【日】 A.Yonekawa M.Ueno O.Watanabe N.Ishikawa

Accord插電式混合動(dòng)力車用新型汽油機(jī)的開發(fā)

【日】 A.Yonekawa M.Ueno O.Watanabe N.Ishikawa

作為本田公司的下一代發(fā)動(dòng)機(jī)系列，配裝于Accord插電式混合動(dòng)力車的新型2.0 L汽油機(jī)具有燃油耗低和排放性能好的特點(diǎn)。采用可變氣門正時(shí)及升程電子控制系統(tǒng)，具有2種特定凸輪（即功率凸輪和燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪）。功率凸輪作用持續(xù)期短，用于大功率輸出和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)；燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪作用持續(xù)期長，可通過延遲進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)，獲得阿特金森循環(huán)效應(yīng)。還采用了冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了低燃油耗目標(biāo)。首先，能確保EGR閥前后壓差的新型控制系統(tǒng)改善了EGR流量的控制性能。其次，改進(jìn)了扭矩控制，可以預(yù)測(cè)因點(diǎn)火延遲引起的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降。驅(qū)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性在極苛刻的條件下保持原有水平。最后，采用了基于大氣壓力改變運(yùn)行點(diǎn)的控制技術(shù)，即使環(huán)境發(fā)生變化，仍可保持低油耗性能。開發(fā)了混合動(dòng)力車用催化轉(zhuǎn)化器的新型快速預(yù)熱系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，通過改變電機(jī)運(yùn)行來控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，這樣可有效預(yù)熱催化轉(zhuǎn)化器，從而使尾氣排放降低到能滿足特超低排放車SULEV 20標(biāo)準(zhǔn)的水平。

混合動(dòng)力車 汽油機(jī) 燃油耗 可變氣門機(jī)構(gòu) 廢氣再循環(huán)

0 前言

在全球機(jī)動(dòng)化的進(jìn)程中，提供關(guān)注環(huán)境的商品是汽車制造商的責(zé)任之一。每家公司都在努力開發(fā)各種技術(shù)，例如，燃料電池車、純電動(dòng)車、混合動(dòng)力電動(dòng)車，以及渦輪增壓縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)等。

本田公司一直在銷售具有集成電機(jī)輔助系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)車。這種系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊和質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，適用于小型轎車。在2012年底，本田公司開始銷售Accord插電式混合動(dòng)力車，該車型采用新型雙電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，提高了功率，可用于中型轎車。

本田公司為Accord插電式混合動(dòng)力車開發(fā)了新型汽油機(jī)，作為新型發(fā)動(dòng)機(jī)系列“地球夢(mèng)科技”的一部分，該發(fā)動(dòng)機(jī)還將被用于2013年秋季上市的Accord全混合動(dòng)力電動(dòng)車。

1 開發(fā)目標(biāo)

在新型汽油機(jī)的開發(fā)過程中，最重要的問題是燃油耗。為了降低混合動(dòng)力車的燃油耗，需要了解發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)域，這是由車輛的驅(qū)動(dòng)模式?jīng)Q定的。該車型具有3種不同的驅(qū)動(dòng)模式（圖1）。

圖1 3種驅(qū)動(dòng)模式

3種驅(qū)動(dòng)模式分別為純電力驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在純電力驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，車輛僅利用電池的能量運(yùn)行。混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式適用于正常行駛的高負(fù)荷狀態(tài)，車輛利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能運(yùn)行，在該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)按最佳的燃油耗曲線運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式適用于高速巡航，車速超過80 km/h。在高速巡航時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)比使用混合動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)效率更高。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以中等負(fù)荷運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)域示于圖2。

圖2 燃油耗曲線

2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

新型汽油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格列于表1，外形如圖3所示。現(xiàn)有2.0 L汽油機(jī)的缸徑與新機(jī)型的相同。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格

圖3 配裝于Accord混合動(dòng)力電動(dòng)車的新型2.0 L汽油機(jī)

新型汽油機(jī)采用雙頂置凸輪軸，并且在進(jìn)氣側(cè)應(yīng)用VTEC和EVTC技術(shù)。在排氣側(cè)采用帶液力間隙調(diào)整器的頂壓式搖臂，旨在減輕質(zhì)量和減小摩擦。為了補(bǔ)償采用強(qiáng)滾流氣道后的氣流性能，將進(jìn)氣門直徑擴(kuò)大1 mm。

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的高度，調(diào)整了氣缸偏置量?？s小曲軸主軸頸的直徑，以減小摩擦損失。壓縮比為13.0，采用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR系統(tǒng)。為改善燃油經(jīng)濟(jì)性，采用電動(dòng)水泵。由于需要兼顧動(dòng)力性能、燃油耗與成本，選用了進(jìn)氣道噴射方式，而不是缸內(nèi)直接噴射方式。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能

新型汽油機(jī)的動(dòng)力性能示于圖4。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6 200 r/min時(shí)的最大功率為105 k W，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2 500 r/min時(shí)，最大扭矩達(dá)到165 N·m。

圖4 新型汽油機(jī)的動(dòng)力性能

2.3 燃油耗

圖5 示出了燃油經(jīng)濟(jì)性的改善情況，新型汽油機(jī)的運(yùn)行區(qū)域處于低燃油耗區(qū)域內(nèi)。與現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油耗降低了10％。燃油消耗率曲線示于圖2。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min和扭矩120 N·m的工況點(diǎn)，燃油消耗率為214 g/（k W·h）。

圖5 燃油經(jīng)濟(jì)性的改善情況

3 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件技術(shù)

3.1 VTEC系統(tǒng)

在配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣側(cè)采用VTEC系統(tǒng)。這是本田公司的一項(xiàng)成熟技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示于圖6。每個(gè)氣缸具有3個(gè)凸輪和3個(gè)搖臂。兩側(cè)凸輪為功率凸輪，中央為燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪。在使用功率凸輪時(shí)，VTEC關(guān)閉，3個(gè)搖臂獨(dú)立工作；在使用燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪時(shí)，VTEC開啟，3個(gè)搖臂由同步銷鎖合到一起。為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后在低機(jī)油壓力狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)可變控制，采用了液壓-液壓型VTEC機(jī)構(gòu)[1]。

圖6 VTEC的結(jié)構(gòu)

凸輪的氣門升程曲線示于圖7，其運(yùn)行區(qū)域示于圖8。功率凸輪的作用持續(xù)期較短（氣門升程1 mm，曲軸轉(zhuǎn)角196°CA），僅在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和需要高功率輸出時(shí)使用。燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪的作用持續(xù)期較長（氣門升程1 mm，曲軸轉(zhuǎn)角240°CA），在要求低燃油耗的正常行駛時(shí)使用。

圖7 凸輪的氣門升程曲線

圖8 VTEC的運(yùn)行區(qū)域

圖9 2種凸輪的動(dòng)力性能

本次研究中，從功率輸出、燃油耗，以及初始排放方面驗(yàn)證了采用VTEC系統(tǒng)的效果。首先，2種凸輪的功率差異示于圖9。由于燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪的作用持續(xù)期較長，無法在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)使用，所以最大功率輸出通過功率凸輪獲得。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下，最大扭矩的差別僅為5 N·m左右。但是，在最大扭矩工況點(diǎn)使用燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪的效果較差，這是因作用持續(xù)期長產(chǎn)生大量排氣倒流的緣故。為了獲得高扭矩，需要減小EGR率。因此，功率凸輪在高扭矩區(qū)域內(nèi)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

其次，2種凸輪的燃油耗性能示于圖10。在高負(fù)荷區(qū)域，2種凸輪的燃油消耗率是相同的；但在其他區(qū)域，燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪的燃油消耗率稍低。由于其作用持續(xù)期較長，可以利用阿特金森循環(huán)效應(yīng)來減小泵氣損失。

圖10 2種凸輪的燃油耗性能（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min）

初始排放性能示于圖11和圖12。圖11為在相同的進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)條件下，平均指示壓力相對(duì)點(diǎn)火定時(shí)的協(xié)方差。由于功率凸輪具有較小的氣門重疊角，因此其燃燒比燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪更穩(wěn)定，所以可容許較長的點(diǎn)火延遲。圖12為2種凸輪在不同點(diǎn)火定時(shí)下的碳?xì)浠衔铮℉C）排放。點(diǎn)火延遲的影響非常大，功率凸輪的HC排放量為燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪的50％，并且還有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的初始排放。

圖11 2種凸輪的燃燒極限

如上所述，2種凸輪在功率、燃油耗和初始排放方面都存在差異。功率凸輪在功率輸出和排放性能方面表現(xiàn)較好，而燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪在燃油耗方面表現(xiàn)較好。如不采用VTEC系統(tǒng)，那就必須選擇折中的凸輪型線，而各種性能都會(huì)變差。VTEC系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在此得到充分發(fā)揮。

圖12 2種凸輪的HC初始排放

3.2 冷卻EGR

圖13 高滾流進(jìn)氣道

圖14 進(jìn)氣道氣流仿真結(jié)果

由于混合動(dòng)力運(yùn)行受限于高負(fù)荷區(qū)域，因此，采用冷卻EGR系統(tǒng)來改善燃油經(jīng)濟(jì)性是合理的選擇[2]。但是，冷卻EGR會(huì)使燃燒速度變慢。為了使冷卻EGR的效果最大化，必須改進(jìn)燃燒。為此設(shè)計(jì)了高滾流進(jìn)氣道（圖13），高強(qiáng)度滾流旨在使主進(jìn)氣氣流進(jìn)入燃燒室的排氣側(cè)。改變進(jìn)氣道的側(cè)面，并從進(jìn)氣道下方重新設(shè)計(jì)。新開發(fā)進(jìn)氣道和現(xiàn)有進(jìn)氣道的氣流仿真結(jié)果示于圖14。氣門底部的流量減小了，主進(jìn)氣氣流流經(jīng)氣門上部，在氣缸內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度滾流。新開發(fā)進(jìn)氣道的滾流比為1.40，而現(xiàn)有進(jìn)氣道的為0.73。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果示于圖15，高滾流比改善了平均指示壓力協(xié)方差，并使最佳點(diǎn)的指示燃油消耗率降低了5 g/（k W·h）。

圖15 高滾流進(jìn)氣道的效果

圖16 燃油消耗率與EGR率的關(guān)系（高負(fù)荷）

圖17 燃油消耗率與EGR率的關(guān)系（中等負(fù)荷）

需要優(yōu)化混合驅(qū)動(dòng)模式下高負(fù)荷工況和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下中等負(fù)荷工況的燃油耗。高負(fù)荷和中等負(fù)荷工況的有效燃油消耗率及進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)與EGR率的關(guān)系示于圖16和圖17。在高負(fù)荷工況下，提前關(guān)閉進(jìn)氣門，并將EGR率增加到燃燒極限，可使有效燃油消耗率達(dá)到最佳值。在中等負(fù)荷工況下，延遲關(guān)閉進(jìn)氣門與引入EGR減少泵氣損失之間存在一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。這表明燃油耗的修正策略隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化而變化。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷調(diào)整進(jìn)氣門關(guān)閉正時(shí)和EGR率，可以改善高負(fù)荷和中等負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。得益于VTEC系統(tǒng)，采用有利于降低燃油耗的燃油經(jīng)濟(jì)性凸輪，使實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為可能。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

新型汽油機(jī)的理念是通過在高負(fù)荷區(qū)域用冷卻的再循環(huán)廢氣來改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但是，這種做法降低了燃燒穩(wěn)定性。因此在很大程度上受到外部溫度、大氣壓力和濕度等環(huán)境變化的影響。在常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，只能使用帶1個(gè)界限的裝置，并且無法充分發(fā)揮硬件的能力。

為了獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，開發(fā)了新型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.1 EGR控制

通常，汽油機(jī)采用EGR的目的是降低泵氣損失和改善排放性能。因此，主要在低負(fù)荷和中等負(fù)荷區(qū)域采用EGR。然而，新型汽油機(jī)的設(shè)計(jì)理念是在高負(fù)荷區(qū)域引入EGR，所以，控制EGR流量變得更加重要。一般來說，壓差接近零時(shí)，閥門流量的敏感性急劇增強(qiáng)。所以，利用閥門對(duì)流量實(shí)施控制很困難。為了確保EGR流量的精確性，構(gòu)建了全新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，無論環(huán)境如何變化，都能保持特定壓差不變。

圖18為根據(jù)大氣壓力變化計(jì)算所需EGR質(zhì)量流量的方法。首先，新系統(tǒng)能在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下根據(jù)進(jìn)氣空氣量（GAIRCMD）得出最佳燃油耗所需的EGR質(zhì)量流量（GEGRCMD）。式（1）為理想氣體定律，是根據(jù)傳輸壓力與流量的關(guān)系計(jì)算填充氣缸所需的氣體量（GGASMAX）。式（1）中容積效率是通過檢索表格確定的。ΔpLMT為壓差限值，表征保持EGR流量控制的性能。

如果大氣壓力下降，那么所需的EGR量（GEGRCMD）就會(huì)降至不高于GGASMAX的水平（式（2））。

其次，進(jìn)氣歧管的壓力會(huì)因氣門間隙或氣道流量特性的變動(dòng)而變動(dòng)。因此，如圖19所示，采用可減小GEGRCMD的反饋控制。當(dāng)實(shí)際壓差低于ΔpLMT時(shí)，系統(tǒng)會(huì)減小EGR流量，以保持壓差不變。

圖18 根據(jù)大氣壓力變化確定所需EGR流量的理念

圖19 根據(jù)變動(dòng)修正EGR流量的理念

4.2 扭矩控制

在高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中，常通過延遲點(diǎn)火降低扭矩，以避免爆燃。尤其在高溫條件下的高負(fù)荷區(qū)域，爆燃傾向更加強(qiáng)烈。新型汽油機(jī)的扭矩特性示于圖20，在高溫條件下的高負(fù)荷區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低。扭矩降低導(dǎo)致駕駛性變差，燃油耗增大，因此，必須通過準(zhǔn)確估算扭矩下降量來解決問題。研究人員創(chuàng)建了全新的扭矩估算模型（圖21）。通過測(cè)量外部條件，設(shè)定點(diǎn)火延遲，并據(jù)此控制各種工況條件，從而使扭矩下降得到補(bǔ)償，這樣便能夠在苛刻的行駛條件下確保駕駛性與燃油耗的平衡。

4.3 運(yùn)行點(diǎn)控制

圖20 扭矩特性

圖21 扭矩需求控制的構(gòu)架

運(yùn)行曲線是每種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳燃油耗點(diǎn)連成的曲線。使發(fā)動(dòng)機(jī)按圖2所示的運(yùn)行曲線運(yùn)行，在混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下能獲得低燃油耗值。該運(yùn)行曲線位于采用冷卻EGR的高負(fù)荷區(qū)域。氣缸的總氣體填充量處于高水平。無論大氣壓力如何，必須保持ΔpLMT不變。

當(dāng)大氣壓力下降時(shí)，EGR率降至低于正常條件的水平，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。因此，測(cè)定了不同大氣壓力條件下的燃油耗值（圖22）。結(jié)果表明，當(dāng)大氣壓力下降時(shí)，相同負(fù)荷條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性急劇變差，這意味著最佳燃油耗曲線是隨大氣壓力的變化移動(dòng)的。

因此，開發(fā)了可根據(jù)大氣壓力改變運(yùn)行曲線的控制系統(tǒng)（圖23）。首先，準(zhǔn)備了正常條件和高海拔條件下的2條運(yùn)行曲線。將測(cè)得的大氣壓力pA參數(shù)插入2條運(yùn)行曲線中，建立最佳的運(yùn)行曲線。這樣，無論大氣壓力如何變化，都能保持最佳的燃油耗性能。

圖22 大氣壓力變化對(duì)燃油耗的影響（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min）

圖23 運(yùn)行曲線控制

5 SULEV 20標(biāo)準(zhǔn)

圖24 新車型的排氣系統(tǒng)

基于對(duì)環(huán)境的考慮，燃油耗和廢氣排放都是重要的參數(shù)。本次開發(fā)的目標(biāo)是滿足SULEV 20標(biāo)準(zhǔn)。采用新型催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱控制，可使混合動(dòng)力車快速預(yù)熱。圖24為新車型的排氣系統(tǒng)，圖25顯示了新型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方式。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，立刻使發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷狀態(tài)，降低在催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱前的廢氣排放。在近機(jī)催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱后，利用起動(dòng)電機(jī)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，增加排氣能量，這樣就可以加快遠(yuǎn)端車身下催化轉(zhuǎn)化器的預(yù)熱速度。此時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大而增多的廢氣被已預(yù)熱的近機(jī)催化轉(zhuǎn)化器所凈化。因此，可將非甲烷有機(jī)氣體和氮氧化物的排放保持在SULEV 20標(biāo)準(zhǔn)限值之下（圖26）。

圖25 催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱控制方式

圖26 排放性能

6 結(jié)語

（1）新型汽油機(jī)重新采用阿特金森循環(huán)和冷卻EGR系統(tǒng)，并與VTEC系統(tǒng)相結(jié)合。最大功率達(dá)到105 k W，燃油消耗率為214 g/（k W·h），相比現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)改善10％。

（2）通過開發(fā)全新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，確保在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)仍能維持原有的燃油耗性能和駕駛性：無論外部條件如何變化，EGR氣體流量控制可確保調(diào)整至指定的壓差；通過車載計(jì)算實(shí)現(xiàn)的扭矩控制，可準(zhǔn)確估算出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；無論大氣壓力如何變化，運(yùn)行工況點(diǎn)控制可追蹤最佳燃油耗曲線。

（3）開發(fā)了使用電機(jī)負(fù)荷控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的新型催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱控制系統(tǒng)，可滿足SULEV 20標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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孫丹紅 譯自 SAE Paper 2013-01-1738

劉巽俊 校

虞 展 編輯

2013-08-02）