中国乘用车发动机未来发展方向研究

2021-09-10范英杰

内燃机与配件 2021年15期

范英杰

摘要：本文介绍了目前中国的乘用车油耗及排放法规、乘用车市场的现状及发展趋势。分析了影响发动机油耗及排放水平的相关因素，重点分析了为适应未来油耗及排放法规要求的发动机技术升级方向与路线并进行了总结。

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.

關键词：油耗;排放;发动机;技术升级路线

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

中图分类号：U461.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0180-02

0 引言

在节能减排、减少对石油依赖等多重因素推动下，中国实行了严格的油耗与排放法规。2020年7月1日起，所有生产、销售、进口、注册登记的汽车都必须符合国Ⅵa标准，而更为严格的国Ⅵb排放法规将在2023年7月1日开始实施。2021年7月1日开始，将实施新一轮的油耗标准，即第五阶段油耗标准，该标准要求到2025年车企生产的乘用车平均油耗降至4L/100km。在油耗与排放法规双重压力下，中国的新能源汽车发展势头迅猛，新能源汽车2020年销量为136.7万辆，其中纯电动汽车销量为111.5万辆，PHEV销量为25.1万辆。但纯电动汽车在充电与续航方面仍存在技术瓶颈，混合动力汽车因价格及保养问题，目前较难实现大规模应用，因此在未来5-10年中，传统燃油车仍然是市场上的销售主力。

传统燃油车中，整车油耗与排放很大程度上取决于发动机技术水平。为应对日趋严格的油耗与排放法规，各车企纷纷对发动机进行了技术升级。接下来对中国乘用车发动机未来技术升级的方向进行分析研究。

1 与发动机油耗相关因素分析

当前市场在售车型的发动机排量、技术、配置等都不尽相同。一般比较同等级别、相同排量、相同类型（同为增压或自吸，变速器类型相同等）的车型油耗，来间接对比发动机的油耗水平。但该种方法有时无法真实反映发动机的油耗，因为车辆重量、传动系统效率、ECU及TCU标定风格及水平等都对整车的油耗有一定影响。

排量是影响发动机油耗的一个因素。如同一企业同一平台的发动机，在其他配置及技术条件都相同的前提下，排量越大，其油耗越高。但大排量发动机输出功率与扭矩也较大。排量固定前提下，其他技术配置都相同时，增压机型的油耗一般都高于自然吸气发动机。增压发动机进入汽缸中的空气量要高于自然吸气发动机，故发动机每一工作循环的喷油量也高，造成其油耗升高。但增压机型的输出功率与扭矩也较大。对发动机油耗影响最大的因素为发动机的热效率。发动机热效率越高，油耗越低。影响发动机热效率的参数主要为：①压缩比。发动机压缩比越高，发动机热效率越高，这也是为何柴油机的热效率普遍高于汽油机的原因。②发动机工作循环方式。采用米勒循环或阿特金森循环的发动机，其膨胀比大于压缩比，也可提升发动机热效率[1]。③发动机摩擦损耗。发动机摩擦损耗越大，热效率越低，故目前很多高热效率发动机都通过降低摩擦副的损耗来提升热效率[2]。④发动机所带附件多少。发动机轮系所带附件越多，发动机损耗功越高，部分发动机通过采用电子水泵、电子压缩机等电气化部件来降低发动机的前端轮系损耗，以提升发动机的热效率。

2 与发动机排放相关因素分析

发动机的排放是各大车企重点关注领域。一款发动机排放性能的好坏关系着其最终开发成本，与车企利润相关。若发动机原始排放优异，则发动机在废气后处理方面可节省大量成本。若发动机原始排放较差，则发动机可能需用两级催化及增加GPF等后处理装置来满足排放法规，这会使车企为之付出更高的成本。因此，车企发动机开发都以达成更优的原始排放为目标。

发动机原始排放与发动机的缸内燃烧情况密切相关。而发动机缸内燃烧情况又受发动机喷油方式、喷油压力、发动机工作循环模式、燃烧室设计、点火系统能量等因素影响。

发动机的喷油方式目前分为进气道喷射与缸内直喷两种。进气道喷射虽然使混合气混合较好，但其无法实现多次喷施、分层喷射等，故进气道喷射发动机无法实现稀薄燃烧及分层燃烧等燃烧方式，不利于提升发动机的排放。通过缸内直喷，将燃油喷入燃烧室中，利于发动机精确控制喷油时刻及喷油规律等，可极大提升发动机排放性能。除喷油方式外，喷油压力也影响发动机排放性能。喷油压力越高，燃油雾化越好，则缸内燃烧越好。

目前大部分发动机都采用奥托循环方式工作。若发动机采用米勒循环或阿特金森循环+废气EGR的工作方式，可显著降低发动机油耗及氮氧化物排放。好的燃烧室设计可提升发动机滚流及湍流等气流组织能力，此外，分层燃烧、预混燃烧及压燃等燃烧方式的实现也需要进行对应的燃烧室设计，因此，燃烧室设计与发动机排放关系密切。此外，要想实现发动机稀薄燃烧等燃烧方式，点火系统必须有极高的点火能量，如此才能保证发动机稳定点火。

总之，发动机原始排放主要还是与发动机喷油系统及燃烧系统相关。整车最终排放虽与车重等因素也强相关，但发动机的原始排放还是影响整车最终排放最重要的因素。

3 中国乘用车发动机未来发展方向分析

在油耗与排放法规及新能源汽车等多重因素影响下，中国乘用车发动机未来发展方向如下：

3.1 小排量

排量越小，发动机的油耗越低、发动机的尺寸越小、汽车的车船税越低。在上文中已分析过发动机油耗与排量的关系，除油耗外，多家车企的新能源路线中都制定了不再生产纯燃油车的时间节点，届时将全部生产混合动力汽车与纯电动汽车。混合动力汽车增加了电驱动相关零部件，因此对机舱空间要求很高，这就需要发动机尺寸越紧凑越好。此外，根据我国汽车税收政策，1.6L排量以下发动机税费明显降低。在各种因素影响下，目前国内各主流车企开发的发动机都以小排量为主：2020年“中国心”十佳发动机榜单中有7款发动机为1.5L排量，包括红旗、吉利、长安、比亚迪、上汽等的1.5T发动机。此外，根据各车企发布的动力产品规划来看，未来依然以开发小排量发动机为主，多数车企都发布了针对旗下1.5L发动机进行技术升级的信息及新型小排量发动机开发的计划。

3.2 增压

增压可以显著提高发动机的功率与扭矩。目前以国内的购车市场来看，用户对汽车的动力性要求极高，随着发动机排量的减小，想提升动力性，就必须依靠增压。目前各主流车企的小排量发动机基本都配备了涡轮增压系统，功率与扭矩都媲美甚至超过大排量发动机，如表1所示。在未来，各车企将继续对增压系统进行升级，如采用变截面涡轮增压器或电子涡轮增压器等，以进一步提升发动机的动力性并降低油耗。

3.3 高压缩比加米勒循环

众所周知，提高压缩比可显著提升发动机的热效率，但因汽油的理化性质，压缩比过高会加大发动机的爆震倾向。因此目前加大发动机的压缩比后都会采用米勒循环来降低发动机的爆震倾向，两者结合可降低发动机的油耗，但对发动机动力性有部分影响[3]。若想保证动力性不衰减过多，可以略微提升压缩比并采用轻度米勒循环;若对动力性要求不高，则可采用大压缩比加深度米勒循环的组合方式。

3.4 采用超高压直喷

目前市面上满足国6排放的发动机基本上都采用了350bar高压缸内直喷技术。理论上喷射压力越高，燃油的雾化越好，混合气混合越均匀，混合气燃烧时速度越快，燃烧越完全，排放物中颗粒物越少。目前马自达已率先采用了最高可达1000bar的高压直喷技术，未来国内发动机也将采用更高的燃油喷射压力来满足油耗与排放法规。

3.5 废气EGR

根據相关研究，发动机只增加EGR技术，可降低发动机氮氧化物的排放。在使用米勒循环及高压缩比的前提下增加EGR技术，不仅可降低氮氧化物排放，还可减轻发动机在高压缩比下的爆震倾向，即可进一步提升发动机的压缩比，提升发动机的热效率，降低发动机油耗。但使用EGR技术的缺点在于该技术将提升发动机的成本，一套EGR系统至少要使发动机的成本增加数百元甚至上千元人民币。

3.6 附件电气化

发动机的机械水泵、机械压缩机等要消耗发动机的功率。目前电子压缩机与电子水泵等技术已发展较为成熟。将这些附件电子化，传统发动机不需要再通过皮带去驱动相关零部件，可降低发动机的摩擦损耗，最终降低发动机的功率损耗，提高发动机的热效率，降低发动机油耗。

3.7 采用新的废气后处理技术

排放法规愈来愈严，在后处理中增加GPF等装置，也是一条达成排放法规要求的路线，且该方法研发难度低，不需对发动机的技术做太多升级，仅需付出成本。

4 结语

综上所述，中国发动机未来发展方向为小排量增压、高压缩比+米勒循环、高压缸内直喷、废气EGR、附件电气化及新的废气后处理技术，以此来满足愈来愈严的油耗及排放法规并抵挡来自新能源汽车的冲击。

参考文献：

[1]付中伟，滕勤，刘青林.阿特金森/米勒循环发动机的技术与应用[J].小型内燃机与车辆技术，2017，46（05）：75-82.

[2]张敬东.摩擦功对内燃机油耗的影响因素分析与试验验证[J].内燃机与配件，2017（16）：38-40.

[3]智鑫，宁智，吕明，李岳.基于油耗的米勒循环与高压缩比相关性研究[J].车用发动机，2019（05）：16-21.

[4]范岚岚，刘冰，姜峰，姚章涛，郭磊.发动机辅助制动满足机动车运行安全条件的对策和未来发展趋势[J].重型汽车，2018（03）：24-26.

[5]王斌，肖翼，劉鋒.从自适应循环发动机看未来航空发动机控制技术发展[J].航空动力，2019（03）：48-51.