实现精细调整。估计的燃料喷射量，喷射时间，发动机转速，和每转然老燃烧量来计算整体静态供油率（SFR）。停缸 停缸的实施是为了让非节流发动机运行在非常小的负荷。停缸时关闭两个缸，可以使发动机的排量降低一半。停缸技术使发动机在排气冲程期间停用一缸。下一个被停用的气缸是与它配对另一个液压缸。通常气缸是1和4配对，2和3配对。当气缸停用时，其进气口和排气门保持关闭，以保持缸内较高的温度，并防止富氧废气流经氧气传感器并进入催化转换器。图9：停缸时的平均发动机转矩 图9显示了在气缸停用过程中，可变排量涡轮增

20、压发动机的平均发动机扭矩值。由于相对机械损失增加，停缸后会出现下冲，我们可以通过所述控制器来调整一个赫夫利发动机的冲程从而迅速纠正。摩擦模型 摩擦模型是基于发动机转速和相同的经验表达关系而建立，可以同时用于可变排量涡轮增压发动机和常规基线发动机。 我们认识到一个带有执行器和较大轴向载荷的复杂轴承组件的赫夫利发动机的机械损失可能与那些传统的发动机上所观察到的不同，但目前还没有公布的数据能够在赫夫利发动机上量化摩擦。因此，采用相同的FMEP要比试图不根据任何实际测量的指导做出的估计更加安全。上述警告意味着我们需要谨慎查看制动比油耗值，这将在下一小节提交，但作为可变排量涡轮增压发动机的整体效率水平时

21、可能有所高估。可变排量涡轮增压发动机的实施 本节讨论了系统内的交互和各种操作模式下的控制逻辑。在可变排量涡轮增压发动机中发动机的动力可以通过以下方式进行控制：1-可变排量命令，2 -汽缸失活的命令，3 - 涡轮废气门的命令，4 - 点火正时。可变排量命令是电源监控的主要方法。如果在WOT中能量下降至最小排量命令的水平以下，则有必要使用停缸。平滑模式过渡是通过在停缸过程中对气缸排量进行微调实现的。正如在涡轮增压部分所解释的，涡轮废气门的命令式根据预先的查找表确定的，它定义了不发生爆震所能达到的最大增压压力。鉴于在WOT可变排量涡轮增压发动机工作在所有时间，点火提前受到爆震的限值，且与传统发动机相

22、比还是滞后。 在成功建立了图2所示的发动机系统仿真之后，经过几次运行，生成了图10所示的燃油消耗率图。峰值转矩是由最大位移和允许的升压水平来确定。较高负荷和中等负荷区域可通过可变位移执行器控制。实际低负荷极限部分是结合停缸和可变排量命令的结果。可以看出，技术的组合可以使发动机在整个工作范围都能有效运行。最低燃油消耗率值是大约190克/千瓦小时，最大是310克/千瓦小时，这也许比以往的SI发动机上观察到的典型低负荷值还要低两个数量级。图表没有覆盖整个范围，因为在最底层的负载范围和接近怠速运转时是无法实现的，除非我们开始对吸气进行节流。正如我们目标中解释的，我们计划通过连接发动机与混合动力系统避免

23、低负荷，并使用控制权限以保持发动机在任何时候都高于低负荷极限运转。图10：可变排量涡轮增压发动机的燃油消耗和最佳燃油消耗率的轨迹图功率分流液压混合动力推进系统 混合动力系统是一种允许自由加入额外的能量存储装置和辅助推进装置的一种装置。这提供了控制发动机的灵活性。另外，传动系中的可逆电机是汽车在市区行驶时通过制动得到能量和燃料等经济收益的再生。为了在并联和串联混合架构中同时获得两者的最佳特性，在功率分流的混合架构中也选择这项工作。动力传动系统组件模型，由SIMULINK软件开发，并与由密歇根大学汽车研究中心的研究人员1113开发的车用发动机仿真相集成。表2给出了车辆系统规格的概况。表2：车辆规格

24、 发动机描述2L可变排量涡轮增压发动机最大功率5000转时156kW最大转矩3000转时350Nm马达/泵描述轴向柱塞可变排量体积110 cc/rev最大转速4000 RPM蓄能器种类充气式气体氮气容量35L最大压强350 bar最小压强120 bar车辆种类四门轿车重量1535 kg迎风面积系数0.272 m2轮胎半径0.327 m最终传动比3.38行星齿轮传动设计改进自丰田混合动力系统环齿轮/太阳齿轮2.6:1减速比3:1功率分流系统 功率分流系统的中心是一个集成了两个能量转换器和液压泵/电机的行星传动齿轮。它利用所谓的调速力矩器来控制发动机操作，同时给车轮提供所需扭矩。该系统结合了并联和

25、串联结构，在控制发动机时有很大的灵活性，以某些操作模式通过力矩器和机械传动装置将动力从发动机传到车轮，从而避免了多次能量转换造成的损失。图11显示了功率分流结构示意图和杠杆模拟图说明在功率分流装置中转速和转矩的关系。 丰田混合动力系统（THS）9是由一个基础的功率分流系统发展而来。与丰田混合动力系统类似，车辆和电机与环齿轮相连，发动机与传动齿轮相连。但是由于液压马达的最大允许转速要低得多，所以该泵通过减速器与太阳齿轮相连（见图11）。发电机在原来的丰田混合动力系统中要求高速行驶，超过10000转，而液压马达的转速不应该超过4000转。下面的公式显示组件转矩和速度之间的关系：图11：带有液压元件

26、的功率分配架构以及功率分流混合动力系统的杠杆示意图驾驶员 驾驶员在建模时被定义为一个由实际车辆速度和由选择的驾驶时间表确定的期望车辆速度之间的误差所得到的的比例积分控制器：发动机 发动机的模型在AMESIM中建立，它的的细节在前面的章节已经给出。在SIMULINK中的一个系统集成研究中，AMESIM预测模型被用来产生一个转矩查找表作为发动机转速与燃料喷射和质量的函数。从AMESIM预测模型到查找表的级联使在预处理时将所有的设计和控制问题控制在适当水平，然后再选取与设计特征相符合的紧凑而快速的模块。一阶滞后加到模拟涡轮增压器产生延迟。当发动机的控制命令为零时，控制器发出怠速命令。车辆 车辆被看做

27、一个点质量模型。对于燃油经济性的研究这被认为是足够的。车辆的阻力在建模时被分为滚动阻力和滑动阻力。该车辆还包含一个被当做库伦摩擦装置的制动模型。车辆模型方程如下。蓄能器模型 将含有氮气泡沫的囊式蓄能器作为能量存储装置。根据实际气体和能量守恒定律的BWR方程，氮的状态方程如下图所示，这是从23，24，25中得出的。在等式20-21中，下标“g”表示关于气体的变量，和“f”对应的变量，如质量比热，表示关于泡沫的变量。通过添加弹性体泡沫，电荷的热容量有所增加，充电-放电过程的效率也显著提高。泵/电机模型 液压泵/马达模型是一个新版的威尔逊“泵/马达理论”23。泵/马达是轴向柱塞可变排量型。转矩和流动

28、由位移指令控制。容积和机械效率公式如下所示。因此，实际的瞬时扭矩或流量要被乘以对应的瞬时位移和速度，按从方程23-24中确定的效率的理论值计算。整合与监控 将混合动力效益最大化的主要因素是专门最其选定的配置和为组件设计量身定做的监控策略。在混合动力系统中，能量存储装置相对较低的能量密度，要求对电池荷电状态更加细致的管理，同时为了保证维持电池荷电状态的最小值的发展，要同时优化整体性能和功率分流混合动力系统。Filipi和Kim提出了一种调制控制策略，当将其应用于串联液压混合动力系统时会产生优异的效果；所以它被选为针对PS-HHV系统开发控制器的基础。 调制控制根据瞬时SOC的偏差与期望SOC和实

29、际SOC之间的差的变化率来调整对发动机的指令，如下： 为了提供足够的存储容量用于后续的能源再生，所以所需的SOC较低（0.2）13。与传统的恒温SOC控制不同，调制控制器避免剧烈的瞬态变化，平缓提升发动机功率，如图12。根据所述控制器的发动机动力需求的信号，实际所需的转矩和速度，由图10所示的恒流电源线和最佳燃油消耗率的轨迹的交点来确定。这将在下一节详细讨论。图12：FTP75工况下发动机功率需求与电池荷电状态的预测仿真结果 PS-HVV系统的操作和燃油经济性在FTP75城市行驶工况下进行评估。图13示出有关驾驶时间表的一个片段的结果，包括：车速，发动机转速，功率，车轮输出功率，SOC，泵和马

30、达的能量输出。电机的转速显然与车辆期望速度直接相关，但是为了保持发动机在期望的操作点，泵要进行反转，这将由负RPM值来表示。图13：功率分流混合动力系统在FTP75工况下的部分：车辆和动力总成部件速度历史（上图），发动机和车轮速度以及SOC的实例（中图），泵和马达功率历史（下图 ） 图13中间的图表示的是，与丰田混合动力系统不同的是，发动机的功率在大部分片段都与总的功率要求接近。发动机提供了大部分的功率要求，控制器用以维持SOC的限制值，使其始终接近所需值。然而，这并不意味着发动机工作效率低下控制。恰恰相反，图14示出了该发动机的工作点都分布在发动机最佳燃油消耗率的轨迹附近，这要归功于混合动力

31、系统的发动机的灵活性。相对而言发动机的符合是非常低的，但是可变排量涡轮增压发动机可以去除与传统发动机部分负荷相关的不足，从而获得更好的燃油消耗率特性。然而，工作点在第四象限的集中分布表现出该发动机宽大的尺寸，有进一步小型化的余量。在这项研究中选择期望的额定功率来匹配现有的高性能车辆，在将来的研究中有可能会改变。车轮的扭矩偶尔会变成负值，这表示制动过程。 图13示出的底部的细节图表示出液压泵/马达的输出行为。泵的功率类似发动机功率的轮廓，但是现实是不完全一样的，因为一些发动机的动力被直接传到了车轮上。每当车轮的动力指令为负是，电机转到泵模式，从而满足制动要求，并实现能源的再生回收。图14：在FT

32、P75驾驶循环下功率分流车辆发动机的工作点示意图为比较建立基线 为了了解带有功率分流液压混合动力系统和可变排量涡轮增压发动机的车辆性能的提升，有必要建立一个传统车辆的模型。我们的目标平台是一个中等规模的高性能轿车。我们使用这种方法的目标是强调在保持高性能的同时显著降低燃油功耗，而不是探索最佳燃油经济性的可能性。但是，对于其他类似的配置这种一般的看法适用的，并且可以通过目前的研究为以后高性能汽车的研究提供指导。总之，如图15所示，我们在AMESIM中模拟设置了3.6升V6吸气式发动机的有代表性的基线。该发动机的规格总结于表3中。额定功率匹配的可变排量涡轮增压发动机2.0升在500转时产生的最大功

33、率。对节气门和点火定时指令进行了优化，以产生如图16所示的燃油消耗率图。在SIMULINK中创建传统车辆系统时，用一个五速自动变速器与发动机相配。图15:3.6L V6发动机的AMESIM模型表3：基本发动机规格排量3.6L缸径94mm行程85.6mm压缩比11汽缸数6每个气缸阀数4传统车辆与功率分流混合动力系统对比：系统的相互作用和燃油经济性 在3.6升V6发动机工作点被叠加在图16所示的燃油经济性图上。显然，带有常规五速变速器的发动机的工作点散射在很宽的范围，但是经常将发动机保持在不利的中速和低负荷区域。当扭矩需求大约是50牛米，且发动机燃油消耗率>550克/千瓦时，而不是约300克

34、/千瓦时的时候可变排量涡轮增压发动机将对汽车的燃油经济性有巨大的影响。 图17示出了传统车辆相对于可变排量涡轮增压发动机操作之间的巨大差异。在传统的传动系统的情况下，发动机直接连接到所述车辆的速度，并且在相关车辆的功率要求和齿轮位移的突然变化下会发生频繁的瞬变。与此相反，功率分流系统可以保持发动机的转速相对较低，所以可以具有非常温和的变化。从中间的图表上可以看到明显的具体差异，说明传统车辆的发动机扭矩会有巨大且频繁的波动。功率分流混合动力系统的整体扭矩水平与之相当，但是高频瞬变完全消除，为发动机的涡轮增压做好准备。下图显示了非常不同的发动机工作特性以及表示瞬时油耗影响程度的燃油消耗率图。驾驶时

35、间表上下图曲线下的面积能够确定表4所示的车辆的燃油经济性。将可变排量涡轮增压发动机与功率分流混合动力系统耦合将对城市工况和高速公路工况都有显著作用。这似乎有些意外，因为由于有能源再生的机会，混合动力系统在城市工况下经常能够提供相对较高的收益。这一发现表明，大部分收益是源于可变排量涡轮增压发动机在部分负荷下的高效，而不是混合动力系统的改进。图16：带有3.6升自然吸气发动机的常规车辆在FTP75驾驶循环的模拟工作点图图17：传统车辆和功率分流在FTP75驾驶循环的对比：发动机转速（上图），发动机转矩（中图），燃油消耗（下图） 事实上，图18比较了两者超过一个驾驶周期段的发动机周期，并说明可变排量涡轮增压发动机的瞬时效率要比传统发动机计算的相应值大两倍以上。图18：在一个FTP75驾驶循环的发动机瞬时效率图表4：传统车辆发动机与功率分流混合动力可变排量涡轮增压发动机燃油消耗率的比较城市（FTP75）（mpg）高速公路（HWFET）（mpg）传统车辆发动机18.3430.41功率分流混合动力可变排量涡轮增压发动机46.5077.68 最后，可变排量涡轮增压发动机与功率分流液压混合动力系统的耦合可以使车辆在燃油经济性方面具有特殊优势。对系统的相互作用的分析表明，大部分的燃油经济性的改进来源可变排量涡轮增压发动机在部分负荷的高效，而功率分流液压混合动力系统可以被看做是可