汽車動力系統發展趨勢

陳海娥 付磊

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院）

汽車誕生100多年來，給人們的生活帶來了極大的方便性，也帶動了整個工業的發展。但隨著汽車數量的急劇增長，也造成了環境的壓力。為了滿足環境友好的目標，汽車需要大幅減少形成溫室效應的CO2排放和對人類身體健康有危害的顆粒物、NOx等尾氣排放。在嚴苛的法規壓力下，發動機是否還有未來呢？在2018國際發動機會議上多家汽車公司、咨詢公司發表了汽車傳統動力和新能源動力發展戰略和技術發展規劃，對未來各種動力系統的預測各家的觀點不完全一致，但所有公司的共同觀點是幾條路線需要并行發展，傳統發動機還有繼續優化的空間，發動機自身有望實現零排放。另一方面，各個公司也都在加大發展電動車、燃料電池車。一個新的現象是有很多研究結構和大學在研究新型合成燃料，希望能從根本上解決發動機排放問題，但要實現產品化，還需要從技術上突破及降低成本。

1 汽車傳統動力-發動機的未來

1.1 發動機技術發展趨勢

發動機目前面臨的主要問題是CO2和成本之間的平衡及解決汽車使用當地環境排放問題。柴油機技術重點是解決尾氣污染物排放，主要側重發動機后處理器、溫度管理及精細策略上[1-6]。博世宣稱不需增加發動機硬件，只采用合理的技術手段就可以使柴油機實現E6d排放。汽油機未來技術重點在降低油耗即CO2排放上，RDE排放也帶來一些難題。米勒循環、外部冷卻EGR、可變氣門升程、可變增壓、順序增壓、電動增壓、VCR、噴水、HCCI、超高噴油壓力、預燃室燃燒、絕熱等是比較有價值的技術。不同技術復雜度，對應不同的發動機動力性和熱效率，見圖1。采用米勒循環、外部冷卻EGR和順序增壓，可以實現42%的熱效率及90kw/l的功率密度，見圖2。發動機未來的發展主要有兩種趨勢，一是高動力性和中等效率，二是高效率和中等動力性，前者的目標是達到200kw/l，后者的目標是實現45%的熱效率，見圖3。RDE排放除了要增加后處理器GPF外，也對發動機的高動力性帶來壓力。目前市場上的發動機在高速大負荷區域，因為排溫和爆震的雙重限制，通常都需要加濃，但未來為了滿足RDE排放可能要求全MAP空燃比1，假設使用95號汽油，采用米勒循環，渦輪前溫度限制980℃的情況下，只能實現60kw/l的功率密度。要實現70kw/l，需要采用順序增壓，中間冷卻。要實現80kw/l，需要采用VCR和VVL。要實現更高的功率密度，需要采用其它降低爆震的措施，如外部冷卻EGR和噴水等技術，同時提高渦輪溫度限值也有幫助，如采用1050℃限值的渦輪，見圖4。

圖1 不同技術對應的發動機動力性[1]

圖2 發動機熱效率和動力性的平衡[1]

為了應對未來進行研究的技術有預燃室燃燒、超高噴油壓力等。AVL和IAV都發布了預燃室燃燒的成果，AVL的研究成果顯示，采用預燃室燃燒可以使2000rpm大負荷50%燃燒相位提前8℃A。采用1000bar超高噴油壓力后，和350bar噴油壓力相比，在不同轉速大負荷工況下，能提前50%燃燒相位5-10℃A。

圖3 未來發動機功率密度和熱效率的平衡[1]

圖4 全MAP空燃比1下發動機功率密度與技術措施[1]

今年共發布11款乘用車發動機（汽油機5款，柴油機4款，天然氣發動機2款），5款汽油機都是增壓直噴發動機，分別是寶馬的V8，奧迪的V6，FIAT的1.0L，1.33L兩個小型汽油機，起亞的1.6L汽油機。這些發動機大多是傳統車和混合動力車共用的。大眾繼續其天然氣戰略，已連續幾年推出不同排量的天然氣發動機，目前已推出1.0L，1.5L，2.0L三個排量的天然氣發動機，福特也做了天然氣的預研項目。發動機產品上采用的主要新技術有CVVL和冷卻EGR。通用宣布將于2019年投放市場采用動態停缸技術的車輛，4缸機上預計能降低油耗8%左右。通用還發布了3段式VVL，能降低油耗7.7%，該技術性價比很高。寶馬、大眾、奧迪和奔馳都發布了柴油發動機。鑒于歐洲一些城市限制柴油車，估計其柴油車的數量會繼續減少，但柴油機較低的CO2排放，還是有存在價值，尤其對大型SUV車型。

1.2 混合動力化

隨著法規的逐漸嚴苛，只采用傳統動力很難滿足要求，充分利用傳統動力并與新能源動力形成合力，提升整個系統效率是中期比較好的平衡策略[3-7]。另外，如果考慮從油井到車輪整個過程的能源消耗，混合動力車型也比較有競爭力，見圖5。

圖5 不同動力車型車上消耗能量和系統消耗能量對比（一個中型車200,000km混合里程，紅色線采用意大利能量系統）[8]

混合動力化可以利用傳統動力和新能源各自的優勢，如針對尾氣污染物排放，在冷機及急加速過程采用48V或其它新能源動力，發動機只運行在熱機及接近穩態工況，從而可以實現接近零污染物排放；見圖6，再如針對油耗或CO2排放，可以在低速小負荷和高速大負荷采用或輔助新能源動力，保持發動機始終運行在高效率區，從而提高整個系統運行效率，大大降低CO2排放，見圖7。

圖6-1 WLTP循環冷機和熱機排放比較[1]

圖6-2 WLTP循環冷機和熱機排放比較[1]

采用混合動力有望實現發動機長期的競爭力，并達成動力系統的整個生命周期綠色及可再生循環的終極目標。但動力系統復雜化是個挑戰，需要積極準備做好技術應對。

1.3 新型燃料

很多大學和研究機構在研究可持續再生的新能源系統，德國某大學通過實際發動機試驗顯示C1類燃料DMC+（Dimethyl carbonate）[2]，除了具有較高的熱效率，還表現出非常低的顆粒排放及其它尾氣排放，具有成為2030年以后未來發動機綠色燃料的潛力。德國亞琛大學也發布了歐洲到2050年降低60%CO2（與1990年比）的各種措施，預測可再生能源將會起到12%的貢獻。通過費托合成耦合氫甲酰化反應可以產生含氧E-Fuel，只要控制合理的噴射速率，發動機燃燒不同成分的含氧e-fuel都能實現很低的排放，有望成為可持續再生的動力系統能源。目前問題是其成本較高，需要科學突破。

圖7 混合動力車型使用區域[1]

2 新能源動力的技術發展

在新能源動力方面，近期產品投放以電驅能力升級為主，增加續駛里程或純電扭矩，提升能量密度，減輕重量，減少成本[3-4,9-10]。寶馬宣稱2022年以后，EV里程目標700km、PHEV純電里程目標100km，MHEV油耗降低12%[3]。中遠期實現平臺化，包括驅動系統平臺化、電池模塊化和整車平臺化。比較有特色的是寶馬的整車平臺，其傳統車、PHEV、EV及四驅電動車都采用相同的整車架構平臺，見圖8。而其它廠商大都針對電動車開發新的整車平臺，如日產計劃打造新的EV專用平臺，2022年之后，其70%EV將基于新的平臺打造。產品精益化迭代，是產品升級的主要方式之一，如豐田進一步升級THS系統，原THS的牽引電機減速器取消，在發動機和電機輸出后加10速變速器，輪端扭矩比原來提升50%。V6THS升級后與原來的V8THS相比，油耗降低26%，動力性提高20%。寶馬2021年推出第5代電驅動平臺，其性能有很大提升，純電里程達到700km，能量密度提升25%，重量減輕20%，成本減少30%。第五代xEV模塊驅動將能支撐百萬級規模發展。

FEV預測2030年電動化車型在中國比例將達到31%、在美國達到9%、在歐洲達到22%。BMW 2025年前將發布13款PHEV，12款EV，預計其2025年PHEV+EV占比在15%-25%之間。

Audi發布了第一款四驅純電動車平臺，95kWh電池。開發了系列電驅動平臺APA250（135kW 309N ·m），APA320，AKA320(165kW 355N ·m)，ATA320，ATA250。預計其2025年新能源車占比1/3，傳統能源車占比2/3。

AVL認為電動化份額在2020年之后將快速增加，電池單體成本在2021年達到100$/kWh，電池單體功率密度：2020年 225-275Wh/kg；2025年 275-350Wh/kg，對充電技術預期，適用于長途使用，超過350kW，實現10分鐘400km。FEV預測電驅專用變速器比例（EV、P4等）將快速增加，中國2030年比例超過30%。各咨詢公司均在電驅減速器方面有投入。

現代的FCV已經具備批量化生產的條件，現代新一代FCV：效率60%；續駛里程609km；最大功率120kW；最低啟動溫度-30℃；可靠性16萬km或10年。奔馳氫燃料電池車主要參數如下：燃料電池功率90kW；續航里程380km；最高車速170km/h；鋰電池1.4kWh。

值得關注的還有電驅橋技術和產品開發，FEV、AVL、麥格納、奧迪等都有展示，電驅橋無論對EV、PHEV或是48V，都是核心總成，在技術和總成資源方面都至關重要。

圖8 寶馬設計一個整車架構平臺適應各種動力系統[3]

3 結束語

傳統發動機還有繼續優化的空間，可以進一步提升動力性和效率，也有望實現接近零排放。

混合動力化后，利用傳統動力和新能源的各自優勢實現協同效應，可以實現很高的系統效率。

新型燃料使發動機有實現零排放和綠色循環的可能。

未來的動力系統將是多樣化的，燃料也是多元化的，電動化與合成燃料會共存。

由于動力系統的多樣性，開發和驗證需要更多虛擬世界。

不但動力系統本身在發生變化，開發方法和環境也在發生變化。

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[5]Masaki Toriumi.Nissan’s Electric Powertrain Strategy[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

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