混合动力技术还有没有进化空间？谈谈上海车展上的四组观察

尽管今年上海车展上的新车企和大车企的电动汽车亮点众多，但在这篇文章里，造车新势力和电动汽车并不是主角，下面想分享的是：

1） 丰田：最高有效热效率41%的2.5L发动机和平行轴版THS混动系统（有些网友称之为THS IV）；

2） 本田：搭载在混动奥德赛上的第三代i-MMD；

3） 上汽：搭载在eMG6上的第二代EDU；

4） 马自达：SPCCI发动机Skyactiv-X

一， 丰田2.5L四缸发动机和平行轴版THS混动

这一台Dynamic Force的机器早在两年半前就已发布，实物却是第一次见到。它以其最高40%的有效热效率（混动版41%）吸引了众多关注。当时我将这个机器称为「黑科技」。

▲展出的Dynamic Force 2.5L发动机+电驱动系统

41%有效热效率的意义无需多说，最高热效率尽管只是一个稳态工况点的效率，却能够直观反映整体的发动机经济性优化水平。在1997年，丰田第一代Prius所搭载的1NZ-FXE发动机就已经应用了阿特金森循环，实现的最高热效率是37%。从1997年到2016年，量产发动机热效率从37%提高到了41%，丰田用了19年（2015年第四代Prius发动机最高热效率40%）。而在此之前的一百多年里，汽油机的热效率长期低于30%、乃至低于20%。两年后的今天，丰田、本田、马自达已经在实验室中向着50-55%的有效热效率迈进。

要知道发动机的热效率的边际提升是越来越难的，每个百分点提升的背后都是各式节能技术的应用；而与此同时，回顾过去二十年的技术进展，在日本公司的引领下发动机热效率的提升又是越来越快的。在十年前，我们可能还认为50%有效热效率是天方夜谭，而今天它已经在加速实现。

这台机器压缩比达到了14。混动机型的运行工况相对比较稳定，因此可以使用更大的压缩比提升循环效率（非混动版的压缩比为13），同时辅以更高的EGR来控制燃烧速率。缸内的进气设计没办法从展品看到，不过可以看到的是EGR管路的构造：如图2，该机器的EGR分别引入了各个进气歧管，而不是直接引入进气总管。这样的好处是通过对EGR支路的设计，可以让废气的分布更加均匀，使得进入每缸的进气组分和温度更加相近，从而有着一致的性能表现。这一点对于稀薄燃烧尤为重要，在较大EGR的使用下，燃烧状态对缸内气氛、组分较为敏感，进气的细微差异就可能导致燃烧状态的大不相同。

因此，精确控制EGR量（空间上让各缸更加均匀、时间上让EGR变化响应更快），除了软件上的控制手段以外，硬件上配备快速响应的EGR阀，以及如图中的分布式管路，对于改善稳态和瞬态过程的燃烧性能是有很大的帮助的。从图1中，还可以看到这台发动机的水泵是电驱动，而非皮带带动，电驱动附件让附件功率可以精确调控，做到按需供给，进一步改善有效热效率。

▲图3 平行轴版THS

还值得一提的是搭载在第四代Prius的平行轴版THS，有的网友称它为THS IV，关于这一说法，我向行家@张文川 请教过，其认为所谓的THS III和THS IV都只是不同版本的THS II。我深以为然，原因是不管是双行星齿轮排的「THS III」还是平行轴的「THS IV」，其功率分流机构的原理和THS II并没有差别，只是减速机构有所不同。在外文报道中，也几乎看不到THS III/IV的说法。

图4是从第一代Prius到第四代的动力系统对比，可以看到：

● 第一代和第二代Prius都采用了链轮减速机构，相比较于第一代，第二代Prius的动力系统主要提升在于升压技术、电动空调等零部件优化；

● 第三代Prius的动力系统则采用了双行星齿轮排，两排行星齿轮共用一个齿圈，第一排连接发动机与电机用于功率分流，第二排连接驱动电机用于减速；

● 第四代Prius的THS系统，就是展出的平行轴THS，这个系统不同于前三代的地方是，发电机、发动机和动力电机不再同轴，动力电机与行星齿轮排的齿圈分别与输出轴相连。

采用这一设计的优点是降低了输出轴尺寸，将电驱动系统的纵向长度从409mm缩短到了362mm，从而减小了动力系统体积和重量，优化了整车油耗和布置空间。

▲四代Prius动力系统结构变化

二，第三代本田i-MMD

丰田THS迭代了若干版本，本田的i-MMD作为串并联构型的代表，也发展得很快。本田在上海车展展出了一台i-MMD的样机模型，如图5所示，我在图上做了一些标注。

相较于上一代38.9%的热效率，新的发动机有效热效率达到了40.6%，同样站上了40%。做到这一成绩的「最大举措」就是把压缩比提升到了13.5，在高压缩比下，为降低爆震，本田采用了进气阀镜面抛光的设计，目的是降低进气阀温度与进气温度，不过这个设计在展品上不太容易看到。可以看到的是VTEC+EVTC的可变凸轮，通过改变凸轮型线，从而实现不同奥托循环和阿特金森循环的切换，分别满足动力性和经济性的要求。

展品上还可以看到的是新设计的高滚流EGR阀（high-flow EGR valve），与之前的设计比较起来， EGR的阀座直径有所增加，结合电磁动作机构的调整，将EGR通道内的压力损失降低了70%。

还有就是从第二代i-MMD就开始使用扁形绕线和hair pin绕组的「发卡」电机，这一绕组形式能够提高槽满率，其直接效果则是提升电机功率密度，而由于扁形绕线散热性能更加，其电机效率也有所提高。同样值得一提的是，上汽的新110kW电机，即是自主生产的「发卡」电机。图7中定子的细节能够看得更加清楚：扁形绕线、双层绕线与与粉末喷涂。

▲第三代i-MMD

▲ 电机定子细节

三，上汽第二代EDU

第一代EDU采用了和i-MMD相似的双电机串并联构型，我曾经也对比过两种构型的差异。

而不同于第一代EDU，上汽的第二代EDU转而使用了单电机的构型。搭载在eMG6上的这个变速器，能够实现十挡变速；原本的30kW和56kW的双电机改为了一台100kW的单电机；发动机匹配了一台1.5T四缸机。

对于这个构型我很好奇，但是在车展上并没能近距离看看它的原理，于是回来之后检索了一系列上汽在单电机混动系统方面的专利，也请教了工友们，大致推测这一构型可以理解成驱动电机+AMT的结构。示意图如图7，不过还要请行家指正。

利用该结构，电机可以同时实现纯电驱动和制动回馈；发动机可以单独驱动，也可以与电机同时驱动；此外，当停车输出离合器断开时，发动机可以向电机输出功率，实现充电。通过控制图中的ABC三个同步器，提供6个发动机前进挡和4个电机前进挡，一共十挡。

相比较于双电机的EDU，单电机EDU的动力性会更强，结合1.5T的发动机，可以实现比较好的动力表现，和MG品牌主打的性能特色也比较契合。另一个优点应该是降低了控制的难度，并且节约了整机的成本。

在经济性和平顺性方面，不知道单电机EDU相较于双电机是否能有提升。纸上谈兵而论，双电机EDU的无级变速理论上有着更好的经济性和平顺性，不过考虑到电控和电机技术的提升，单电机EDU或许能够实现相当或者更好的油耗表现，这也是很有可能的。

▲  第二代EDU【注释：2】

四，马自达Skyactiv-X

Skyactiv-X摆放在马自达展台的角落里，不太起眼，看的人也不多。不过能见到它就很不错了，说明尽管它沉寂了一阵子，但还没有被马自达放弃，搭载它的量产车型还是能够继续期待下去的。

▲ Skyactiv-X展品

这台机器之所以特殊，是因为它是第一台真正意义上的量产汽油压燃发动机。源自HCCI的汽油压燃/低温燃烧技术已经发展了三十年，而马自达使用的SPCCI的前身——火花塞助燃（SACI）也已经有了二十多年的研究历史。这台机器，它的热效率应该在41%~45%之间，但量产的意义，比制造出样机还要可贵得多。

Skyactiv从机器上看使用了低压EGR结合机械增压，以保证在大部分工况范围内都有足够的废气量和增压能力。这台机器的内部无从窥视，但可以确定的是，缸体一定得到了增强，来保证机械结构能够经受得住较高的爆发压力。

设计和制造的能力也是工业界和学术界研究差异的缩影，这一点和行家也聊到过：学术研究在这一领域更多是使用柴油机进行「魔改」，以尝试新的手段和新的控制方法；但是归根结底，这种燃烧模式本身就是不同于柴油压燃或者汽油点燃的。然而，汽油机和柴油机之所以成为今天这个样子，本源都是因为汽油和柴油的性质及其燃烧模式决定。所以想要打造一台真正意义的汽油压燃发动机，就要专门去造一台机器，而不是「魔改」柴油机或者汽油机所能够实现。

除了Skyactiv-X，德尔福在过去的几年一直推进的无火花塞的全工况范围汽油压燃，德尔福称之为GDCI，是另一个可以期待的汽油压燃发动机。

小结：这篇文章潦草介绍了我在车展上关注到的混合动力技术，无一例外地，它们都是「新一代」产品，都是在之前的技术和产品基础上有所衍变和进化。在这背后是精益求精的工程能力，它们也让未来的混合动力技术和内燃机潜力更加值得期待。