混合動力發(fā)動機技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

于鎰隆 張立慶 李 旭 劉雙喜 高繼東

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是解決能源與環(huán)境問題的重要途徑，是各國汽車產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向，也是我國實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略選擇，是我國實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的重要舉措之一[1-3]；從傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，到混合動力汽車，到純電動汽車，再到燃料電池汽車是汽車行業(yè)公認的一條汽車動力技術發(fā)展路線[4-10]。在當前的技術條件下，純電動汽車的電池成本、充電時間、能量密度、電池老化與安全、續(xù)航里程、充電設施等問題在短時間內(nèi)難以完全解決而未能得到充分的發(fā)展[11]；燃料電池汽車由于啟動時間、貴金屬催化劑、制氫儲氫、成本等問題也制約其發(fā)展[12]；相對而言，HEV、PHEV采用較小的電池組、無需大量的充電設施、續(xù)航里程足夠長，相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，又有節(jié)能、減排方面的優(yōu)勢，既不會對汽車行業(yè)的格局產(chǎn)生重大影響，又尤其適合城市工況運行，成為現(xiàn)階段切實可行的汽車動力的可選方案。

關于混合動力的研究，較多關注在混動構型、動力電池、驅(qū)動電機以及控制技術，而作為混動主體之一的混合動力發(fā)動機，卻往往以標件來選配，未被給予足夠的重視；談到混動用發(fā)動機，除了適合太陽能站聯(lián)用的高效斯特林熱氣機、比重量比容積極具優(yōu)勢的汪克爾機，還有適合增程式的結構簡單超低BSFC的微型渦輪機、高升功率低比容積的電控直噴二沖程發(fā)動機、低油耗高動力性的高速直噴柴油機；但目前，混動中應用較多的還是高壓縮比四沖程汽油發(fā)動機。

本文將詳細闡述國內(nèi)外混合動力用四沖程汽油發(fā)動機的現(xiàn)狀、技術特點及發(fā)展趨勢。

1 混動發(fā)動機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)混動發(fā)動機技術現(xiàn)狀

國內(nèi)對混動研究相對偏晚，且早期研究多在方案探討[13]、技術趨勢論證[14]和構型匹配上；進入新世紀后，在國家“九五”、“十五”、“十一五”計劃推動下，很多主機廠和科研機構相繼投入研究混動。

長安，2002年前后開始研發(fā)混動，主要集中于HEV整車控制、電池管理、電機控制與ISG方面，2007年推出首款混動車；混動車搭載1.5L JL475Q或1.6L藍動發(fā)動機，有諸多技術升級和優(yōu)化，如采用缸內(nèi)直噴、DVVT、兩級可變氣門升程、雙EGR，應用了稀燃和Atkinson循環(huán)，動力性從72 kW、135 N·m提升至83 kW、145 N·m，全工況最低比油耗由275 g/（kW·h）降至234 g/（kW·h）[15]；經(jīng)過十多年的發(fā)展，2018年推出智能PHEV，搭載105 kW 1.5T發(fā)動機[16]。

比亞迪，2008年推出雙模插電混動，搭載50 kW、90 N·m 1.0L自吸全鋁發(fā)動機[17]；隨后推出1.5L直列四缸、水冷、SOHC、16V、VVL、EGR、全鋁合金 80 kW、145 N·m發(fā)動機，2.0T渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、DVVT、雙平衡軸、全鋁合金151 kW、320 N·m發(fā)動機，1.5T渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、分層燃燒、自動延時冷卻、可變氣門正時、全鋁合金113 kW、240 N·m發(fā)動機[18-19]應用于混合動力，其中，1.5T發(fā)動機壓縮比10∶1，動力性超越本田雅閣2.0L自吸發(fā)動機。

一汽，2010年前后推出67 kW、135 N·m 1.5L發(fā)動機和74 kW、135 N·m 1.5L發(fā)動機[20-22]搭載在混合動力上；幾年后又推出150 kW、260 N·m 2.0T發(fā)動機[23]用于混動。

上汽，2010年前后、2013年、2015年、2017年推出混動，分別搭載1.8T發(fā)動機、1.5VCT發(fā)動機、1.4T發(fā)動機、1.6T發(fā)動機[24-27]；量產(chǎn)的550混動，其發(fā)動機BSFC map可知，發(fā)動機油耗仍然偏高[28]。

奇瑞、吉利、東風、廣汽也有混動推出。

綜上所述，目前國內(nèi)混動車輛搭載的發(fā)動機，幾乎全是四沖程汽油機；多是由原有傳統(tǒng)車發(fā)動機移植到混動車中，鮮有專門為混動開發(fā)；雖然發(fā)動機技術取得較大進展，國外大量在用的技術，國內(nèi)也在用，國外在研技術，國內(nèi)也在研究。但普遍地，我們的發(fā)動機：熱效率還比較低，多處于30%～38%的水平；比油耗偏高，最低比油耗為235～265 g/（kW·h）的水平；較少使用高壓縮比和稀燃技術；排放因為搭載混動而改善，整車排放達國V水平；但關鍵問題是，發(fā)動機電控系統(tǒng)、多孔高壓噴油器、變排量機油泵、高壓油泵、電動水泵、靜音正時鏈、搖臂滾子、空心氣門、VVT等關鍵零部件仍嚴重依賴國際上的零部件供應商，幾乎沒有自主的供應商體系。

1.2 國外混動發(fā)動機研究現(xiàn)狀

國外對混動研究相對較早，最早的油電混動，可以追溯到1889年[29-30]；然而，批量應用于車，卻是百年之后的上個世紀90年代：較早實現(xiàn)量產(chǎn)的是豐田的Prius搭載的THS；以及本田的Insight搭載的IMA；期間，大眾、日產(chǎn)、現(xiàn)代、通用、福特、寶馬等也有混動推出。

豐田1997年推出THS應用于Prius一代XW10，搭載Atkinson循環(huán)1.5L發(fā)動機，采用VVT-i、壓縮比13[31-32]。2003年推出THS II應用于Prius二代XW20，搭載1.5L 8ZR-FXE發(fā)動機，DVVT-i技術，熱效率36.8%，全負荷最低比油耗225 g/（kW·h）[32-33]。2009年推出的Prius三代XW30，并于2011年推出第一代插電混動ZVW35，搭載1.8L 2ZR-FXE發(fā)動機，壓縮比 13，采用 Atkinson循環(huán)、冷卻 EGR、電子水泵，最高熱效率達38.5%，全工況最低比油耗220 g/（kW·h）[34]。2015年推出的Prius四代XW50，同年發(fā)布第二代插電混動Prime，搭載ESTEC 2ZRFXE發(fā)動機：壓縮比13，優(yōu)化Atkinson循環(huán)，提高熱效率；采用多種減摩技術，提高機械效率；采用冷卻EGR，抑制爆震，降低NOx排放；采用2.8高滾流比活塞頂部[35]與氣缸頂部設計，采用3.6高滾流比氣道[36]設計，優(yōu)化混氣過程，降低泵氣損失，提高燃燒效率；采用雙回路冷卻系統(tǒng)的先進熱管理及熱能回收技術，熱效率達40%[37-38]。豐田計劃2020年將熱效率提升到 43%～46%[36，39-40]，其熱效率趨勢如圖1所示。

圖1 豐田混動發(fā)動機熱效率趨勢圖

豐田已經(jīng)實現(xiàn)混動發(fā)動機的系列化布局，涵蓋了 1.2L、1.5L、1.8 L、2.4 L、2.5 L、3.5L、5.0L 等多個排量 ， 先 后搭 載 Coastr、Prius、Camry、Crown、Estima、Alphard、Lexus、Highland、Highlander/Klueger、Auris、Aqua、Yaris、Avalon、Corolla 等多個車型，1997 年 12月至2017年1月豐田實現(xiàn)混動車輛全球總產(chǎn)銷量突破1000萬臺[41]，目前油電混動車已占據(jù)豐田總銷量的10%。

本田 IMA（i-DCD、i-MMD、SH-AWD 等）系統(tǒng)，于1986年至2016年期間分別推出了1.3L、1.5L、2.0L、3.5L 混動發(fā)動機，搭載到 Gaselle、Insight、Civic、Accord、CR-Z、Fit、Acura ILX 等車型。2013 版Accord熱效率達38.9%，全工況最低比油耗214 g/（kW·h）[42]；2016版Accord PHEV采用Earth Dreams 2.0L直列4缸DOHC、VTEC自然吸氣107 kW、175 N·m發(fā)動機，通過電動可變正時控制，實現(xiàn)Atkinson循環(huán)和高負荷狀態(tài)奧托循環(huán)自動切換，采用短缸心距、稀燃、輕量化、低摩擦、高比例冷卻EGR、VTE、IMA、EWP 等技術，熱效率達 40%[43]；本田計劃采用均質(zhì)稀燃電火花點火（HLSI）技術，使新一代發(fā)動機獲得更低油耗，且熱效率達50%[44]。

現(xiàn)代Ioniq插電混動，搭載的78 kW四缸Kappa發(fā)動機，采用高壓縮比、阿特金森循環(huán)、高能點火、EGR、高滾流比進氣道、緊湊型燃燒室、分流道冷卻，熱效率達40%[45]。

大眾/奧迪/寶馬也先后推出了 1.4T、1.5T、2.0T、3.0T、3.5T、4.4T 混動發(fā)動機，如 GOLF GTE、Passat GTE、Audi A3 e-tron插電混動共同搭載110 kW、250 N·m EA2111.4TFSI發(fā)動機，采用了缸內(nèi)直噴、渦輪增壓、雙增壓、分層噴射[46]、EWP等技術；油電混合的情況下，NEDC百公里油耗 GOLF GTE為 1.5L[47]，PassatGTE為2.0L[48]；早在1992年，大眾生產(chǎn)了25.7kW 2缸發(fā)動機配5.88 kW電機的混動車Chico，但并沒有量產(chǎn)[49]；BMW i8搭載1.5T170 kW三缸發(fā)動機，NEDC百公里油耗2.1L[50]；BMW國產(chǎn)車型BMW 5系PHEV搭載2.0L雙渦管渦輪增壓發(fā)動機，百公里油耗 1.9L[51]；BMW，2015 年推出 230 kW、450 N·m 2.0T I4B48發(fā)動機的X5混動版[52]；2007年展出搭載300 kW、600 N·m雙渦輪增壓V8N63B44發(fā)動機的ActiveHybrid X6 混動版[53]。

通用早在1998年推出Precept，開啟混動歷程，隨后推出沃藍達、邁銳寶XL、君越等混動版車型，搭載 1.4、1.5、1.8、2.0、2.4 等發(fā)動機[54-55]；三菱 Outlander P-HEV，搭載2.0L 4缸MIVEC汽油發(fā)動機，百公里油耗5.3L[56]；福特Fusion、C-max都有混動配置，福特計劃將其旗下產(chǎn)品全面切換到EcoBoost發(fā)動機系族上來，屆時將有 1.0T、1.5T、2.0T、2.3T、2.5L、3.5T，其EcoBoost系族采用增壓、直噴、DVVT、電子輔助水泵、活塞減摩技術，同其它性能優(yōu)越混合動力發(fā)動機一道多次獲得國際獎項[57-58]。

過去的二三十年，國外發(fā)動機技術進步迅速：車用四沖程汽油機，其比油耗已由上個世紀90年代的280～340g/（kW·h）發(fā)展到當前的200～240g/（kW·h）；其熱效率由30%～35%的水平發(fā)展到當前的38%～41%的水平。目前，發(fā)動機技術現(xiàn)狀如表1所示。

表1 混合動力發(fā)動機技術現(xiàn)狀

2 混動汽車發(fā)動機技術特點

增程式混動，發(fā)動機不直接作為動力輸出驅(qū)動車輛，而是驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電為電池充電，且發(fā)動機工作在最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間，電池再為驅(qū)動車輪的電動機提供能量。目前市場上增程式發(fā)動機以自吸為主，各汽車廠大多使用現(xiàn)有成熟發(fā)動機與電機組成串聯(lián)混合動力系統(tǒng)；增程式電動車電池容量一般可供純電模式行駛50 km以上；此外插電式增程混合動力電池除了可由發(fā)動機來充電外，還可接入外部電源為電池充電。

增程式汽車以通用沃藍達、別克VELITE5為典型代表，動力驅(qū)動以雙排行星齒輪組為核心的Voltech系統(tǒng)與牽引逆變模塊部件相連接。

增程式發(fā)動機除采用直列四缸外，也有廠商為了減小機艙布置空間應用直列三缸，甚至目前也有致力于直列二缸以及二沖程增程式發(fā)動機的研發(fā)。由于增程式發(fā)動機以驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電為主要工作模式，總是工作在最低油耗區(qū)域，而增壓發(fā)動機從成本及控制策略等方面均不占優(yōu)勢，因此，自吸發(fā)動機成為增程式混合動力的大趨勢。

除增程外的油電混動方面，歐系采用P2技術為主流的單電機多離合器系統(tǒng)；美系通用則基于與戴姆勒-克來斯勒、寶馬組成GHC聯(lián)合開發(fā)的TMHD雙模式混合動力系統(tǒng)基礎，形成AHS-2雙模驅(qū)動系統(tǒng)；豐田擁有行星齒輪組為核心的THS技術，并優(yōu)化出II代、III代、IV代，是動力分流系統(tǒng)的典型代表；本田著重推廣高效的I-MMD混動系統(tǒng)；三菱采用多模減速器，其結構與本田混動類似；日產(chǎn)則與歐洲技術主流一致，采用P2系統(tǒng)；韓系以P0+P2技術路線為主導；奔馳、寶馬、大眾、豐田部分車型采用多電機系統(tǒng)；國內(nèi)混合動力在市場表現(xiàn)上以比亞迪DM雙模技術、上汽EDU智能驅(qū)動技術較為成熟，處于自主行業(yè)領先水平。

各廠商圍繞環(huán)保、節(jié)能、集成化、電氣化、通用化等方面進一步優(yōu)化混動系統(tǒng)發(fā)動機。市場上混動車型大致如表2，圖2～7所示。

綜合以上圖表信息，混合動力發(fā)動機呈現(xiàn)下列技術特點：自吸機型占比41.4%，增壓機型占比58.6%；自吸混動機型以四缸機為主流，排量在1.4～2.5 L，功率上限150 kW，轉(zhuǎn)矩上限250 N·m；未來性能開發(fā)潛力表現(xiàn)為升功率60 kW/L，升轉(zhuǎn)矩100（N·m）/L，主要不是提升動力性，而是改善燃燒效率和機械效率，降低油耗；增壓混動機型主要以三缸、四缸為主流，排量在1.0～2.5L，功率上限250 kW，轉(zhuǎn)矩上限500 N·m；未來性能開發(fā)潛力表現(xiàn)為升功率100 kW/L，升轉(zhuǎn)矩 200（N·m）/L，兼顧動力性和燃油經(jīng)濟性。自吸機型發(fā)動機壓縮比在10∶1～14∶1范圍，增壓機型壓縮比在 9∶1～11∶1 之間；混動發(fā)動機中，缸內(nèi)直噴機型已占6成以上，算上組合噴射，采用直噴已達7成，趨勢明顯。

表2 市場上現(xiàn)有混動車型及搭載發(fā)動機情況

圖2 目前市場上混動自吸發(fā)動機缸數(shù)、排量分布

圖3 目前市場上混動增壓發(fā)動機缸數(shù)、排量分布

圖4 目前市場上混動發(fā)動機性能分布

圖5 目前市場上混動發(fā)動機壓縮比-排量分布

圖7 目前市場上混動車百公里綜合油耗-排量分布

圖6 目前市場上混動發(fā)動機燃油噴射類型分布

為滿足國家四階段油耗要求，搭載非插電混合汽車的發(fā)動機，排量一般控制在2.5 L以下，通過新技術應用來提高發(fā)動機熱效率，如豐田第四代普銳斯、本田飛度綜合油耗均低于3 L/100 km；而插電式混動機型，面對油耗壓力較小，可結合提高電池容量及純電動工作模式來彌補，其綜合油耗基本在4 L/100 km以下，受發(fā)動機排量的影響較小。

3 混合動力發(fā)動機技術發(fā)展趨勢

為了適應節(jié)能、環(huán)保、高效、舒適的總體需求，國外混合動力專用發(fā)動機廣泛向著智能化電控、直噴、組合噴、多孔噴、高壓噴、精細霧化、高能點火、多點點火、電控可變氣門正時、電控可變氣門升程、高壓縮比、阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)、先進氣流組織、高效智能熱管理、高效燃燒控制、輕量化、小型化、低摩擦、新材料和新工藝、變排量機油泵、電控可變機油壓力調(diào)節(jié)、電動化水泵、電動助力、電動空氣壓縮、進氣歧管集成式中冷、集成式排氣歧管、高壓EGR、低壓EGR、組合EGR、怠速啟停、先進后處理、集成馬達能量回收等高效清潔燃燒技術和能量管理技術方向發(fā)展，來提高發(fā)動機熱效率，并實現(xiàn)系族化布局以節(jié)省成本。

由于相對長期工作在高效區(qū)域，混動車實際使用熱效率相比于傳統(tǒng)車占有明顯優(yōu)勢。目前高效發(fā)動機較多采用優(yōu)化的阿特金森循環(huán)、冷卻EGR、低摩擦技術、智能熱管理技術，熱效率已超過40%；未來幾年，有望將混動發(fā)動機熱效率提升至45%～46%，追求更高的熱效率，也是混合動力發(fā)動機發(fā)展的一個大趨勢。

混合動力發(fā)動機直噴趨勢較為明顯；自吸和增壓則依據(jù)車型配置和動力需求，各有應用領域；混合動力發(fā)動機智能化電控、電動化附件驅(qū)動、怠速啟停、能量回收等，由于運行需要，已經(jīng)是必然趨勢；阿特金森循環(huán)、冷卻EGR、低摩擦、智能熱管理將是混動發(fā)動機的標配技術；壓縮比在10∶1～14∶1之間、排量在1.4～2.5 L之間，這類發(fā)動機比較容易選配零部件，從而能極大降低量產(chǎn)成本。

4 結束語

國內(nèi)外混合動力發(fā)動機趨于向高壓縮比、高熱效率、低摩擦、低比油耗、輕量化、小型化、高功率體積比、高功率排量比、集成化熱管理等技術上發(fā)展，使得混動車輛總體上向更安全，更環(huán)保，更節(jié)能，更智能方向發(fā)展。

混合動力多種構型技術路線并存，并越來越趨于單電機多離合器構型和功率分流構型兩個方向發(fā)展，動力分配趨于更優(yōu)；發(fā)動機效率不斷提升，整車油耗不斷降低；純電驅(qū)動里程更長，城市工況行駛排放物更少；機電耦合結構更加緊湊，功率控制單元趨向集成。