《Fuel》：Performance and emissions of a plug-in hybrid electric vehicle equipped with a two-stroke rodless opposed-piston engine with different boosting conditions
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该研究提出一种新型超小型两冲程无杆对置活塞发动机（2S-ROPE）作为插电式混合动力汽车（PHEV）的增程器，通过自然吸气、涡轮增压和超增压三种版本对比分析，发现涡轮增压版本0-100km/h加速时间缩短50%，实际城市路况下PHEV能效提升55%，全生命周期分析显示二氧化碳排放减少45%。
José Ramón Serrano | Antonio García | Javier Monsalve-Serrano | Alejandro Gomez-Vilanova | Santiago Martínez-Boggio
CMT - Clean Mobility & Thermofluids, 瓦伦西亚理工大学, Camino de Vera s/n, 46022 瓦伦西亚, 西班牙
摘要
汽车行业正朝着电气化方向转型，这一趋势受到新的出行标准和法规的推动。本文探讨了新型超小型二冲程无杆对置活塞发动机在插电式混合动力电动汽车动力系统中的潜力。该发动机在多种驾驶条件下进行了评估，包括认证循环、实际驾驶场景以及满载加速测试。研究了三种版本的无杆对置活塞发动机：自然吸气、涡轮增压和机械增压，分析了它们对车辆性能的影响。满载加速测试的结果表明，涡轮增压版本在保持充电状态的情况下，从0到100公里/小时的加速时间仅为自然吸气版本的一半。实际驾驶循环的结果显示，在城市条件下，插电式混合动力电动汽车的能源效率可提高55%，尾气中的二氧化碳排放量也可降低。最后，简化的生命周期分析结果显示，配备涡轮增压二冲程无杆对置活塞发动机的插电式混合动力电动汽车的二氧化碳排放量可减少45%。
引言
汽车行业目前面临着双重挑战：既要遵守日益严格的排放法规[1]，又要继续满足消费者对车辆性能、舒适性、安全性和成本方面的期望。许多地区的最新法规逐步要求实现零尾气排放，从而促进了电气化动力系统的大规模应用[2]。然而，环境可持续性评估不能仅限于尾气排放，因为基于实际驾驶数据的大规模分析表明，认证值并不一定能反映车辆的真实二氧化碳排放情况[3]。多项最新研究表明，电气化动力系统的环境效益取决于系统层面的因素，如驾驶模式、电动驾驶比例和能源供应，而不仅仅是尾气排放[4]。在这种背景下，生命周期评估（LCA）已成为量化与车辆生产、使用和报废阶段相关的温室气体排放和资源消耗的重要工具[5]。
电池电动汽车（BEVs）市场正在快速增长[6]；然而，一些实际限制仍然制约了其广泛采用，包括充电时间较长、公共充电基础设施分布不均（这在不同地区和社会经济背景下差异显著[7]）、电池性能下降[8]、生产成本高昂以及与热失控相关的安全问题[9]。因此，短期内实现完全电动化转型仍具有挑战性。插电式混合动力电动汽车（PHEVs）作为一种中间技术解决方案，能够在短距离内实现零排放运行，并同时提供较长的续航里程和较高的用户接受度[10]。在这一过渡阶段，结合了电气化和优化内燃机的混合动力系统架构已成为一种实用途径，可以在保持实际驾驶条件下的可行性的同时实现显著的二氧化碳减排[11]。尽管在重型应用中已经取得了显著的效率提升（例如，最先进的柴油发动机可以达到接近或超过50%的制动热效率[13]），但轻型汽油内燃机的效率潜力仍然较低[14][15]。这一限制主要是由于严格的污染物排放法规要求发动机在接近化学计量比（λ ≈ 1）的条件下运行，以确保后处理系统的正常工作，同时还有日益严格的实际驾驶和冷启动排放要求[16]。尽管先进的燃烧和发动机概念（如阿特金森循环和米勒循环[17]、可变气门正时和升程技术[18]、可变压缩比（VCR）技术[19]以及废热回收[20]）可以进一步提高效率，但它们在轻型车辆中的实际应用往往受到排放合规性、系统复杂性、成本以及在瞬态实际驾驶条件下的可靠性的限制。
在这种背景下，可以在PHEV用内燃机设计中观察到两种主要的技术趋势。一种方法是进一步通过更复杂的燃烧策略和可变几何结构来提高发动机效率[21]，但必须在排放法规的严格限制范围内进行。另一种替代方法是缩小内燃机的尺寸[22]并简化其结构，降低其功率密度和机械复杂性，同时依靠更大的电池和更高的电气化程度来提供所需的车辆性能和续航里程。在这种架构中，发动机更频繁地在高效区域运行，主要作为续航扩展器或辅助动力单元使用，同时保持合规性和用户接受度[23]。此外，最近关于电气化动力系统的续航扩展器解决方案的研究探索了多种紧凑型和非传统的内燃机概念，包括汪克尔旋转发动机[24]、热声发动机和小型高速往复活塞发动机，这些技术的共同目标是降低系统成本、包装限制和整体动力系统复杂性，同时延长电动驾驶里程。这种策略为下一代PHEV动力系统在效率、排放、系统成本、包装限制和运行可靠性之间找到平衡提供了有希望的途径[25]。尽管这些技术具有潜在优势，但PHEV的实际环境性能很大程度上取决于驾驶条件和用户行为[26]。例如，WLTP认证程序通常假设车辆会定期进行外部充电和高负荷使用，这可能导致对燃油消耗和二氧化碳排放的乐观估计。然而，最近的道路和车队研究表明，当PHEV充电频率较低时，其实际电动驾驶比例显著降低，车辆主要在保持充电状态的模式下运行，其燃油消耗和二氧化碳排放量与传统质量和性能相似的混合动力车辆相当，甚至在某些情况下更高[27]。因此，声明的排放量与实际排放量之间的差距可能很大[28]。这些发现表明，PHEV的环境效益在很大程度上取决于用户的充电习惯、行驶模式和基础设施的可用性，其作为过渡技术的有效性严重依赖于持续和频繁的充电行为。
在此背景下，本研究基于超紧凑型发动机架构的最新发展，探索了一种新型二冲程无杆对置活塞发动机（2S-ROPE）作为插电式混合动力电动汽车的潜在续航扩展器解决方案。该研究主要采用数值和系统级分析方法，旨在扩展和推广先前提出的发动机概念，而不是开发应用原型。其主要创新之处在于将这种创新发动机架构集成到真实的PHEV平台中，并系统地优化电池尺寸，并对三种空气管理配置（自然吸气、涡轮增压和机械增压）进行比较分析。所提出的方法评估了这些设计选择对燃油消耗、二氧化碳排放（尾气和总体排放）以及运行行为的影响，不仅包括WLTP循环，还包括代表城市、城乡结合和高速公路行驶条件的二十条实际驾驶路线。通过将先进的发动机概念与详细的车辆级仿真相结合，在法规和实际驾驶条件下进行评估。本研究旨在为下一代PHEV动力系统中简化型超小型续航扩展器的潜力和局限性提供定量见解。
发动机特性和增压条件
所研究的发动机是一种2S-ROPE直喷发动机，排量为0.5升。它有四个气缸，每个气缸有两个对置活塞，并配备了一种可以调节发动机压缩比和排气口正时的机制。发动机规格如表1所示。这种调节通过一个执行器实现，该执行器通过偏移旋转元件（排气凸轮）来调整排气气缸的正时。外部执行器也可以改变这些设置。
结果与讨论
结果分为三个小节。第一小节分析了不同动力系统版本在满载加速测试和WLTC认证循环中的性能。第二小节介绍了生命周期分析结果，包括电池生产过程中的二氧化碳排放、电网产生的二氧化碳排放以及与液体燃料相关的排放。最后一小节评估了车辆在实际驾驶条件下的性能。
结论
本研究通过数值分析，对新型二冲程无杆对置活塞发动机（2S-ROPE）在插电式混合动力电动汽车应用中的性能和可行性提供了关键见解。主要发现总结如下：
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涡轮增压提高了发动机峰值功率，达到80千瓦，而自然吸气版本仅为30千瓦。这使得0-100公里/小时的加速时间显著缩短。
CRediT作者贡献声明
José Ramón Serrano： 资金获取、概念构思。
Antonio García： 文章撰写——审稿与编辑、项目管理。
Javier Monsalve-Serrano： 文章撰写——审稿与编辑、方法论。
Alejandro Gomez-Vilanova： 研究工作。
Santiago Martínez-Boggio： 原稿撰写、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
