【正文】 集成式發(fā)動機(jī)輔助混合動力系統(tǒng) 摘要 本論文介紹了用于設(shè)計(jì)和開發(fā) Honda Insight 發(fā)動機(jī)的技術(shù)方法，一種新的發(fā)動機(jī)輔助混合動力汽車，其總開發(fā)目標(biāo)是在廣泛的行駛條件下達(dá)到當(dāng)今 Civic 消耗量的一半，實(shí)現(xiàn) 35km/L（日本 1015 模式）， （ 98/69/EC）的消耗量。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，加入了許多用于包裝和集成發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)以及改善發(fā)動機(jī)效率的新技術(shù)，開發(fā)了一種新的集成式發(fā)動機(jī)輔助混合動力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。這是結(jié)合了一種低空氣阻力的新型輕稆車身開發(fā)的。環(huán)境性能目標(biāo)也包括了低排放（日本 2021 年標(biāo) 準(zhǔn)的一半， EU2021 標(biāo)準(zhǔn)的一半），高效率和楊回收性。對消費(fèi)的關(guān)鍵特性全面考慮，包括碰撞安全性能，操縱性和運(yùn)行特性。 1． 緒論 為減小汽車對社會和環(huán)境的沖擊要求其更干凈并且能量效率更高更節(jié)能，空氣質(zhì)量更好。降低 CO2 排放問題作為全球環(huán)境焦點(diǎn)提出，解決這些問題的方法之一就是混合動力汽車。Honda 已開發(fā)并向遍及全球的幾大市場輸入 Insight，新一代車輛設(shè)計(jì)。 Insight 將混合動力系與先進(jìn)的車身技術(shù)特性相結(jié)合以符合取得實(shí)際的最高燃油經(jīng)濟(jì)性的總目標(biāo)。 混合動力系是發(fā)動機(jī)的輔助并聯(lián)平行結(jié)構(gòu)，把 IMA叫做集成式發(fā)動 機(jī)輔助。此動力系將把一個(gè)高效電動機(jī)與一個(gè)新型小排量 VTEC 發(fā)動機(jī)結(jié)合起來，很輕的鋁車身，改良的空氣動力學(xué)以實(shí)現(xiàn) (CO2： 80g/km)98/69/EC 燃油經(jīng)濟(jì)性。低排放性能也已達(dá)到 EU排放水平為目標(biāo)。 除減速能的重用之外，集成式發(fā)動機(jī)在典型的市區(qū)行駛加速時(shí)提供大助力扭矩，顯著地減小了發(fā)動機(jī)拜師，提高了發(fā)動機(jī)效率。接近 56kW 每噸的功率 /質(zhì)量比保證了穩(wěn)定的爬坡能力和高速的常速行駛能力。新發(fā)動機(jī)技術(shù)包括促進(jìn)高效快速的催化劑活性化的一種新 VTEC（電子控制可變配氣相位和氣門升程）缸蓋設(shè)計(jì)，促進(jìn) 稀薄燃燒能降低排放的新型稀 NOx催化轉(zhuǎn)化器，廣泛的減摩及減重特色也用于其中。 2． 開發(fā)目標(biāo)及開發(fā)理念 開發(fā)目的在于達(dá)到極低燃油消耗量。我們定下的目標(biāo)是當(dāng)今產(chǎn)品 Civic 燃油經(jīng)濟(jì)性的兩倍，Honda 的典型高燃油經(jīng)濟(jì)性轎車 —— (93/116/EC)，因而 Insight 在世界汽油機(jī)轎車中擁有最低的燃油消耗量。排放性能由于低燃油消耗量的緣故而趨于犧牲，但是，我們?nèi)詻Q定配備其它大多數(shù)批量生產(chǎn)的汽車所具備的低排放性能，在回收性（另一重要環(huán)境問題），碰撞安全性能以及操縱性和造型等汽車的基本性能方面也有考 慮。綜上所述，我們的開發(fā)目標(biāo)如下： 世界最好燃油消耗性能 超低排放 超回收性 全世界最高碰撞安全性能水平 先進(jìn)造型 實(shí)用特色和操縱靈敏性 舒適的帶有個(gè)性使用空間的二座結(jié)構(gòu) 3． 降低燃油消耗量的策略 為了建立起取得低燃油消耗目標(biāo)的技術(shù)途徑，我們對一輛裝配 Civic 基型車輛能量消耗進(jìn)行細(xì)節(jié)分析。為取得低燃油消耗和其它上述目的，我們發(fā)現(xiàn)將目標(biāo)效率如圖形 1所示粗略地分為三部分是十分有用的。劃分如下： 發(fā)動機(jī)自身熱效率的改善 混合動力裝置制動能量再生和怠速止擋應(yīng)用 降低重復(fù)和減小空氣阻力和滾動阻力的車身 技術(shù) 圖 1. 兩倍于 CIVIC 燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo) 我們開發(fā)這種新集成式發(fā)動機(jī)輔助動力系瞄準(zhǔn)為 21 世紀(jì)汽車動力系建立一個(gè)基準(zhǔn)。這種動力系適合于下一代汽車，同時(shí)達(dá)到了極低 。本篇論文對新開發(fā)的 IMA系統(tǒng)作了報(bào)告，包括用于 Honda Insight 的稀燃發(fā)動機(jī)，電動機(jī)功率控制單元，蓄電池技術(shù)和廢氣排放控制技術(shù)。 4． IMA系統(tǒng)的目的 為達(dá)到目的世界最低燃油消耗量，在開發(fā)下一代 IMA 混合動力系統(tǒng)時(shí)我們盡可能多地結(jié)合已取得的技術(shù)方法。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，建立了以下四個(gè) 系統(tǒng)開發(fā)主題： 減速能量的再生 發(fā)動機(jī)效率的改善 怠速止擋系統(tǒng)運(yùn)用 動力系尺寸、重量的減小 5． 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 2. IMA 系統(tǒng) 圖 3IMA系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)速度 (rpm)/輸出特性曲線 如圖 2 所示， IMA 系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)作為主動力源，加速時(shí)用電動機(jī)作為輔助動力源。用電動機(jī)作為輔助動力源簡化了整個(gè)系統(tǒng)并可采用輕型緊湊的發(fā)動機(jī)，蓄電池和功率控制單元（ PCU）。 在發(fā)動機(jī)與變速器間布置了一個(gè)永磁直流無電刷電動機(jī)，減速時(shí)為每個(gè)傳動裝置計(jì)算出減速比， PCU 控制發(fā)電機(jī)發(fā)電（再生能量）對鎳金屬氫蓄電池充電，加速時(shí)由油門開 度，發(fā)動機(jī)參數(shù)，蓄電池充電狀態(tài)計(jì)算出輔助動力提供量（此后稱輔助）， PCU控制蓄電池流向驅(qū)動馬達(dá)的電流量。 5. 2再生減速能量 通過回收再生減速能量可在加速時(shí)補(bǔ)充發(fā)動機(jī)輸出并減小油 耗量。減小包括發(fā)動機(jī)摩擦損失在內(nèi)的工作能量損失引起的阻力可增加可用的再生能，尤其是使發(fā)動機(jī)拜師減少到最小是減小摩擦的有效措施。降低發(fā)動機(jī)排量還有其它好處，例如減輕重量增加熱效率。 IMA 系統(tǒng)通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)和變速箱參數(shù)有效地增加了減速時(shí)的再生能量。 5． 3減小發(fā)動機(jī)排量 改善混合動力系燃油經(jīng)濟(jì)性中減小發(fā)動機(jī)排量是一個(gè)十分重要的因素。 但是現(xiàn)代汽車須在廣泛的動態(tài)范圍內(nèi)運(yùn)行，減小排量就等于降低汽車的基本性能特征。如圖 3 所示的輸出特性曲線，利用電動機(jī)的大轉(zhuǎn)矩性能特征 IMA 系統(tǒng)在低速范圍內(nèi)輔助發(fā)動機(jī)。電動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)能將總轉(zhuǎn)矩提高 50%， IMA 系統(tǒng)取得了快速重啟和不可思議的平滑啟動成果。高轉(zhuǎn)速范圍時(shí)用電子控制可變配氣相位和氣門升程發(fā)動機(jī)提高輸出。因此保證了足夠的峰值功率，便可用一個(gè)新的 小排量發(fā)動機(jī)。 5． 4 稀燃發(fā)動機(jī)運(yùn)行 基于節(jié)氣門開度，以電動機(jī)輔助，創(chuàng)造出十分線性的轉(zhuǎn)矩特性，由此改善了操縱靈活性。除此之外，電動機(jī)輔助在中載條件下可擴(kuò)大 稀燃運(yùn)行范圍，顯出了新開發(fā)稀烯發(fā)動機(jī)的潛力。 5． 5 怠速止推系統(tǒng) 制動時(shí)停止發(fā)動機(jī)而不是怠速空轉(zhuǎn)也是減小消耗量的有效措施。如圖 4 所示，為了以最小消耗量重啟發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)須在打火前通過集成式發(fā)動機(jī)快速轉(zhuǎn)到 600rpm 或更高的的轉(zhuǎn)速。加上發(fā)動機(jī)停止運(yùn)行空轉(zhuǎn)省油，可以使消耗量最小。在執(zhí)行怠速止擋時(shí)須注意許多問題，包括判斷駕駛者停車趨向，重啟準(zhǔn)備，提供減速平滑感，發(fā)動機(jī)停止時(shí)最小化車身振動。 Figure (sec) The number of cranking in the engine start 圖 4 起動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 5． 電動機(jī)輔助機(jī)構(gòu) 6． 1 開發(fā)目標(biāo) 通過限速 IMA電動機(jī)功能在阻力和再生兩方面，確立的開發(fā)主題以取得以下兩點(diǎn)： 簡單緊湊結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)重量不大于整車質(zhì)量的 10% 6． 2 直流無電刷電動機(jī) 薄且緊湊的直流無電刷電動機(jī)具有發(fā)動機(jī)輔助和能源再生功能安裝在曲軸上（圖 5），加速時(shí)輔助電動機(jī)是減小消耗量的十分有效的措施。這是一種高效、緊湊、輕型、永磁型三相同步電動機(jī)，最大輸出功率為 10kW。除了開發(fā)技術(shù)以減輕重量、提高效率之外，我們也盡可能把電動機(jī)做得最薄以獲得緊湊的動力系。熔模鑄造法用于轉(zhuǎn)子，靠安裝在曲 軸上的彎曲而旋轉(zhuǎn)。與正常鑄造產(chǎn)品相比取得了高強(qiáng)度更輕的重量。轉(zhuǎn)子磁鐵方面，對 HONDA EV PLUS的燒結(jié)釹磁鐵作了進(jìn)一步的改良，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高了近 90%，熱阻也得到改良。這種設(shè)計(jì)也使電動機(jī)無需冷卻系統(tǒng)。發(fā)明了一種有凸極集中繞組的可拆式定子結(jié)構(gòu)并用于減小電動機(jī)的軸向?qū)挾?。比傳統(tǒng)波形繞法，如圖 6 所示。除此之外，從銅極引出的集中配電母線卡環(huán)可用于向定子兩端線圈供電的線束固定，這使結(jié)構(gòu)變得極簡單緊湊。這些改良得到了一個(gè)厚度僅60mm 的極薄電動機(jī)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比在厚度減小了 40%。 圖 5 電機(jī)剖面圖 Wave winding Salient pole winding 圖 6 繞阻比較 圖 7 電機(jī)的剖視圖 6． 3 鎳金屬氫蓄電池 鎳金屬氫蓄電池用于存儲和為電動機(jī)輔助提供電力。這是一種先進(jìn)的蓄電池，它安裝于HONDA EV PLUS 電動汽車上，已經(jīng)在高能蓄電池中取得了成就。這種混合動力汽車蓄電池以穩(wěn)定輸出為特色，而不管蓄電池充電狀態(tài)如何，且在應(yīng)用中十分耐用。蓄電池是 20 個(gè)模塊的集成結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊包括以網(wǎng)格狀串聯(lián)的 6 個(gè) D 型單電池，這 120個(gè) 部以串聯(lián)方式聯(lián)結(jié)形成了總電池容 量為 144V的容量。 6． 4 功率控制單元（ PCU） PCU精確控制電動機(jī)輔助 /再生并向 12V動力源提供動力，它具備內(nèi)置冷卻功能。這就使其有一輕型，有效緊湊的結(jié)構(gòu)。使用高效率冷卻肋片和鎂冷卻套集成的購銷風(fēng)冷系統(tǒng)使重量顯著減輕。驅(qū)動馬達(dá)的變壓器是 PCU內(nèi)部最重要的元件，將開關(guān)元件集成為鄭重三相交流的單獨(dú)模塊，而在 EV PLUS 上都是分立的。驅(qū)動電路最小分并以高密度集成為 IC。這些改良不僅使重量顯著減輕，也改變了功率轉(zhuǎn)化效率，更好的是，采用高效相控驅(qū)動電動機(jī)降低了發(fā)熱量，使其可以用輕型簡單的風(fēng)冷系統(tǒng)。 Figure Cut view of PCU Heat Sink case 圖 8 7 發(fā)動機(jī) 7． 1 開發(fā)目標(biāo) 為了在廣泛的工況下獲得低油耗以下四點(diǎn)作為開發(fā)主題： 熱效率改善 減小機(jī)械損失（與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比小 10%） 減小尺寸和降低重量（同類產(chǎn)品中最輕） EU2021 標(biāo)準(zhǔn)的一半 7． 2 發(fā)動機(jī)總觀及其規(guī)格 發(fā)動機(jī)規(guī)格如表格 1 所示，其主要新特色和他們的目的如表格 2 所示。首先，配備 IMA系統(tǒng)的汽車以接近 1000cm3 的排量為最佳，因此選擇了 3 缸發(fā)動機(jī)以使燃燒室的面容比最小，并減小機(jī)械損失。 7． 3 油耗 由于在低轉(zhuǎn)速時(shí)電動機(jī)輔助加強(qiáng)和 VTEC 發(fā)動機(jī)充足的峰值輸出功率使得在電動機(jī)輔助動力系中可以大大地減小發(fā)動機(jī)排量。這款發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要特色是通過稀燃技術(shù)而有顯著的改善的燃燒率。采用了包括進(jìn)氣渦流口新氣缸內(nèi)強(qiáng)化渦流技術(shù)以達(dá)到這點(diǎn)，通過改良指示效率而獲得的緊湊燃燒室和高壓縮比對其也有幫助。這導(dǎo)致了與傳統(tǒng)稀燃發(fā)動機(jī)相比更短的燃燒時(shí)間，在更高的空燃比下使其在更稀的范圍內(nèi)燃燒，顯著地降低了油耗。這種強(qiáng)渦進(jìn)氣口和緊湊的燃燒室結(jié)果是在傳統(tǒng) VTEC 稀燃技術(shù)上的革新。傳統(tǒng) VTEC 發(fā)動機(jī)中，渦流是靠在低速工況下關(guān)閉一 個(gè)進(jìn)氣閥門產(chǎn)生的，然而在新發(fā)動機(jī)中進(jìn)氣閥和進(jìn)氣口被排式豎直結(jié)構(gòu)以在可燃物流向氣缸時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)渦流。 傳統(tǒng) VTEC 結(jié)構(gòu)中進(jìn)排氣搖臂各由獨(dú)立的搖臂軸支撐，如圖 10 所示，新 VTEC 機(jī)構(gòu)將其合成一根單獨(dú)的搖臂軸，顯著地減小了尺寸，還將氣門角從 460 減小為 300，容許強(qiáng)旋渦形氣門及更緊湊的燃燒室。 圖 9 發(fā)動機(jī)的側(cè)視圖 圖 10 氣缸的剖面圖 7． 4 減小機(jī)械損失 除了改良指示熱效率，減小機(jī)械損失對改善燃油經(jīng)濟(jì)性也很重要，為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，采用了以下低磨擦技術(shù)： 同軸滾子 VTEC 機(jī)構(gòu) 活塞微波紋處理 偏置氣缸結(jié)構(gòu) 低張力活塞環(huán) 連桿滲碳 同軸滾子 VTEC 結(jié)構(gòu) Honda S2021（大功率跑車發(fā)動機(jī)）技術(shù)向單凸輪軸 VTEC 機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。通過凸輪軸上的搖臂滑動區(qū)域使用滾針軸承可將凸輪軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)損失減小 70%。另外，將VTEC 開關(guān)活塞加入滾針軸承內(nèi)軸同時(shí)減小了尺寸與重量。 圖 11 VTEC 滾子剖面圖 活塞微波紋處理由創(chuàng)造微波表面的活塞裙部處理組成，它提高了油膜抑制性能，使用低摩擦損失機(jī)油時(shí)將減小近 30%的摩擦，這些功效開發(fā)了 標(biāo)準(zhǔn)相符的 0W20 級低粘度油，其摩擦減小效用是發(fā)動機(jī)馬達(dá)試驗(yàn)測量的 ，測試結(jié)果如圖 12 所示?，F(xiàn)今發(fā)動機(jī)技術(shù)中， HTTS 處于極限摩擦值進(jìn)精度為 ，同先進(jìn)低摩擦發(fā)動機(jī)結(jié)合應(yīng)用，極限值比當(dāng)今的發(fā)動機(jī)低得多。如圖 13 所示，低摩擦技術(shù)大大地減小了發(fā)動機(jī)的總摩擦力?？偟膩碚f，與傳統(tǒng) 10%以上。 圖 12 摩擦減小中的極限 圖 13 發(fā)動機(jī)摩擦 7． 5 減小重量 總觀了發(fā)動機(jī)中幾乎所有零件結(jié)構(gòu)和材料，帶著創(chuàng)造世界 產(chǎn)品中最輕的發(fā)動機(jī)目的，減輕重量甚至延伸到了骨架式結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料技術(shù)領(lǐng)域，如用于 S2021 的連桿滲碳。表面強(qiáng)化處理大大加快了發(fā)動機(jī) 的營運(yùn)速度，我們以此為 IMA發(fā)動機(jī)制造出更細(xì)的連桿，與傳統(tǒng)連桿相比重量減輕了近 30%。 圖 14 磁性油底殼 大多數(shù)油底殼是用鋼板或鋁合金制造，傳統(tǒng)的鎂材料已經(jīng)有高溫機(jī)油承受能力的問題，與傳統(tǒng)材料相比，能在 1200C 以上溫度承受顯著落差的蠕變強(qiáng)度，我們開發(fā)的新型鋁制的底殼（圖 14）能承受高達(dá) 1500C 的蠕變強(qiáng)度。油底殼用有鋁制墊片的鋼制螺栓固定以防止電蝕。此油底殼經(jīng)鋁制的輕 35%，在重量的減輕是與兩金屬比質(zhì)量相比的 為進(jìn)一步擴(kuò)大塑制零件的應(yīng)用，塑制材料在進(jìn)氣歧管、缸罩、水泵、皮帶輪等進(jìn)氣系 統(tǒng)零件中得到采用，這些變化使發(fā)動機(jī)自重小于 60kg 是世界 。 7． 6 廢氣排放性能 本發(fā)動機(jī)采用能同時(shí)達(dá)到稀燃和低排放的技術(shù)，顯著地降低了 NOx 排量，排氣系統(tǒng)發(fā)動機(jī)后置改善服燃燒（圖 15）。除此之外，將排氣歧管集成在缸蓋上，新開發(fā)了一種能在稀燃工況時(shí)吸收 NOx 的催化劑，能降低 NOx 排放。 Figure 15. Section view of emission system 圖 15 排放系統(tǒng)的剖面圖 7． 6． 1 集成排氣歧管和缸蓋 傳統(tǒng)缸蓋每個(gè)氣缸獨(dú)立的排氣門，