在世界屋脊觀汽車動力的巔峰技術(shù)

許敏

2016年7月底，正值盛夏酷暑，來到風(fēng)景秀麗、氣候宜人的世界屋脊西藏拉薩，和眾多汽車媒體專業(yè)記者們以及沃爾沃技術(shù)專家們一起，體驗搭載了沃爾沃最新“Drive-E”發(fā)動機的SUV XC60，暢談未來汽車發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展趨勢，頗有登峰遠(yuǎn)眺的奇妙感受。

幾十年來，汽車尖端技術(shù)研發(fā)一直聚焦于兩大主題，節(jié)能與減排。未來10年內(nèi)，世界各國油耗和排放法規(guī)都將進(jìn)一步加嚴(yán)，給各大主流汽車企業(yè)帶來越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

從油耗法規(guī)上看，到2020年，歐盟針對乘用車的CO2排放將控制在95g/km（約為4.1L/100km），日本針對乘用車的CO2排放將控制在105g/km（約為4.5L/100km），美國針對乘用車的整車油耗將控制在5.5L/100km。中國正在實施的第四階段油耗法規(guī)規(guī)定，到2020年乘用車平均油耗限值為5L/100km ，屆時中國的油耗限值將比肩歐美日。到2025年，中國將會進(jìn)一步加嚴(yán)油耗限值，乘用車油耗可能限制為4 L/100km。

從排放法規(guī)上看，中國也在不斷趕超歐美。歐盟將從2017年開始，實行新的歐六c排放法規(guī)，美國將從2017年開始，實行第三階段排放法規(guī)（Tier3）。中國也將從2017年開始，全面實行新的國五排放法規(guī)，并且不斷加速法規(guī)更新步伐。2020年，中國將實行國六a排放法規(guī)。2023年，中國將實行國六b排放法規(guī)。國六b排放法規(guī)不但各排放物限值會比歐六c還嚴(yán)格，而且將采用全新的、更為嚴(yán)苛的WLTC測試循環(huán)（類似美國測試循環(huán)），可能會成為最難的排放法規(guī)。

所以，預(yù)計2025年前后，中國的油耗和排放法規(guī)將走在世界最前沿，驅(qū)動全球汽車發(fā)動機技術(shù)革新。同時中國將繼續(xù)保持汽車產(chǎn)銷第一大國的地位，國際主流汽車企業(yè)和發(fā)動機技術(shù)研發(fā)公司將針對中國市場需求開發(fā)最新技術(shù)和產(chǎn)品，在中國市場首發(fā)。中國自主品牌企業(yè)將失去可跟隨的國外先進(jìn)技術(shù)路線和產(chǎn)品，必須通過自主創(chuàng)新同步達(dá)到最嚴(yán)格的法規(guī)要求。

形勢如此嚴(yán)峻，如何應(yīng)對？是繼續(xù)研發(fā)和采用更多內(nèi)燃機的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，并適度采用混合動力技術(shù)來不斷優(yōu)化傳統(tǒng)動力系統(tǒng)，還是選擇徹底放棄傳統(tǒng)內(nèi)燃機，用基于電動車技術(shù)的新能源汽車來完全取代？我們處在一個關(guān)鍵的十字路口。

近年來，圍繞如何提高發(fā)動機熱效率、降低機械損失、采用電氣化手段降低整車油耗，各汽車公司和研發(fā)機構(gòu)開發(fā)出眾多新技術(shù)，例如，提高熱效率可以采用大角度VVT+Atkinson循環(huán)、快速燃燒系統(tǒng)、高壓縮比、大流量低壓冷卻EGR、350bar直噴、可變氣門升程VVL、可變壓縮比等技術(shù)；降低機械損失可以采用增壓減缸小型化、DLC涂層、可變排量機油泵、新一代活塞和活塞環(huán)涂層、缸孔涂層、低黏度機油等；電氣化可以采用電子水泵、電子機油泵、電子節(jié)溫器、12V啟停系統(tǒng)、48V輕度混合系統(tǒng)、電子增壓器、停缸、混合動力、插電式混合動力等技術(shù)。眾多技術(shù)路線效果各有千秋，成本千差萬別，并且技術(shù)成熟度也有所不同。合理選擇技術(shù)路徑的組合，既能夠滿足油耗和排放法規(guī)的嚴(yán)格要求，又能夠?qū)⒊杀驹鲩L控制在用戶可接受范圍內(nèi)將是未來主機廠面臨的重要挑戰(zhàn)。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，地球溫暖化和大氣污染成為舉世矚目的熱門話題，各國油耗和排放法規(guī)逐年加嚴(yán)，催生出一系列的新技術(shù)和新產(chǎn)品，評價發(fā)動機技術(shù)先進(jìn)性的行業(yè)發(fā)動機評選變得格外引人關(guān)注。沃德十佳發(fā)動機評選在北美市場影響力巨大，代表北美市場的風(fēng)向標(biāo)。

增壓、減缸、減排量是北美市場的大趨勢，中型車以四缸渦輪增壓發(fā)動機代替六缸自然吸氣發(fā)動機，大型車以六缸渦輪增壓發(fā)動機代替八缸自然吸氣發(fā)動機。小排量增壓發(fā)動機整車油耗優(yōu)勢明顯，并且動力性不減?；旌蟿恿图冸妱又鹉暝黾樱旌蟿恿Σ捎玫陌l(fā)動機均為小排量自然吸氣發(fā)動機。采用電氣化技術(shù)后，整車油耗有大幅度的改善。

“中國心”年度十佳發(fā)動機評選是與北美的沃德十佳發(fā)動機評選和歐洲的國際年度發(fā)動機評選齊名的世界三大發(fā)動機評選之一，代表中國市場發(fā)動機技術(shù)趨勢及制造水平。在中國市場上，1.6L以下小排量渦輪增壓發(fā)動機成為主流，2.0L左右排量成為中型車主要動力，自然吸氣發(fā)動機越來越少，混合動力在市場已嶄露頭角，未來將成為一種趨勢。小排量有利于降低整車油耗，經(jīng)濟型車油耗集中在6～8L/100km，中型車油耗集中在7～10L/100km。

沃爾沃發(fā)動機成為增壓小型化發(fā)動機的典范，近兩年均成功評選為沃德十佳發(fā)動機和"中國心"十佳發(fā)動機，并且動力性占據(jù)絕對優(yōu)勢。

縱觀國內(nèi)外發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢，針對國六排放及下一階段油耗法規(guī)，筆者認(rèn)為，有三條技術(shù)路線值得重視：增壓小型化技術(shù)路線，提高發(fā)動機熱效率技術(shù)路線和提高電氣化水平技術(shù)路線。

增壓小型化技術(shù)路線

發(fā)動機匹配增壓器后，可以大幅增加發(fā)動機的動力性，這樣較小排量的發(fā)動機就可以達(dá)到原來大排量發(fā)動機的動力性，使汽車的加速性和最大車速不受影響。但是在車輛大部分行駛工況的中低速中小負(fù)荷范圍內(nèi)，小排量發(fā)動機比大排量發(fā)動機工況點更接近省油區(qū)域，車輛更省油。

發(fā)動機增壓小型化的核心零部件是渦輪增壓器（機械增壓器匹配較少），可以說渦輪增壓器的技術(shù)水平會直接影響發(fā)動機增壓小型化后的效果。

經(jīng)過多年的發(fā)展，渦輪增壓器技術(shù)有了長足的進(jìn)步，從最初的簡單增壓系統(tǒng)，到后來的中冷增壓系統(tǒng)，直至目前采用的低慣量轉(zhuǎn)子增壓器、單渦輪雙渦管增壓器、VTG變截面增壓器等，增壓比一直呈上升態(tài)勢，目前大部分增壓發(fā)動機增壓比都在1.5～2.0左右。增壓比直接影響發(fā)動機增壓小型化的程度，而且未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，增壓比有可能會進(jìn)一步提高。所以，增壓發(fā)動機也會朝著深度小型化方向發(fā)展，來獲取更大的節(jié)油效果。

提高發(fā)動機熱效率技術(shù)路線

提高發(fā)動機熱效率是發(fā)動機開發(fā)過程中永恒的主題，近10年來提高發(fā)動機熱效率的手段很多，從最初的VVT、可變截面進(jìn)氣歧管等技術(shù)發(fā)展到目前采用的高壓縮比（12以上）、雙段VVL、Atkinson循環(huán)、缸內(nèi)直噴等技術(shù)，發(fā)動機的熱效率也能夠從原來的32%左右提高到目前的38%。

未來，眾多新技術(shù)的采用，例如大流量低壓冷卻EGR技術(shù)、連續(xù)VVL技術(shù)、停缸技術(shù)、快速燃燒技術(shù)、350bar高壓直噴技術(shù)等，并且隨著降摩擦技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，會進(jìn)一步提高發(fā)動機的整體熱效率，直接帶來整車油耗的大幅度降低，單純依靠發(fā)動機改進(jìn)實現(xiàn)第四階段油耗目標(biāo)完全有可能。

提高電氣化水平技術(shù)路線

在發(fā)動機眾多運行工況中，只能在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最佳油耗，即省油工況，其余大部分工況的油耗會大大增加，但車輛行駛過程中，工況變化非常大，大多數(shù)情況下，并不能使發(fā)動機工作在省油工況范圍內(nèi)。發(fā)動機或動力總成電氣化的目的就是利用電氣及電子技術(shù)，調(diào)整發(fā)動機工作工況，使其盡量工作在油耗低的工況內(nèi)。

發(fā)動機電氣化程度不同，能夠調(diào)節(jié)發(fā)動機工況的水平也不同，當(dāng)然復(fù)雜程度也不同。從簡單到復(fù)雜依次可采用12V啟停系統(tǒng)、48V混動系統(tǒng)、輕度混合動力系統(tǒng)、深度混合動力系統(tǒng)（HEV）、插電式深度混合動力系統(tǒng)（PHEV）。

12V啟停系統(tǒng)實現(xiàn)最為簡單，只需加大啟動電機功率和增加電瓶容量，車輛行駛過程中，能夠在臨時停車時關(guān)閉發(fā)動機來消除怠速油耗，預(yù)測能夠降低3%～5%的整車油耗，這是多數(shù)廠家推出的新發(fā)動機的標(biāo)配技術(shù)。

48V混動系統(tǒng)未來兩年內(nèi)會在歐洲市場廣泛采用，48V混動系統(tǒng)需將電池系統(tǒng)加大至48V并加大容量，同時配備BSG電機或ISG電機作為發(fā)動機輔助動力源來參與驅(qū)動。48V混動系統(tǒng)實現(xiàn)也較為容易，因其電壓仍在安全電壓下，所以仍可采用低壓電力標(biāo)準(zhǔn)，但在48V電壓下，配備10～12kW電機成為可能，這樣不但可以實現(xiàn)啟停，還可以實現(xiàn)電動助力、能量回收、電動巡航、發(fā)動機負(fù)荷點轉(zhuǎn)移等功能，預(yù)測能夠降低10%～15%的整車油耗。而且，在48V電力系統(tǒng)下，整車原用電單元均可升至48V以獲取進(jìn)一步節(jié)油效果，例如：大燈、電子空調(diào)、電子水泵等。48V混動系統(tǒng)具有明顯的性價比優(yōu)勢，與更高級的高電壓混動系統(tǒng)相比，只有30%的成本，卻能實現(xiàn)70%的節(jié)能減排效果，對價格敏感的中國市場尤其合適。

輕度混合動力系統(tǒng)需采用60V以上的高電壓電池系統(tǒng)，電機功率也可以進(jìn)一步加大，輕度混合系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)啟停、電動助力、能量回收、電動巡航以外，動力輔助程度更高，可以提高發(fā)動機負(fù)荷點轉(zhuǎn)移效果，更大程度實現(xiàn)動力輔助，但輕度混合動力系統(tǒng)由于動力耦合方面的限制，不能完全實現(xiàn)全方位的動力輔助驅(qū)動。

深度混合動力系統(tǒng)（HEV）需要采用較為復(fù)雜的高電壓電池系統(tǒng)和更大功率的電機，深度混動系統(tǒng)可以實現(xiàn)任意比例的電機-發(fā)動機扭矩耦合，可以實現(xiàn)全方位的動力輔助驅(qū)動，保證發(fā)動機大部分情況下都運行在省油工況。

插電式混合動力系統(tǒng)（PHEV）除具備HEV的功能外，增大了電池組的容量，使其可以利用普通電源充電，這樣可保證汽車能夠進(jìn)行一定公里數(shù)的純電驅(qū)動行駛，其綜合油耗可以進(jìn)一步降低。

不斷提高動力總成電氣化水平對降低整車油耗作用非常大，但受制于成本、技術(shù)、專利、國家政策等等因素，主機廠在特定的階段應(yīng)當(dāng)選擇能夠滿足法規(guī)要求的，高性價比方案，使其產(chǎn)品具備成本優(yōu)勢。

沃爾沃Drive-E是增壓小型化典范

這次活動上亮相的沃爾沃Drive-E 系列發(fā)動機是增壓小型化的典范。其汽油機系列，均采用同一種架構(gòu)（相同缸間距、缸徑及沖程），通過匹配不同的增壓器來獲得不同的動力，達(dá)到功率扭矩分級的目的。

Drive-E 系列發(fā)動機采用了很多上述的先進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，例如：電氣化、渦輪增壓和雙增壓、中置直噴、大角度雙VVT、電子水泵、可變流量機油泵、智能活塞冷卻噴嘴、低張力活塞環(huán)、DLC涂層挺柱和活塞銷、涂層缸套、PVC涂層活塞、低黏度潤滑油等，這些先進(jìn)技術(shù)使其具備相當(dāng)優(yōu)異的性能表現(xiàn)。以配備渦輪增壓的沃爾沃T5發(fā)動機為例，相比同級別發(fā)動機，具備明顯優(yōu)勢。

下圖是沃爾沃T5發(fā)動機（2.0L排量）萬有特性和某2.0L先進(jìn)渦輪增壓直噴發(fā)動機萬有特性，從圖中可以看出T5發(fā)動機有明顯的扭矩和油耗優(yōu)勢。

最大扭矩方面，在中等轉(zhuǎn)速區(qū)域，沃爾沃T5發(fā)動機比某2.0L直噴增壓發(fā)動機要高10Nm左右。而且在高轉(zhuǎn)速大扭矩區(qū)域，沃爾沃T5發(fā)動機扭矩保持性非常好，扭矩并未隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而下降明顯。這使其整車具備強勁的高速行駛能力和高速加速能力。

低速扭矩方面，沃爾沃T5發(fā)動機增速相比某2.0L直噴增壓發(fā)動機要快很多，沃爾沃T5發(fā)動機1500rpm時就可以獲得310Nm左右的扭矩，而某2.0L直噴增壓發(fā)動機1500rpm只有250Nm左右的扭矩。這使其整車具備強勁的起步加速及中低速加速能力。

油耗方面，沃爾沃T5發(fā)動機具備更寬泛的經(jīng)濟油耗區(qū)域，以燃油消耗率260g/（kW﹡h）為例，沃爾沃T5發(fā)動機覆蓋的轉(zhuǎn)速為1000rpm～5000rpm，覆蓋的扭矩為70Nm～300Nm；某2.0L直噴增壓發(fā)動機覆蓋的轉(zhuǎn)速為1400rpm～4500rpm，覆蓋的扭矩為130Nm～300Nm。同時在小負(fù)荷區(qū)域，沃爾沃T5發(fā)動機相比某2.0L直噴增壓發(fā)動機燃油消耗率要低30g/（kW﹡h）左右。這些優(yōu)良的發(fā)動機油耗表現(xiàn)使其整車具備更低的綜合油耗，如沃爾沃XC60 ，整車綜合油耗僅為6.9L，在同級別SUV中油耗最低。

沃爾沃Drive-E系列發(fā)動機的開發(fā)，不像其它車企那樣受企業(yè)歷史包袱拖累。他們擯棄用多機型來匹配多車型的傳統(tǒng)做法，雖然屬于豪華品牌，大膽放棄V型結(jié)構(gòu)，采用單一排量2.0L直列四缸的基本機型，加上不同等級的增壓技術(shù)和不同節(jié)能環(huán)保技術(shù)組合的技術(shù)模塊，來涵蓋其所有新車型的動力需求。大大減少了研發(fā)時間和成本、集中資源打造精品發(fā)動機、確保產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，同時由于高度模塊化和通用化，使產(chǎn)品的制造成本大幅降低。采用合理的節(jié)能環(huán)保技術(shù)組合來滿足最苛刻的法規(guī)要求，并預(yù)留未來進(jìn)一步優(yōu)化的空間，其獨特的單一排量平臺設(shè)計和制造，保障了最佳制造質(zhì)量和最優(yōu)性價比。目前，各主流汽車企業(yè)，正在為下一代汽車發(fā)動機開發(fā)做準(zhǔn)備，以滿足更為苛刻的油耗和排放法規(guī)要求，沃爾沃Drive-E系列發(fā)動機開辟了寶貴的先河，必將引領(lǐng)新一輪的研發(fā)理念和潮流。