随着全球动力系统的电气化趋势，近期欧洲、美国及中国正在向环境可持续的驱动系统转变。尽管在欧洲销售的75％至85％的车辆在2030年仍将配置内燃机，但是很大比例的内燃机将与混合动力系统一起工作。那么，如何设计汽油发动机才能使其以最佳成本在不同混合动力方案（如轻度混合动力和插电式混合动力等）中更好地降低CO₂的排放？全球领先的动力总成研发公司FEV在一个基于D级车的广泛研究中解决了这一问题，其参考的动力系统是一款配备2.0L汽油发动机（135 kW，TCDI，采用2级可变气门系统和米勒循环）、7速双离合变速器和12V电气系统的传统动力总成系统。                                                 

混合动力系统的架构

根据定义，混合动力系统是各种驱动器在同一动力系统中的组合。因此，相应的组合可能性较多。在这项广泛的研究中，FEV的专家把重点放在配置汽油发动机的混合动力组合以及市场份额特别高的或市场前景特别好的方案之中。它们包括：

1）带48V  皮带式起停电机（BSG）的轻度混合动力系统

2）带48V  ​​集成式起停电机（ISG）的轻度混合动力系统

3）插电式混合动力系统（PHEV）

成本效益比较

FEV在研究框架内对综合技术矩阵进行了评审，该矩阵包括排量从1L到3L不等的涡轮增压发动机和自然吸气发动机概念。此外，FEV也选择侧重于已在批量生产中采用的技术或在未来3年内批量生产中成熟度较高的技术，评审结果表明所有发动机都符合当前和未来的排放法规。它们在整个发动机特性曲线图上按照当量空燃比（λ= 1）运行，并且给它们配备了微粒过滤器。为了确定混合动力系统的最佳内燃机，对这些技术的成本和CO₂排放进行了评估。CO₂排放量来自WLTP-L和WLTP-H测试的平均值，成本情景涉及到2025年和每年20万动力系的产量。此外，还测试和评估了实际驾驶条件RDE（Real Driving Emission）中的排放。结果表明，具有较大的排量的涡轮增压3缸发动机以及自然吸气4缸发动机均适合实现降低CO₂的排放。简单设计的“开/关”技术包也适合满足各种混合动力系统对内燃机性能的要求。从成本角度来看，转换成带进气道燃油喷射（PFI）的自吸式3.0L 6缸发动机、阿特金森循环和冷却式EGR无论在成本还是CO₂排放方面都没有优势。

用于带48V BSG的轻度混合动力系统的发动机机型

在参考动力系统的基础上只增加48V BSG的额外成本为740€，CO₂排放量可减少8.6g/km，这意味着成本为86€/g-CO₂。从这个动力系列开始，确定了几种最适合混合动力的技术组合。

图1 带48V BSG汽油机轻混动力总成与参考动力总成在成本和CO₂排放上的性价比评估

如图1所示，FEV对WLTP循环的D级车得出以下结论：自然吸气的4缸发动机和涡轮增压3缸发动机特别适合用于带48V皮带驱动起动发电机的轻度混合动力车型。为满足性能要求，自然吸气发动机需要2.5L排量，进气侧和排气侧配置可变气门正时技术（双VVT），直喷（DI）和可变进气系统。

通过转换为自然吸气式发动机，BSG传动系统的成本可降至490€，同时将CO₂减排量提高至10.4g / km（达到47€/ g- CO₂）。由于增加了停缸（CDA）功能，成本再次上涨至560€；然而，CO₂减排量不成比例地增加到了12.1g/km（达到46€/ g- CO₂）。若将内燃机简化为3缸发动机并消除进气门升程可变性，必须省略米勒循环以持续满足性能要求。因此，动力系统的CO₂减排量较低（8.9g/km），但是，成本需要460€（52€/ g- CO₂）。如果三缸发动机保持进气门升程可变性和米勒循环，则性能要求也可以通过具有可变几何形状（950°C VTG）的耐高温涡轮来满足，这样的情况，CO₂减排量会达到13.1g/km（46€/ g- CO₂）。同时，也可在成本和CO₂排放水平有利的条件下，使用2级VCR系统（44€/ g- CO₂）代替技术包括进气门的变化性、米勒循环和2阶段充电系统，也可以采用喷水技术作为替代技术，喷水技术允许将排量进一步减小到1.3L，具有强大的爆震抑制和同时性能增强效果。这种直接喷水的机型与VCR的生产成熟度还不相同，但在2025年的混合动力系统中，成本和CO₂排放的性价比也能达到很好的效果，预计可以达到33€/ g- CO₂。

适用于带48V ISG轻度混合动力系统的发动机机型

如图2所示，将电动机从P0位置移到P2位置来扩大混动功能，动力系统电气化的成本上升到990€，但与参考动力系统（51€/ g- CO₂）相比，可使CO₂排放量减少19.4 g/km。分析表明，ISG轻度混合动力系统的技术评估在很大程度上可转移到BSG轻度混合动力系统。自然吸气的4缸发动机和涡轮增压3缸发动机适合在配备ISG的动力系统中使用，并且成本/二氧化碳之比较优。

图2 带48V ISG汽油机轻混动力总成与参考动力总成在成本和CO₂排放上的性价比评估

插电式混合动力系统（PHEV）的发动机机型

如图3所示，对于插电式混合动力，内燃机技术对可实现的CO₂减排的影响相对较小。该设计的特点是以最优的成本满足性能要求，带有爆震抑制技术（如米勒循环或可变压缩比VCR）的简单小型涡轮增压发动机，以及具有进气道喷射PFI、阿特金森循环和冷却EGR技术的大排量自然吸气发动机，如4缸2.5L，可满足此要求。

图3 插电式混合动力汽车（PHEV）的汽油发动机技术组合与参考动力总成在成本和CO₂排放上的性价比评估

实际驾驶条件（RED）下的评估

在WLTP循环测试中，内燃机对CO₂减排量的影响随着电气化程度的增加而降低。与此同时，电动机的影响力越来越大，因此可以通过简化内燃机技术，从而降低成本。与WLTP循环测试相比，内燃机的影响在实际驾驶条件（RDE）下明显增加，这是由实际驾驶条件下较高的负荷和较小的电气驱动比例造成的。在这些比较条件下，采用更先进技术的涡轮增压发动机具有更优的成本和CO₂排放比率。根据实际驾驶条件，使用可变进气门升程（VVL）或可变压缩比（VCR）是有利的。在电量保持模式下，采用爆震抑制技术的涡轮增压发动机具有明显的优势，因为它们驱动重型车辆的电池重量而不需要纯电动驾驶。

车辆集成概念

车辆集成和车辆的NVH性能在将内燃机集成到混合动力系统中具有特殊的重要性。额外的驱动部件会占据汽车原本有限的空间，但通过简化和取消现有部件，可以更加有效地推动汽车电气化的进展。基于此，FEV开发了一个参数化程序，可以从集成角度评估车辆的早期概念。

图4  3缸汽油发动机轻度混合动力系统（48V 轻度混合动力系统，左）及插电式混合动力系统（右）与4缸汽油发动机参考动力系统的比较

FEV比较了D级车带有横置（东-西）发动机，用于带48 V BSG的混合动力车型和带有P2插电式混合动力系统的车型。评估显示，参考发动机（4缸2.0L TCDI）在所考察的P0轻度混合动力配置中没有显著的空间劣势。这主要是由于取消了交流发电机，加装了皮带和皮带传动的起动发电机（BSG）。正如预期的那样，在比较轻度混合动力系统时，从集成角度看横向安装的ISG型不太有利。这是由于ISG和附加离合器引起的长度增加。

 对于插电式混合动力车，关键的集成参数已经“超标”。自然吸气的4缸发动机在48V轻度混合动力中已经达到了临界值，并在插电式混合动力车中明显超出。横向安装中发动机长度的增加尤其关键，整体高度的增加，特别是对被动行人保护和噪声抑制措施的横向影响方面也会降低集成参数。当从涡轮增压式发动机转换到自然吸气式发动机时，不能通过取消涡轮增压部件来补偿，因为这些部件可以以相对灵活的方式布置。集成参数考虑了这种灵活性，导致与其他措施（例如，更换发动机缸体）相比，涡轮增压部件的重量更低。所有3缸发动机都可以显著缓解48V轻度混合动力车型的空间问题。通过提高小型化程度（排量减少至1.3L），即使插电式混合动力车型仍有小小的优势，而排量较大（1.5L）的3缸发动机则与参考动力系统相比几乎处于中性状态。

噪声振动强度

FEV的研究表明，如果在混合动力装置的设计概念中考虑适当的措施，混合动力系统中的发动机的NVH性能要求是可控制的。例如启动机转速的增加，平衡轴的整合（或高平衡度的配重），发动机支架的调整和双质量飞轮的使用。借助这些措施，在混合动力系统中，3缸发动机可以取代4缸发动机，而没有明显的NVH恶化。

实际驾驶条件下的排放标定

电气化的重要影响是内燃机与车辆推进系统的间歇性解耦。这里观察到的这种联系在电气化程度越来越高的情况下更为明显。因此，FEV使用两台“混合动力优化”内燃机考核高度电气化的插电式混合动力系统，比较了具有最高电气化差异的动力系统的排放。鉴于RDE测试的限制，两个动力系统都配备了颗粒捕集器。他们不需要混合气加浓来保护部件（在全发动机特性曲线图中λ= 1），并且具有用于减少颗粒排放的喷射系统（350barDI涡轮增压发动机和具有PFI的自然吸气发动机）。

试验结果表明：在电池充满电时，在电量消耗模式下，纯电动无排放行驶可显着减少所有插电式混合动力车型的特定路线颗粒排放。由于发动机必须驱动较重的插电式混合动力车辆，在电池耗尽时，颗粒相比参考动力系统会增加。

电动动力系统中的颗粒排放

与纯内燃机驱动的车辆相比，电动动力系统的微粒排放量取决于电池充电状态。一般来说，通过无排放电动驱动来降低排放。当使用电池耗尽的插电式混合动力车时，微粒排放量增加18％，主要影响是纯电动的无排放驾驶在这种情况下是不可能的。此外，与参考车辆相比，小型内燃机（1.5L）在驱动插电式混合动力车中，较高的发动机载荷增加了微粒原始排放量和微粒过滤器的滑移。

NOx排放的比较

所有动力系统的排放均与NOx的排放极限值保持安全的距离，并表现出与微粒排放类似的行为。因此，如果充满电的电池和电量耗尽模式允许纯电动驾驶，动力系统的电气化还会降低NOx排放。沿着同样的路线，随着电池耗尽，NOx排放量增加。

排气后处理

FEV研究人员不建议大幅简化排气后处理技术，电加热式催化剂（e-cat）甚至可以作为最大电动驾驶（关闭内燃机）和定期启动发动机（排气后处理）之间的折中方案。