描繪未來30年汽車發(fā)動機技術藍圖第五屆中國汽車發(fā)動機技術大會

文、攝影/編輯部

2019年12月4日，由中國汽車報社、汽車與運動雜志社主辦，中國石油潤滑公司獨家冠名的“2020第五屆中國汽車發(fā)動機技術大會”在上海盛大開啟。相比第四屆中國發(fā)動機技術大會，本屆大會參會規(guī)模更大、報告看點更多、拋出的問題也越來越尖銳。來自北美、歐洲、亞洲的多名學術專家、行業(yè)帶頭人以及企業(yè)技術大佬齊聚現(xiàn)場，共同描述未來30年，世界汽車發(fā)動機技術發(fā)展藍圖

報告人Speecher

Dr.Paul Miles

美國桑迪亞國家實驗室發(fā)動機燃燒實驗室主任

報告主題 Topic

基于內(nèi)燃機動力總成對減少溫室氣體和排放的潛力

傳統(tǒng)汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、純電汽車都有他們的優(yōu)劣勢。未來汽車行業(yè)的發(fā)展有著很多的不確定性，嚴格來說機遇與風險共存。但我個人堅信傳統(tǒng)內(nèi)燃機在未來仍然有很大優(yōu)勢。

燃油經(jīng)濟性方面，傳統(tǒng)內(nèi)燃機還有這很強的潛力，我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有很多技術可以提升燃油經(jīng)濟性，例如缸內(nèi)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(jīng)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現(xiàn)階段最有利的幫手。

目前碳排放方面，傳統(tǒng)發(fā)動機與純電動力系統(tǒng)在現(xiàn)實中的表現(xiàn)完全不是我們所認為的那樣。根據(jù)調(diào)查，2018年傳統(tǒng)發(fā)動機車型的碳排放仍舊要低于純電動力系統(tǒng)車型。原因在于目前世界范圍內(nèi)煤電依然占有很大比例。如果我們在現(xiàn)階段大量投入純電動車型的話，在不增加額外的核電、天然氣發(fā)電等清潔能源發(fā)電設施的話，純電動車型的大量普及將會加劇碳排放的增加。

所以，每個國家都應當根據(jù)自己的情況制定相應的目標。不要一味否定傳統(tǒng)內(nèi)燃機，多元化的技術路線才是正解。

報告人Speecher

Prof.Yasuo Moriyoshi

日本千葉大學教授

報告主題 Topic

日本內(nèi)燃機研究趨勢

未來，日系企業(yè)對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的研發(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)的最終目的。熱效率從目前的37%-41%提升到45%，這需要很多新技術的幫助。例如可變壓縮比、HCCI、高效熱管理、燃油噴射系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)等。豐田和本田，未來在傳統(tǒng)內(nèi)燃機方面主要途徑是依靠混合動力系統(tǒng)，豐田的THS-II和本田的iMMD混合動力系統(tǒng)傳統(tǒng)內(nèi)燃機的熱效率都突破了40%以上。日產(chǎn)則采用可變壓縮比技術，壓縮比可在8:1～14:1間隨時切換，保證各個工況點都有著良好的動力性和經(jīng)濟性。此外日產(chǎn)最新推出的E-Power技術則采用了另外一種技術路線，馬自達除了最新推出的SKY ACTIV X還將會推出全新一代的SKY ACTIV D/G。

為了提升日系企業(yè)與歐美競爭對手之間的競爭力，加快行業(yè)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本推行了一項名為“政府合作計劃”經(jīng)過5年的籌備2019年開始實施。“政府合作計劃”可以使得企業(yè)、學校和政府間的合作、交流變得更加通暢和緊密。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)內(nèi)燃機熱效率是大家追求的共同目標，下一階段各家企業(yè)將會朝著51%的熱效率目標進行挑戰(zhàn)。

報告人Speecher

Prof.Michele Battistoni

意大利佩魯賈大學教授

報告主題 Topic

內(nèi)燃機及燃油噴射技術未來發(fā)展趨勢

未來內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)設計將應用一大批新型缸內(nèi)燃油噴射、點火技術。在歐洲，目前對整機的運行工況已經(jīng)有了清醒的認識，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機中一些極限工況如冷啟動、城市低速低負荷工況以及高溫高負荷工況是當前內(nèi)燃機的關鍵點。

這些關鍵點可以利用電氣化技術將內(nèi)燃機工況運行在最佳工況點。另一方面，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1000bar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。

另外我們現(xiàn)在很多高溫工況點為了避免爆震，利用加濃的燃燒策略使得經(jīng)濟性以及效率不高，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燃空比，增加效能。預混室點火系統(tǒng)利用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(xiàn)深度稀薄燃燒，降低燃燒溫度。另外在噴油方式上，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(xiàn)瞬間汽化，大幅度增加霧化程度。

報告人Speecher

Prof.Kyoung Min

韓國首爾國立大學先進機械和設計研究院主任

報告主題 Topic

未來內(nèi)燃機技術，近零CO2和尾氣排放

根據(jù)專業(yè)機構的預測，2030年全世界傳統(tǒng)內(nèi)燃機車型仍舊占比65%、混合動力車型28%、EV車型僅占7%。其中日本，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30%～40%、BEV 20%～30%、FCEV 3%、清潔柴油車型5%～10%）。美國2030年，F(xiàn)CEV車型占比1%、BEV車型占比9%、PHEV車型占比8%、混合動力車型占比41%、傳統(tǒng)燃油車依然占比41%。歐洲由于受到嚴苛的排放法規(guī)，2030年傳統(tǒng)燃油車將徹底禁售，混合動力車型成為銷售主力占比68%、PHEV車型占比11%、BEV占比19%、EV車型占比2%。中國市場同樣面臨著法規(guī)的限制，2030年傳統(tǒng)燃油車型占比20%、混合動力車型占比41%、PHEV車型占比7%，F(xiàn)CEV車型占比1%、BEV車型受到政策的幫助將會達到31%。2030年，我們要實現(xiàn)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，為此需要使用電氣化。另外，使用中性燃料，以此實現(xiàn)可再生能源的使用，希望能通過這樣的方法來抵消其他來源的二氧化碳，以此平衡二氧化碳的供求。只有這樣，我們才能真正實現(xiàn)更低的排放甚至是零排放。我們目標很簡單，就是減少二氧化碳排放和尾氣排放，我們只是需要找到一條合適的技術路線。無論使用哪種技術，采用哪種路線，我們的目的都是殊途同歸，都是為了減少二氧化碳和尾氣排放。

報告人Speecher

李理光教授

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

報告主題 Topic

中國乘用車汽油機2020～2035年發(fā)展規(guī)劃預測

2030年為了實現(xiàn)全球溫升低于2攝氏度，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，個別自主品牌在實驗室環(huán)境下已經(jīng)可以實現(xiàn)48%甚至會是49%的熱效率。但未來3年，我國自主品牌傳統(tǒng)內(nèi)燃機的熱效率都將會邁向42%。2025～2030年傳統(tǒng)內(nèi)燃機熱效率將會邁向45%～50%，這期間需要很多技術的支持。要想實現(xiàn)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、熱管理技術、低粘稠度機油（XW-20）是主要技術路線；中期極端，深度阿特金森/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、低粘稠度機油（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、1000bar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、低粘稠度機油（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。

報告人Speecher

上原隆史

豐田汽車動力總成產(chǎn)品企劃部主任工程師

渡邊泉

豐田汽車動力總成技術企劃部部長

報告主題 Topic

豐田混動系統(tǒng)THS的特征以及混動用發(fā)動機技術

“豐田挑戰(zhàn)2050”計劃已經(jīng)開始運行，為了配合這個計劃的實施，2020年豐田將會推出EV車型，2025年旗下全部車型都將提供電動化配置并且電動化車型占比50%以上，EV、FCV占比10%。

豐田汽車在混合動力技術的研發(fā)已經(jīng)積累了大量的基礎和經(jīng)驗，豐田表示下一代環(huán)保車輛的研發(fā)依然會以豐田的混合動力技術為核心。最新的THS（豐田混合動力系統(tǒng)）采用串并聯(lián)式。發(fā)動機、發(fā)電機和電機通過行星齒輪系統(tǒng)耦合，這種結構使得系統(tǒng)的體積比串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)緊湊。

此外，電機比并聯(lián)式混動系統(tǒng)更大，減速時可以回收更多的能量，提高效能。驅(qū)動力可以在發(fā)動機、車輪和電機、車輪兩個單元之間自由調(diào)整。既實現(xiàn)了發(fā)動機在高效區(qū)間運行，同時又降低了能量之間轉(zhuǎn)換的損失。這套豐田的混合動力系統(tǒng)在制動能量回收、油耗性能表現(xiàn)、系統(tǒng)高效性、成本等方面都有著較好的表現(xiàn)。

目前，豐田全球市場混合動力車型銷量已經(jīng)達到1400萬量。這些混合動力車型的推出，20年間在降低二氧化碳排放方面已經(jīng)為全球做出了1.1億噸的貢獻。未來，豐田還將會繼續(xù)堅持在混合動力系統(tǒng)方面的研發(fā)。

報告人Speecher

李金成

中國一汽研發(fā)總院首席專家

報告主題 Topic

紅旗CA4GC20TD高效米勒循環(huán)發(fā)動機

一汽-紅旗在今年推出的這款最新一代2.0T缸內(nèi)直噴發(fā)動機，并且榮獲了“中國心”2019年度十佳發(fā)動機稱號。這臺發(fā)動機采用了很多比較先進的技術，其中高壓縮比米勒循環(huán)燃燒系統(tǒng)是CA4GC20TD發(fā)動機最大的技術特征，這款發(fā)動機配有“經(jīng)濟版”和“功率版”?！敖?jīng)濟版”壓縮比為11.5∶1，動力性與經(jīng)濟性更加平衡，“功率版”壓縮比為10.7∶1，動力性表現(xiàn)更強。在這套高壓縮比米勒循環(huán)燃燒系統(tǒng)中，米勒循環(huán)相比傳統(tǒng)的奧拓循環(huán)，進氣包角減小20°CA以上，可以實現(xiàn)一個較大的米勒循環(huán)。另外，一汽-紅旗還以可視化燃燒為基礎，實現(xiàn)換氣系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)迭代優(yōu)化。凸輪線性、高滾流進氣道、高壓縮比燃燒室和高壓噴油是實現(xiàn)米勒循環(huán)的關鍵。

可以說，通過強化氣流運動并優(yōu)化燃燒室設計，米勒循環(huán)發(fā)動機燃燒速度得到了提高，也為其39%熱效率奠定了基礎。

未來，一汽-紅旗也將會朝著50%熱效率邁進，第一階段通過直噴增壓，進一步提高壓縮比、EGR、低摩擦等技術手段將熱效率從39%提升至41%。第二階段，通過高效增壓手段、高壓縮比、稀薄燃燒、高滾流比、大S/D等技術將熱效率提升至45%。第三階段，將會采用HCCI、排氣能量回收等手段，最終將傳統(tǒng)發(fā)動機熱效率提升至50%。

報告人Speecher

李曙波

吉利領克混合動力項目總監(jiān)

報告主題 Topic

面向全球化應用的混動動力總成開發(fā)

吉利推出的這套混合動力系統(tǒng)始于吉利之前推出的1.5L直噴增壓發(fā)動機，在這個基礎上做了48V的P0，也做了PHEV，這個方向上為混動應用開發(fā)了一款米勒發(fā)動機，熱效率38.3%。GEP3產(chǎn)品系列采用了高度平臺化和高度模塊化，零部件通用率大于90%。

從混動系統(tǒng)對發(fā)動機的需求來說，因為前軸的重量越來越大，需要發(fā)動機盡可能降重，這臺發(fā)動機的重量僅為113kg（含油液）。結構尺寸方面，這臺發(fā)動機也很完美。能夠輕松在發(fā)動機與變速器之間放入一個電動機，以至于這套系統(tǒng)能夠非常容易裝配在現(xiàn)有整車架構中。

效率方面，相比上代發(fā)動機降了30%的摩擦功。另一方面，全新開發(fā)了燃燒系統(tǒng)采用高壓縮比、米勒循環(huán)、進氣道進行了重新設計、MASKING的設計、提高進氣滾流等。這臺發(fā)動機最大功率105kW，高效區(qū)域占比35%。關于發(fā)動機控制策略，關注點在于如何提升整個系統(tǒng)的效率、油耗表現(xiàn)。電機的目的是為了讓發(fā)動機盡量不要在低效率區(qū)間工作，同時提升發(fā)動機功率?；?.5TD與7DCT/H的模塊化動力總成系列，吉利集團已經(jīng)有三種不同電氣化程度的應用，從MHEV 48V到HEV再到PHEV。設計核心理念，就是從系統(tǒng)效率出發(fā)，出于成本考慮開發(fā)發(fā)動機調(diào)整變速器。同時開發(fā)電池，滿足整個系統(tǒng)的需求。

報告人Speecher

顧茸蕾

奕森科技研發(fā)副總裁

報告主題 Topic

電驅(qū)動浪潮下渦輪增壓器的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在發(fā)動機熱效率提升1%～2%對于研發(fā)都是非常高的挑戰(zhàn)，渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配就顯得更加重要。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，這些問題每家企業(yè)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(jīng)成為很多企業(yè)的解決方案，只不過相比傳統(tǒng)單流道增壓器成本有一定增加；解決方案之二，可變截面渦輪增壓器?？勺兘孛鏈u輪增壓器在很多超跑車型上已經(jīng)得到了應用，導向葉片在低速高速都可以通過控制開口面積滿足低速高速狀態(tài)下的需求。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，動力輸出和經(jīng)濟性方面的表現(xiàn)會更好，但由于受到技術的限制，可變截面渦輪增壓器的成本一直高居不下。

面對不同的發(fā)動機需求，渦輪增壓器也不是恒久不變，例如高熱效率的混合動力車型、PHEV等車型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并不需要更廣泛的區(qū)域，而是需要更高的效率。為了提高效率，轉(zhuǎn)子葉片需要設計非常輕薄，同時還需要滿足零部件強度的要求。

報告人Speecher

Dr.Alessandro Mariani

Manager，Loccioni FIS R&D，Italy

報告主題 Topic

內(nèi)燃機：Loccioni測試系統(tǒng)和未來發(fā)展

為了滿足未來更加嚴苛的排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟性要求，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)應用越來越廣泛。最為直觀的作為便是提升缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的燃油噴射壓力，從之前的200bar到現(xiàn)在的350bar再到以后的500bar，甚至是1000bar、1200bar。

在內(nèi)燃機提升效率的過程中，燃燒系統(tǒng)特別是燃油霧化至關重要，隨著高壓噴射技術的不斷引入加強，噴油器測試系統(tǒng)直接影響著噴霧的控制、設計，從而影響燃燒效果。Loccini公司根據(jù)需求設計健全的噴油器噴霧測試平臺。精確的流量控制臺對噴油器的流量控制、針閥的開啟關閉延遲進行精確的測量，并延伸至多次噴射的流量精準控制測量。

此外光學診斷成為噴霧形態(tài)、粒徑的測試主要手段。對噴霧的錐角、貫穿局、落點、不同位置霧化粒徑可以非接觸地得到準確的測試結果，并可以應用在諸多領域如噴油器尾噴以及濕壁現(xiàn)象等的診斷。

另外可以設計新型傳感器測量如單束油束的動量診斷，輔助燃油油束的設計以及分布考量。新型燃燒系統(tǒng)如SPCCI（火花輔助壓燃）所需1000bar的燃油供給系統(tǒng)，低流量的精準控制以及噴水等混合噴射方式是未來噴油系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。

報告人Speecher

劉浩

銀輪機械股份副總經(jīng)理

報告主題 Topic

傳統(tǒng)汽車和新能源汽車熱管理

隨著發(fā)動機熱效率的逐步提升，稀薄燃燒對于發(fā)動機熱管理系統(tǒng)提出了更高的需求。這將會徹底改變整個熱管理系統(tǒng)，同時對于熱管理零部件也帶來很大的影響。

稀薄燃燒可能會帶來高增壓，EGR，熱負荷在不斷提高，但空間又在不斷縮小。油耗法規(guī)要求2020年達到5L/100km，接下來還有更加嚴苛法規(guī)。其中對溫控的要求也更高，以前的功能大部分是冷卻，現(xiàn)在則是需要將各套系統(tǒng)始終控制在一個最佳工作區(qū)間。之前，傳統(tǒng)乘用車由于大部分采用自然吸氣最開始涉的只有換熱器、水箱?，F(xiàn)在隨著小排量增壓的趨勢已成主流，越來越多的用到EGR技術降低油耗。另外用排氣量加熱油溫或水溫的EHR余熱回收把warm up的階段盡可能減少，降低實際運行的油耗，同時提升排放。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，EHR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(diào)系統(tǒng)，也會有傳統(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，也使得熱管理系統(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。

報告人Speecher

柯建豪

科博達科技副總裁

報告主題 Topic

面向未來的發(fā)動機節(jié)能減排新技術介紹

面對中國日益嚴苛的雙積分政策，很多車企面臨較大的燃油消耗積分壓力，降低油耗新技術應用將在未來幾年大幅提升。包括渦輪增壓、可變氣門控制、缸內(nèi)直噴、變量機油泵、發(fā)動機熱管理等都具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

科博達在汽油機方面擁有眾多解決方案的產(chǎn)品，例如從進氣調(diào)節(jié)開始的ETC進氣管理。潤滑系統(tǒng)方面，科博達從一級變量到二級變量再到全map控制變量機油泵，都擁有相對成熟的產(chǎn)品?？撇┻_在傳統(tǒng)的葉片式和齒輪式等機油泵的基礎上，自主研發(fā)出鉸塞復合式變排量機油泵，性能非常優(yōu)越。鉸塞復合式變量機油泵，機械效率、容積效率都是最高的，油耗節(jié)約可以達到1.8%-2.5%左右。

主動控制進氣格柵，主要是減少汽車行駛風阻，減少二氧化碳排放。同時，還可以節(jié)省燃料百公里0.15-0.2L左右。另外，其還能夠改善冷啟動的暖機時間，降低熱損失，可以縮短2%的熱機時間。此外，我們還與奧迪聯(lián)合開發(fā)了智控溫度管理閥，徹底代替了傳統(tǒng)節(jié)溫器。其擁有無級調(diào)速功能，比如冷卻渦輪增壓器，有的時候要關閉發(fā)動機的冷卻或是啟動發(fā)動機的冷卻。我們采用三通閥或者四通閥，控制各個管路，控制方面可以采用電機驅(qū)動和電磁閥驅(qū)動。這樣一來可以使整套系統(tǒng)達到更加高效、全面的調(diào)節(jié)和控制。