（光学工程专业论文）摩托车混合动力系统开发.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 混合动力系统以传统的汽油机和电动机作为动力装置，先在汽车上得到了应 用。而在摩托车上应用混合动力系统，通过优化设计可以保证汽油机长期在高效 率工况下稳定工作，加上电动机作为辅助动力，可以提高摩托车的动力性能、提 高燃油经济性并减少尾气污染。 本文以摩托车混合动力系统为研究对象，主要完成下列工作： 混合动力系统的总体方案研究。在分析传统摩托车的运行特性后，确定了混 合动力系统的目标运行特性；对混合动力系统中，汽油机、动力电池、电机等基 本组成部件的技术现状和发展趋势进行了分析和比较；就动力传递系统的结构布 置和相应的运行模式进行了探讨；确定了采用小功率电机和小容量动力电池组的 并联型摩托车混合动力的系统方案。 对汽油机和电动机的动力匹配问题进行了分析；提出评价混合动力系统性能 的各项指标；对于有多个指标的评价问题，提出如何得出一个统一的评价指标的 方法。 对摩托车混合动力系统的控制策略进行了分析，研究了其现状和发展趋势 指出混合动力系统的控制策略需要针对摩托车的运行工况进一步优化。 分析了混合动力系统中各个控制器( e c u ) 的功能，重点开发了电动机发 电机的控制器。电动机发电机控制器的功能是在储能单元一一动力电池和电动 机发电机之间进行直流一直流( d c d c ) 电压转换。以实现电动机辅助动力的 输出和发电机的能量回收。比较和选择控制器的实现方案，设计电路，对电路进 行仿真和测试。 关键词：混合动力，摩托车，并联式结构，控制器，电动机，电压变换器 塑坚查兰堡兰堂些丝兰 a b s t r a c t t h eh y b r i de l e c t r i cm o t o r c y c l e si sc o n s t r u c t e dw i t ht r a d i t i o n a l e n g i n ea n dn e w l yi n t r o d u c e dd c m o m r i ti sa i m e dt oo p t i m i z et h eo i i c o n s u m p t i o no f e n g i n e ，e n h a n c et h e d r i v ep o w e ro f m o t o r c y c l ea n d r e d u c et h ee m i s s i o n t h em a i n l yw o r ko f t h i sp a p e ri st od e s i g nt h eh y b r i de l e c t r i c m o t o r c y c l e ： t h ea n a l y s i so f p o w e rs t r u c t u r eo f e n g i n ea n dm o t o r t h e r ea r et w o b a s i cs t r u c t u r e s ：s e r i e sa n dp a r a l l e l t h e d e s i g no f c o n t r o ls t r a t e g yo f t w op o w e r s t h ef f m c t i o no f m o t o r c o n t r o l l e ri st ot r a n s m i t t i n gt h ev o l t a g eo f b a t t e r ya n dd cm o t o r d e s i g nt h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o no f h y b d d e l e c t r i cm o t o r c y c l e i ti s i n d e xo f p o w e r ，f u e l - e c o n o m y ，a n de m i s s i o n t h em a i n l yp t t r p o s eo f t h i sp a p e ri st od e v e l o pam o r ep o w e r f u la n d m o r ef u e l e c o n o m i cm o t o r c y c l e k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cm o t o r c y c l e ；p a r a l l e ls t r u c t u r e ；c o n t r o l l e r ； d cm o t o r ；p o w e rt r a n s m i t t e r 浙江大学硕卜学位论业 第一章绪论 早在1 8 3 5 年和1 8 7 3 年，美国的汤姆斯和英国的戴维逊就发明了以铅酸蓄电池 作为动力的电动车，但随后以内燃机为动力的汽车和摩托车的出现，电动车充电 时间长、行程短、比能量低、价格高等因素使其丧失了优势。 汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源、交通等工业的进步和发展， 但以柴油及汽油为燃料的内燃机车在造福人类的同时，排放的尾气也给环境造成 了污染。2 0 世纪9 0 年代以来，全球性的石油危机以及大气污染使汽车的节能与环 保性能同益得到重视。特别在车辆密集、交通拥挤的大城市中，车辆频繁起停造 成的变工况( 加速、低速、怠速) 运行是造成尾气污染严重、油耗高的主要原因 之一一。内燃机技术一直在不断地进步，特别是电控技术和代用燃料技术能够在一 定程度上改善油耗和排放。而迸十几年来电池技术发展很快，高性能电池如锂离 子电池、燃料电池迅速进入产业化阶段，这时以电力作为动力的电动车以其零排 放、极低噪音显示出它有取代传统内燃机车的可能。但目前动力电池的能量、功 率密度比内燃机低，导致纯电动车的成本居高不下。这使得纯电动车不能立即替 代传统内燃机车。结合了内燃机较高的能量和功率密度、电力的零排放和低噪音 的混合动力系统就有很好的应用前景。混合动力首先在国外的汽车上得到了应 用，已有成熟的车型投放市场，国内也有车型在试运行。对摩托车混合动力系统 的研究还处在探索阶段，这也是本文的研究目标。 1 1 摩托车工业发展概况 1 1 1 世界摩托车工业发展概况 自1 9 世纪8 0 年代在德国制成第一辆摩托车以来，经过1 0 0 多年的发展，2 0 0 0 年世界摩托车产量约为2 亿辆，保有量约2 亿辆。摩托车的发展大体可分为四个阶 段【l 】= 第一阶段：初创阶段。1 9 世纪末在欧洲研制出各种动力、各种样式的摩托车 并开始批量生产。1 8 9 8 年英国率先建立摩托车工厂。之后的十多年里，法、意、 德、美、同等国相继开始生产和制造摩托车。在此期间，数以百计的摩托车工厂 在各个发达国家建立起来，推动了摩托车工业德建立和发展。 第二阶段：高速度发展期。上世纪5 0 年代后，日本摩托车工业发展迅速，在 竞争中新技术得到了发展和应用。摩托车生产的重心逐步由欧洲转移到了亚洲。 塑竖查堂堡兰焦丝苎 _ 一 f 1 本本开1 、雅马哈、铃木、川崎等公司成为世界瞩目的摩托车生产企业，到1 9 8 1 年同本的摩托车年产量达到t 7 4 1 万辆，占世界摩托车当年年产量的六成以上。 新技术的应用和大规模生产使得摩托车性能优异、使用可靠、物美价廉，成为生 活中一种重要的交通工具。 第三阶段：向发展中国家转移生产阶段。1 9 8 1 年后日本摩托车产量逐年下降， 到1 9 9 4 年时年产量仅为2 7 0 万辆左右，而中国、台湾、印度等发展中国家和地区 的年产量却逐年上升，这标志着摩托车生产的重心已经转移到了发展中国家。表 1 1 列出了主要摩托车生产国的年产量变迁情况。 表1 1 摩托车主要生产国家和地区历年的产量( 万辆) t a b 1 1a n n u a l y i e l d s o f m a j o r n a t i o n s a n d a r e a s ( 1 0 t h o u s a n d u n i t s o f m o t o r c y c l e s ) u 本印度中国中国台湾 意大利法国泰国印尼西班牙德国独联体韩国 美国 1 9 5 2 j7 9 4 56 04 54 5 1 9 5 52 59 5 61 1 61 0 8 1 9 6 01 4 7 5 81 0 05 6 1 9 6 42 1 l 1 61 1 02 2 1 9 7 02 9 45 1 9 7 53 8 02 18 31 0 82 4 4 24 1 9 8 06 4 34 2 91 4 76 542 3 f 33 0 1 3 1 9 8 17 4 i 24 971 3 4 1 2 884 9 11 882 1 61 2 5 1 9 8 54 5 3 61 1 261 0 455 67 9 4t 482 2 82 2 61 73 8 61 1 4 81 71 0 1 9 9 02 8 0 61 8 759 651 0 5 59 0 93 337 l _ 84 09；845 61 4 0 12 836 2 1 9 9 l3 0 2 91 6 01 3 1 71 1 746 2 83 0 46 7 34 4 5，2l8 51 3 073 3 262 1 9 9 2p 1 9 7 1 4 71 粥21 3 45 7g3 3b 644 58j l3733 1477 1 1 9 9 3b 0 233 5 3 6 1 1 9 0 4 印2 55 2 91 6 3 1 9 9 51 2 7 02 5 07 8 361 6 81 6 4l 】7l 现阶段国外摩托车制造业发展的基本特点是主导厂家的产量减少。例如意大 利和法国的摩托车产量持续减少；德国和奥地利减产也相当可观。究其原因是各 国国内市场需求大减，特别是轻便摩托车需求减少更多。i n 步i - 摩托车制造业的另 一个趋势是发展中国家摩托车产量增加阱。中国、印度、中国台湾等国家和地区 都是摩托车生产大国。 1 1 2 我国摩托车工业发展概况 我国摩托车工业的发展历程大体可分为三个时期： 起步发展时期：从新中国建立到7 0 年代末是我国摩托车工业的起步发展阶 段。在这一时期，我国摩托车工业从无郅有，得到了初步发展。当时的摩托车主 浙江人学硕士学位论文 要用于军队，邮政、公安等系统和企事业单位，私人几乎没有摩托车。生产发展 缓慢，厂家少，产量小，品种少，水平低，没有规模生产能力。 蓬勃发展时期：改革开放为摩托车工业的发展创造了前所未有的机遇，摩托 车的产量从1 9 8 0 年4 9 万辆增加到1 9 9 1 年的1 3 l 万辆，增长了近2 6 倍，到1 9 9 1 年全 国摩托车工业总产值达7 0 多亿元，中国摩托车工业已初步形成了生产规模，摩托 车作为汽车工业的一部分已不再无足轻重，并充分显示出其强劲的发展势头。 高速发展时期：1 9 9 1 1 9 9 5 年，摩托车产量年增长速度超过5 0 ，1 9 9 6 年为 1 8 4 ，1 9 9 7 年为8 ，1 9 9 7 年摩托车总产量达到1 0 0 3 万辆辆，己接近全世界年 产量的一半。从1 9 9 3 年到1 9 9 9 年连续七年居世界之首，成为世界摩托车产量第一 大国口1 。 我国台湾的摩托车工业具有良好的基础，起步于5 0 年代初期，开始是引进散 件组装整车，全岛共有4 0 5 0 家摩托车整车厂。经过几十年的竞争吞并，- - i j w 、 光阳、山叶、台铃四大厂家的产量占总量的9 5 。这四大厂都与日本的本田、雅 马哈、铃木进行过合作，因此发展较快。台湾政府不允许生产1 5 0 m l 排量以上的 摩托车。5 0 1 5 0 m l 的车型中，跨式车( 骑式) 、座式车均有，以座式车为主。 二冲程、四冲程均有，以二冲程为主。汽油机多采用空气冷却方式，也在1 2 5 m l 及1 5 0 m l 车上采用水冷或油冷。由于排量受政府限制，台湾汽油机生产的一个显 著特点是单缸。台湾摩托车工业的另一个特别是零部件自制率高达9 0 以上，产 品的质量和技术水平接近日本。几个主要大厂都具备一定的自主开发能力。 1 1 3 我国摩托车工业的地位和差距 世界上有7 0 多个国家和地区生产摩托车，主要有中国、中国台湾省、日本、 意大利、印度、印尼、泰国、德国、美国、西班牙、朝鲜、哥伦比亚、巴西等国 家和地区。从1 9 9 7 年的产量看，我国摩托车的年产量接近世界年产量的一半，成 为名副其实的摩托车第一生产大国。 我国从1 9 8 9 1 9 9 9 年累计生产摩托车6 0 8 3 万辆，目前摩托车保有量, , 为4 5 0 0 多万辆( 除去出口、库存、报废等) ，平均占有率为3 7 5 辆于人，高于世界平均 水平。 在世界各国摩托车生产企业中，1 9 9 5 年以来年产量达到百万辆的有5 大厂家， 即日本本田( h o n d a ) ，印度贝佳基( b a j a j ) ，中国的轻骑、嘉陵、建设，我国 有3 家，占五分之三。 综上所述，我国摩托车工业在世界摩托车工业发展中明显地占有重要位置， 但也有不少的差距。 在实用型小排量摩托车方面与发达国家的技术水平差距不大，一方面得益于 通过多年来技术引进与合资，相关技术已经消化吸收，另一方面也因为实用型小 浙江大学硕士学位论文 排量摩托车技术含量较低，发达国家摩托车生产企业也有意将这些附加值低的摩 托车迁至海外生产。 在其他方面差距仍然较大。如在摩托车上应用的都是汽油机，其机型品种较 少，同一机型的性能指标就比国外的低。大排量、四冲程的机型还没有大规模地 推广。产品可靠性也比较低。 以我国和日本为例，在生产方式上，我国是以劳动力密集型为主，而r 本则 以技术密集型为主；在增长方式上，我国属于粗放型，而日本为集约型；在市场 方面，我国是以国内市场为主，而日本是以出口为主；在技术创新上，我国的能 力薄弱，基本是引进国外的先进技术，而f 1 本的自主开发能力强，产品的开发周 期短；在管理水平上，我国正由传统模式向现代化模式过渡，部分中小型企业仍 带有浓厚的作坊色彩，而同本摩托车大企业都采用现代化的管理方式，并且都形 成了鲜明的特色( 见表l 2 ) 4 1 1 5 1 。 表1 2 中国与e t 本摩托车工业宏观比较 t a b 1 - 2c o m p a r a t o r o f m o t o r c y c l ei n d u s t r i e si nc h i n a a n d j a p a n 中国日本 生产方式劳动密集型，大规模制造技术密集型，准时生产，订单生产，模块化 技术装备构成柔性制造体系、敏捷制造体系 增长方式租放型，增长质量欠佳，平衡性欠佳集约型增长质量高 市场国内市场为主，出口量占生产量2 0 左出口为主，出口量占产量的5 0 左右，服务 右，且不稳定。大型企业有服务贸易贸易成熟 技术创新能力弱基本引进国外先进技术 能力强，产品开发周期短并且有技术储备 管理水平由传统向现代化过渡，部分中小企业仍然 现代化管理方式，四大公司各有独特的质量 是作坊式管理体系 综合实力有些企业有提高，大部分企业处在比较低强 的水平上 对外悱调分散一致 这种差距实际上体现在技术创新能力上，这也与我国摩托车工业的历史有 关。我国摩托车技术的引进开始于八十年代初期，当时较好地解决了工业技术水 平低、生产规模小的问题。但是忽视了研发能力和科技投入，导致现有产品技术 含量不高，产业技术的发展滞后于产业规模的扩张。目前国外发达国家及我国台 湾省在摩托车产品的开发设计、模拟分析过程中大部分已实现计算机化和动态 化。而国内摩托车的设计水平还停留在测绘仿制、静强度校核等静态设计阶段 6 c 7 1 c 8 。设计理念上的落后也导致t a n 摩托车技术水平低下。国内摩托车大型 企业对摩托车的投资大多用于提高生产能力上，用于科技开发的很少。据统计我 国摩托车工业用于技术开发的费用占销售收入不到1 ，而我国台湾省则为5 ， 只本为7 以上。这使得我国摩托车工业的发展受到了阻碍【9 1 1 0 】。 浙江大学硕士学位论文 1 2 摩托车节能与环保技术发展现状 世界各国制定了严厉的法规，限制汽油机和柴油机的尾气污染物排放i l 2 j 【j “。 有限的石油资源和日益提高的环保意识也促使汽车和摩托车降低燃油消耗。我国 的摩托车年产量和保有量都比较多，节能与环保问题尤其严重。在摩托车上，降 低油耗和排放的技术不及在汽车上成熟，我国的技术与世界先进国家相比也有差 距，有很多值得学习的地方。世界先进国家在摩托车发动机上正在研究和应用的 节能与环保技术主要有以下的一些方面： 1 2 1 改进混合气的形成和燃烧过程 1 、采用层状充气燃烧 日本本田公司c v c c 燃烧室系统就是典型的层状充气燃烧。它采用主、副燃 烧室形式，循环过程中向副燃烧室提供较浓的均质混合气，而向主燃烧室中供稀 的混合气，先点燃副燃烧室中的浓混合气之后，火焰喷向主燃烧室引燃那里的稀 混合气。这种燃烧可得到良好的经济性，减少n o x 的生成。 对于小型二冲程汽油机，j a n l m e s 1 5 1 提出了利用设置于曲轴箱与一个附腔之 间的膜片实现分层扫气的方案。曲轴箱与附腔同时与扫气道相连，纯空气进入一 个腔内，而混合气进入另一个腔内：扫气时纯空气扫气口比浓混合气扫气口先开， 使纯空气先于浓混合气扫气，以减少浓混合气的短路损失。 图1 1t h e r y 扫气方案 f i g 1 。1t h e r y ss c a v e n g i n gs c h e m e t h e r y 1 6 1 的方案是利用由曲轴驱动的膜片泵供给纯空气，在蓝轴箱内形成浓 混合气。如图1 1 所示，膜片泵受曲轴驱动，形成的压缩空气从位于排气口两侧 的主扫气口进入气缸，曲轴箱内的浓混合气从位于排气口对面的副扫气口进入气 缸，且主扫气口先于副扫气口打开 1 7 】。 2 、采用稀混合气燃烧和高压缩比紧凑型燃烧室 这种燃烧方式对降低部分负荷时的比油耗有着重要意义。稀混合气燃烧还可 o 浙江大学顼上学位论文 降低气氛内最大爆发压力和燃烧温度，减少n o x 的生成。使用化油器和汽油喷射 都可得到稀燃混合气，如能与高压缩比多气门和电子控制技术相结合使用，其经 济性、动力性将会更好。高压缩比必须与设计紧凑合理的燃烧室结合才能实现。 只有紧凑合理的燃烧室，火花塞放置尽量布置在燃烧室中央，才能使火焰传播距 离短实现快速燃烧，防止燃烧时爆震的产生，提高压缩比i l ”。 3 、提高压缩比 我国汽油机产品的压缩比，特别是二冲程机的压缩比偏低，适当提高压缩比 可以进一步强化汽油机，提高汽油机平均有效压力，提高汽油机的热效率。另外， 我国商用汽油标号的提高也为提高压缩比创造了有利条件。当然，提高压缩比会 带来一些相应的问题，诸如过热、爆震等问题。这就要配合改进燃烧室的形状， 采用高压缩比紧凑型燃烧室，并改进冷却系统，采用强制风冷和水冷等技术。 4 、采用多缸多气门和顶置凸轮轴形式 我国目前生产的摩托车用四冲程机绝大多数为2 气门结构，只有新开发生产 的一些少数型号如v f l 2 5 为4 气门结构。在国外汽油机发展多气门的速度是惊人 的。美、欧、日等国家和地区推出的新型汽油机大多数为4 气门结构，有的为3 气门或5 气门结构，日本本田最近推出了8 气门结构高速汽油机。多气门结构不但 适应了当前高功率化的要求，而且还实现了低油耗。4 气门与2 气门相比，其每个 气门的质量可以减轻4 3 ，从而减小了惯性力，适应于提高气门开启速度。总的 气门面积可以增加2 7 ，使汽油机的性能从低速到高速都超过了2 气门结构。据 a v l 的统计和预测，多气门汽油机今后仍将持续发展，而2 气门汽油机则呈下降 趋势。 多缸技术是强化汽油机、发展大排量摩托车的必由之路。多缸机具有许多优 点。在其它条件都相同的情况下，某一排量的汽油机汽缸数越多，输出的功率值 越大。这是由于多缸机进、排气口面积大大增加，因而进气充量加大，排气更顺 畅，升功率迅速提高。其次是多缸机各缸活塞的运动力可以相互叠加，从而使曲 轴平滑均匀地运行。不像单缸机那样，当活塞通过上下止点时，必须依靠大尺寸 飞轮的转动惯量来带动。因此，多缸机的飞轮可以做得小些。飞轮的质量轻、加 速运行时消耗的功率减少，输出功率增大。多缸机还可通过巧妙的设计，把往复 运动的活塞所产生的各种震动相互抵消，即一个活塞朝某一方向运动所产生的 力，被另一活塞朝相反方向运动所产生的力加以平衡，因此，多缸机所产生的震 动小于单缸机。 浙江大学硕十学位论文 图1 - - 2 多缸机的几种结构形式 a 一平行四缸机结构，b 一方形四缸机结构，c 一平行六缸机结构 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo f m u l t i c y l i n d e r a - p a r a l l e lf o u r - c y l i n d e r b - r e c t a n g l ef o u r - c y l i n d e r c - p a r a l l e ls i x c y l i n d e r 图1 2 中，a 是平行四缸机结构，b 是方形四缸机结构，c 是平行六缸机的结 构。目前国外汽油机以多缸机代替单缸机，单缸排量向小的方向发展。如日本本 田的c b r 2 5 0 r r 摩托车用汽油机为并列4 缸4 气门双顶置凸轮轴结构，单缸排量仅 为6 2 5 m l 。国内并列、v 型双缸技术正日趋成熟，如面市的c l l 2 5 3 、c l l 2 5 - - 2 , 0 x d z 2 5 0 等并列双缸机，z f 2 5 0 、c l 2 5 0 和l f 2 5 0 等v 型双缸机，但没有自主开 发的四缸或六缸摩托车用汽油机【l 。 采用顶置凸轮轴可以减少配气机构运动件的数量和传动距离，提高配气相位 的精确度：采用双顶置凸轮轴，使配气机构、进排气道、火花塞布置等设计的自 由度大，有利于减轻配气机构的惯性质量，从而可以提高汽油机的转速。 当然采用多缸、多气门结构和双顶置凸轮轴会使汽油机的运动件增加，增加 了故障发生的可能性。另外，我国目前生产的凸轮轴、气门等零件的材质和热处 理工艺水平也应相应地提高。 5 、点火控制技术 摩托车点火控制技术先后经历了电感放电式有触点蓄电池点火、电感放电式 有触点磁电机点火、电容放电式无触点磁电机点火( c d i ) 、模拟自动进角的a c d i 点火、数字式全晶体管点火、微机控制的数字式点火( d c d i ) 等几个阶段。用 微机控制的点火正时控制技术也经历了两个阶段：只通过转速信号控制点火时 刻，如本m c b r 2 5 0 f 、雅马哈f z r 4 0 0 ；通过转速和节气门开度位置信号控制点 火时刻，如本m c b r 6 0 0 型、雅马哈x v l 0 0 0 型汽油机等。数字式点火能通过反馈 信号获得各种工况下的最佳点火时刻，在国内几年前就开始研究，目前已有厂家 开发出d c d l 点火装置。单纯的点火正时控制技术在国外正趋于淘汰，一般和电 喷装置联用。 6 、电控燃油喷射技术 燃油供给控制技术包括改进化油器、电控化油器和电控燃油喷射三个方面。 浙江大学硕士学位论文 化油器技术经过一百多年的发展已经达到了相当高的水平，由于其固有的特点很 难有大的突破。电控化油器技术也只是一种过渡技术，只有电控燃油喷射技术才 能真正实现各工况供油量的精确控制。 电控燃油喷射技术能大幅度降低排放、提高动力性、降低燃油消耗，因此国 外正在摩托车上推广使用，如川崎的e f i 电喷系统、本p g m - - f i 系统、雅马哈 的v f l s 系统等。它们都具有相同的控制原则：以电脑e c u 为控制核心，以空 气流量( 或进气压力) 和汽油机转速为控制基础，以喷油器为控制对象。确保获 得与摩托车各种运行工况相匹配的最佳混合气成分和最佳喷油时刻。 图1 3 是o r b i t a l “s e f i s ”系统缸内直喷式电喷系统的结构示意图。这是 一种采用燃油缸内直接喷射系统取代传统的化油器的燃油供给系统，主要目的是 利用新鲜空气扫气，在过气口接近关闭或已经关闭以后再向气缸内喷射燃油，尽 可能减少燃油直接排向大气的量例【l 埘。 图1 - 3o r b i t a l “s e f i s ”缸内直喷式系统的结构示意图 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r eo f o r b i t a l s e f i s s y s t e m 图l 一4 给出了奥地利a v l 公司研制的半直接喷射系统简图。其喷嘴位于第三 扫气口上，根据供油脉冲控制喷油，采用的是汽车汽油机电空喷射通用的喷嘴， 在活塞完全关闭排气口以前开始进行喷射【2 。 国内二冲程电喷系统有原海南新大洲的澳大利亚o r b i t a l “s e f i s ”系统、 南方公司的美国b k m “c a t s ”系统、比亚乔一佛山公司的意大利p i a g g i o 的 “f a s t ”系统，但均未能到推广；四冲程电喷系统中春兰引进的法国原s a g e m 公司的“m c 5 0 0 ”系统较为成功。国内有不少厂家声称已自主开发出电喷系统， 但尚未大规模地推广。 浙江人学硕上学位论文 图l 一4 奥地利a v l 公司的s d i s 燃油直喷系统 f i g 1 - 4a v l s d i s s y s t e m 1 2 2 可变技术的应用 1 、可变排气控制阀系统 在汽油机排气口附近安装一个排气控制阀，由进气管真空度通过膜片室操 纵。低负荷与怠速时排气控制阀关小，产生节流。由于排气控制阀产生的反射， 使反向流动提早在下死点前产生，从而抑制了短路现象，下死点后反向流动消失， 使燃烧更稳定。采用排气控制阀在一定程度上能减少排放中的h c 体积分数和改 善汽油机低中边区域的“转矩谷”性能。例如日本y a m a h a 公司的e x u p 可变排 气阀系统就是一个典型的例子。结构如图1 5 所示。 化 图1 - - 5 排气控制阀结构 f i g 1 - 5t h es t r u c t u r eo f e x h a u s tc o n t r o lv a l v e 2 、采用可变气门正时( 即液压式气门停止工作装置) 此装置是使两个气门中的一个低速时停止工作、高速时全部工作，达到改变 浙江大学硕上学位论文 气门开启面积、提高高速汽油机的低速范围和高速范围的充气效率。在汽油机整 个工作范围内，提供合适的气门开启、关闭时刻和升程，从而改善汽油机进、排 气性能，提高各种转速和负荷下的动力性、经济性，降低排放。这方面国外在汽 车上的研究较多，己发展到全可变电子控制气门的研究应用，在摩托车上的应用 只是一种分段凸轮控制技术，即通过提供两种以上的凸轮型线，在不同转速和负 荷下，采用不同的凸轮型线驱动气门以实现分段控制。有代表性的如本田的v t e c 机构用于c b 4 0 0s u p e r f o u r 型汽油机，铃木的v c 系统则用于g s f 4 0 0 v 型汽油 机。国内目前尚无这方面的研究应用p “。 3 、利用二冲程机进排气脉动效应 合理地利用此种效应可以提高给气比，提高给气效率，但其转矩特性往往不 太理想。为了改变这种现象，可采用某种方式来改变舌簧阀前进气管内的压力或 改变进气流动来提高进气能力，达到提高部分负荷时的给气压消除“转矩谷”提 高经济效益的目的，如采用进气谐振腔装置来提高给气比。 4 、采用排气系统的可变技术 此项可变技术是利用增力阀系统使排气相位能随转速的变化而变化，可在较 大范围内改善汽油机的性能。这样不仅提高功率、降低油耗，而且改善废气排放 品质、减小噪声。如日本y a m a h a 的y p v s ( y a m a h ap o w e rv n v es y s t e m ) 增力阀系统和川崎的k i p s 增力阀系统等都属于此类技术。 1 2 3 其他节能和环保技术 降低油耗和排放除了改进发动机混合气的形成和燃烧过程、可变进气排气技 术外，还可从降低噪声、改善排放品质、提高起动可靠性、研究代用燃料和电动 技术等方面进行探索。 1 、怠速控制技术 对装有电喷系统的汽油机来说，怠速控制是指对怠速工况时的进气量进行调 节，同时配合喷油量及点火提前角的控制，从而实现转速稳定和低油耗。因此要 有电喷装置才能实现，目前多用于汽车汽油机。本田在g i o r n o c r e a 5 0 上安装的 怠速熄火系统，实现了怠速工况的自动熄火和起动，大大降低了城市工况下的油 耗。 2 、水冷和油冷技术 水冷和油冷技术可避免汽油机的过热现象。在日本、美国和西欧国家中， 1 2 5 m i n t 的小排量坐式汽油机，一般采用强制风冷却系统，1 2 5 m 1 以上的高速大 中排量的摩托车一般采用液体冷却系统( 水冷或油冷) 。从日本1 9 9 3 年开发的新 车型上的汽油机来看，水冷机占7 0 。另外，为改变汽油机在低负荷时的热状态， 国外开发了一种称之为沸腾冷却( 中温冷却) 的系统，由电子单元控制、使冷却 浙江人学埘l 学位论文 水在1 0 0 n 1 1 0 。c 的温度下对汽油机进行冷却。这种冷却与水温为8 5 。c 的冷却相 比，其燃烧室的温度相同，不会增加汽油机零件的热负荷，却改善了低速低负荷 时汽油机的热状态，使低速低负荷时的比油耗大大降低。采用水冷或油冷系统可 提高压缩比，提高平均有效压力，提高动力性。国内使用水冷汽油机的摩托车较 多；国内春兰、力帆等也推出了水冷摩托车。 3 、降低摩擦损失 减少活塞环数目，采用一道气环和一道油环的两环结构形式可以降低活塞环 与气缸之间的摩擦损失。另外采用粘度低的高级润滑油，合理地设计活塞、活塞 环的外形及其与气缸之间的间隙，以及提高各摩擦副的制造精度，以减小摩擦力 和机械损失，提高效率。 4 、尾气后处理技术 尾气后处理技术有几种应用形式如二元催化转化器、热反应器加上二次空气 喷射装置、二元催化转化器a n - 次空气喷射装置、二元催化转化器加闭环控制( 电 喷) 、三元催化转化器加闭环控制( 电喷) 再加上二次空气喷射装置等。 我国台湾的摩托车排放i i i 期标准在测试方法上其预热过程造成无法直接与 e c e 4 0 或e u r o - - i l l 较限值，但是，直观地我们可以看到世界范围内，我国台湾 的排放限值是最严格的。考虑到台湾的摩托车与中国大陆的摩托车产品基本相 似，即以1 2 5 m l 以下小排量摩托车为主，同时二冲程摩托车占有相当大的比例， 所以我国台湾的摩托车排放控制技术对策显然对我们更有实际的借鉴意义。我国 台湾1 9 9 1 年发布的摩托车排放期法规中就已经明文规定所有新型二冲程摩托 车全部需要安装排气催化转化器。1 9 9 8 年发布的摩托车排放i i i 期法规中甚至规定 全部摩托车必须安装排气催化转化器。 5 、采用液化石油气等代用燃料 有资料表明，使用液化石油气做燃料的汽油机尾气中的c o 和h c 含量分别比 汽油机下降了8 0 和2 0 。为了适应城市低排放要求，用天然气( n g ) 、液化 石油气( l p g ) 、醇类等燃料代替汽油以获得较低的排放水平，是继电动车之后 的又一研究热点。国内企业如宗申、力帆等均有l p g 双燃料摩托车推出，但都没 有大批量上市。因为燃气摩托车存在车速低、一次充气行驶里程短、加气不方便 等缺点，所以从长远看，其很难成为环保车发展的主流方向。燃气摩托车的最大 缺点是必须建设大量的加气站，这是制约燃气摩托车发展的一大瓶颈。 环境污染和能源危机促使电动车成为研究热点。电动车以储能元件( 电池) 取代汽油机作为动力来源，从而实现了零排放。用可充电动力电池、燃料电池、 金属空气电池作为动力源以取代汽油机。目前电动车存在的最大问题是续驶里程 短、使用寿命短、废i h 电池可能会带来二次污染等。电动摩托车在我国台湾省研 究应用较多，国内其它地方对电动自行车的研究应用已较为成熟，但对电动摩托 车的研究尚处于起步阶段。电池的能量密度远远小于汽油的能量密度，因而开发 浙江大学硕士学位论文 电动摩托车的关键是开发研究大容量的动力电池。 混合动力结合了内燃机较高的能量和功率密度、电力的零排放和低噪音的混 合动力系统就有很好的应用前景。在汽车上已进入产业化、商品化阶段，它可以 克服纯电动驱动方式的里程限制，被认为是现阶段能够满足能源替代和排放净化 的最可行的动力之一。在摩托车上，混合动力的开发落后于在汽车上的应用。国 内外也少有文献报道。分析其原因，在国外研发重点放在了混合动力汽车上，对 于摩托车不够重视；国内研发力量薄弱，对混合动力的研究刚刚起步。混合动力 技术在汽车上的成功应用，对内燃机油耗和排放的显著改善，显示混合动力系统 在摩托车上具有一定的可行性。本文目的在于在上述的节能于环保技术之外，探 索混合动力技术应用于摩托车上的创新性工作，以为改善摩托车油耗和排放提供 新思路。 1 3 汽车用混合动力技术发展现状 4 0 浆3 0 霎2 0 蠼 悟l o o 2 0 0 52 0 1 02 0 1 52 0 2 0 年份 一一日本h e v 十洲眦v 日本f c e v - _ 欧洲f c e v 图1 - - 6 h e v 与f c e v 市场预测 f i g 1 - 6m a r k e tf o r e c a s t i n go f h e v a n df c e v 在汽车工业，纯电动车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 是取代传统汽油机、满足零 排放的最终选择，但是目前电池的能量密度、充电时间、价格、寿命等问题仍未 得到理想的解决，从而限制着纯电动汽车的发展。近年来燃料电池汽车发展十分 迅速，但在成本、氢能源的制各等方面仍存在一些问题。因此，自1 9 9 5 年起，世 界许多著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性较强的混合动力 ( h y b r i de l e c t i n gv e h i c l e ，h e v ) 上j 。以日本为例，日本综合能源调查会在清 洁能源汽车普及计划中设定的目标是：到2 0 1 0 年，生产h e v 目标为1 8 0 万辆、e v 浙江大学硕士学位论文 为2 0 万辆、高性能e v 为2 4 万辆、天然气( c n g ) 汽车1 0 0 万辆，其h b h e v 占到了 5 6 。图1 6 为日本综合能源调查会对2 0 0 0 - - 2 0 2 0 年h e v 与f c e v 市场的预测。 我国政府也对h e v 的发展给予了足够的重视，国家科技部在“十五”规划中 制定的战略目标是，争取在发展e v 、h e v 的电池、能量管理系统、驱动控制等 关键技术上基本保持与世界同步，并且目前已将h e v 的开发列为国家高技术研究 发展计划( 8 6 3 计划) 的重大研究课题之一。 9 0 年代以来，各大汽车公司通过使用先进的开发手段，己在较短的开发周期 内相继推出了采用不同布置形式和控制策略的h e v 产品。日本丰田公司开发的 p r i u s 和本田公司开发的i n s i g h t 两种混合动力车已开始小批量投放市场。为适应美 国市场的需求，丰田公司已推出第2 代p r i n s ，2 0 0 0 年1 1 月底前已售出5 万辆，整体 性能更加优良。本m i n s i g h t 在美国市场上去年也已售$ 3 5 0 0 辆，供不应求。日产 公司也于去年推出t i n o 混合动力车，在日本国内市场上销售了1 0 0 多辆“。 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了h e v 开发合同，其中通用汽车公 司投入1 4 8 亿美元，福特投入1 3 8 亿美元，克莱斯勒投入8 4 8 0 万美元，进行为期5 年的研制开发工作，三大公司于1 9 9 8 年北美国际汽车展上分别展出了样车。在此 基础上，现已按期推出三款混合动力概念车通用p r e c e p t 、福特p r o d i g y 、克莱斯 勒d o d g ee s x 3 ，三款车均接近或实现了3 升百公里的目标。 德国奔驰公司1 9 8 9 年开始研制燃料电池电动汽车。1 9 9 4 年“n e c a ri ”型研 制成功，p e m f c 总功率5 0 k w ，总重量8 4 0 k g ，最高车速9 0 k m h ，续驶里程1 3 0 k m ， 采用纯氢。1 9 9 6 年“n e c a ri i ”型研制成功，p e m f c 总功率5 0 k w ，6 个座位， 续驶里程2 5 0 k m ，采用纯氢。1 9 9 7 年9 月“n e c a ri i i ”型研制成功，p e m f c 总 功率4 0 k w ，最高车速1 2 0 k n l l a ，行驶里程4 0 0 k m ，采用甲醇重整提供氢气。1 9 9 7 年末“n e b u s ”2 0 0 型大客车( 4 0 英尺) 研制成功，最高车速8 0 k m h ，6 0 座，续 驶里程4 0 0 k m 。 日本丰田公司“r a v 4 ”甲醇重整的燃料电池与n i m h 动力电池混合系统 最高车速1 2 5 k m h ，行驶里程5 0 0 k m 。日本马自达公司的“d e a m i o ”燃料电池轿 车，使用纯氢燃料电池和超级电容混合系统，燃料电池的功率2 5 k w ，与超级电 容联合使用输出功率可达4 0 k w 。 我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关 和整车研制，在此基础上也进行了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。 2 0 0 0 年1 2 月中科院大连化学物理所、电工所和东风汽车研究院联合研制成燃料电 池轻型客车a 清华大学电动车研究室和北京飞驰绿能电源技术有限公司联合研制 的“京零一号”燃料电池轻型客车于2 0 0 1 年4 月参加了第三届北京国际电动汽车、 清洁汽车展览会。北京新世纪富源燃料电池公司、上海神力公司等在燃料电池的 研究方面也取得了许多重大成果。 清华大学和广州电车公司已分别开发了混合动力中巴和大巴的试验车，均为 浙江大学坜t 学位论文 串联式布置。清华大学在混合动力电动汽车关键技术和系统及理论方面作了许多 工作，1 9 9 5 年就开始这方面的研究。广州市电车公司也开发了混合动力公共汽车 的样车：华南理工大学与广东云山汽车厂也合作开发了一种中巴混合动力汽车。 北京二汽绿色汽车研究所研制出b j 6 4 9 0 d 2 型串联式混合动力汽车，仅靠车上电 池给电动机供电，续驶里程为1 1 0k m 。如再给油箱j 1 1 7 l 汽油，用汽油汽油机带 动发电机向电池充电，则续驶里程可延长n 2 2 0 k m 。 目前，有关混合动力电动汽车动力传动系统的研究在车型开发和仿真分析中 都有了快速的进展。并在摩托车上也得到了初步的应用。 9 浙江大学硕上学位论文 1 4 论文课题来源和主要工作内容 本论文涉及的摩托车混合动力系统是浙江大学动力机械及车辆工程研究所 与中国星月集团的合作项目，旨在以混合动力技术，为降低小型轻便摩托车的油 耗和排气污染探索一条新路。 主要工作内容包括： 设计摩托车混合动力系统的总体方案。在分析传统摩托车的运行特性后，确 定混合动力系统的目标运行特性。指出影响系统性能的因素有动力的配置方式、 发动机和电机的动力匹配以及混合动力的控制策略。对混合动力系统的基本部件 一发动机、电池、电机的技术进行分析和比较，选择适合小型轻便摩托车特点的 部件。发动机选择风冷二冲程汽油机，电池为密封式免维护铅酸蓄电池，电机为 稀土永磁有刷直流电机。 确定发动机和电机的动力匹配。参考混合动力汽车上发动机和电机的动力传 递方式，主要有串联式、并联式和混联式三种方式。经过比较并考虑摩托车的特 点后确定并联式动力传递方式。对于并联式中发动机和电机在摩托车上不同的布 置方式，选择发动机中置后轮驱动，前轮轮毂电机驱动的布置方式。分析它的运 行模式。提出评价混合动力摩托车性能的模型。 开发混合动力摩托车的控制系统。分析控制系统的功能，把功能分解为综合 动力e c u 、汽油机e c u 、动力电池e c u 和电动机发电机e c u 等四个控制单元。 控制系统可以车速为主要参数进行控制，也可以车辆的输出功率为目标，也可以 摩托车的成本和燃油经济性为目标进行控制。比较这三种控制策略，选择以成本 和燃油经济性为目标的控制策略。具体实现是d c - - d c 变换器，实现电动机发电 机作为辅助动力的功能。分析变换器电路原理，对电路进行仿真和测试。 组装和初步试验混合动力摩托车样车。确定样车各部件的主要技术参数，改 装和组装零部件和整车。进行初步摩托车道路试驾，结果表明应用混合动力系统 能提高原有摩托车的加速、爬坡、最大速度等动力性能。 塑垩查兰望兰堡堕苎 第二章混合动力摩托车总体方案探讨 2 1 传统摩托车运行特性分析 为了合理地设计摩托车混合动力系统，达到预期目标，必须分析现有的摩托 车高油耗和尾气污染物的产生机理和影响因素。 2 1 1 摩托车尾气污染物产生机理及主要影响因素 摩托车尾气污染物主要有h c 、c o 、n o x 等。 其q b n o x 浓度取决于火焰温度、火焰前锋中是否有富氧以及高温滞留时间的 长短。 对于四冲程汽油机而言，h c 的来源有二：一是气缸内各处混合气浓度不均 而生成末完全燃烧的h c ：二是气缸壁的激冷层和气缸壁面缝隙处存在的未燃 h c 。对于二冲程汽油枫，相当一部分h c 产生于扫气过程。 关于c o 的生成，主要原因有3 点【2 4 j ： 由于实际汽油机的混合气成分的分布不是完全均匀，空燃比和残余废气的浓 度局部有变动，从而影响混合气的燃烧性能，使c o 的浓度增大，而且混合气的 总混合比越接近熄火边界，c o 的浓度增长越多； 位于温度较低的燃烧室壁面附近的激冷层的混合气，由于没有燃烧或燃烧不 完全，使c o 的浓度增加。 和n o x 样，c o 的氧化速度较小，在