核心看點(diǎn)：
部分主要車企高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)亮點(diǎn)技術(shù)一覽，重點(diǎn)技術(shù)路線總結(jié)點(diǎn)評(píng)
技術(shù)特點(diǎn)剖析，技術(shù)升級(jí)趨勢(shì)分析
未來超高熱效率技術(shù)路線描繪，重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域提煉
2020年是我國(guó)車企大發(fā)力的一年，發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)不斷突破，熱效率被不斷刷新，我國(guó)車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在彎道超車的背景下在主干道實(shí)現(xiàn)了并線提速。對(duì)標(biāo)國(guó)際超一流發(fā)動(dòng)機(jī)核心科技的關(guān)鍵設(shè)計(jì)能力已經(jīng)逐漸在各大車企的主力研發(fā)實(shí)驗(yàn)室生根，從多個(gè)明星機(jī)型的高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)就可以一探究竟。同時(shí)，這也僅僅是開始，未來很長(zhǎng)一段時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將會(huì)大放異彩，進(jìn)入百花齊放的階段。這條道路怎么走，這個(gè)設(shè)計(jì)思路究竟是怎樣的？我們先從幾個(gè)明星機(jī)型的剖析入手，最后總結(jié)一條20年不過時(shí)的技術(shù)路線。
東風(fēng)風(fēng)神1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)
高效燃燒系統(tǒng)
先進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)
阿特金森循環(huán)
高滾流進(jìn)氣道設(shè)計(jì)
高壓冷卻EGR技術(shù)
氣門可變正時(shí)技術(shù)
電控渦輪增壓器
智能熱管理
橫流冷卻系統(tǒng)
雙腔油底殼
自主研發(fā)EMS系統(tǒng)
深度減摩技術(shù)
電動(dòng)可變排量機(jī)油泵
DLC 減摩涂層
整機(jī)表現(xiàn)
最大功率 125kW
最大扭矩 260Nm
最大熱效率 41.07%
全局效率亮眼，整機(jī)熱控成亮點(diǎn)。東風(fēng)風(fēng)神1.5T這臺(tái)機(jī)器擁有一款高效版本，主要利用了12.5壓縮比的阿特金森循環(huán)，從而使得熱效率高達(dá)41.07%，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)不小的升級(jí)。機(jī)型配備了高滾流+高壓噴射的先進(jìn)燃燒系統(tǒng)標(biāo)配設(shè)備，并針對(duì)滾流比進(jìn)行了同比高達(dá)21%的提升優(yōu)化，并使得EGR率達(dá)到了20%，在爆震、清潔燃燒方面下到了一定的功夫。但是在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，最值得聊的還是熱管理系統(tǒng)，以及電氣化設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)標(biāo)配設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的熱管理軟件（EMS系統(tǒng)）+快速響應(yīng)分級(jí)控制硬件（電控油水），可以很好的在全MAP實(shí)現(xiàn)想要的控制。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)缸蓋內(nèi)設(shè)計(jì)了“橫流冷卻系統(tǒng)”，讓冷卻液強(qiáng)制從缸蓋的高溫側(cè)通過，更加精準(zhǔn)的抑制發(fā)動(dòng)機(jī)高溫的的問題。冷卻液大小循環(huán)也采用了電機(jī)控制的球閥，減少傳統(tǒng)意義上石蠟的物化反應(yīng)時(shí)間，而雙腔油底殼利用新增一個(gè)容積較小的腔體，冷機(jī)時(shí)盡快利用少量機(jī)油先升溫從而減少熱能損失，增加響應(yīng)速度，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)燃燒。首先我們需要對(duì)東風(fēng)傳統(tǒng)匠人精神的設(shè)計(jì)理念致敬，不放過任何一個(gè)機(jī)會(huì)浪費(fèi)能量，特別是在機(jī)械設(shè)計(jì)層面，對(duì)缸體的優(yōu)化、機(jī)械控制器的優(yōu)化都做到了國(guó)產(chǎn)機(jī)一流的水平。未來東風(fēng)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載在東風(fēng)風(fēng)神AX7車型上，將在同級(jí)引發(fā)不小的激蕩。
長(zhǎng)安藍(lán)鯨NE1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)
高效燃燒系統(tǒng)
雙渦管電子渦輪增壓
空氣導(dǎo)流式的活塞頂
350bar高壓噴射
雙VVT執(zhí)行器
電控渦輪增壓器
SmartPhaser智能凸輪調(diào)相系統(tǒng)
智能熱管理
雙出口集成排氣歧管
水冷式中冷
智能凸輪調(diào)相系統(tǒng)
深度降摩擦
全可變排量機(jī)油泵
整機(jī)表現(xiàn)
最大功率 132 kW
最大扭矩 300 Nm
最大熱效率 40%
增壓系統(tǒng)先進(jìn)，電氣化附件突出。藍(lán)鯨這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)擁有40%的熱效率，以及高達(dá)300NM的最大扭矩，并在1250轉(zhuǎn)就可以拉到扭矩平臺(tái)。這一參數(shù)著實(shí)非常亮眼，對(duì)于一臺(tái)1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)來說，可以掙一掙地表最強(qiáng)了。雖然網(wǎng)絡(luò)上對(duì)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以及長(zhǎng)安的UNI-T車型有著褒貶不一的爭(zhēng)議，但是，單從技術(shù)搭載上看，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓系統(tǒng)可以說非常亮眼。雙出口集成排氣歧管+雙渦輪電控渦輪增壓+舍弗勒最新的SmartPhaser凸輪VVT技術(shù)，可以直打?qū)汃RB48以及路虎英杰力發(fā)動(dòng)機(jī)，要知道后者可是豪華品牌中的王牌中大型車，這樣的技術(shù)下放到UNI-T這個(gè)級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)，確實(shí)值得興奮。超低轉(zhuǎn)速攀升到最大扭矩完全是有可能的。在燃燒系統(tǒng)方面，標(biāo)配350bar系統(tǒng)通常給國(guó)六B一個(gè)完成的前提，再配備優(yōu)化的燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就可以達(dá)到不錯(cuò)的燃燒效果，在排氣集成的條件下，小負(fù)荷冷態(tài)工況也不會(huì)太差。但是可惜的是，在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間平衡，這樣的技術(shù)可以說已經(jīng)達(dá)到了天花板，壓縮比和爆震是繞不開的話題。
長(zhǎng)城4N20 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)
高效燃燒系統(tǒng)
米勒循環(huán)
350bar直噴系統(tǒng)
雙流道增壓器
中冷水冷器
CVVL(0.8-8.4mm)
智能熱管理
電子水泵
智能熱管理系統(tǒng)
整機(jī)表現(xiàn)
最大功率 180kW
最大扭矩 385Nm
最大熱效率 38.3%
CVVL核心技術(shù)掌控，配合高效燃燒系統(tǒng)效果驚人。長(zhǎng)城汽車的GW4C20B 2.0T汽油機(jī)最大扭矩達(dá)到了385N·m/1800-3600rpm，最大功率165kW/5500rpm，這樣的動(dòng)力數(shù)據(jù)表現(xiàn)，已經(jīng)對(duì)同排量的大眾EA888、寶馬B48A20C等機(jī)型造成了不少的威脅。同樣的，高壓噴射，熱管理系統(tǒng)，雙流道增壓器作為大型suv的燃燒系統(tǒng)標(biāo)配同樣配置在了這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上。米勒循環(huán)增強(qiáng)了該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率潛力。另外與寶馬Valvetronic類似的連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)，也使得長(zhǎng)城成為世界上少有掌握該項(xiàng)技術(shù)能力的企業(yè)。CVVL+米勒循環(huán)的組合也是世界上少有的技術(shù)路線，預(yù)計(jì)這么大扭矩的機(jī)型在城市工況的油耗感受也不會(huì)太差，深度匹配了長(zhǎng)城后期上市車型的技術(shù)定位。
奔騰1.5T發(fā)動(dòng)機(jī)-CA4GB15TD
高效燃燒系統(tǒng)
米勒循環(huán)
350bar直噴系統(tǒng)
智能熱管理
排氣歧管集成式缸蓋
分體式水道
智能熱管理系統(tǒng)
深度降摩擦
DLC圖層
低彈性活塞環(huán)
電控兩級(jí)可變式機(jī)油泵
整機(jī)表現(xiàn)
最大功率 124kW
最大扭矩 258Nm
最大熱效率 39.06%
均衡為主，新一代主力機(jī)型標(biāo)桿。從技術(shù)搭配上看，第一感覺就是藍(lán)鯨1.5T的一個(gè)升級(jí)版，即在優(yōu)化高壓噴射+滾流，熱管理、減摩的前提下，增加了米勒循環(huán)燃燒模式。而表現(xiàn)參數(shù)上也同樣非常亮眼，在動(dòng)力性和熱效率上均達(dá)到了一個(gè)不錯(cuò)的平衡。值得注意的是，該機(jī)在1300轉(zhuǎn)就可以進(jìn)入最大258Nm的扭矩平臺(tái)，作為日常用車的使用感受上來講，該車在保持持續(xù)高效的基礎(chǔ)上，不俗的動(dòng)力性能可以說非常突出。此外深度減摩系統(tǒng)也表明了其制造工藝上的突破，零部件整合中摩擦?xí)且粋€(gè)重要的技術(shù)升級(jí)方向，可以看到越來越多的一流廠商在榨干最后一絲熱效率的基礎(chǔ)上在減摩上下手，優(yōu)化整個(gè)制造工藝。綜合來看，各項(xiàng)配置可以說作為未來家用主力車型的標(biāo)桿設(shè)計(jì)思路。
廣汽傳祺2.0ATK
高效燃燒系統(tǒng)
阿特金森循環(huán)
350bar直噴系統(tǒng)
超高滾流
高能點(diǎn)火
低溫冷卻外部EGR
智能熱管理
采用缸蓋分開水套
缸體分層水套
高功率電子水泵
熱管理模塊
深度降摩擦
DLC圖層
電控全可變機(jī)油泵
整機(jī)表現(xiàn)
最大功率 105kw
最大扭矩 180Nm (1500-4350rpm)
最大熱效率 42.10%
激進(jìn)的高效設(shè)計(jì)思路，燃控能力出眾。傳祺這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)初一經(jīng)發(fā)布，就引來了巨大的關(guān)注。42.1%的熱效率極其亮眼。從技術(shù)搭配上看，除了標(biāo)配的熱管理系統(tǒng)，高壓噴射，電控全可變機(jī)油泵，DLC涂層等技術(shù)之外，確實(shí)有很多比較亮眼的技術(shù)。比如這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了與多數(shù)米勒循環(huán)不同的阿特金森循環(huán)，晚關(guān)的氣門策略可以保證有充足時(shí)間產(chǎn)生超高的滾流設(shè)定，另外利用沖程缸徑比1.3的長(zhǎng)沖程設(shè)計(jì)，給予高熱效率的參數(shù)支撐。15.6的壓縮比也一騎絕塵，超過了絕大多數(shù)的壓縮比設(shè)定。此外，比較出彩的是該機(jī)也搭載了110mJ的高能點(diǎn)火，雖然點(diǎn)火能量還沒到實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒的等級(jí)，但是這個(gè)層面上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)部分稀薄燃燒以及穩(wěn)定點(diǎn)火的能力，在燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定性，EGR率提升方面有很強(qiáng)的技術(shù)潛力。未來稀薄燃燒的搭載，電氣化升級(jí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的減壓，也會(huì)使這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)迸發(fā)更大的熱效率潛力。
未來技術(shù)趨勢(shì)
首先值得慶賀的是，絕大多數(shù)“中國(guó)心”已經(jīng)走在了世界發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)前列，并且更加值得慶賀的是，背后的研發(fā)實(shí)力已經(jīng)走上日程，開始正面站上世界舞臺(tái)進(jìn)行技術(shù)能力的比拼。從以上明星機(jī)型的技術(shù)研究中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的技術(shù)路線基本上是在走日系（豐田Dynamic Force，本田Earth Dream）的快速燃燒路線，其核心的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于高滾流的湍流燃燒的點(diǎn)燃燃燒模式。高壓噴射（350bar高壓噴射——更強(qiáng)霧化充分燃燒（SMD減小了17% ，主要改善油氣混合均勻性，降低顆粒物排放）、熱管理技術(shù)（活塞冷卻噴嘴，分體式流道，，快速熱機(jī)，優(yōu)化霧化燃燒，提升排溫）、減摩（DLC圖層技術(shù)，可變排量機(jī)油泵）已經(jīng)成為這個(gè)熱效率量級(jí)的標(biāo)配，而在這幾個(gè)方面的技術(shù)重點(diǎn)就是針對(duì)MAP上不同控制策略的優(yōu)化以及提升，預(yù)計(jì)會(huì)在MAP區(qū)間還可以存在1-5%的提升幅度，并且在解決排放方面具有很強(qiáng)的潛力。此外MAP的作用更多的體現(xiàn)在臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)與實(shí)車用戶體驗(yàn)間的gap有多大，這就是調(diào)校會(huì)帶來的優(yōu)勢(shì)。除此之外，一些亮眼的特色技術(shù)，會(huì)是明星機(jī)型的特別加分項(xiàng)，如外部冷卻EGR技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)NOx，低溫燃燒的一個(gè)特色技術(shù)，可以說目前的EGR應(yīng)用已經(jīng)開始逐漸脫離一開始EGR出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)目的，更多的是從化學(xué)組分和燃燒溫度兩個(gè)方面去思考燃燒模式的改變。CVVL可以極大消除泵氣損失，調(diào)節(jié)進(jìn)氣時(shí)間，電控渦輪增壓器/雙流道渦輪增壓可以提升渦輪響應(yīng)速度，降低遲滯，排氣歧管集成可以進(jìn)一步優(yōu)化智能熱管理，快速熱機(jī)。高能點(diǎn)火可以穩(wěn)定燃燒，為超稀薄燃燒做下一步準(zhǔn)備。
提升熱效率必定繞不開壓縮比，當(dāng)前的做法一定會(huì)繞不開壓縮比。目前應(yīng)用比較廣泛的應(yīng)用方法就是米勒循環(huán)/阿特金森循環(huán)，在直接提升壓縮比方面由于沒有改變實(shí)際壓縮比，其燃燒系統(tǒng)的改動(dòng)、控制策略的設(shè)計(jì)相對(duì)影響是較小的。這也是為什么這兩項(xiàng)基本上沒有特別大的技術(shù)壁壘，可以廣泛應(yīng)用的原因。從純發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)來看，這套思路已經(jīng)走到了瓶頸，從日系衍生出的快速燃燒系統(tǒng)在“中國(guó)心”機(jī)型上的熱效率走到了機(jī)智，43%會(huì)是這條思路的極限。當(dāng)然整車油耗基于這套燃燒系統(tǒng)還可以進(jìn)一步優(yōu)化，比如DM-I超級(jí)混動(dòng)的架構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)大幅降低工作區(qū)間，形成線工況的運(yùn)行范圍，油耗已經(jīng)做到了2~3L/100km。在這套技術(shù)上進(jìn)行前瞻，改變沖程數(shù)（如現(xiàn)代的6沖程發(fā)動(dòng)機(jī)），提升EGR率會(huì)再提升3%的潛力，達(dá)到45~46%左右，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)能力以及控制會(huì)提出非常大的要求，目前來看意義已經(jīng)不大。
那么內(nèi)燃機(jī)逼近50%，甚至更高熱效率的未來在哪兒呢？遵循物理定律，先從一張熱損圖開看，從前的教科書上，基本上是以廢熱，廢氣，做功三分燃料熱值這樣來劃分的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率定義，可見大部分的能量都儲(chǔ)存在了廢熱廢氣里，被浪費(fèi)掉了，我們現(xiàn)在把這個(gè)1/3提高到了43%，已經(jīng)是人類歷史上了不起的創(chuàng)舉。但在未來，能量守恒，想要突破熱效率極限，就繞不開從溫度和排氣中下手，一方面降低燃燒溫度，減少熱損，另一方面從排氣中回收余熱。在調(diào)整負(fù)荷方面，也可以將低負(fù)荷下泵氣損失和機(jī)械摩擦做到一定的優(yōu)化，但是未來在混動(dòng)的加持下，必須解決的就是排氣和熱損。
所以在未來，稀薄燃燒，以及深度稀薄燃燒是發(fā)展的必然趨勢(shì)，而深度稀薄燃燒+超高壓縮比也將是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)終極形態(tài)。實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒還有很多路徑，首要問題就是從點(diǎn)火下手，例如prechamber（已經(jīng)在瑪莎拉蒂機(jī)型上量產(chǎn)），超高能點(diǎn)火，甚至壓燃（可以看做是多點(diǎn)起火）。其次，就是EGR和增壓的再開發(fā)，從以往的降低排放、增加功率的角度，轉(zhuǎn)化為降低燃燒溫度，降低起燃組分，減少爆震，增加充氣量的作用（這一點(diǎn)已經(jīng)在馬自達(dá)黑科技的skyactiveX上以機(jī)械增壓的形式出現(xiàn)），而中冷EGR會(huì)有更多的開發(fā)潛力。此外，為了穩(wěn)定稀薄燃燒，良好的油氣混合成為了重點(diǎn)，從混得好排放少的思路，將會(huì)全面轉(zhuǎn)變?yōu)闉樯疃认”∪紵?wù)，穩(wěn)定均質(zhì)混合氣以及火焰?zhèn)鞑ニ俣?，超高壓噴射未來高達(dá)1000bar的供給壓力已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)（目前德爾福已經(jīng)發(fā)布了500bar的供給系統(tǒng)）。新流場(chǎng)設(shè)計(jì)（渦流+滾流混合流場(chǎng)），分層當(dāng)量比燃燒深度稀薄燃燒路徑，也會(huì)是重要的發(fā)展方向。余熱方面，博格華納開發(fā)了廢氣余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)套件，以及E-turbo套件，在增加響應(yīng)的同事，實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)效率區(qū)間點(diǎn)高達(dá)7kW的回收發(fā)電，并且不影響后處理的前提下，將排溫溫度提高到1000℃以上。如果進(jìn)一步像電動(dòng)車一樣去算冬日整車效率，余熱排風(fēng)的能量來源是大大優(yōu)于熱泵空調(diào)的存在，整車的燃料熱效率將非?？捎^，加之尾氣后處理，整車的百公里1L油，0排放的目標(biāo)也就不難實(shí)現(xiàn)了。