evo技术频道？？在世界屋脊观汽车动力的巅峰技术——浅谈汽车发动机面临的节能减排

来源：互联网
|
2017-02-18
|
0 条评论
|
T小字　 T大字

　　2016年7月底，正值盛夏酷暑，来到风景秀丽、气候宜人的世界屋脊西藏拉萨，和众多汽车媒体专业记者们以及沃尔沃技术专家们一起，体验搭载了沃尔沃最新“Drive-E”发动机的SUVXC60，畅谈未来汽车发动机的技术发展趋势，颇有登峰远眺的奇妙感受。

　　几十年来，汽车尖端技术研发一直聚焦于两大主题，节能与减排。未来10年内，世界各国油耗和排放法规都将进一步加严，给各大主流汽车企业带来越来越严峻的挑战。

　　从油耗法规上看，到2020年，欧盟针对乘用车的CO2排放将控制在95g/km（约为4.1L/100km），日本针对乘用车的CO2排放将控制在105g/km（约为4.5L/100km），美国针对乘用车的整车油耗将控制在5.5L/100km。中国正在实施的第四阶段油耗法规规定，到2020年乘用车平均油耗限值为5L/100km，届时中国的油耗限值将比肩欧美日。到2025年，中国将会进一步加严油耗限值，乘用车油耗可能限制为4L/100km。

　　从排放法规上看，中国也在不断赶超欧美。欧盟将从2017年开始，实行新的欧六c排放法规，美国将从2017年开始，实行第三阶段排放法规（Tier3）。中国也将从2017年开始，全面实行新的国五排放法规，并且不断加速法规更新步伐。2020年，中国将实行国六a排放法规。2023年，中国将实行国六b排放法规。国六b排放法规不但各排放物限值会比欧六c还严格，而且将采用全新的、更为严苛的WLTC测试循环（类似美国测试循环），可能会成为最难的排放法规。

　　Drive-E发动机的模块化程度非常高

　　所以，预计2025年前后，中国的油耗和排放法规将走在世界最前沿，驱动全球汽车发动机技术革新。同时中国将继续保持汽车产销第一大国的地位，国际主流汽车企业和发动机技术研发公司将针对中国市场需求开发最新技术和产品，在中国市场首发。中国自主品牌企业将失去可跟随的国外先进技术路线和产品，必须通过自主创新同步达到最严格的法规要求。

　　形势如此严峻，如何应对？是继续研发和采用更多内燃机的节能环保新技术，并适度采用混合动力技术来不断优化传统动力系统，还是选择彻底放弃传统内燃机，用基于电动车技术的新能源汽车来完全取代？我们处在一个关键的十字路口。

　　近年来，围绕如何提高发动机热效率、降低机械损失、采用电气化手段降低整车油耗，各汽车公司和研发机构开发出众多新技术，例如，提高热效率可以采用大角度VVT+Atkinson循环、快速燃烧系统、高压缩比、大流量低压冷却EGR、350bar直喷、可变气门升程VVL、可变压缩比等技术；降低机械损失可以采用增压减缸小型化、DLC涂层、可变排量机油泵、新一代活塞和活塞环涂层、缸孔涂层、低黏度机油等；电气化可以采用电子水泵、电子机油泵、电子节温器、12V启停系统、48V轻度混合系统、电子增压器、停缸、混合动力、插电式混合动力等技术。众多技术路线效果各有千秋，成本千差万别，并且技术成熟度也有所不同。合理选择技术路径的组合，既能够满足油耗和排放法规的严格要求，又能够将成本增长控制在用户可接受范围内将是未来主机厂面临的重要挑战。

　　进入新世纪以来，地球温暖化和大气污染成为举世瞩目的热门话题，各国油耗和排放法规逐年加严，催生出一系列的新技术和新产品，评价发动机技术先进性的行业发动机评选变得格外引人关注。沃德十佳发动机评选在北美市场影响力巨大，代表北美市场的风向标。

　　增压、减缸、减排量是北美市场的大趋势，中型车以四缸涡轮增压发动机代替六缸自然吸气发动机，大型车以六缸涡轮增压发动机代替八缸自然吸气发动机。小排量增压发动机整车油耗优势明显，并且动力性不减。混合动力和纯电动逐年增加，混合动力采用的发动机均为小排量自然吸气发动机。采用电气化技术后，整车油耗有大幅度的改善。

　　“中国心”年度十佳发动机评选是与北美的沃德十佳发动机评选和欧洲的国际年度发动机评选齐名的世界三大发动机评选之一，代表中国市场发动机技术趋势及制造水平。在中国市场上，1.6L以下小排量涡轮增压发动机成为主流，2.0L左右排量成为中型车主要动力，自然吸气发动机越来越少，混合动力在市场已崭露头角，未来将成为一种趋势。小排量有利于降低整车油耗，经济型车油耗集中在6~8L/100km，中型车油耗集中在7~10L/100km。

　　沃尔沃发动机成为增压小型化发动机的典范，近两年均成功评选为沃德十佳发动机和中国心十佳发动机，并且动力性占据绝对优势。

　　纵观国内外发动机技术发展趋势，针对国六排放及下一阶段油耗法规，笔者认为，有三条技术路线值得重视：增压小型化技术路线，提高发动机热效率技术路线和提高电气化水平技术路线。

　　增压小型化技术路线

　　发动机匹配增压器后，可以大幅增加发动机的动力性，这样较小排量的发动机就可以达到原来大排量发动机的动力性，使汽车的加速性和最大车速不受影响。但是在车辆大部分行驶工况的中低速中小负荷范围内，小排量发动机比大排量发动机工况点更接近省油区域，车辆更省油。

　　发动机增压小型化的核心零部件是涡轮增压器（机械增压器匹配较少），可以说涡轮增压器的技术水平会直接影响发动机增压小型化后的效果。

　　经过多年的发展，涡轮增压器技术有了长足的进步，从最初的简单增压系统，到后来的中冷增压系统，直至目前采用的低惯量转子增压器、单涡轮双涡管增压器、VTG变截面增压器等，增压比一直呈上升态势，目前大部分增压发动机增压比都在1.5~2.0左右。增压比直接影响发动机增压小型化的程度，而且未来随着技术的进步，增压比有可能会进一步提高。所以，增压发动机也会朝着深度小型化方向发展，来获取更大的节油效果。

　　提高发动机热效率技术路线

　　提高发动机热效率是发动机开发过程中永恒的主题，近10年来提高发动机热效率的手段很多，从最初的VVT、可变截面进气歧管等技术发展到目前采用的高压缩比（12以上）、双段VVL、Atkinson循环、缸内直喷等技术，发动机的热效率也能够从原来的32%左右提高到目前的38%。

　　未来，众多新技术的采用，例如大流量低压冷却EGR技术、连续VVL技术、停缸技术、快速燃烧技术、350bar高压直喷技术等，并且随着降摩擦技术的进一步发展，会进一步提高发动机的整体热效率，直接带来整车油耗的大幅度降低，单纯依靠发动机改进实现第四阶段油耗目标完全有可能。

　　提高电气化水平技术路线

　　在发动机众多运行工况中，只能在中等转速中等负荷工况区域实现最佳油耗，即省油工况，其余大部分工况的油耗会大大增加，但车辆行驶过程中，工况变化非常大，大多数情况下，并不能使发动机工作在省油工况范围内。发动机或动力总成电气化的目的就是利用电气及电子技术，调整发动机工作工况，使其尽量工作在油耗低的工况内。

　　发动机电气化程度不同，能够调节发动机工况的水平也不同，当然复杂程度也不同。从简单到复杂依次可采用12V启停系统、48V混动系统、轻度混合动力系统、深度混合动力系统（HEV）、插电式深度混合动力系统（PHEV）。

　　12V启停系统实现最为简单，只需加大启动电机功率和增加电瓶容量，车辆行驶过程中，能够在临时停车时关闭发动机来消除怠速油耗，预测能够降低3%~5%的整车油耗，这是多数厂家推出的新发动机的标配技术。

　　48V混动系统未来两年内会在欧洲市场广泛采用，48V混动系统需将电池系统加大至48V并加大容量，同时配备BSG电机或ISG电机作为发动机辅助动力源来参与驱动。48V混动系统实现也较为容易，因其电压仍在安全电压下，所以仍可采用低压电力标准，但在48V电压下，配备10~12kW电机成为可能，这样不但可以实现启停，还可以实现电动助力、能量回收、电动巡航、发动机负荷点转移等功能，预测能够降低10%~15%的整车油耗。而且，在48V电力系统下，整车原用电单元均可升至48V以获取进一步节油效果，例如：大灯、电子空调、电子水泵等。48V混动系统具有明显的性价比优势，与更高级的高电压混动系统相比，只有30%的成本，却能实现70%的节能减排效果，对价格敏感的中国市场尤其合适。

　　轻度混合动力系统需采用60V以上的高电压电池系统，电机功率也可以进一步加大，轻度混合系统除了能够实现启停、电动助力、能量回收、电动巡航以外，动力辅助程度更高，可以提高发动机负荷点转移效果，更大程度实现动力助，但轻度混合动力系统由于动力耦合方面的限制，不能完全实现全方位的动力辅助驱动。

　　深度混合动力系统（HEV）需要采用较为复杂的高电压电池系统和更大功率的电机，深度混动系统可以实现任意比例的电机-发动机扭矩耦合，可以实现全方位的动力辅助驱动，保证发动机大部分情况下都运行在省油工况。

　　插电式混合动力系统（PHEV）除具备HEV的功能外，增大了电池组的容量，使其可以利用普通电源充电，这样可保证汽车能够进行一定公里数的纯电驱动行驶，其综合油耗可以进一步降低。

　　不断提高动力总成电气化水平对降低整车油耗作用非常大，但受制于成本、技术、专利、国家政策等等因素，主机厂在特定的阶段应当选择能够满足法规要求的，高性价比方案，使其产品具备成本优势。

　　沃尔沃Drive-E是增压小型化典范

　　这次活动上亮相的沃尔沃Drive-E系列发动机是增压小型化的典范。其汽油机系列，均采用同一种架构（相同缸间距、缸径及冲程），通过匹配不同的增压器来获得不同的动力，达到功率扭矩分级的目的。

　　Drive-E系列发动机采用了很多上述的先进节能减排技术，例如：电气化、涡轮增压和双增压、中置直喷、大角度双VVT、电子水泵、可变流量机油泵、智能活塞冷却喷嘴、低张力活塞环、DLC涂层挺柱和活塞销、涂层缸套、PVC涂层活塞、低黏度润滑油等，这些先进技术使其具备相当优异的性能表现。以配备涡轮增压的沃尔沃T5发动机为例，相比同级别发动机，具备明显优势。

　　下图是沃尔沃T5发动机（2.0L排量）万有特性和某2.0L先进涡轮增压直喷发动机万有特性，从图中可以看出T5发动机有明显的扭矩和油耗优势。

　　最大扭矩方面，在中等转速区域，沃尔沃T5发动机比某2.0L直喷增压发动机要高10Nm左右。而且在高转速大扭矩区域，沃尔沃T5发动机扭矩保持性非常好，扭矩并未随发动机转速升高而下降明显。这使其整车具备强劲的高速行驶能力和高速加速能力。

　　低速扭矩方面，沃尔沃T5发动机增速相比某2.0L直喷增压发动机要快很多，沃尔沃T5发动机1500rpm时就可以获得310Nm左右的扭矩，而某2.0L直喷增压发动机1500rpm只有250Nm左右的扭矩。这使其整车具备强劲的起步加速及中低速加速能力。

　　油耗方面，沃尔沃T5发动机具备更宽泛的经济油耗区域，以燃油消耗率260g/（kWh）为例，沃尔沃T5发动机覆盖的转速为1000rpm～5000rpm，覆盖的扭矩为70Nm～300Nm；某2.0L直喷增压发动机覆盖的转速为1400rpm～4500rpm，覆盖的扭矩为130Nm～300Nm。同时在小负荷区域，沃尔沃T5发动机相比某2.0L直喷增压发动机燃油消耗率要低30g/（kWh）左右。这些优良的发动机油耗表现使其整车具备更低的综合油耗，如沃尔沃XC60，整车综合油耗仅为6.9L，在同级别SUV中油耗最低。

　　沃尔沃Drive-ET6发动机

　　沃尔沃Drive-E系列发动机的开发，不像其它车企那样受企业历史包袱拖累。他们摈弃用多机型来匹配多车型的传统做法，虽然属于豪华品牌，大胆放弃V型结构，采用单一排量2.0L直列四缸的基本机型，加上不同等级的增压技术和不同节能环保技术组合的技术模块，来涵盖其所有新车型的动力需求。大大减少了研发时间和成本、集中资源打造精品发动机、确保产品的性能和质量，同时由于高度模块化和通用化，使产品的制造成本大幅降低。采用合理的节能环保技术组合来满足最苛刻的法规要求，并预留未来进一步优化的空间，其独特的单一排量平台设计和制造，保障了最佳制造质量和最优性价比。目前，各主流汽车企业，正在为下一代汽车发动机开发做准备，以满足更为苛刻的油耗和排放法规要求，沃尔沃Drive-E系列发动机开辟了宝贵的先河，必将引领新一轮的研发理念和潮流。