未来世界汽车发动机技术的发展蓝图

未来，世界汽车发动机技术的发展趋势如何？本文总结了来自世界各地，多名学术专家、行业带头人的精辟观点。

传统发动机在燃油经济性方面还有很大潜力

美国桑迪亚国家实验室发动机燃烧实验室主任 Paul Miles博士

不要一味否定传统发动机，多元化的技术路线才是正解。

传统燃油汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车都有各自的优劣势。未来汽车行业的发展有很多不确定性，但我个人坚信，传统发动机在未来仍有很大优势。

燃油经济性方面，传统发动机还有很大的潜力。目前我们已经拥有很多技术，可以用来提升传统发动机的燃油经济性，例如缸内直喷、涡轮增压、集成排气歧管、高效热管理系统等。未来，随着更加严苛的排放法规和燃油经济性标准，我们需要更多的“黑科技”。稀薄燃烧、超稀薄燃烧技术将会成为减少污染物排放最有利的帮手。

目前碳排放方面，传统发动机与纯电动力系统在现实中的表现不完全是我们认为的那样，原因在于目前世界范围内煤电依然占有很大比例。如果我们在现阶段大量投入纯电动车型，在不增加额外的核电、天然气发电等清洁能源发电设施的前提下，纯电动车型的大量普及在某种程度上来说，依然会加剧碳排放。

所以，每个国家都应当根据自身实际情况制定相应目标，不要一味否定传统发动机，多元化的技术路线才是正解。

日本发动机研究方向——提升热效率

日本千叶大学教授 Yasuo Moriyoshi

下一阶段日本各家车企将会挑战51%的热效率目标。

未来，日系企业对于传统发动机的研发仍旧不会放缓脚步，提升传统发动机热效率是日系企业的最终目标。想要把热效率从目前的37%～41%提升到45%，需要很多新技术的帮助。例如可变压缩比、HCCI(均质充量压燃)、高效热管理、燃油喷射系统、混合动力系统等。

丰田公司和本田公司，未来在传统发动机技术方面的主要方向是混合动力系统。丰田的THS-II和本田的iMMD混合动力系统使传统发动机的热效率都突破了40%。日产公司则采用可变压缩比技术，压缩比可在8：1～14：1间随时切换，保证各个工况点，车辆都有着良好的动力性和经济性。此外，日产公司最新推出的E-Power技术则采用了另外一种技术路线，马自达公司除了最新推出的SKY ACTIV X，还将会推出全新一代的SKY ACTIV D/G。虽然日系企业采用的技术路线各不相同，但他们的目标一致。提高传统发动机热效率是大家共同追求的目标，下一阶段各家企业将会挑战51%的热效率目标。

为了提升日系企业相对于欧美竞争对手的竞争力，加快行业、产业的发展，日本推行了“政府合作计划”。经过5年的筹备，“政府合作计划”于2019年开始实施。“政府合作计划”可以使企业、学校和政府间的合作、交流变得更加通畅和紧密。

发动机及燃油喷射技术的未来发展趋势

意大利佩鲁贾大学教授 Michele Battistoni

未来发动机燃烧系统在设计上将应用新型缸内燃油喷射和点火技术。

未来发动机燃烧系统在设计上将应用新型缸内燃油喷射和点火技术。在欧洲，目前对整机的运行工况已经有了清醒的认识，在传统发动机中，一些极限工况，如冷启动、城市低速低负荷以及高温高负荷是当前发动机技术需要关注的要点，可以利用电气化技术将发动机运行在最佳工况点。

一些最新的技术可以应用在新的燃烧系统中。高压喷射技术高达1 000bar(1bar=105Pa)的压力可以极大增强雾化，提升局部湍流度，增强混合，增强快速燃烧。目前，很多高温工况点为了避免爆震，利用加浓的燃烧策略使得发动机经济性以及效率并不高，而新的喷水技术利用水蒸气降温，降低燃烧温度，减少爆震发生，燃烧系统可以进一步提前点火时刻以及降低空燃比，增加效能。预混室点火系统设置一个预先点燃的火焰喷射系统，将火焰喷射到燃烧室中，可以极大增加燃烧速度，降低爆震倾向，并且这种燃烧模式可以极大提升稀薄极限。电晕点火可以区别于普通的火花塞点火方式，利用等离子体点火实现深度稀薄燃烧，降低燃烧温度。在喷油方式上，一些新型的喷射技术以及喷雾模型，如超临界喷雾，可以实现瞬间汽化，大幅度增加雾化程度。

未来发动机技术：二氧化碳和尾气近零排放

韩国首尔国立大学先进机械和设计研究院主任 Kyoung Min教授

2030年，我们要实现50%的热效率和降低90%的排放。

根据专业机构的预测，2030年，全世界传统发动机车型仍旧占比65%、混合动力车型占比28%、纯电动车型仅占比7%。

在日本，2030年传统燃油车型占比30%～50%，“新世代”车型占比50%～70%(混动系统车型占比30%～40%、电池电动汽车占比20%～30%、燃料电池汽车占比3%、清洁柴油汽车占比5%～10%)。在美国，2030年燃料电池汽车占比1%、电池电动汽车占比9%、插电式混合动力汽车占比8%、混合动力汽车占比41%、传统燃油车依然占比41%。欧洲由于受到严苛排放法规的限制，2030年传统燃油车将彻底被禁售。混合动力汽车将成为占比68%的销售主力、插电式混合动力汽车占比11%、电池电动汽车占比19%、纯电动汽车占比2%。中国市场同样面临着法规的限制，2030年传统燃油汽车占比20%、混合动力汽车占比41%、插电式混合动力汽车占比7%、燃料电池汽车占比1%、受到政策的帮助电池电动汽车占比将会达到31%。

2030年，我们要实现50%的热效率和降低90%的排放。提高热效率有各种各样的方式，为此需要推进汽车电气化发展。提高热效率的同时也能够起到降低排放的作用。使用中性燃料可实现可再生能源的利用，我们希望通过这样的方法抵消其他来源的二氧化碳，以此平衡二氧化碳的总排放量。对于汽车行业的发展，无论使用哪种技术，或是采用哪种路线，我们的目标都是统一的——实现更低的二氧化碳和尾气排放，甚至是零排放。

中国乘用车汽油机2020～2035年发展规划预测

同济大学教授、中国内燃机工业协会汽油机规划组副组长 李理光

2025～2030年，我国传统发动机热效率将会迈向45%～50%。

2030年，为了实现全球温升低于2℃的目标，要求二氧化碳总排放量必须小于3.2万亿吨，为此全球196个国家签署了巴黎协定。2030年，中国乘用车市场碳排放目标要达到减少61%。

目前，我国个别自主品牌在实验室环境下已经可以实现汽车发动机48%～49%的热效率。未来3年，我国自主品牌传统发动机的热效率都将会迈向42%；2025～2030年，传统发动机热效率将会迈向45%～50%。

要想实现这些近期、中期、长期的目标离不开技术的支持。近期阿特金森循环/米勒循环、高压缩比(13：1)、350bar直喷系统、高能点火、EGR(废气再循环)、热管理技术、低黏稠度机油(XW-20)是主要技术路线；中期阿特金森/米勒循环、高压缩比(15：1)、500bar直喷系统、可变压缩比、稀薄燃烧、点火辅助压燃、AI与智能控制技术、高能点火、附件全部电气化、热管理技术、稀薄燃烧后处理技术、低黏稠度机油(XW-16)、碳中性燃料将会成为最有利的帮手；后期阶段将会依靠压燃、超稀薄燃烧、超高压缩比、1 000bar直喷系统、智能燃烧反馈控制、AI与智能控制技术、氧气燃料、压燃燃料、零排放后处理技术、低黏稠度机油(XW-8)、绝热技术、余热回收技术等这些目前还处于实验甚至是概念阶段的技术。

电驱动浪潮下涡轮增压器的挑战

奕森科技研发副总裁 顾茸蕾

面对涡轮增压器与发动机的匹配问题，双流道涡轮增压器与可变截面涡轮增压器成为解决方案。

现在，发动机热效率每提升1%～2%对于研发来说都是非常大的挑战，因此涡轮增压器与发动机的匹配显得更加重要。使用小涡轮对发动机的动力性有一定的影响，大涡轮在低速扭矩方面的效果又不是很好，这些问题每家车企都会遇到。

解决方案之一，双流道涡轮增压器。双流道涡轮增压器在高速时可提高流量，低速时也能够提供较好的低速扭矩输出。这种技术目前已经成为很多企业的解决方案，只不过相比传统单流道增压器成本会有一定的增加。

解决方案之二，可变截面涡轮增压器。可变截面涡轮增压器在很多超跑车型上已经得到了应用，导向叶片在低速与高速时都可以通过控制开口面积满足当下状态的需求。相比双流道，可变截面技术的应用将会大幅提升增压器的响应，使发动机动力输出和经济性方面的表现更好，但由于受到技术的限制，可变截面涡轮增压器的成本一直居高不下。

面对不同的发动机需求，涡轮增压器也不是恒久不变的，例如高热效率的混合动力车型、插电式混合动力车型等也需要选择一款更加适合的涡轮增压器。相比传统发动机的涡轮增压器与混合动力车型匹配的增压器需要更高的效率。为了提高效率，转子叶片需要设计得非常轻薄，同时还需要满足零部件强度的要求。

传统汽车和新能源汽车热管理

集成化、模块化的热管理系统解决方案能满足更多、更高的需求。

随着发动机热效率的逐步提升，稀薄燃烧对发动机热管理系统提出了更高的要求。这将会彻底改变整个热管理系统，同时给热管理零部件带来很大的影响。

稀薄燃烧可能会带来高增压、EGR(废气再循环)，热负荷在不断提高，但空间又在不断缩小。我国油耗法规要求2020年达到5L/100km，接下来还有更加严苛的法规。其

中对温控的要求也更高，以前汽车温控系统的功能以冷却为主，现在则需要将各套系统始终控制在最佳工作区间。之前传统乘用车大部分采用自然吸气方式，涉及的部件只有换热器和水箱；现在随着小排量增压成为主流，汽车上越来越多地的用到EGR(废气再循环)技术，以降低油耗。另外，用排气提高油温或水温的余热回收系统将加热的阶段尽可能缩短，降低了实际运行中车辆的油耗，同时降低排放。尤其是混合动力系统，因为混合动力系统发动机启停非常频繁，余热回收系统的作用更能发挥出来。纯电动车型有很多电控和电动部件，包括电子水泵、电子水阀、空调系统，也需要传统的冷却。夏天的时候水温较高，所以我们采用了电池深冷器模块，它与水泵集成在一起。

不断提高的需求，使热管理系统需要迎接更多的挑战，只有集成化、模块化的解决方案才能满足更多、更高的需求。