纯电动汽车实现了有害物质的零排放，并大幅减少CO2排放，是理想的汽车驱动方式。但其致命的弱点是，蓄电池成本高昂，续驶里程有限。近年来得益于插电技术和增程器的引入，使纯电动汽车重拾升势。所谓增程器，实际上还是一台内燃机，用于在蓄电池耗尽时扩展电动汽车的续驶里程。所以本质上它属于混合动力的范畴。作为增程器的内燃机通常都是与发电机串联，与车轮并无机械联系，在结构上有其自身的特点。近来呼声很高的通用沃蓝达Voltec增程式混合动力车(详见本刊2011年NO.44和2012年NO.15)就是其典型代表。紧随其后，世界各大汽车公司正在急起直追。2011年，马勒公司动力总成事业部推出了一台专门用作增程器的紧凑型两缸汽油机，颇有特色。装备该发动机的紧凑型轿车在行驶循环仿真和发动机台架试验中表现卓越，油耗和CO2排放明显地降低了。
用于电动汽车的增程器
为了验证电动汽车对增程器驱动的特殊要求，马勒公司动力总成事业部接受马勒康采恩的委托，在2009年年底就开始了增程器的开发工作。除了作为技术示范实现驱动以外，其目的还在于得出为了开发用于此类驱动装置的发动机零部件和子系统所要求的边界条件。此举对于增程式混合动力汽车具有重要意义，因为由于发动机的驱动与汽车的运行脱离了关系而产生了对于零部件的寿命设计必须重新考虑的负荷状况。
对于新开发的马勒概念发动机来说，最为特别的是，结构要尽可能地紧凑，以便能够机动灵活地整合到各种不同的汽车应用场合中去，总的造价要低廉，而且还要顾及日后的成批生产、低噪声和低振动(“无噪声行驶”)要求，并具有使行驶循环的CO2排放降低到40g/km以下的潜力。
概念开发
为了开发马勒公司的概念增程器，选中了一款假想的、具有典型的功率特征的紧凑型轿车作为参照汽车。通过对实际行驶中用于汽车的大量数据的分析以及参照汽车的功率特征得出了用于成批生产的概念增程器的设计必须满足的要求如下：
·纯电动续驶里程80km，便可满足70%用户在所有典型的日常行驶中之所需。
·恒定车速下的持续最高车速120km/h，便可确保汽车哪怕在高速公路上也可行驶(最大车速160km/h)。
·与参照汽车相近或者更佳的起动、加速和爬坡能力。
开发人员首先明确了为牵引驱动和蓄电池充电所需的功率要求，并进行了广泛的动力总成仿真，在此基础上拟订了不同的增程器概念，并对其进行了评估。从设置的技术上和商业上的标准(如结构空间、尾气排放、制造成本或者开发成熟程度等)来看，0.9L排量、30kW额定功率的直列式四冲程两缸汽油机是最佳方案(见表1)。这样的发动机与一台持久功率为55kW的永磁同步电机和一个能量为15kWh的锂离子蓄电池相配合，能够可靠地满足行驶动力性方面的所有要求。
在对增程器发动机进行开发的时候，聚焦于紧凑的结构尺寸(见图1)、发动机运行的高效率和较低的总成本上。根据对增程器的要求开发出来的解决方案相对于常规的批产发动机具有更明显的潜力，表现在：
·将发电机整合到发动机曲轴箱中，并由曲轴直接驱动，如此可减轻重量、缩小体积并降低成本。
·采用由上置式凸轮轴通过辊子摇臂传动链间接推动气门的两气门气缸盖，如此可降低发动机高度，并减少摩擦。
·有意识地针对可变的发动机装机姿态以及纯电动工况下对发动机关机时的零部件位置要求而对机油回路、机油模块和主轴瓦进行了优化。
·将空气吸入系统顺着发动机纵向布置在侧面，并且有意识地针对发动机有限的运行范围(2000~4000r/min)对其进行优化。
·采用带铸入式灰铸铁气缸套的铝合金压铸开式曲轴箱和带有三分式环座、石墨涂层的铸造活塞。
由于发动机与车轮没有机械联系，故其主要的工况点只有两个：如果蓄电池需要充电，则曲轴输出15kW的功率；如果即使在高车速下都要保持蓄电池一定的荷电状态，那么输出功率达到30kW。
因为直列式两缸机的点火点设置在0和180°曲轴转角，故无需平衡轴。
进气系统的优化
在概念增程器发动机中，通常由于结构空间的限制和效率方面的原因而选择较低的发动机气缸数和较低的发动机运行转速。这就要求有意识地对一阶共振频率采取阻尼措施，或者令共振频率朝着高频率的方向推移，以抑制会产生干扰的低频噪声。对增程器发动机来说，最大的困难在于要严格限制结构空间。所以对进气系统的优化总是要根据汽车的特定情况来进行，并且理想情况下最好是要对发动机的整个运行范围进行通盘的考虑。
行驶循环仿真
为了分析汽车在日常使用中的功率特征，从紧凑型轿车使用过程中积累起来的丰富的数据出发，对两类具有代表性的实际行驶循环分别进行了一个星期的评估。如果说第一类实际行驶循环具有私人的都市短途行驶特征(称作上下班行驶循环)的话，那么第二类行驶循环可以说对应于一种具有许多在工作日里的短途和长途行驶的公务行驶特征(称作公务行驶循环)。从图2所示的相应汽车的各次行驶(一次行驶定义为从点火开关接通到其断开)来看，这两种应用类型在行驶的距离和平均车速方面有着明显的差别。按照上下班行驶循环，一个星期内行驶的里程为190km，平均车速略高于40km/h；而公务行驶循环一个星期内的平均车速为62km/h，行驶里程将近610km。除了这两种日常行驶循环以外，仿真中还相应地考察了11km长、持续1180s的NEFZ行驶循环(新欧州行驶循环)。当前欧洲法规规定的插电式混合动力车的试验时间长度为NEFZ行驶循环的2倍；其中的一个行驶循环以完全充电的蓄电池开始，另一个以空蓄电池，即完全耗尽的蓄电池开始。接着在考虑汽车的最大纯电动续驶里程的情况下对两个单独的行驶循环油耗进行加权，计算出最终的油耗。
因为增程器汽车理想情况下应当以纯电动行驶为主，同时在车辆停驶时，例如晚上，利用外接电源充电，所以在对实际应用行驶循环进行油耗分析的时候必须相应地考虑蓄电池的放电/充电策略。第一步，在行驶循环仿真中采用了简单的蓄电池荷电状态调节法，即在模型中规定固定的蓄电池荷电状态(SOC)上、下限。所选的数值为：蓄电池充电接通的蓄电池荷电状态SOCREon=0.25，蓄电池充电关闭的蓄电池荷电状态SOCREoff=0.95，最大蓄电池荷电状态SOCmax=0.95。这是为了在最大限度地在停车状态下利用外接电源充电和争取两次充电间的最大续驶里程之间求得良好的折衷。此后，对这两种实际行驶循环，既研究了蓄电池充电过夜(每天早晨的蓄电池起始荷电状态都是SOCStart=0.95)，又研究了以空蓄电池开始(SOCStart=0.25)这种最不利的情形。
作为燃油消耗量仿真计算的基础，选择了一台假想的参照汽车，该车装备了传统的直列式1.6L四缸自然吸气式汽油机、五档手动变速器，整备质量1150kg。利用原型车的动力总成，该车在NEFZ行驶循环中达到168g/km，在上下班行驶循环中达到172g/km，在公务行驶循环中达到156g/km的CO2排放。如图3所示，这两种实际行驶循环虽然其动态加速过程不同，但其CO2排放数据却非常接近，而且都处于较低水平，其中的公务行驶循环比NEFZ行驶循环的原型车CO2排放值低7%左右。究其原因，一方面是因为实际行驶循环中的怠速部分较少(NEFZ行驶循环25%，实际行驶循环低于10%)，另一方面是因为实际行驶循环中较低的变速器速比和较高的平均车速，而且对原型发动机油耗的优化是在中等转速和负荷下进行的。
对马勒增程器动力总成的仿真计算和蓄电池通过外接电源的充电，使得在以上所述的行驶循环中CO2排放相对于原型发动机减少了60%~100%。在法规为插电式混合动力汽车规定的NEFZ行驶循环中，经过加权的CO2排放量仅为31g/km，甚至低于概念阶段预估的40g/km。如果说在公务行驶循环中的增程器发动机必定有一多半时间支持纯电动行驶的话，那么在上下班行驶循环中的汽车能够总是在纯电动模式下行驶，因为此类汽车日常行驶路程较短，并且蓄电池通过外接电源充电。
为了研究通过外接电源令蓄电池充电的方法对油耗的影响，还对所有的行驶循环进行了附加试验，即考察其在蓄电池完全耗尽、而且没有外接电源对蓄电池充电的情况下开始行驶循环(SOCStart=0.25)的最不利边界条件下的表现。
如图3所示，这种情况下的CO2排放量虽然明显地超过插电式运行的情况，但仍比传统动力总成原型发动机的CO2排放量低14%~54%。总体上看，即使在没有外接电源对蓄电池充电的情况下，增程器概念与实际运行中的原型机相比较，其CO2排放量至少可降低26%~54%。
试验
为了对增程器发动机的概念及其设计进行验证，制造了一台样机，并对其进行了广泛的试验研究。最初，在一台传统的发动机试验台上对尚未整合发电机的发动机进行了测试，以便进行详细的功率和油耗分析。如图4所示，此时通过采用借助于在概念阶段进行的一维仿真计算确定的结构参数能够准确地达到预先设定的功率目标值。除了在4000r/min时能达到30kW的额定功率以外，平均有效压力(pme)也在整个实际使用的转速范围内略微超过预定的目标值10bar。扭矩曲线相当平坦，这主要得益于有意识地针对实际使用的2000~4000r/min的转速范围进行了进气系统的优化设计。相应地，当在2000r/min的转速下充气效率曲线达到最大值93%时扭矩达到最大值。
但是，测试得到的油耗值，尤其是在低速区，还是略高于目标值。原因之一是，发动机润滑系统的油压提高到了绝对压力4bar，此举通常在发动机样机试验阶段作为预防措施用来保护发动机。根据经验，在2000~4000r/min的转速范围内，为此需要额外增加的油泵驱动功率达到0.15~0.4kW，从而导致油耗增加2.3~3.5g/kWh。对充量交换过程的详细研究表明，排气过程中的排气背压较高，达到1.3~1.6bar，见图5。这一方面是由于所采用的三效催化转化器载体孔密度设计得过高，偏于保守；另一方面是由于排气系统的优化过多地侧重于降低噪声的缘故。由于对排气系统进行旨在降低排气背压的优化与期望的冷起动排放值之间存在交互作用，所以降低排气背压的工作通常都在一台具体的汽车上将发动机整合到动力总成之后才进行。根据图6的燃烧分析可以看出，较高的排气背压在宽广的转速范围内不会导致发动机内部残余废气量的升高，因而不会导致额外的热力学损失。内部残余废气量的最大值跟10%~90%燃烧时间(指混合气中已燃燃油的质量从10%增至90%所经历的时间)类似，都出现在3000r/min的转速下充气效率达到最小时。无论是低于还是高于3000r/min，10%~90%燃烧时间都对应于22°~24°的曲轴转角，几乎保持不变。图7将增程器发动机总的摩擦功率损失与马勒公司动力总成事业部数据库中的类似发动机的数据进行了比较，结果表明，在整个运行范围内，增程器发动机总的平均摩擦压力降低了0.9~1.8bar。这个结果相当不错，并可由此得出推论：正在研究中的这台装置的发动机总的摩擦功率损失是比较低的。
