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本发明公开了一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，包括建立燃气发动机的一维仿真计算模型，得到曲轴输出功率、点火提前角与热电比关系；根据用户所需热量及电量，计算得到燃气发动机的排气能量及曲轴输出功率；由一维仿真计算模型给出燃气发动机的点火提前角；根据点火提前角对曲轴输出功率的影响，调节进气节气阀开度，控制燃气发动机的天然气进气流量，保持曲轴输出功率不变。本发明方法能够在保持分布式能源系统配置不变的情况下，即尽可能减少电制冷机和燃气锅炉的补充供给，甚至在无需配备补充供给设备的前提下，改变发动机的点火提前角，同时调整天然气流量和节气门开度，以灵活调节CCHP系统的热电比例，提高能量利用效率。

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Abstract ：

能源和环境问题的日趋严峻，促使内燃机节能减排的理论和技术不断进步。高效、清洁和节能是先进内燃机的发展目标。采用低碳燃料结合先进的燃烧技术是实现内燃机节能减排的重要途径之一。天然气和甲醇是两种极具发展潜力的低碳燃料。天然气由于其储量大、辛烷值高、颗粒物排放低、价格便宜，在点燃式和压燃式发动机上得到广泛的应用。然而，天然气发动机面临着以下问题：天然气为气体燃料，密度小，进气道喷射会占用一部分新鲜空气的体积，致使发动机充量降低，功率下降；此外，天然气的火焰传播速度较低，点火能量较高，致使快速燃烧期加长，燃烧等容度降低，进而使得发动机的热效率降低。相比天然气，甲醇为一种可持续发展燃料，不仅可从煤炭和生物质原料合成制取，还可通过捕捉空气中CO2加氢合成来制取；甲醇在常温常压下为液态，易于储存和运输；甲醇拥有较大的汽化潜热，进气道喷射后致使发动机的进气温度降低，有利于发动机充量系数的增加；甲醇的火焰传播速度较快，点火能量较低，能够增加燃烧的等容度，从而有利于发动机热效率的提升；甲醇为含氧燃料，燃烧更加充分，从而降低有害排放物。天然气发动机掺烧甲醇能够增加天然气的燃烧速度，降低其碳氢排放；甲醇发动机掺烧天然气能够改善甲醇的冷起动性能。为此，开发的天然气/甲醇双燃料发动机能够实现两种燃料燃烧特性的互补。此外，这种点燃式发动机可工作于单一甲醇模式、单一天然气模式、天然气/甲醇双燃料模式，在目前天然气和甲醇燃料供给设施不够完善的情况下，扩大了发动机的燃料选择范围，对于两种燃料的推广应用具有现实意义。本文通过试验研究与数值模拟相结合的方法对天然气/甲醇双燃料发动机的性能、燃烧和排放特性展开系统性研究。获得的主要创新成果如下： (1) 对原天然气发动机进行了改装，并开发了天然气/甲醇双燃料发动机的电控系统，实现了天然气进气道单点喷射和甲醇的进气道多点顺序喷射。构建了基于等能量替代的双燃料控制策略，可实现对甲醇能量替代率、混合气的空燃比、过量空气系数和点火提前角进行精确控制。结果表明，所开发的天然气/甲醇双燃料发动机的电控系统，方案新颖，发动机工作可靠稳定。所开发的双燃料发动机的控制策略合理可行，可移植性强，具有较好的工程应用前景。 (2) 通过台架试验对比研究了天然气掺烧甲醇、乙醇和正丁醇的性能、燃烧和排放特性。结果表明，在相同工况下，天然气掺烧甲醇拥有更高的峰值压力、更大的峰值放热率。与此同时，天然气掺烧甲醇后的燃烧相位比掺烧乙醇和正丁醇更提前；此外，甲醇对于缩短天然气的火焰发展期和快速燃烧期的效果更加显著；甲醇对于降低天然气发动机的总碳氢（BSTHC）和一氧化碳（BSCO）排放的幅度更大。综合对比分析可得，甲醇对于加快天然气的燃烧速度，提高天然气发动机的燃烧效率，降低天然气发动机的碳氢排放的效果优于乙醇和正丁醇。 (3) 通过发动机台架试验，重点对天然气/甲醇双燃料发动机的性能、燃烧和排放特性做参数化研究。分别从甲醇能量替代率、点火提前角和过量空气数三方面展开论述。甲醇的添加能够加快天然气的燃烧速度，致使最高燃烧压力升高，最大瞬时放热率增大，燃烧相位提前；甲醇的添加能够缩短火焰发展期和快速燃烧期，增加燃烧的等容度；甲醇的添加能够降低天然气的总碳氢排放和一氧化碳排放。同时，随着甲醇能量替代率的增加，燃烧速度的增加幅度增大，燃烧相位的提前程度增大，快速燃烧期缩短的效果更显著，有害排放物的减少量更多；天然气/甲醇双燃料发动机的有效热效率随着点火提前角的提前先增大后减小。天然气/甲醇双燃料发动机的MBT角随着甲醇能量替代率的增加而推迟。等效比功燃料消耗率随着点火提前角的提前先减小后增大；甲醇的添加能够适度拓宽天然气的稀薄燃烧极限；随着过量空气系数的增大，节气门开度和进气压力增大。促使发动机的最大燃烧压力增加。火焰发展期和快速燃烧期都随着过量空气系数的增加而延长。双燃料发动机的有效热效率随着过量空气系数的增大而增大，等效比功燃料消耗率随着过量空气系数的增大而减小。BSTHC和BSCO排放随着过量空气系数的增加而增加。BSNOX排放随着过量空气系数的增加而降低。 (4) 基于甲烷和甲醇的化学反应动力学机理NUI Galway Mech 15.34开展了着火延迟期与层流火焰速度的数值模拟。基于DRGEP+敏感性分析法对NUI Galway Mech 15.34详细机理进行简化，从而得到含有44种物质和284个反应的骨架机理。分别从着火延迟期、层流火焰速度和重要物质的浓度三方面对简化后的骨架机理进行验证。基于上述简化后的骨架机理，利用三维数值分析软件CONVERGE对天然气/甲醇双燃料发动机的燃烧与排放特性进行验证和预测。数值计算结果表明，甲醇的添加能够加快天然气的燃烧速度，从而缩短天然气发动机的火焰发展期和快速燃烧期。常规排放方面，甲醇的添加能够降低天然气发动机的THC排放和增大其NOx排放。上述数值计算的结果与台架试验结果相吻合，从而能够达到对台架试验结果进行验证目的。非常规排放方面，甲醛作为一种燃烧中间产物，主要生成于燃烧初期，然后在燃烧后期被迅速消耗。甲醛排放随着过量空气系数的增加而增大。

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甲醇 试验研究 数值模拟 双燃料发动机 天然气

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燃气内燃机发电以其能源利用效率高著称，其冷热电联产技术受到越来越多的关注和国家政策的支持，然而在应用过程中，冷热电联产技术受到季节、地域等限制，往往需要增加辅助供能设备提高系统的供热能力，从而达到调节系统的热电输出的目的，但这会造成系统建设投资和运行成本的增加。为了不再添加辅助供能设备的基础上，灵活调节冷热电联产系统的热电输出比例，本文从系统驱动能源——天然气内燃机的工作情况出发，探索采用点火正时调节的方法，通过燃气发动机缸内燃烧过程的变化，调节发动机发电功率和排气热量输出，使冷热电联产系统热电比得到调节。本文的主要工作和结论如下： 1）建立和校正了发动机改造工作过程模型。基于GT-Power建立了12V190发动机的一维仿真计算模型，并进行发动机试验和对发动机计算模型进行校正，最终使仿真计算结果与试验结果的误差控制在5%以内。 2）分析了原机模型的仿真计算结果，结果表明，点火的推迟会导致缸内燃烧过程推迟，排温升高，从而影响发动机的能量平衡。随着点火的推迟，曲轴输出功率先增加再降低，冷却水能量降低，排气能量增加，杂项损失降低。 在此基础上分析了发动机输出的热能与电能的变化情况，结果表明，点火的推迟会提高发动机的热能输出比例，使得热电比增大。在只改变点火提前角时，可以应用“以热定电”策略确定发动机工况。为保证燃料能够完全燃烧，点火提前角不宜小于12°CA BTDC。 3）对原机模型的进排气系统进行改进，改进后的计算结果表明，通过将加压的空气引流入排气总管对排气进行降温，可保证涡轮进口处的温度低于650°C。在改进模型的基础上，添加节气门开度控制器，进行定功率运行，运行结果表明，可以通过调整节气门的开度，使发动机曲轴输出功率保持定值，排气温度也可控制在650°C以下。在这种运行模式下，可以同时兼顾联产系统的热需求和电需求。

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仿真模拟 冷热电联产 热电比 天然气发动机

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由于我国石油资源匮乏，并且以石油产品为燃料的发动机排放较严重，发展合适的发动机替代燃料已经成为亟待解决的问题。甲醇具有来源广泛、在标准状况是液体状态、理论混合气热值高和排放低等优点，很适合作为发动机替代燃料，同时为了充分发掘甲醇发动机的潜力，开发适用于甲醇发动机的电控系统十分必要。 本文主要研究工作有：明确电控系统应具备的功能，对传感器和执行器进行选型，设计了传感器的信号采集电路和执行器的驱动电路，基于SPC563M64芯片设计了ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）整个硬件层。并介绍了ECU软件架构，重点研究了应用软件层。在Matlab/Simulink上进行模块化编程，开发的子模块主要包括进气模型、空燃比闭环控制模型、甲醇喷射量控制模型和点火提前角控制模型，对各个模块的功能、原理和逻辑进行了介绍。对模块进行离线仿真和功能验证后，在Matlab/Simulink自动生成应用软件层代码，和底层软件代码在CodeWarrior上进行集成，通过链接、编译后下载到ECU，进行硬件仿真和测试，最后在甲醇发动机台架进行相关试验研究。 在甲醇发动机台架上进行了相关的标定试验和特性试验研究，研究结果表明：拟合出的甲醇喷油器流量特性曲线与试验数据的最大相对误差小于3.9％；标定了甲醇发动机混合气过量空气系数在1.3时的基本点火角脉谱和不同过量空气系数下的最佳点火提前角修正表；利用自主设计的ECU进行发动机特性试验所达到的外特性与其标称发动机外特性十分接近，说明所开发的电控系统软件已实现了其控制功能。

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电控系统 甲醇发动机 应用软件层

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由于天然气燃烧时火焰传播速度慢，而甲醇燃烧时火焰传播速度快，本研究提出了天然气掺烧甲醇的技术路线来提高发动机缸内混合气的燃烧速度,使发动机可以工作在更稀薄的混合气体工况，从而实现提高发动机经济性的目的。 本文搭建了双燃料发动机测试台架，在不同甲醇替代率和不同点火提前角下开展了大量的发动机试验，分别从有效能量利用率和缸压曲线的角度评价了发动机的经济性和动力性，从燃烧放热率和等容度的角度对试验现象进行分析。建立了基于GT-Power和Simulink的双燃料发动机一维仿真模型，利用台架试验数据验证模型。模拟试验工况，获取散热损失、排气损失等仿真结果，利用仿真结果对发动机工作过程进行能量守恒分析，解释试验现象，并且提出优化方案。用仿真模型模拟优化方案，验证优化结果。本文获得的结论主要有： 1）搭建双燃料发动机测试台架，开展发动机试验。试验结果证明：随着点火角的提前，发动机的有效能量利用率先增大后减小，燃烧放热率峰值一直增大，峰值相位提前，等容度提高；随着甲醇替代率的增大，有效能量利用率增大，燃烧放热率峰值增大，峰值相位提前，等容度提高。 2）根据发动机台架的结构参数和性能参数建立联合仿真平台。验证和标定模型的充量系数、燃料喷射量、缸压曲线、摩擦损失，以及BMEP（brake mean effective pressure）的控制效果。结果证明，本文中建立的联合仿真模型可以准确的模拟试验过程。 3）模拟试验工况，并用仿真结果进行能量守恒分析。分析结果证明：发动机的热效率主要和排气损失和散热损失有关。当提前点火角时，排气损失减小，散热损失增加，两项之和共同影响发动机的热效率。同时还发现，甲醇替代率对热效率的影响与点火角度有关。实际点火角晚于最佳点火角时，增大替代率有利于提高热效率。实际点火角早于最佳点火角时，增大替代率不利于提高热效率。 4）通过能量分析发现，排气损失项过大限制了热效率的最高值。排气损失与排气温度、泵气过程功有关。因此本文通过改变废气旁通阀开度、优化配气相位的方法提高发动机的热效率。结果证明，该方案大大减少了排气损失所占比例，发动机的热效率得到提高。

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甲醇 联合仿真 能量分析 双燃料发动机 天然气

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小型化增压直喷汽油机是实现当前汽车领域节能减排目标的重要技术方向，然而随着发动机强化程度的不断提高，在低速、大负荷工况出现了一种新的异常燃烧现象——早燃爆震，能够对发动机造成极大的破坏，因此限制了发动机性能的进一步提升。 为了研究早燃爆震现象及其产生机理，本文在一台四缸增压直喷式汽油机平台上，针对第四缸研究开发了独立的电子控制系统，以实现对这个气缸的两路燃油喷射及单独的点火控制，并基于该控制系统对发动机的燃烧特性进行了一定的试验研究，为后续早燃爆震的研究奠定了基础。本文的主要工作和结论如下： 1）发动机的改装。为研究早燃爆震现象，在原机第四缸的缸盖侧壁打孔，安装了一个基于原机系统信号的诱导物电控喷油器，使这一气缸拥有两只喷油器，并完成了相应的诱导燃料高压供给系统的搭建。 2）发动机的故障诊断。通过逐步排查机械部分故障和电控部分故障，发现了同步正时错乱、ECU、轨压传感器以及点火线圈供电等四个方面故障，并通过更换及检修相关元器件，故障排除，发动机最终正常起机。同时，获得了曲轴转角信号、凸轮轴转角信号及各缸燃油喷射正时信号和点火正时信号及其驱动方式等。 3）电控系统设计与功能验证。依据对原机喷油器驱动、点火线圈驱动等硬件部分的原理分析，仿照原机电控系统的驱动模式，设计了一套代替原机ECU的喷油、点火控制等功能的软硬件模块，可以追踪原机正时同步信号，通过界面实现对第四缸两路喷油正时和驱动及点火正时和驱动的独立实时控制。 在完成了以上各功能模块的开发后，对控制系统进行了相应的功能性验证，通过对比原机控制信号和自主ECU的输出信号波形，对于怠速和1500r/min、0.5MPa等工况，该控制系统均实现了比较准确的信号追踪和输出，达到了预期的控制要求。 4）发动机的试验研究。基于所开发的控制系统，分别在1500r/min、0.5MPa和2000r/min、0.6MPa工况下对原机的性能开展了试验研究。通过自主ECU对第四缸喷油提前角和点火提前角分别进行提前或推迟的调整组织试验，在采集相应缸压后，分析了以上控制参数对缸内燃烧过程的影响。试验结果显示，发动机点火正常，正时可调，并可在单路或两路喷油器工作的条件下，实现对发动机的混合气浓度设定与调整，为后续研究打下了良好的基础。

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控制系统 燃烧特性 小排量增压 早燃爆震

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天然气是一种清洁能源，其作为内燃机燃料具有污染物排放低和抗爆性能好的优点，这使得天然气发动机具有广阔的前景。现阶段天然气发动机基本上都是在汽油机或柴油机基础上开发而来，大都存在动力性不足的问题，因而为了发挥天然气优良的理化性质，对发动机参数进行优化以提高其动力性和经济性是十分必要的。 本文研究目的是针对天然气优良的理化性质使用数值模拟方法在某企业一款1.6L汽油机基础上设计出一台天然气单一燃料发动机。首先使用GT-Power软件对汽油机进行建模，并结合厂家提供的实验数据在全工况下对汽油机仿真模型进行了标定，将仿真结果与实验数据之间的误差控制在2%以内；之后在汽油机仿真模型的基础上通过修改燃料和燃料层流火焰速度对天然气发动机进行建模，并对发动机燃用天然气时全工况下的点火提前角、压缩比及进气可变气门正时（VVT）进行了优化，计算得到了天然气发动机的万有特性数据，提供给厂家以判断发动机的动力性和经济性是否满足要求；最后厂家依据优化后的参数开发出一款天然气发动机并进行台架实验。 利用建立的发动机仿真模型进行计算，结果表明：在原汽油机参数条件下，发动机燃用天然气与燃用汽油时相比最大扭矩和最大功率分别下降15.90%和11.89%。以改善发动机的动力性和经济性为目标，同时限制缸内最大爆发压力不超过8MPa，利用建立的天然气发动机仿真模型对发动机的点火提前角、压缩比及进气VVT角度进行优化，结果表明：发动机燃用天然气时的最大扭矩和最大功率在火提前角优化后分别提高了2.9%和2.1%；在此基础上对压缩比进行优化，确定了最佳压缩比为12，发动机燃用天然气时的最大扭矩和最大功率进一步提高了5.6%和5.1%；在点火提前角和压缩比优化的基础上对进气VVT角度进行优化，发现发动机燃用天然气时的性能在优化前后变化不大，因此天然气发动机可延用原汽油机的进气VVT相位。参数优化结束之后，发动机燃用天然气时的最大扭矩由优化前的125.96N•m提到了137.00N•m，提高了8.8%；最大功率由优化前的71.97kW提到了77.60kW，提高了7.8%；同时与原汽油机相比，优化后发动机燃用天然气时最大扭矩和最大功率的下降幅度分别为8.5%和5.0%，较优化前最大扭矩和最大功率的下降幅度有了很大的降低。厂家在优化后的参数的基础上开发出一款天然气单一燃料发动机并进行台架实验，模拟结果与实验数据的最大误差在5%以内，说明本文所述优化方法对于辅助开发天然气单一燃料发动机是可行的。 发动机参数优化后压缩比由原来的10.5增加到12，厂家保持发动机其它结构不变仅对活塞进行了设计。为了研究开发出的活塞能否满足工作要求对其进行了热负荷分 析，结果表明：天然气发动机活塞的温度、热应力及热变形均比汽油机活塞高；天然气发动机活塞第一道气环槽温度接近润滑油的极限温度，第一道气环存在胶结或者卡死的风险；同时，天然气发动机活塞各区域的热应力值比材料的屈服强度小，最大热变形量远小于活塞与缸套的配合间隙，理论上天然气发动机活塞在工作过程中不会出现裂纹，活塞与缸套也不会相互干涉。

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点火提前角 热负荷 数值模拟 天然气发动机 压缩比

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运用GEM3D工具离散化的方法建立了某1.5 L自然吸气车用CNG(压缩天然气)发动机GT-Power仿真模型,并用试验数据对模型进行校核,模型最大误差为3.64%.在此基础上进行了CNG发动机增压器匹配分析,用DoE(design of experiment)工具对增压发动机的点火提前角进行了优化,然后优化了不同压缩比和不同过量空气系数下的点火提前角,对压缩比和过量空气系数进行了计算分析.结果表明:仿真模型具有较高精度,方案2为4种涡轮增压器方案中最佳方案,并对该方案进行了台架试验,仿真结果与试验结果误差在4%以内;通过优化点火提前角,扭矩最大提高了9.3%;在各最优点火提前角下,压缩比为12时最优,过量空气系数为1.1时具有最佳经济性.

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仿真 匹配 天然气发动机 性能优化 增压器

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乙醇属可再生能源，是发动机较为理想的清洁高效代用燃料之一。灵活燃料汽车主要是指可以燃用乙醇体积分数在0%（E0）～85%（E85，在巴西最高到93%）之间任意比例乙醇汽油的汽车。灵活燃料汽车根据乙醇含量自动调整发动机运行参数，既能充分发挥乙醇燃料的自身优势，又避免了目前国内外乙醇加注站相对较少的矛盾。因此，研究乙醇汽油中乙醇含量的识别和发动机相关参数的优化控制具有重要的理论意义和实用价值。 本文在一台1.5L汽油机已有的发动机管理系统软件中，增加了乙醇含量识别模块，通过喷油器改装后，能够燃用E0，E20，E40，E60和E85五种不同乙醇体积分数的乙醇汽油，研究了乙醇含量识别模型的有效性，并分析了误差产生的原因；并试验研究了乙醇含量对发动机点火提前角、有效热效率、排气温度，以及动力性、经济性和排放性的影响。 研究结果表明：乙醇含量识别模型可以较准确的识别出乙醇汽油中乙醇的体积分数。随着乙醇含量的增加，乙醇汽油发动机的最佳点火提前角增大，发动机的有效热效率增加，排气温度降低；灵活燃料发动机的动力性在低转速时，燃用乙醇汽油较纯汽油有所降低，但是下降幅度并不大，而在中高转速时却较纯汽油有所增加；随着乙醇含量的增加，发动机的有效燃油消耗率明显增加，但是能量利用率却有所的改善；燃用乙醇汽油的发动机的CO和THC排放明显降低；中低负荷时，NOx的排放较纯汽油有所下降，而中高负荷时，NOx的排放有一定程度的增加。

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乙醇/汽油乙醇识别发动机性能

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在不牺牲车辆动力性能的前提下, 有效提高燃油经济性、降低尾气排放是目前汽车工业面临的一大挑战。混合动力汽车是一种双能源车辆, 它能够通过能量控制策略来减少油耗和排放，能量控制策略的主要目的是满足汽车足够动力性能的条件下，最大限度使发动机工作在油耗和排放最低的高效区，同时使电力驱动系统能够得到最大效率，当汽车处于减速、滑行或制动状态时，汽车能够实现制动能量的高效自动回收。传统混合动力汽车回收的电能主要用于汽车起动、加速助力以及纯电动行驶，以节省油耗。如果将回收的有限电能用于补充燃烧效率较低的瞬态工况，那么节油率将比传统混合动力汽车高，即有限电能等价的燃油将会更多。本文将结合实际工程课题，以提高发动机的燃油经济性为目标，针对燃烧恶劣的瞬态工况展开研究，为皮带驱动起动机（BSG）混合动力汽车整车-发动机（HCU-EMS）控制系统的开发提供理论依据，本文主要研究工作包括：（1）为分析某型整车瞬态运行工况，在转鼓上对整车进行NEDC道路循环测试，记录发动机相关的信号；然后主要分析点火提前角的变化情况来确定瞬态工况燃烧是否恶劣；针对燃烧恶劣的瞬态工况，制定能量控制策略。 (2)以汽车动力学知识为基础，使用建模软件Simulink建立汽车制动能量回收系统的模型，基于NEDC道路循环进行制动能量回收的仿真计算。按照本文设定的方案及假设，在一个NEDC道路循环仿真测试中，在1180s的NEDC道路循环中，发动机产生的能量为2043.9Wh,BSG电机回收的制动能为156.41Wh，BSG电机的制动能量回收率为7.65%。（3）针对所测试和仿真的的数据，根据电机提供替代扭矩的方案，对发动机起动后扭矩预留、加速换挡、加速后等速行驶、汽车减速断油、怠速过渡阶段、怠速滑行阶段、怠速停车阶段等瞬态工况进行电机补扭，同时统计各瞬态工况在NEDC道路循环中所发生的次数及时间，计算这部分实际过程的发动机耗油量，以及采用BSG电机提供替代扭矩的耗电量。（4）利用BSG电机提供电扭矩，通过比较各瞬态工况的节油率，得出怠速过渡阶段的节油率最高，其每1Wh的电能可节省0.66ml的燃油，这些瞬态工况的节油率均比正常行驶的节油率要高。若BSG电机对一个NEDC循环的瞬态工况进行扭矩替代，可节省油耗为72.9ml。整个NEDC循环汽车行驶路程11.46km,按比例可知，百公里可节油0.636L,那么百公里的节油率为8%。

Keyword ：

点火提前角 混合动力汽车 控制策略 瞬态工况 油耗

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