本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

付磊 張昶 胡志林

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：本田 混合動(dòng)力 發(fā)動(dòng)機(jī) 低油耗

1 前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車帶來的能源、環(huán)境和交通安全等問題越來越受到關(guān)注。油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，成為節(jié)能技術(shù)不斷應(yīng)用在新車型上的主要推動(dòng)力。節(jié)能技術(shù)包括低風(fēng)阻、低滾阻、輕量化、高效動(dòng)力系統(tǒng)等多方面技術(shù)，其中，高效動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)迭代是全球主機(jī)廠推出的新產(chǎn)品最顯著的特征，其節(jié)能效果最為顯著。

高效的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)包括高效發(fā)動(dòng)機(jī)、高效變速器、混合動(dòng)力系統(tǒng)。高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)主要包括增壓直噴、米勒循環(huán)等技術(shù)；高效變速器技術(shù)包括DCT技術(shù)、高效CVT技術(shù)和多檔AT變速器等技術(shù)；混合動(dòng)力技術(shù)以日本的幾家汽車公司技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最廣。

混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)為目標(biāo)，以系統(tǒng)構(gòu)型及其實(shí)現(xiàn)方式為核心技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停和制動(dòng)能量回收為輔助，在降低油耗同時(shí)，提升駕駛性。

本田近二十年來在混合動(dòng)力汽車方面進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，投入多款車型，采用多種構(gòu)型，包括IMA構(gòu)型、i-DCD構(gòu)型、i-MMD構(gòu)型，本文作者對(duì)此進(jìn)行歸納和總結(jié)[1]。本田在研發(fā)混合動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)，并沒有進(jìn)行普通發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力化應(yīng)用，而是進(jìn)行與之相應(yīng)的混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。本文對(duì)本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，旨在為混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)提供參考。

2 本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)總覽

本田近二十年來在市場投放的混合動(dòng)力車型采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)主要有IMA(Integrated Motor As-sist)系統(tǒng)、i-DCD(intelligent-Dual Clutch Transmission)系統(tǒng)、i-MMD(intelligent-Multi Mode Drive)系統(tǒng)和SHAWD(Super Handling-All Wheel Drive)系統(tǒng)，其中，SH-AWD用于謳歌[1]。本文主要分析IMA、i-DCD、i-MMD 3種混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于1999年至2010年多種混合動(dòng)力車型，發(fā)動(dòng)機(jī)排量包括1 L、1.3 L、1.5 L、3.0 L，其中1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過一次升級(jí)換代。

i-DCD混合動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于2013年至2016年混合動(dòng)力車型，采用1.5 L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)。

i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)所搭載混合動(dòng)力車型從2013年開始投放市場，2017年開始大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用，采用1.5 L、2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其中2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過一次升級(jí)換代，1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)采用與升級(jí)后的2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)。2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)用于中高整備質(zhì)量混合動(dòng)力車型，1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)用于中低整備質(zhì)量混合動(dòng)力或中高整備質(zhì)量插電式混合動(dòng)力車型。

3 本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)詳細(xì)分析

3.1 1 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

本田1 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)主要配置如表1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)主要目標(biāo)是提高燃燒效率、降低機(jī)械損失、小型化和輕量化，提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身熱效率，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性[2]。

在提高燃燒效率方面，采用渦流氣道、新型燃燒室和高壓縮比。通過應(yīng)用新的渦流氣道，提高缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，提高燃燒速度，縮短燃燒時(shí)間，進(jìn)而提高燃燒熱效率。燃燒室以之前的VTEC稀薄燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)。新型高渦流緊湊燃燒室是在傳統(tǒng)VTEC精益燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在傳統(tǒng)的VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦流是通過在低速工況下保持一個(gè)進(jìn)氣閥關(guān)閉而產(chǎn)生的。在這款發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣閥和進(jìn)氣口布置更豎直，以便在進(jìn)入汽缸的混合氣中產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流。

在減少機(jī)械損失方面，采用以下技術(shù)減少摩擦損失，包括滾針軸承同軸式VTEC機(jī)構(gòu)、活塞裙部表面處理技術(shù)、低張力活塞環(huán)、滲碳的連桿等技術(shù)。搖臂在凸輪軸上滑動(dòng)的區(qū)域使用滾針軸承，使凸輪軸的傳動(dòng)損失減少70%，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量和尺寸的同時(shí)減少。

3.2 1.3 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

1.3 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示，包括2代發(fā)動(dòng)機(jī)，第2代發(fā)動(dòng)機(jī)以第1代發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，提高效率和動(dòng)力性。主要采用停缸技術(shù)和低摩擦技術(shù)[3-4]。

表2 1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失可分為2種:機(jī)械損失和泵氣損失。該發(fā)動(dòng)機(jī)所采用停缸技術(shù)（Cylinder Idling System,CIS）通過在減速過程中切斷燃料流時(shí)關(guān)閉3個(gè)汽缸的進(jìn)氣閥和排氣閥，進(jìn)而減少泵氣損失。所減少的損失由電機(jī)回收入電池，在后續(xù)驅(qū)動(dòng)中使用，由此提高動(dòng)力系統(tǒng)熱效率。

停缸技術(shù)對(duì)摩擦功率影響如圖1所示?？梢钥闯?，如果4個(gè)汽缸進(jìn)排氣門全部關(guān)閉，可以使摩擦功率降低近50%。

圖1 停缸技術(shù)的降低摩擦效果[3]

停缸技術(shù)使用場景如圖2所示。在車輛減速過程中，車輛有制動(dòng)需求，混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門休止系統(tǒng)啟動(dòng)，減少摩擦功率，使電機(jī)能夠回收更多的能量。從停缸技術(shù)使用場景可以看出，該技術(shù)與混合動(dòng)力系統(tǒng)工作原理密切相關(guān)。該發(fā)動(dòng)機(jī)所搭載的IMA混合動(dòng)力系統(tǒng)，屬于P1構(gòu)型，電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸位置，中間沒有離合器，在電機(jī)回收車輛的制動(dòng)能量過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于隨轉(zhuǎn)狀態(tài)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失，可以增加回收能量。同樣該技術(shù)可以應(yīng)用于采用P0構(gòu)型的48V系統(tǒng)。如果用于回收制動(dòng)能量的電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間有離合器，如P2、P3或P4構(gòu)型，因在制動(dòng)能量回收過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以與傳動(dòng)系統(tǒng)脫開，該技術(shù)就沒有應(yīng)用必要。停缸技術(shù)是本田專為IMA這種P1構(gòu)型混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)。

圖2 停缸技術(shù)的使用場景[4]

在降低機(jī)械摩擦方面，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用與1 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)同等技術(shù)，使該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械摩擦比相應(yīng)的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)降低8%。

第2代發(fā)動(dòng)機(jī)以第1代發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，優(yōu)化進(jìn)氣排氣系統(tǒng)，增大進(jìn)排氣門直徑，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率和扭矩。

3.3 2.0 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

2013年本田i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)車型投放市場，首次采用雙電機(jī)構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型2.0 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；2018年本田將i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和熱效率獲得進(jìn)一步提升。

兩代發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表3所示。可以看出，兩代發(fā)動(dòng)機(jī)主要特征是高動(dòng)力性、低油耗，第1代發(fā)動(dòng)機(jī)升功率達(dá)到52.5 kW/L，第2代發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率比第1代提高2 kW，最大扭矩提升10 N·m[5-6]。

表3 2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

兩代發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗萬有特性如圖3所示，第1代發(fā)動(dòng)機(jī)最低比油耗達(dá)到216 g/(kW·h),第2代發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)208 g/(kW·h)，兩代發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率都達(dá)到了世界一流水平。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬有特性[6]

第1代發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用技術(shù)包括可變氣門型線技術(shù)、缸內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)、冷卻外部EGR技術(shù)?？勺儦忾T型線技術(shù)，采用本田的VTEC技術(shù)，根據(jù)節(jié)油和動(dòng)力性需求，切換經(jīng)濟(jì)性氣門型線和動(dòng)力型外特性型線；缸內(nèi)燃燒優(yōu)化，主要通過氣道優(yōu)化，提高壓縮比，提升缸內(nèi)氣流強(qiáng)度，提高燃燒速度，提高燃燒系統(tǒng)熱效率；通過冷卻外部EGR技術(shù)，降低泵氣損失，提升燃燒爆發(fā)壓力，與燃燒系統(tǒng)優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高的熱效率。

從表3可以看出，第2代發(fā)動(dòng)機(jī)與第1代發(fā)動(dòng)機(jī)相比，主結(jié)構(gòu)沒有變化。為進(jìn)一步提高熱效率，第2代發(fā)動(dòng)機(jī)主要在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：采用更高壓縮比、提高EGR流量、降低爆震發(fā)生傾向、降低機(jī)械摩擦損失。從理論上，提高壓縮比可以提高熱效率，但是高壓縮比會(huì)增加爆震發(fā)生傾向，使熱效率降低，所以，采用提高壓縮比提高熱效率，必須抑制爆震發(fā)生，該發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用更高的EGR率和燃燒優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。

3.4 1.5 L混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

在i-MMD構(gòu)型部分，插電式混合動(dòng)力車型和較低整備質(zhì)量車型，才利用了最新開發(fā)的1.5 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)如表4所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到40.5%，同時(shí)升功率達(dá)到48 kW/L[7-8]。

表4 1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

該發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用技術(shù)包括：采用高滾流氣道，提高燃燒速度；優(yōu)化表面積與容積比，減少傳熱損失；高膨脹比，減少排氣能量損失，通過氣門正時(shí)調(diào)整，減少缸內(nèi)EGR，優(yōu)化燃燒，提高循環(huán)熱效率；提升活塞加工工藝，降低摩擦損失。

3.5 其他混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

本田在IMA和i-DCD構(gòu)型采用的1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)與1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相當(dāng)，本文沒有詳細(xì)敘述；IMA系統(tǒng)配過3.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)[9]，該發(fā)動(dòng)機(jī)也根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了開發(fā)，其中核心技術(shù)為停缸技術(shù)。該技術(shù)不同于前述的停缸技術(shù)，該技術(shù)主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)過程，而不是制動(dòng)能量回收過程，提高工作缸的負(fù)荷率，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。通過電機(jī)輔助，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)停缸使用工況更加擴(kuò)大。

4 結(jié)論與啟示

（1）本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)與混合動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)，最大化發(fā)揮混合動(dòng)力的節(jié)能潛力，可以為提升一點(diǎn)效率進(jìn)行較多的開發(fā)工作，例如，為多回收能量，開發(fā)和采用停缸技術(shù)。

（2）采用優(yōu)化缸內(nèi)流動(dòng)、高壓縮比、減少傳熱損失、外部冷卻EGR，提高燃燒系統(tǒng)效率技術(shù)和降低摩擦技術(shù)是本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升的核心技術(shù)。

（3）本田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)雖然效率不斷提升，但并沒有采用創(chuàng)新技術(shù)，主要以基本理論為指導(dǎo)，不斷進(jìn)行優(yōu)化，精益求精。

本文僅歸納了本田部分投產(chǎn)的混合動(dòng)力車型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，完成開發(fā)沒有應(yīng)用或開發(fā)失敗的技術(shù)可能更多。在看到本田汽車產(chǎn)品杰出性能的同時(shí)，更應(yīng)該看到背后的努力。技術(shù)開發(fā)周期長，需要持續(xù)迭代和精益求精是汽車動(dòng)力系統(tǒng)的主要特征之一。