混合动力发动机技术现状与发展趋势*

于镒隆 张立庆 李 旭 刘双喜 高继东

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

大力发展节能与新能源汽车是解决能源与环境问题的重要途径，是各国汽车产业的主要发展方向，也是我国实现汽车产业可持续发展的重大战略选择，是我国实现汽车产业跨越式发展的重要举措之一[1-3]；从传统内燃机汽车，到混合动力汽车，到纯电动汽车，再到燃料电池汽车是汽车行业公认的一条汽车动力技术发展路线[4-10]。在当前的技术条件下，纯电动汽车的电池成本、充电时间、能量密度、电池老化与安全、续航里程、充电设施等问题在短时间内难以完全解决而未能得到充分的发展[11]；燃料电池汽车由于启动时间、贵金属催化剂、制氢储氢、成本等问题也制约其发展[12]；相对而言，HEV、PHEV采用较小的电池组、无需大量的充电设施、续航里程足够长，相较于传统内燃机汽车，又有节能、减排方面的优势，既不会对汽车行业的格局产生重大影响，又尤其适合城市工况运行，成为现阶段切实可行的汽车动力的可选方案。

关于混合动力的研究，较多关注在混动构型、动力电池、驱动电机以及控制技术，而作为混动主体之一的混合动力发动机，却往往以标件来选配，未被给予足够的重视；谈到混动用发动机，除了适合太阳能站联用的高效斯特林热气机、比重量比容积极具优势的汪克尔机，还有适合增程式的结构简单超低BSFC的微型涡轮机、高升功率低比容积的电控直喷二冲程发动机、低油耗高动力性的高速直喷柴油机；但目前，混动中应用较多的还是高压缩比四冲程汽油发动机。

本文将详细阐述国内外混合动力用四冲程汽油发动机的现状、技术特点及发展趋势。

1 混动发动机国内外发展现状

1.1 国内混动发动机技术现状

国内对混动研究相对偏晚，且早期研究多在方案探讨[13]、技术趋势论证[14]和构型匹配上；进入新世纪后，在国家“九五”、“十五”、“十一五”计划推动下，很多主机厂和科研机构相继投入研究混动。

长安，2002年前后开始研发混动，主要集中于HEV整车控制、电池管理、电机控制与ISG方面，2007年推出首款混动车；混动车搭载1.5L JL475Q或1.6L蓝动发动机，有诸多技术升级和优化，如采用缸内直喷、DVVT、两级可变气门升程、双EGR，应用了稀燃和Atkinson循环，动力性从72 kW、135 N·m提升至83 kW、145 N·m，全工况最低比油耗由275 g/（kW·h）降至234 g/（kW·h）[15]；经过十多年的发展，2018年推出智能PHEV，搭载105 kW 1.5T发动机[16]。

比亚迪，2008年推出双模插电混动，搭载50 kW、90 N·m 1.0L自吸全铝发动机[17]；随后推出1.5L直列四缸、水冷、SOHC、16V、VVL、EGR、全铝合金 80 kW、145 N·m发动机，2.0T涡轮增压、缸内直喷、DVVT、双平衡轴、全铝合金151 kW、320 N·m发动机，1.5T涡轮增压、缸内直喷、分层燃烧、自动延时冷却、可变气门正时、全铝合金113 kW、240 N·m发动机[18-19]应用于混合动力，其中，1.5T发动机压缩比10∶1，动力性超越本田雅阁2.0L自吸发动机。

一汽，2010年前后推出67 kW、135 N·m 1.5L发动机和74 kW、135 N·m 1.5L发动机[20-22]搭载在混合动力上；几年后又推出150 kW、260 N·m 2.0T发动机[23]用于混动。

上汽，2010年前后、2013年、2015年、2017年推出混动，分别搭载1.8T发动机、1.5VCT发动机、1.4T发动机、1.6T发动机[24-27]；量产的550混动，其发动机BSFC map可知，发动机油耗仍然偏高[28]。

奇瑞、吉利、东风、广汽也有混动推出。

综上所述，目前国内混动车辆搭载的发动机，几乎全是四冲程汽油机；多是由原有传统车发动机移植到混动车中，鲜有专门为混动开发；虽然发动机技术取得较大进展，国外大量在用的技术，国内也在用，国外在研技术，国内也在研究。但普遍地，我们的发动机：热效率还比较低，多处于30%～38%的水平；比油耗偏高，最低比油耗为235～265 g/（kW·h）的水平；较少使用高压缩比和稀燃技术；排放因为搭载混动而改善，整车排放达国V水平；但关键问题是，发动机电控系统、多孔高压喷油器、变排量机油泵、高压油泵、电动水泵、静音正时链、摇臂滚子、空心气门、VVT等关键零部件仍严重依赖国际上的零部件供应商，几乎没有自主的供应商体系。

1.2 国外混动发动机研究现状

国外对混动研究相对较早，最早的油电混动，可以追溯到1889年[29-30]；然而，批量应用于车，却是百年之后的上个世纪90年代：较早实现量产的是丰田的Prius搭载的THS；以及本田的Insight搭载的IMA；期间，大众、日产、现代、通用、福特、宝马等也有混动推出。

丰田1997年推出THS应用于Prius一代XW10，搭载Atkinson循环1.5L发动机，采用VVT-i、压缩比13[31-32]。2003年推出THS II应用于Prius二代XW20，搭载1.5L 8ZR-FXE发动机，DVVT-i技术，热效率36.8%，全负荷最低比油耗225 g/（kW·h）[32-33]。2009年推出的Prius三代XW30，并于2011年推出第一代插电混动ZVW35，搭载1.8L 2ZR-FXE发动机，压缩比 13，采用 Atkinson循环、冷却 EGR、电子水泵，最高热效率达38.5%，全工况最低比油耗220 g/（kW·h）[34]。2015年推出的Prius四代XW50，同年发布第二代插电混动Prime，搭载ESTEC 2ZRFXE发动机：压缩比13，优化Atkinson循环，提高热效率；采用多种减摩技术，提高机械效率；采用冷却EGR，抑制爆震，降低NOx排放；采用2.8高滚流比活塞顶部[35]与气缸顶部设计，采用3.6高滚流比气道[36]设计，优化混气过程，降低泵气损失，提高燃烧效率；采用双回路冷却系统的先进热管理及热能回收技术，热效率达40%[37-38]。丰田计划2020年将热效率提升到 43%～46%[36，39-40]，其热效率趋势如图1所示。

图1 丰田混动发动机热效率趋势图

丰田已经实现混动发动机的系列化布局，涵盖了 1.2L、1.5L、1.8 L、2.4 L、2.5 L、3.5L、5.0L 等多个排量 ， 先 后搭 载 Coastr、Prius、Camry、Crown、Estima、Alphard、Lexus、Highland、Highlander/Klueger、Auris、Aqua、Yaris、Avalon、Corolla 等多个车型，1997 年 12月至2017年1月丰田实现混动车辆全球总产销量突破1000万台[41]，目前油电混动车已占据丰田总销量的10%。

本田 IMA（i-DCD、i-MMD、SH-AWD 等）系统，于1986年至2016年期间分别推出了1.3L、1.5L、2.0L、3.5L 混动发动机，搭载到 Gaselle、Insight、Civic、Accord、CR-Z、Fit、Acura ILX 等车型。2013 版Accord热效率达38.9%，全工况最低比油耗214 g/（kW·h）[42]；2016版Accord PHEV采用Earth Dreams 2.0L直列4缸DOHC、VTEC自然吸气107 kW、175 N·m发动机，通过电动可变正时控制，实现Atkinson循环和高负荷状态奥托循环自动切换，采用短缸心距、稀燃、轻量化、低摩擦、高比例冷却EGR、VTE、IMA、EWP 等技术，热效率达 40%[43]；本田计划采用均质稀燃电火花点火（HLSI）技术，使新一代发动机获得更低油耗，且热效率达50%[44]。

现代Ioniq插电混动，搭载的78 kW四缸Kappa发动机，采用高压缩比、阿特金森循环、高能点火、EGR、高滚流比进气道、紧凑型燃烧室、分流道冷却，热效率达40%[45]。

大众/奥迪/宝马也先后推出了 1.4T、1.5T、2.0T、3.0T、3.5T、4.4T 混动发动机，如 GOLF GTE、Passat GTE、Audi A3 e-tron插电混动共同搭载110 kW、250 N·m EA2111.4TFSI发动机，采用了缸内直喷、涡轮增压、双增压、分层喷射[46]、EWP等技术；油电混合的情况下，NEDC百公里油耗 GOLF GTE为 1.5L[47]，PassatGTE为2.0L[48]；早在1992年，大众生产了25.7kW 2缸发动机配5.88 kW电机的混动车Chico，但并没有量产[49]；BMW i8搭载1.5T170 kW三缸发动机，NEDC百公里油耗2.1L[50]；BMW国产车型BMW 5系PHEV搭载2.0L双涡管涡轮增压发动机，百公里油耗 1.9L[51]；BMW，2015 年推出 230 kW、450 N·m 2.0T I4B48发动机的X5混动版[52]；2007年展出搭载300 kW、600 N·m双涡轮增压V8N63B44发动机的ActiveHybrid X6 混动版[53]。

通用早在1998年推出Precept，开启混动历程，随后推出沃蓝达、迈锐宝XL、君越等混动版车型，搭载 1.4、1.5、1.8、2.0、2.4 等发动机[54-55]；三菱 Outlander P-HEV，搭载2.0L 4缸MIVEC汽油发动机，百公里油耗5.3L[56]；福特Fusion、C-max都有混动配置，福特计划将其旗下产品全面切换到EcoBoost发动机系族上来，届时将有 1.0T、1.5T、2.0T、2.3T、2.5L、3.5T，其EcoBoost系族采用增压、直喷、DVVT、电子辅助水泵、活塞减摩技术，同其它性能优越混合动力发动机一道多次获得国际奖项[57-58]。

过去的二三十年，国外发动机技术进步迅速：车用四冲程汽油机，其比油耗已由上个世纪90年代的280～340g/（kW·h）发展到当前的200～240g/（kW·h）；其热效率由30%～35%的水平发展到当前的38%～41%的水平。目前，发动机技术现状如表1所示。

表1 混合动力发动机技术现状

2 混动汽车发动机技术特点

增程式混动，发动机不直接作为动力输出驱动车辆，而是驱动发电机发电为电池充电，且发动机工作在最佳转速区间，电池再为驱动车轮的电动机提供能量。目前市场上增程式发动机以自吸为主，各汽车厂大多使用现有成熟发动机与电机组成串联混合动力系统；增程式电动车电池容量一般可供纯电模式行驶50 km以上；此外插电式增程混合动力电池除了可由发动机来充电外，还可接入外部电源为电池充电。

增程式汽车以通用沃蓝达、别克VELITE5为典型代表，动力驱动以双排行星齿轮组为核心的Voltech系统与牵引逆变模块部件相连接。

增程式发动机除采用直列四缸外，也有厂商为了减小机舱布置空间应用直列三缸，甚至目前也有致力于直列二缸以及二冲程增程式发动机的研发。由于增程式发动机以驱动发电机发电为主要工作模式，总是工作在最低油耗区域，而增压发动机从成本及控制策略等方面均不占优势，因此，自吸发动机成为增程式混合动力的大趋势。

除增程外的油电混动方面，欧系采用P2技术为主流的单电机多离合器系统；美系通用则基于与戴姆勒-克来斯勒、宝马组成GHC联合开发的TMHD双模式混合动力系统基础，形成AHS-2双模驱动系统；丰田拥有行星齿轮组为核心的THS技术，并优化出II代、III代、IV代，是动力分流系统的典型代表；本田着重推广高效的I-MMD混动系统；三菱采用多模减速器，其结构与本田混动类似；日产则与欧洲技术主流一致，采用P2系统；韩系以P0+P2技术路线为主导；奔驰、宝马、大众、丰田部分车型采用多电机系统；国内混合动力在市场表现上以比亚迪DM双模技术、上汽EDU智能驱动技术较为成熟，处于自主行业领先水平。

各厂商围绕环保、节能、集成化、电气化、通用化等方面进一步优化混动系统发动机。市场上混动车型大致如表2，图2～7所示。

综合以上图表信息，混合动力发动机呈现下列技术特点：自吸机型占比41.4%，增压机型占比58.6%；自吸混动机型以四缸机为主流，排量在1.4～2.5 L，功率上限150 kW，转矩上限250 N·m；未来性能开发潜力表现为升功率60 kW/L，升转矩100（N·m）/L，主要不是提升动力性，而是改善燃烧效率和机械效率，降低油耗；增压混动机型主要以三缸、四缸为主流，排量在1.0～2.5L，功率上限250 kW，转矩上限500 N·m；未来性能开发潜力表现为升功率100 kW/L，升转矩 200（N·m）/L，兼顾动力性和燃油经济性。自吸机型发动机压缩比在10∶1～14∶1范围，增压机型压缩比在 9∶1～11∶1 之间；混动发动机中，缸内直喷机型已占6成以上，算上组合喷射，采用直喷已达7成，趋势明显。

表2 市场上现有混动车型及搭载发动机情况

图2 目前市场上混动自吸发动机缸数、排量分布

图3 目前市场上混动增压发动机缸数、排量分布

图4 目前市场上混动发动机性能分布

图5 目前市场上混动发动机压缩比-排量分布

图7 目前市场上混动车百公里综合油耗-排量分布

图6 目前市场上混动发动机燃油喷射类型分布

为满足国家四阶段油耗要求，搭载非插电混合汽车的发动机，排量一般控制在2.5 L以下，通过新技术应用来提高发动机热效率，如丰田第四代普锐斯、本田飞度综合油耗均低于3 L/100 km；而插电式混动机型，面对油耗压力较小，可结合提高电池容量及纯电动工作模式来弥补，其综合油耗基本在4 L/100 km以下，受发动机排量的影响较小。

3 混合动力发动机技术发展趋势

为了适应节能、环保、高效、舒适的总体需求，国外混合动力专用发动机广泛向着智能化电控、直喷、组合喷、多孔喷、高压喷、精细雾化、高能点火、多点点火、电控可变气门正时、电控可变气门升程、高压缩比、阿特金森循环/米勒循环、先进气流组织、高效智能热管理、高效燃烧控制、轻量化、小型化、低摩擦、新材料和新工艺、变排量机油泵、电控可变机油压力调节、电动化水泵、电动助力、电动空气压缩、进气歧管集成式中冷、集成式排气歧管、高压EGR、低压EGR、组合EGR、怠速启停、先进后处理、集成马达能量回收等高效清洁燃烧技术和能量管理技术方向发展，来提高发动机热效率，并实现系族化布局以节省成本。

由于相对长期工作在高效区域，混动车实际使用热效率相比于传统车占有明显优势。目前高效发动机较多采用优化的阿特金森循环、冷却EGR、低摩擦技术、智能热管理技术，热效率已超过40%；未来几年，有望将混动发动机热效率提升至45%～46%，追求更高的热效率，也是混合动力发动机发展的一个大趋势。

混合动力发动机直喷趋势较为明显；自吸和增压则依据车型配置和动力需求，各有应用领域；混合动力发动机智能化电控、电动化附件驱动、怠速启停、能量回收等，由于运行需要，已经是必然趋势；阿特金森循环、冷却EGR、低摩擦、智能热管理将是混动发动机的标配技术；压缩比在10∶1～14∶1之间、排量在1.4～2.5 L之间，这类发动机比较容易选配零部件，从而能极大降低量产成本。

4 结束语

国内外混合动力发动机趋于向高压缩比、高热效率、低摩擦、低比油耗、轻量化、小型化、高功率体积比、高功率排量比、集成化热管理等技术上发展，使得混动车辆总体上向更安全，更环保，更节能，更智能方向发展。

混合动力多种构型技术路线并存，并越来越趋于单电机多离合器构型和功率分流构型两个方向发展，动力分配趋于更优；发动机效率不断提升，整车油耗不断降低；纯电驱动里程更长，城市工况行驶排放物更少；机电耦合结构更加紧凑，功率控制单元趋向集成。