未來世界汽車發動機技術的發展藍圖

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

傳統發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動機燃燒實驗室主任 Paul Miles博士

不要一味否定傳統發動機，多元化的技術路線才是正解。

傳統燃油汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、純電動汽車都有各自的優劣勢。未來汽車行業的發展有很多不確定性，但我個人堅信，傳統發動機在未來仍有很大優勢。

燃油經濟性方面，傳統發動機還有很大的潛力。目前我們已經擁有很多技術，可以用來提升傳統發動機的燃油經濟性，例如缸內直噴、渦輪增壓、集成排氣歧管、高效熱管理系統等。未來，隨著更加嚴苛的排放法規和燃油經濟性標準，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，傳統發動機與純電動力系統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、天然氣發電等清潔能源發電設施的前提下，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，不要一味否定傳統發動機，多元化的技術路線才是正解。

日本發動機研究方向——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51%的熱效率目標。

未來，日系企業對于傳統發動機的研發仍舊不會放緩腳步，提升傳統發動機熱效率是日系企業的最終目標。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、混合動力系統等。

豐田公司和本田公司，未來在傳統發動機技術方面的主要方向是混合動力系統。豐田的THS-II和本田的iMMD混合動力系統使傳統發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。雖然日系企業采用的技術路線各不相同，但他們的目標一致。提高傳統發動機熱效率是大家共同追求的目標，下一階段各家企業將會挑戰51%的熱效率目標。

為了提升日系企業相對于歐美競爭對手的競爭力，加快行業、產業的發展，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。“政府合作計劃”可以使企業、學校和政府間的合作、交流變得更加通暢和緊密。

發動機及燃油噴射技術的未來發展趨勢

意大利佩魯賈大學教授 Michele Battistoni

未來發動機燃燒系統在設計上將應用新型缸內燃油噴射和點火技術。

未來發動機燃燒系統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，在傳統發動機中，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動機技術需要關注的要點，可以利用電氣化技術將發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，減少爆震發生，燃燒系統可以進一步提前點火時刻以及降低空燃比，增加效能。預混室點火系統設置一個預先點燃的火焰噴射系統，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。

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

在日本，2030年傳統燃油車型占比30%～50%，“新世代”車型占比50%～70%(混動系統車型占比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%、傳統燃油車依然占比41%。歐洲由于受到嚴苛排放法規的限制，2030年傳統燃油車將徹底被禁售。混合動力汽車將成為占比68%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的限制，2030年傳統燃油汽車占比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。對于汽車行業的發展，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年發展規劃預測

同濟大學教授、中國內燃機工業協會汽油機規劃組副組長 李理光

2025～2030年，我國傳統發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境下已經可以實現汽車發動機48%～49%的熱效率。未來3年，我國自主品牌傳統發動機的熱效率都將會邁向42%；2025～2030年，傳統發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/米勒循環、高壓縮比(13：1)、350bar直噴系統、高能點火、EGR(廢氣再循環)、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、高壓縮比(15：1)、500bar直噴系統、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、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

奕森科技研發副總裁 顧茸蕾

面對渦輪增壓器與發動機的匹配問題，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，發動機熱效率每提升1%～2%對于研發來說都是非常大的挑戰，因此渦輪增壓器與發動機的匹配顯得更加重要。使用小渦輪對發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的解決方案，只不過相比傳統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。相比傳統發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。

傳統汽車和新能源汽車熱管理

集成化、模塊化的熱管理系統解決方案能滿足更多、更高的需求。

隨著發動機熱效率的逐步提升，稀薄燃燒對發動機熱管理系統提出了更高的要求。這將會徹底改變整個熱管理系統，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)，熱負荷在不斷提高，但空間又在不斷縮小。我國油耗法規要求2020年達到5L/100km，接下來還有更加嚴苛的法規。其

中對溫控的要求也更高，以前汽車溫控系統的功能以冷卻為主，現在則需要將各套系統始終控制在最佳工作區間。之前傳統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)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，因為混合動力系統發動機啟停非常頻繁，余熱回收系統的作用更能發揮出來。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，也需要傳統的冷卻。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，使熱管理系統需要迎接更多的挑戰，只有集成化、模塊化的解決方案才能滿足更多、更高的需求。