鲁达 曾经江湖传言，世界上有两种混合动力，一种叫丰田混合动力，一种叫其他混合动力。丰田从第一代普锐斯以来，凭借着技术底蕴与专利壁垒，牢牢占据混动车型的市场。很多品牌都尝试在该领域分一杯羹，却铩羽而归。丰田也在该领域笑傲江湖，赚的盆满钵满。
但是，随着本田君I-MMD系统横空出世，已经具备正面挑战丰田THS的技术实力。目前市场上本田雅阁混动和CHR混动都具备非常优异的表现，在动力性能更好的前提下，能够做到和丰田混动同等的油耗表现，可以说相当的惊艳。
技术没有捷径，本田I-MMD系统并不是变出来的，至今已经发展到第三代。它成功的秘诀在于——持续改进。由于I-MMD是一个非常复杂的系统，涉及到发动机，变速箱，电池，逆变器，电机，控制系统等等。本文从我的专业领域来介绍本田雅阁混动用的2.0L自然吸气发动机的开发。
本文分为两篇
本田雅阁混动用2.0L发动机开发解密上——混动发动机的诞生：
「持续改进破茧成蝶」本田混动用2.0L发动机开发解密——上
本田雅阁混动用2.0L发动机开发解密下——混动发动机的突破
摘要
在第一代第二代本田I-MMD系统上，考虑到成本发动机并没有突破性的革新，这也造成了I-MMD并没有成为主流。但是在最新款混动雅阁上，首次使用了第三代I-MMD系统，采用的发动机是本田首次量产的热效率超过40%的发动机。与改进前一样，使用阿特金森循环和低温EGR系统，但为了进一步提高热效率，采用了镜面化进气门和填充钠排气门，改善了爆震并提高了压缩比。为了降低废气损失，使用了大量EGR和高滚流模型，实现了高速燃烧。另外，导入了其他机型上的高精度加工和低摩擦阻力平衡轴技术，降低了机械损失。实现了发动机单体燃油消耗率208.1g/kWh，即热效率40.6%。
1 引言
近年来，主机厂为了削减CO2，以提高燃油经济性为目标不断投入研发在发动机领域。本田在2012年底，将双电机的插电式混动系统投入市场，2016年增加了废热回收系统。为了更好的让用户体验到这个技术，2018年投放了本田雅阁混动系统。它由两个电机组成的混动系统，叫SPORT HYBIRD I-MMD，工作模式有3个，第一个是利用电池的电能驱动车辆的纯EV模式；第二个是通过发动机发电，对蓄电池进行充电，电池的电能来驱动车辆；第三个是发动机直接驱动车辆行走，如图1。SPORT HYBIRD I-MMD开发的过程中，为了面向TOP1的燃油经济性，以高燃油经济性未目标，专门改进了一款发动机。
图1 SPORT HYBIRD I-MMD系统工作模式
2 开发目标
在上一代的基础上，进一步设置了以下开发目标：
（1） 在混动领域工况下，改善燃油经济性（热效率40%以上）
（2） 对发动机工况最优化设计从而提高实际燃油经济性
3 提高燃油经济性技术
与上一篇热效率39.1%的量产2.0L混动发动机相比，硬件参数如表1所示。基础硬件基本不变，对进排气门、曲轴、EGR比例、节温器温度进行优化，压缩比从13提高至13.5。
表1 硬件参数对比
3.1 发动机单体提高燃油经济性技术
从原理上来说，为了提高实际热效率，必须提高理论热效率并且降低热损失和机械损失，这三点为提高燃油经济性的核心原则。
3.1.1 提高理论热效率
提高理论热效率最简单粗暴的方法就是提高压缩比，但是压缩比提高会带来爆震问题。所以这款发动机提高了废气再循环（EGR）比例、对进气门表面镜面化（降低粗糙度）和采用了填充钠排气门，来降低了爆震，使压缩比从13提高至13.5。
3.1.2 高流量EGR系统
为了降低热损失，增加EGR比例。它也改善了爆震，提高了压缩比。通过分析，为了将热效率提高至40%，必须将EGR比例从之前的17%上升至23%。
为了实现高流量化，将EGR阀的直径扩大，并提高了底座的气密性，另外为了提高阀体的响应性，开发了新的EGR阀。阀门形状的参数如表2所示。通过增大EGR阀，EGR回路的压力损失也降低了。压力损失的影响如图3所示。
与上一代相比，
（1） 回路面积扩大至直径21mm
（2） 消除了死循环
（3） 冷却水出口和EGR冷却器的回路相间部分直线化
（4） EGR阀内的回路弯曲半径扩大。
压力损失降低了70%。
EGR比例增加后，虽然降低了爆震，但是燃烧速度变慢，燃烧损失增加了。对此，采用了高滚流燃烧模型，实现了高速燃烧。
图2 原型机和改进款在不同压缩比下的热效率曲线
表2 EGR阀规格
图3 高流量EGR阀设计
采用的气门形状如图4所示。与之前的气门形状相比，进气门前部分下侧设计了膨胀区域，入射角更加锐利，强化了滚流。因此，发动机转速2000rpm，发动机负荷在20Nm的工况下，滚流比提高了25%，与燃烧速度相关的乱流动能（Turbulent Kinetic Energy： TKE）提高了3%，改善效果如图5所示。
图4 高滚流进气门设计
图5 不同曲轴角度下乱流动能
采用了该设计，虽然提高了EGR比例，但也达到了与上一代同等的燃烧时间，如图6。燃烧时间损失没有增加，热损失得以降低，从而有了缓解爆震的可行性。
图6 不同EGR比例下燃烧时间对比
3.1.3 改善爆震
为了改善爆震，对进气门的伞面进行镜面化处理，排气门采用填充钠气门。
关于进气门，通过对燃烧室内露出的气门伞面表面的镜面化处理，减少了表面积。抑制了气门和周边气体间的热传递。热传递降低后，气门和汽缸盖燃烧气体热量损失也可以降低，气门的自身温度也下降了，进气温降低，改善了爆震，如图7a。
在排气端，采用了中空填钠排气门，如图7b。通过钠的融化凝固，将容易形成热量堆积的排气门热量迅速的传递至外侧进行冷却。
通过这种技术，在发动机转速2000rpm，符合120Nm的工况下，能够改善0.9deg的点火角，对爆震的改善效果如表3所示。
图7 气门系统
表3 进排气们对爆震点火角的改善
3.1.4 降低机械损失
降低机械损失主要从曲轴，活塞等主要运动副和凸轮轴，离合器等运动系统考虑，如表4。
表4 降低机械损失技术
对于气缸壁面，活塞在高速运行中具有冲击，通过一些特殊的设计变更和加工工艺，对气缸壁的表面粗糙度尽最大可能降低，从而降低了机械损失，如图8。另外，曲轴一般部分布置在机油液面中，发动机运转时机油会飞溅从而导致机械损失，如图9所示，对曲轴平衡块进行了优化，增加了平衡块油轨设计，降低了机械损失。
图8 低摩擦汽缸壁面效果示意图
图9 平衡块形状优化
关于冷却水，一般在高水套温度下，润滑油粘度较低，机械损失能够降低从而改善燃油经济性。因此这款发动机将节温器的开阀温度从78℃提高至82℃（当然这个前提是建立在对爆震已经有效控制下）。通过改变开阀温度，低负荷工况到中负荷工况的温度保持在较高温度，降低机械损失。发动机转速2000rpm，负荷120Nm的工况下，与上一代相比，降低了6.4%机械损失。
图10 冷启动水温变化
3.2 发动机运行线改善对振动抑制
通过快速燃烧降低时间损失，可以提高热效率（Brake specific fuel consumption：BSFC），但是燃烧速度快了，燃烧室压力上升率变快，发动机的振动会增加。上一代发动机综合考虑了发动机振动（NVH）和燃油经济性，发动机的运行线并没有采用BSFC最低的工况（214g/kWh@2500rpm_120Nm,216g/kWh@2000rpm_120Nm），如图11所示。新款发动机上，为了提高燃油经济性，希望发动机运行线在BSFC最低领域，因此，必须通过对发动机结构进行优化降低了振动水平。
图11 燃油经济性对比
为了降低振动，对曲轴的形状进行变更，曲轴形状如图12所示。上一代为了轻量化做了局部切削（全球首次采用），但是牺牲了振动性能，新款取消了这个设计。对此，对局部的共振频率进行改变，最终使得该发动机悬置附近的振动水平，从以往200Hz~770Hz下的噪音降低了5dB。如图13所示，通过上述讨论，在NVH和燃油经济性中寻找到一个最优平衡。
图12 曲轴形状变化
图13 发动机振动水平（不同Hz下）
3.3 混动模式下性能
通过上述优化，发动机转速2000rpm，负荷120Nm的工况下，BSFC为208.1g/kWh，热效率为40.6%（采用的燃料不同，热值不同，所以BSFC换算热效率的结果有所不同）。与上一代相比，BSFC改善了8g/kWh。BSFC的分布如图11所示，图中白色的线为混动模式的运行线，黄色为BSFC220g/kWh以下的范围，橘黄色为BSFC210g/kWh以下的范围。
3.4 实车燃油经济性
为了改善实车燃油经济性，冷间启动时冷却水的升温速度提高，EV工况开始时间提前，在冷却回路采用了排气热量回收系统，如图14所示。US combined mode的燃油经济性，发动机单体的改善了1.06mpg，加上运行线的修正改善了0.90mpg，总体改善了1.96mpg。
PS：排气热量回收系统目前丰田、本田起亚的混动车型都有应用，未来会逐渐扩展到传统燃油车上。
图14 冷却系统
4 小结
本田I-MMD的发动机从第一代进化到第三代，终于实现了40.6%热效率，成为一款优秀的发动机，并且，该发动机没有使用丰田TNGA发动机的双喷射系统，在控制系统复杂性和成本上具有优势。本田可以将更多的成本与精力投入到三电系统中。通过这种差异化设计，相比于丰田混动凯美瑞，本田混动雅阁在拥有更好的加速性下做到同样的燃油经济性，甚至，更便宜！
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