中國(guó)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)發(fā)展方向研究

范英杰

摘要：本文介紹了目前中國(guó)的乘用車油耗及排放法規(guī)、乘用車市場(chǎng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。分析了影響發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及排放水平的相關(guān)因素，重點(diǎn)分析了為適應(yīng)未來(lái)油耗及排放法規(guī)要求的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)升級(jí)方向與路線并進(jìn)行了總結(jié)。

Abstract： The paper introduces the current Chinese passenger vehicle fuel consumption and emission regulations， the current status and development trend of the passenger vehicle market. The relevant factors affecting engine fuel consumption and emission levels are analyzed， and the direction and route of engine technology upgrades to adapt to future fuel consumption and emission regulations are analyzed and summarized.

關(guān)鍵詞：油耗;排放;發(fā)動(dòng)機(jī);技術(shù)升級(jí)路線

Key words： fuel consumption;emission;engine;route of technology upgrades

中圖分類號(hào)：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0180-02

0? 引言

在節(jié)能減排、減少對(duì)石油依賴等多重因素推動(dòng)下，中國(guó)實(shí)行了嚴(yán)格的油耗與排放法規(guī)。2020年7月1日起，所有生產(chǎn)、銷售、進(jìn)口、注冊(cè)登記的汽車都必須符合國(guó)Ⅵa標(biāo)準(zhǔn)，而更為嚴(yán)格的國(guó)Ⅵb排放法規(guī)將在2023年7月1日開始實(shí)施。2021年7月1日開始，將實(shí)施新一輪的油耗標(biāo)準(zhǔn)，即第五階段油耗標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求到2025年車企生產(chǎn)的乘用車平均油耗降至4L/100km。在油耗與排放法規(guī)雙重壓力下，中國(guó)的新能源汽車發(fā)展勢(shì)頭迅猛，新能源汽車2020年銷量為136.7萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車銷量為111.5萬(wàn)輛，PHEV銷量為25.1萬(wàn)輛。但純電動(dòng)汽車在充電與續(xù)航方面仍存在技術(shù)瓶頸，混合動(dòng)力汽車因價(jià)格及保養(yǎng)問(wèn)題，目前較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，因此在未來(lái)5-10年中，傳統(tǒng)燃油車仍然是市場(chǎng)上的銷售主力。

傳統(tǒng)燃油車中，整車油耗與排放很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平。為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的油耗與排放法規(guī)，各車企紛紛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。接下來(lái)對(duì)中國(guó)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)技術(shù)升級(jí)的方向進(jìn)行分析研究。

1? 與發(fā)動(dòng)機(jī)油耗相關(guān)因素分析

當(dāng)前市場(chǎng)在售車型的發(fā)動(dòng)機(jī)排量、技術(shù)、配置等都不盡相同。一般比較同等級(jí)別、相同排量、相同類型（同為增壓或自吸，變速器類型相同等）的車型油耗，來(lái)間接對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗水平。但該種方法有時(shí)無(wú)法真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，因?yàn)檐囕v重量、傳動(dòng)系統(tǒng)效率、ECU及TCU標(biāo)定風(fēng)格及水平等都對(duì)整車的油耗有一定影響。

排量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的一個(gè)因素。如同一企業(yè)同一平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在其他配置及技術(shù)條件都相同的前提下，排量越大，其油耗越高。但大排量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與扭矩也較大。排量固定前提下，其他技術(shù)配置都相同時(shí)，增壓機(jī)型的油耗一般都高于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入汽缸中的空氣量要高于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，故發(fā)動(dòng)機(jī)每一工作循環(huán)的噴油量也高，造成其油耗升高。但增壓機(jī)型的輸出功率與扭矩也較大。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗影響最大的因素為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越高，油耗越低。影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的參數(shù)主要為：①壓縮比。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越高，這也是為何柴油機(jī)的熱效率普遍高于汽油機(jī)的原因。②發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)方式。采用米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其膨脹比大于壓縮比，也可提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[1]。③發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損耗。發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損耗越大，熱效率越低，故目前很多高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)都通過(guò)降低摩擦副的損耗來(lái)提升熱效率[2]。④發(fā)動(dòng)機(jī)所帶附件多少。發(fā)動(dòng)機(jī)輪系所帶附件越多，發(fā)動(dòng)機(jī)損耗功越高，部分發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)采用電子水泵、電子壓縮機(jī)等電氣化部件來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系損耗，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

2? 與發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)因素分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的排放是各大車企重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。一款發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的好壞關(guān)系著其最終開發(fā)成本，與車企利潤(rùn)相關(guān)。若發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放優(yōu)異，則發(fā)動(dòng)機(jī)在廢氣后處理方面可節(jié)省大量成本。若發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放較差，則發(fā)動(dòng)機(jī)可能需用兩級(jí)催化及增加GPF等后處理裝置來(lái)滿足排放法規(guī)，這會(huì)使車企為之付出更高的成本。因此，車企發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)都以達(dá)成更優(yōu)的原始排放為目標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放與發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒情況密切相關(guān)。而發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況又受發(fā)動(dòng)機(jī)噴油方式、噴油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)模式、燃燒室設(shè)計(jì)、點(diǎn)火系統(tǒng)能量等因素影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油方式目前分為進(jìn)氣道噴射與缸內(nèi)直噴兩種。進(jìn)氣道噴射雖然使混合氣混合較好，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)多次噴施、分層噴射等，故進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒及分層燃燒等燃燒方式，不利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。通過(guò)缸內(nèi)直噴，將燃油噴入燃燒室中，利于發(fā)動(dòng)機(jī)精確控制噴油時(shí)刻及噴油規(guī)律等，可極大提升發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。除噴油方式外，噴油壓力也影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。噴油壓力越高，燃油霧化越好，則缸內(nèi)燃燒越好。

目前大部分發(fā)動(dòng)機(jī)都采用奧托循環(huán)方式工作。若發(fā)動(dòng)機(jī)采用米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)+廢氣EGR的工作方式，可顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及氮氧化物排放。好的燃燒室設(shè)計(jì)可提升發(fā)動(dòng)機(jī)滾流及湍流等氣流組織能力，此外，分層燃燒、預(yù)混燃燒及壓燃等燃燒方式的實(shí)現(xiàn)也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的燃燒室設(shè)計(jì)，因此，燃燒室設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)排放關(guān)系密切。此外，要想實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒等燃燒方式，點(diǎn)火系統(tǒng)必須有極高的點(diǎn)火能量，如此才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定點(diǎn)火。

總之，發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放主要還是與發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)相關(guān)。整車最終排放雖與車重等因素也強(qiáng)相關(guān)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放還是影響整車最終排放最重要的因素。

3? 中國(guó)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)發(fā)展方向分析

在油耗與排放法規(guī)及新能源汽車等多重因素影響下，中國(guó)乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)發(fā)展方向如下：

3.1 小排量

排量越小，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗越低、發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸越小、汽車的車船稅越低。在上文中已分析過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗與排量的關(guān)系，除油耗外，多家車企的新能源路線中都制定了不再生產(chǎn)純?nèi)加蛙嚨臅r(shí)間節(jié)點(diǎn)，屆時(shí)將全部生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力汽車增加了電驅(qū)動(dòng)相關(guān)零部件，因此對(duì)機(jī)艙空間要求很高，這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸越緊湊越好。此外，根據(jù)我國(guó)汽車稅收政策，1.6L排量以下發(fā)動(dòng)機(jī)稅費(fèi)明顯降低。在各種因素影響下，目前國(guó)內(nèi)各主流車企開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)都以小排量為主：2020年“中國(guó)心”十佳發(fā)動(dòng)機(jī)榜單中有7款發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5L排量，包括紅旗、吉利、長(zhǎng)安、比亞迪、上汽等的1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，根據(jù)各車企發(fā)布的動(dòng)力產(chǎn)品規(guī)劃來(lái)看，未來(lái)依然以開發(fā)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)為主，多數(shù)車企都發(fā)布了針對(duì)旗下1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的信息及新型小排量發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的計(jì)劃。

3.2 增壓

增壓可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與扭矩。目前以國(guó)內(nèi)的購(gòu)車市場(chǎng)來(lái)看，用戶對(duì)汽車的動(dòng)力性要求極高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量的減小，想提升動(dòng)力性，就必須依靠增壓。目前各主流車企的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)基本都配備了渦輪增壓系統(tǒng)，功率與扭矩都媲美甚至超過(guò)大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，如表1所示。在未來(lái)，各車企將繼續(xù)對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，如采用變截面渦輪增壓器或電子渦輪增壓器等，以進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性并降低油耗。

3.3 高壓縮比加米勒循環(huán)

眾所周知，提高壓縮比可顯著提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，但因汽油的理化性質(zhì)，壓縮比過(guò)高會(huì)加大發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向。因此目前加大發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比后都會(huì)采用米勒循環(huán)來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向，兩者結(jié)合可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有部分影響[3]。若想保證動(dòng)力性不衰減過(guò)多，可以略微提升壓縮比并采用輕度米勒循環(huán);若對(duì)動(dòng)力性要求不高，則可采用大壓縮比加深度米勒循環(huán)的組合方式。

3.4 采用超高壓直噴

目前市面上滿足國(guó)6排放的發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都采用了350bar高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)。理論上噴射壓力越高，燃油的霧化越好，混合氣混合越均勻，混合氣燃燒時(shí)速度越快，燃燒越完全，排放物中顆粒物越少。目前馬自達(dá)已率先采用了最高可達(dá)1000bar的高壓直噴技術(shù)，未來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)也將采用更高的燃油噴射壓力來(lái)滿足油耗與排放法規(guī)。

3.5 廢氣EGR

根據(jù)相關(guān)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)只增加EGR技術(shù)，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物的排放。在使用米勒循環(huán)及高壓縮比的前提下增加EGR技術(shù)，不僅可降低氮氧化物排放，還可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓縮比下的爆震傾向，即可進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。但使用EGR技術(shù)的缺點(diǎn)在于該技術(shù)將提升發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，一套EGR系統(tǒng)至少要使發(fā)動(dòng)機(jī)的成本增加數(shù)百元甚至上千元人民幣。

3.6 附件電氣化

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械水泵、機(jī)械壓縮機(jī)等要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。目前電子壓縮機(jī)與電子水泵等技術(shù)已發(fā)展較為成熟。將這些附件電子化，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不需要再通過(guò)皮帶去驅(qū)動(dòng)相關(guān)零部件，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損耗，最終降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。

3.7 采用新的廢氣后處理技術(shù)

排放法規(guī)愈來(lái)愈嚴(yán)，在后處理中增加GPF等裝置，也是一條達(dá)成排放法規(guī)要求的路線，且該方法研發(fā)難度低，不需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)做太多升級(jí)，僅需付出成本。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)發(fā)展方向?yàn)樾∨帕吭鰤骸⒏邏嚎s比+米勒循環(huán)、高壓缸內(nèi)直噴、廢氣EGR、附件電氣化及新的廢氣后處理技術(shù)，以此來(lái)滿足愈來(lái)愈嚴(yán)的油耗及排放法規(guī)并抵擋來(lái)自新能源汽車的沖擊。

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