在世界屋脊觀汽車動力的巔峰技術

許敏

2016年7月底，正值盛夏酷暑，來到風景秀麗、氣候宜人的世界屋脊西藏拉薩，和眾多汽車媒體專業記者們以及沃爾沃技術專家們一起，體驗搭載了沃爾沃最新“Drive-E”發動機的SUV XC60，暢談未來汽車發動機的技術發展趨勢，頗有登峰遠眺的奇妙感受。

幾十年來，汽車尖端技術研發一直聚焦于兩大主題，節能與減排。未來10年內，世界各國油耗和排放法規都將進一步加嚴，給各大主流汽車企業帶來越來越嚴峻的挑戰。

從油耗法規上看，到2020年，歐盟針對乘用車的CO2排放將控制在95g/km（約為4.1L/100km），日本針對乘用車的CO2排放將控制在105g/km（約為4.5L/100km），美國針對乘用車的整車油耗將控制在5.5L/100km。中國正在實施的第四階段油耗法規規定，到2020年乘用車平均油耗限值為5L/100km ，屆時中國的油耗限值將比肩歐美日。到2025年，中國將會進一步加嚴油耗限值，乘用車油耗可能限制為4 L/100km。

從排放法規上看，中國也在不斷趕超歐美。歐盟將從2017年開始，實行新的歐六c排放法規，美國將從2017年開始，實行第三階段排放法規（Tier3）。中國也將從2017年開始，全面實行新的國五排放法規，并且不斷加速法規更新步伐。2020年，中國將實行國六a排放法規。2023年，中國將實行國六b排放法規。國六b排放法規不但各排放物限值會比歐六c還嚴格，而且將采用全新的、更為嚴苛的WLTC測試循環（類似美國測試循環），可能會成為最難的排放法規。

所以，預計2025年前后，中國的油耗和排放法規將走在世界最前沿，驅動全球汽車發動機技術革新。同時中國將繼續保持汽車產銷第一大國的地位，國際主流汽車企業和發動機技術研發公司將針對中國市場需求開發最新技術和產品，在中國市場首發。中國自主品牌企業將失去可跟隨的國外先進技術路線和產品，必須通過自主創新同步達到最嚴格的法規要求。

形勢如此嚴峻，如何應對？是繼續研發和采用更多內燃機的節能環保新技術，并適度采用混合動力技術來不斷優化傳統動力系統，還是選擇徹底放棄傳統內燃機，用基于電動車技術的新能源汽車來完全取代？我們處在一個關鍵的十字路口。

近年來，圍繞如何提高發動機熱效率、降低機械損失、采用電氣化手段降低整車油耗，各汽車公司和研發機構開發出眾多新技術，例如，提高熱效率可以采用大角度VVT+Atkinson循環、快速燃燒系統、高壓縮比、大流量低壓冷卻EGR、350bar直噴、可變氣門升程VVL、可變壓縮比等技術；降低機械損失可以采用增壓減缸小型化、DLC涂層、可變排量機油泵、新一代活塞和活塞環涂層、缸孔涂層、低黏度機油等；電氣化可以采用電子水泵、電子機油泵、電子節溫器、12V啟停系統、48V輕度混合系統、電子增壓器、停缸、混合動力、插電式混合動力等技術。眾多技術路線效果各有千秋，成本千差萬別，并且技術成熟度也有所不同。合理選擇技術路徑的組合，既能夠滿足油耗和排放法規的嚴格要求，又能夠將成本增長控制在用戶可接受范圍內將是未來主機廠面臨的重要挑戰。

進入新世紀以來，地球溫暖化和大氣污染成為舉世矚目的熱門話題，各國油耗和排放法規逐年加嚴，催生出一系列的新技術和新產品，評價發動機技術先進性的行業發動機評選變得格外引人關注。沃德十佳發動機評選在北美市場影響力巨大，代表北美市場的風向標。

增壓、減缸、減排量是北美市場的大趨勢，中型車以四缸渦輪增壓發動機代替六缸自然吸氣發動機，大型車以六缸渦輪增壓發動機代替八缸自然吸氣發動機。小排量增壓發動機整車油耗優勢明顯，并且動力性不減。混合動力和純電動逐年增加，混合動力采用的發動機均為小排量自然吸氣發動機。采用電氣化技術后，整車油耗有大幅度的改善。

“中國心”年度十佳發動機評選是與北美的沃德十佳發動機評選和歐洲的國際年度發動機評選齊名的世界三大發動機評選之一，代表中國市場發動機技術趨勢及制造水平。在中國市場上，1.6L以下小排量渦輪增壓發動機成為主流，2.0L左右排量成為中型車主要動力，自然吸氣發動機越來越少，混合動力在市場已嶄露頭角，未來將成為一種趨勢。小排量有利于降低整車油耗，經濟型車油耗集中在6～8L/100km，中型車油耗集中在7～10L/100km。

沃爾沃發動機成為增壓小型化發動機的典范，近兩年均成功評選為沃德十佳發動機和"中國心"十佳發動機，并且動力性占據絕對優勢。

縱觀國內外發動機技術發展趨勢，針對國六排放及下一階段油耗法規，筆者認為，有三條技術路線值得重視：增壓小型化技術路線，提高發動機熱效率技術路線和提高電氣化水平技術路線。

增壓小型化技術路線

發動機匹配增壓器后，可以大幅增加發動機的動力性，這樣較小排量的發動機就可以達到原來大排量發動機的動力性，使汽車的加速性和最大車速不受影響。但是在車輛大部分行駛工況的中低速中小負荷范圍內，小排量發動機比大排量發動機工況點更接近省油區域，車輛更省油。

發動機增壓小型化的核心零部件是渦輪增壓器（機械增壓器匹配較少），可以說渦輪增壓器的技術水平會直接影響發動機增壓小型化后的效果。

經過多年的發展，渦輪增壓器技術有了長足的進步，從最初的簡單增壓系統，到后來的中冷增壓系統，直至目前采用的低慣量轉子增壓器、單渦輪雙渦管增壓器、VTG變截面增壓器等，增壓比一直呈上升態勢，目前大部分增壓發動機增壓比都在1.5～2.0左右。增壓比直接影響發動機增壓小型化的程度，而且未來隨著技術的進步，增壓比有可能會進一步提高。所以，增壓發動機也會朝著深度小型化方向發展，來獲取更大的節油效果。

提高發動機熱效率技術路線

提高發動機熱效率是發動機開發過程中永恒的主題，近10年來提高發動機熱效率的手段很多，從最初的VVT、可變截面進氣歧管等技術發展到目前采用的高壓縮比（12以上）、雙段VVL、Atkinson循環、缸內直噴等技術，發動機的熱效率也能夠從原來的32%左右提高到目前的38%。

未來，眾多新技術的采用，例如大流量低壓冷卻EGR技術、連續VVL技術、停缸技術、快速燃燒技術、350bar高壓直噴技術等，并且隨著降摩擦技術的進一步發展，會進一步提高發動機的整體熱效率，直接帶來整車油耗的大幅度降低，單純依靠發動機改進實現第四階段油耗目標完全有可能。

提高電氣化水平技術路線

在發動機眾多運行工況中，只能在中等轉速中等負荷工況區域實現最佳油耗，即省油工況，其余大部分工況的油耗會大大增加，但車輛行駛過程中，工況變化非常大，大多數情況下，并不能使發動機工作在省油工況范圍內。發動機或動力總成電氣化的目的就是利用電氣及電子技術，調整發動機工作工況，使其盡量工作在油耗低的工況內。

發動機電氣化程度不同，能夠調節發動機工況的水平也不同，當然復雜程度也不同。從簡單到復雜依次可采用12V啟停系統、48V混動系統、輕度混合動力系統、深度混合動力系統（HEV）、插電式深度混合動力系統（PHEV）。

12V啟停系統實現最為簡單，只需加大啟動電機功率和增加電瓶容量，車輛行駛過程中，能夠在臨時停車時關閉發動機來消除怠速油耗，預測能夠降低3%～5%的整車油耗，這是多數廠家推出的新發動機的標配技術。

48V混動系統未來兩年內會在歐洲市場廣泛采用，48V混動系統需將電池系統加大至48V并加大容量，同時配備BSG電機或ISG電機作為發動機輔助動力源來參與驅動。48V混動系統實現也較為容易，因其電壓仍在安全電壓下，所以仍可采用低壓電力標準，但在48V電壓下，配備10～12kW電機成為可能，這樣不但可以實現啟停，還可以實現電動助力、能量回收、電動巡航、發動機負荷點轉移等功能，預測能夠降低10%～15%的整車油耗。而且，在48V電力系統下，整車原用電單元均可升至48V以獲取進一步節油效果，例如：大燈、電子空調、電子水泵等。48V混動系統具有明顯的性價比優勢，與更高級的高電壓混動系統相比，只有30%的成本，卻能實現70%的節能減排效果，對價格敏感的中國市場尤其合適。

輕度混合動力系統需采用60V以上的高電壓電池系統，電機功率也可以進一步加大，輕度混合系統除了能夠實現啟停、電動助力、能量回收、電動巡航以外，動力輔助程度更高，可以提高發動機負荷點轉移效果，更大程度實現動力輔助，但輕度混合動力系統由于動力耦合方面的限制，不能完全實現全方位的動力輔助驅動。

深度混合動力系統（HEV）需要采用較為復雜的高電壓電池系統和更大功率的電機，深度混動系統可以實現任意比例的電機-發動機扭矩耦合，可以實現全方位的動力輔助驅動，保證發動機大部分情況下都運行在省油工況。

插電式混合動力系統（PHEV）除具備HEV的功能外，增大了電池組的容量，使其可以利用普通電源充電，這樣可保證汽車能夠進行一定公里數的純電驅動行駛，其綜合油耗可以進一步降低。

不斷提高動力總成電氣化水平對降低整車油耗作用非常大，但受制于成本、技術、專利、國家政策等等因素，主機廠在特定的階段應當選擇能夠滿足法規要求的，高性價比方案，使其產品具備成本優勢。

沃爾沃Drive-E是增壓小型化典范

這次活動上亮相的沃爾沃Drive-E 系列發動機是增壓小型化的典范。其汽油機系列，均采用同一種架構（相同缸間距、缸徑及沖程），通過匹配不同的增壓器來獲得不同的動力，達到功率扭矩分級的目的。

Drive-E 系列發動機采用了很多上述的先進節能減排技術，例如：電氣化、渦輪增壓和雙增壓、中置直噴、大角度雙VVT、電子水泵、可變流量機油泵、智能活塞冷卻噴嘴、低張力活塞環、DLC涂層挺柱和活塞銷、涂層缸套、PVC涂層活塞、低黏度潤滑油等，這些先進技術使其具備相當優異的性能表現。以配備渦輪增壓的沃爾沃T5發動機為例，相比同級別發動機，具備明顯優勢。

下圖是沃爾沃T5發動機（2.0L排量）萬有特性和某2.0L先進渦輪增壓直噴發動機萬有特性，從圖中可以看出T5發動機有明顯的扭矩和油耗優勢。

最大扭矩方面，在中等轉速區域，沃爾沃T5發動機比某2.0L直噴增壓發動機要高10Nm左右。而且在高轉速大扭矩區域，沃爾沃T5發動機扭矩保持性非常好，扭矩并未隨發動機轉速升高而下降明顯。這使其整車具備強勁的高速行駛能力和高速加速能力。

低速扭矩方面，沃爾沃T5發動機增速相比某2.0L直噴增壓發動機要快很多，沃爾沃T5發動機1500rpm時就可以獲得310Nm左右的扭矩，而某2.0L直噴增壓發動機1500rpm只有250Nm左右的扭矩。這使其整車具備強勁的起步加速及中低速加速能力。

油耗方面，沃爾沃T5發動機具備更寬泛的經濟油耗區域，以燃油消耗率260g/（kW﹡h）為例，沃爾沃T5發動機覆蓋的轉速為1000rpm～5000rpm，覆蓋的扭矩為70Nm～300Nm；某2.0L直噴增壓發動機覆蓋的轉速為1400rpm～4500rpm，覆蓋的扭矩為130Nm～300Nm。同時在小負荷區域，沃爾沃T5發動機相比某2.0L直噴增壓發動機燃油消耗率要低30g/（kW﹡h）左右。這些優良的發動機油耗表現使其整車具備更低的綜合油耗，如沃爾沃XC60 ，整車綜合油耗僅為6.9L，在同級別SUV中油耗最低。

沃爾沃Drive-E系列發動機的開發，不像其它車企那樣受企業歷史包袱拖累。他們擯棄用多機型來匹配多車型的傳統做法，雖然屬于豪華品牌，大膽放棄V型結構，采用單一排量2.0L直列四缸的基本機型，加上不同等級的增壓技術和不同節能環保技術組合的技術模塊，來涵蓋其所有新車型的動力需求。大大減少了研發時間和成本、集中資源打造精品發動機、確保產品的性能和質量，同時由于高度模塊化和通用化，使產品的制造成本大幅降低。采用合理的節能環保技術組合來滿足最苛刻的法規要求，并預留未來進一步優化的空間，其獨特的單一排量平臺設計和制造，保障了最佳制造質量和最優性價比。目前，各主流汽車企業，正在為下一代汽車發動機開發做準備，以滿足更為苛刻的油耗和排放法規要求，沃爾沃Drive-E系列發動機開辟了寶貴的先河，必將引領新一輪的研發理念和潮流。