未來世界汽車發(fā)動機技術的發(fā)展藍圖

未來，世界汽車發(fā)動機技術的發(fā)展趨勢如何？本文總結了來自世界各地，多名學術專家、行業(yè)帶頭人的精辟觀點。

傳統(tǒng)發(fā)動機在燃油經濟性方面還有很大潛力

美國桑迪亞國家實驗室發(fā)動機燃燒實驗室主任 Paul Miles博士

不要一味否定傳統(tǒng)發(fā)動機，多元化的技術路線才是正解。

傳統(tǒng)燃油汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、純電動汽車都有各自的優(yōu)劣勢。未來汽車行業(yè)的發(fā)展有很多不確定性，但我個人堅信，傳統(tǒng)發(fā)動機在未來仍有很大優(yōu)勢。

燃油經濟性方面，傳統(tǒng)發(fā)動機還有很大的潛力。目前我們已經擁有很多技術，可以用來提升傳統(tǒng)發(fā)動機的燃油經濟性，例如缸內直噴、渦輪增壓、集成排氣歧管、高效熱管理系統(tǒng)等。未來，隨著更加嚴苛的排放法規(guī)和燃油經濟性標準，我們需要更多的“黑科技”。稀薄燃燒、超稀薄燃燒技術將會成為減少污染物排放最有利的幫手。

目前碳排放方面，傳統(tǒng)發(fā)動機與純電動力系統(tǒng)在現實中的表現不完全是我們認為的那樣，原因在于目前世界范圍內煤電依然占有很大比例。如果我們在現階段大量投入純電動車型，在不增加額外的核電、天然氣發(fā)電等清潔能源發(fā)電設施的前提下，純電動車型的大量普及在某種程度上來說，依然會加劇碳排放。

所以，每個國家都應當根據自身實際情況制定相應目標，不要一味否定傳統(tǒng)發(fā)動機，多元化的技術路線才是正解。

日本發(fā)動機研究方向——提升熱效率

日本千葉大學教授 Yasuo Moriyoshi

下一階段日本各家車企將會挑戰(zhàn)51%的熱效率目標。

未來，日系企業(yè)對于傳統(tǒng)發(fā)動機的研發(fā)仍舊不會放緩腳步，提升傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率是日系企業(yè)的最終目標。想要把熱效率從目前的37%～41%提升到45%，需要很多新技術的幫助。例如可變壓縮比、HCCI(均質充量壓燃)、高效熱管理、燃油噴射系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)等。

豐田公司和本田公司，未來在傳統(tǒng)發(fā)動機技術方面的主要方向是混合動力系統(tǒng)。豐田的THS-II和本田的iMMD混合動力系統(tǒng)使傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率都突破了40%。日產公司則采用可變壓縮比技術，壓縮比可在8：1～14：1間隨時切換，保證各個工況點，車輛都有著良好的動力性和經濟性。此外，日產公司最新推出的E-Power技術則采用了另外一種技術路線，馬自達公司除了最新推出的SKY ACTIV X，還將會推出全新一代的SKY ACTIV D/G。雖然日系企業(yè)采用的技術路線各不相同，但他們的目標一致。提高傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率是大家共同追求的目標，下一階段各家企業(yè)將會挑戰(zhàn)51%的熱效率目標。

為了提升日系企業(yè)相對于歐美競爭對手的競爭力，加快行業(yè)、產業(yè)的發(fā)展，日本推行了“政府合作計劃”。經過5年的籌備，“政府合作計劃”于2019年開始實施?！罢献饔媱潯笨梢允蛊髽I(yè)、學校和政府間的合作、交流變得更加通暢和緊密。

發(fā)動機及燃油噴射技術的未來發(fā)展趨勢

意大利佩魯賈大學教授 Michele Battistoni

未來發(fā)動機燃燒系統(tǒng)在設計上將應用新型缸內燃油噴射和點火技術。

未來發(fā)動機燃燒系統(tǒng)在設計上將應用新型缸內燃油噴射和點火技術。在歐洲，目前對整機的運行工況已經有了清醒的認識，在傳統(tǒng)發(fā)動機中，一些極限工況，如冷啟動、城市低速低負荷以及高溫高負荷是當前發(fā)動機技術需要關注的要點，可以利用電氣化技術將發(fā)動機運行在最佳工況點。

一些最新的技術可以應用在新的燃燒系統(tǒng)中。高壓噴射技術高達1 000bar(1bar=105Pa)的壓力可以極大增強霧化，提升局部湍流度，增強混合，增強快速燃燒。目前，很多高溫工況點為了避免爆震，利用加濃的燃燒策略使得發(fā)動機經濟性以及效率并不高，而新的噴水技術利用水蒸氣降溫，降低燃燒溫度，減少爆震發(fā)生，燃燒系統(tǒng)可以進一步提前點火時刻以及降低空燃比，增加效能。預混室點火系統(tǒng)設置一個預先點燃的火焰噴射系統(tǒng)，將火焰噴射到燃燒室中，可以極大增加燃燒速度，降低爆震傾向，并且這種燃燒模式可以極大提升稀薄極限。電暈點火可以區(qū)別于普通的火花塞點火方式，利用等離子體點火實現深度稀薄燃燒，降低燃燒溫度。在噴油方式上，一些新型的噴射技術以及噴霧模型，如超臨界噴霧，可以實現瞬間汽化，大幅度增加霧化程度。

未來發(fā)動機技術：二氧化碳和尾氣近零排放

韓國首爾國立大學先進機械和設計研究院主任 Kyoung Min教授

2030年，我們要實現50%的熱效率和降低90%的排放。

根據專業(yè)機構的預測，2030年，全世界傳統(tǒng)發(fā)動機車型仍舊占比65%、混合動力車型占比28%、純電動車型僅占比7%。

在日本，2030年傳統(tǒng)燃油車型占比30%～50%，“新世代”車型占比50%～70%(混動系統(tǒng)車型占比30%～40%、電池電動汽車占比20%～30%、燃料電池汽車占比3%、清潔柴油汽車占比5%～10%)。在美國，2030年燃料電池汽車占比1%、電池電動汽車占比9%、插電式混合動力汽車占比8%、混合動力汽車占比41%、傳統(tǒng)燃油車依然占比41%。歐洲由于受到嚴苛排放法規(guī)的限制，2030年傳統(tǒng)燃油車將徹底被禁售?；旌蟿恿ζ噷⒊蔀檎急?8%的銷售主力、插電式混合動力汽車占比11%、電池電動汽車占比19%、純電動汽車占比2%。中國市場同樣面臨著法規(guī)的限制，2030年傳統(tǒng)燃油汽車占比20%、混合動力汽車占比41%、插電式混合動力汽車占比7%、燃料電池汽車占比1%、受到政策的幫助電池電動汽車占比將會達到31%。

2030年，我們要實現50%的熱效率和降低90%的排放。提高熱效率有各種各樣的方式，為此需要推進汽車電氣化發(fā)展。提高熱效率的同時也能夠起到降低排放的作用。使用中性燃料可實現可再生能源的利用，我們希望通過這樣的方法抵消其他來源的二氧化碳，以此平衡二氧化碳的總排放量。對于汽車行業(yè)的發(fā)展，無論使用哪種技術，或是采用哪種路線，我們的目標都是統(tǒng)一的——實現更低的二氧化碳和尾氣排放，甚至是零排放。

中國乘用車汽油機2020～2035年發(fā)展規(guī)劃預測

同濟大學教授、中國內燃機工業(yè)協(xié)會汽油機規(guī)劃組副組長 李理光

2025～2030年，我國傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率將會邁向45%～50%。

2030年，為了實現全球溫升低于2℃的目標，要求二氧化碳總排放量必須小于3.2萬億噸，為此全球196個國家簽署了巴黎協(xié)定。2030年，中國乘用車市場碳排放目標要達到減少61%。

目前，我國個別自主品牌在實驗室環(huán)境下已經可以實現汽車發(fā)動機48%～49%的熱效率。未來3年，我國自主品牌傳統(tǒng)發(fā)動機的熱效率都將會邁向42%；2025～2030年，傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率將會邁向45%～50%。

要想實現這些近期、中期、長期的目標離不開技術的支持。近期阿特金森循環(huán)/米勒循環(huán)、高壓縮比(13：1)、350bar直噴系統(tǒng)、高能點火、EGR(廢氣再循環(huán))、熱管理技術、低黏稠度機油(XW-20)是主要技術路線；中期阿特金森/米勒循環(huán)、高壓縮比(15：1)、500bar直噴系統(tǒng)、可變壓縮比、稀薄燃燒、點火輔助壓燃、AI與智能控制技術、高能點火、附件全部電氣化、熱管理技術、稀薄燃燒后處理技術、低黏稠度機油(XW-16)、碳中性燃料將會成為最有利的幫手；后期階段將會依靠壓燃、超稀薄燃燒、超高壓縮比、1 000bar直噴系統(tǒng)、智能燃燒反饋控制、AI與智能控制技術、氧氣燃料、壓燃燃料、零排放后處理技術、低黏稠度機油(XW-8)、絕熱技術、余熱回收技術等這些目前還處于實驗甚至是概念階段的技術。

電驅動浪潮下渦輪增壓器的挑戰(zhàn)

奕森科技研發(fā)副總裁 顧茸蕾

面對渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配問題，雙流道渦輪增壓器與可變截面渦輪增壓器成為解決方案。

現在，發(fā)動機熱效率每提升1%～2%對于研發(fā)來說都是非常大的挑戰(zhàn)，因此渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配顯得更加重要。使用小渦輪對發(fā)動機的動力性有一定的影響，大渦輪在低速扭矩方面的效果又不是很好，這些問題每家車企都會遇到。

解決方案之一，雙流道渦輪增壓器。雙流道渦輪增壓器在高速時可提高流量，低速時也能夠提供較好的低速扭矩輸出。這種技術目前已經成為很多企業(yè)的解決方案，只不過相比傳統(tǒng)單流道增壓器成本會有一定的增加。

解決方案之二，可變截面渦輪增壓器。可變截面渦輪增壓器在很多超跑車型上已經得到了應用，導向葉片在低速與高速時都可以通過控制開口面積滿足當下狀態(tài)的需求。相比雙流道，可變截面技術的應用將會大幅提升增壓器的響應，使發(fā)動機動力輸出和經濟性方面的表現更好，但由于受到技術的限制，可變截面渦輪增壓器的成本一直居高不下。

面對不同的發(fā)動機需求，渦輪增壓器也不是恒久不變的，例如高熱效率的混合動力車型、插電式混合動力車型等也需要選擇一款更加適合的渦輪增壓器。相比傳統(tǒng)發(fā)動機的渦輪增壓器與混合動力車型匹配的增壓器需要更高的效率。為了提高效率，轉子葉片需要設計得非常輕薄，同時還需要滿足零部件強度的要求。

傳統(tǒng)汽車和新能源汽車熱管理

集成化、模塊化的熱管理系統(tǒng)解決方案能滿足更多、更高的需求。

隨著發(fā)動機熱效率的逐步提升，稀薄燃燒對發(fā)動機熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。這將會徹底改變整個熱管理系統(tǒng)，同時給熱管理零部件帶來很大的影響。

稀薄燃燒可能會帶來高增壓、EGR(廢氣再循環(huán))，熱負荷在不斷提高，但空間又在不斷縮小。我國油耗法規(guī)要求2020年達到5L/100km，接下來還有更加嚴苛的法規(guī)。其

中對溫控的要求也更高，以前汽車溫控系統(tǒng)的功能以冷卻為主，現在則需要將各套系統(tǒng)始終控制在最佳工作區(qū)間。之前傳統(tǒng)乘用車大部分采用自然吸氣方式，涉及的部件只有換熱器和水箱；現在隨著小排量增壓成為主流，汽車上越來越多地的用到EGR(廢氣再循環(huán))技術，以降低油耗。另外，用排氣提高油溫或水溫的余熱回收系統(tǒng)將加熱的階段盡可能縮短，降低了實際運行中車輛的油耗，同時降低排放。尤其是混合動力系統(tǒng)，因為混合動力系統(tǒng)發(fā)動機啟停非常頻繁，余熱回收系統(tǒng)的作用更能發(fā)揮出來。純電動車型有很多電控和電動部件，包括電子水泵、電子水閥、空調系統(tǒng)，也需要傳統(tǒng)的冷卻。夏天的時候水溫較高，所以我們采用了電池深冷器模塊，它與水泵集成在一起。

不斷提高的需求，使熱管理系統(tǒng)需要迎接更多的挑戰(zhàn)，只有集成化、模塊化的解決方案才能滿足更多、更高的需求。