汽車動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢

陳海娥 付磊

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院）

汽車誕生100多年來，給人們的生活帶來了極大的方便性，也帶動了整個(gè)工業(yè)的發(fā)展。但隨著汽車數(shù)量的急劇增長，也造成了環(huán)境的壓力。為了滿足環(huán)境友好的目標(biāo)，汽車需要大幅減少形成溫室效應(yīng)的CO2排放和對人類身體健康有危害的顆粒物、NOx等尾氣排放。在嚴(yán)苛的法規(guī)壓力下，發(fā)動機(jī)是否還有未來呢？在2018國際發(fā)動機(jī)會議上多家汽車公司、咨詢公司發(fā)表了汽車傳統(tǒng)動力和新能源動力發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，對未來各種動力系統(tǒng)的預(yù)測各家的觀點(diǎn)不完全一致，但所有公司的共同觀點(diǎn)是幾條路線需要并行發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)還有繼續(xù)優(yōu)化的空間，發(fā)動機(jī)自身有望實(shí)現(xiàn)零排放。另一方面，各個(gè)公司也都在加大發(fā)展電動車、燃料電池車。一個(gè)新的現(xiàn)象是有很多研究結(jié)構(gòu)和大學(xué)在研究新型合成燃料，希望能從根本上解決發(fā)動機(jī)排放問題，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，還需要從技術(shù)上突破及降低成本。

1 汽車傳統(tǒng)動力-發(fā)動機(jī)的未來

1.1 發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢

發(fā)動機(jī)目前面臨的主要問題是CO2和成本之間的平衡及解決汽車使用當(dāng)?shù)丨h(huán)境排放問題。柴油機(jī)技術(shù)重點(diǎn)是解決尾氣污染物排放，主要側(cè)重發(fā)動機(jī)后處理器、溫度管理及精細(xì)策略上[1-6]。博世宣稱不需增加發(fā)動機(jī)硬件，只采用合理的技術(shù)手段就可以使柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)E6d排放。汽油機(jī)未來技術(shù)重點(diǎn)在降低油耗即CO2排放上，RDE排放也帶來一些難題。米勒循環(huán)、外部冷卻EGR、可變氣門升程、可變增壓、順序增壓、電動增壓、VCR、噴水、HCCI、超高噴油壓力、預(yù)燃室燃燒、絕熱等是比較有價(jià)值的技術(shù)。不同技術(shù)復(fù)雜度，對應(yīng)不同的發(fā)動機(jī)動力性和熱效率，見圖1。采用米勒循環(huán)、外部冷卻EGR和順序增壓，可以實(shí)現(xiàn)42%的熱效率及90kw/l的功率密度，見圖2。發(fā)動機(jī)未來的發(fā)展主要有兩種趨勢，一是高動力性和中等效率，二是高效率和中等動力性，前者的目標(biāo)是達(dá)到200kw/l，后者的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)45%的熱效率，見圖3。RDE排放除了要增加后處理器GPF外，也對發(fā)動機(jī)的高動力性帶來壓力。目前市場上的發(fā)動機(jī)在高速大負(fù)荷區(qū)域，因?yàn)榕艤睾捅鸬碾p重限制，通常都需要加濃，但未來為了滿足RDE排放可能要求全MAP空燃比1，假設(shè)使用95號汽油，采用米勒循環(huán)，渦輪前溫度限制980℃的情況下，只能實(shí)現(xiàn)60kw/l的功率密度。要實(shí)現(xiàn)70kw/l，需要采用順序增壓，中間冷卻。要實(shí)現(xiàn)80kw/l，需要采用VCR和VVL。要實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，需要采用其它降低爆震的措施，如外部冷卻EGR和噴水等技術(shù)，同時(shí)提高渦輪溫度限值也有幫助，如采用1050℃限值的渦輪，見圖4。

圖1 不同技術(shù)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)動力性[1]

圖2 發(fā)動機(jī)熱效率和動力性的平衡[1]

為了應(yīng)對未來進(jìn)行研究的技術(shù)有預(yù)燃室燃燒、超高噴油壓力等。AVL和IAV都發(fā)布了預(yù)燃室燃燒的成果，AVL的研究成果顯示，采用預(yù)燃室燃燒可以使2000rpm大負(fù)荷50%燃燒相位提前8℃A。采用1000bar超高噴油壓力后，和350bar噴油壓力相比，在不同轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況下，能提前50%燃燒相位5-10℃A。

圖3 未來發(fā)動機(jī)功率密度和熱效率的平衡[1]

圖4 全MAP空燃比1下發(fā)動機(jī)功率密度與技術(shù)措施[1]

今年共發(fā)布11款乘用車發(fā)動機(jī)（汽油機(jī)5款，柴油機(jī)4款，天然氣發(fā)動機(jī)2款），5款汽油機(jī)都是增壓直噴發(fā)動機(jī)，分別是寶馬的V8，奧迪的V6，F(xiàn)IAT的1.0L，1.33L兩個(gè)小型汽油機(jī)，起亞的1.6L汽油機(jī)。這些發(fā)動機(jī)大多是傳統(tǒng)車和混合動力車共用的。大眾繼續(xù)其天然氣戰(zhàn)略，已連續(xù)幾年推出不同排量的天然氣發(fā)動機(jī)，目前已推出1.0L，1.5L，2.0L三個(gè)排量的天然氣發(fā)動機(jī)，福特也做了天然氣的預(yù)研項(xiàng)目。發(fā)動機(jī)產(chǎn)品上采用的主要新技術(shù)有CVVL和冷卻EGR。通用宣布將于2019年投放市場采用動態(tài)停缸技術(shù)的車輛，4缸機(jī)上預(yù)計(jì)能降低油耗8%左右。通用還發(fā)布了3段式VVL，能降低油耗7.7%，該技術(shù)性價(jià)比很高。寶馬、大眾、奧迪和奔馳都發(fā)布了柴油發(fā)動機(jī)。鑒于歐洲一些城市限制柴油車，估計(jì)其柴油車的數(shù)量會繼續(xù)減少，但柴油機(jī)較低的CO2排放，還是有存在價(jià)值，尤其對大型SUV車型。

1.2 混合動力化

隨著法規(guī)的逐漸嚴(yán)苛，只采用傳統(tǒng)動力很難滿足要求，充分利用傳統(tǒng)動力并與新能源動力形成合力，提升整個(gè)系統(tǒng)效率是中期比較好的平衡策略[3-7]。另外，如果考慮從油井到車輪整個(gè)過程的能源消耗，混合動力車型也比較有競爭力，見圖5。

圖5 不同動力車型車上消耗能量和系統(tǒng)消耗能量對比（一個(gè)中型車200,000km混合里程，紅色線采用意大利能量系統(tǒng)）[8]

混合動力化可以利用傳統(tǒng)動力和新能源各自的優(yōu)勢，如針對尾氣污染物排放，在冷機(jī)及急加速過程采用48V或其它新能源動力，發(fā)動機(jī)只運(yùn)行在熱機(jī)及接近穩(wěn)態(tài)工況，從而可以實(shí)現(xiàn)接近零污染物排放；見圖6，再如針對油耗或CO2排放，可以在低速小負(fù)荷和高速大負(fù)荷采用或輔助新能源動力，保持發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行在高效率區(qū)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率，大大降低CO2排放，見圖7。

圖6-1 WLTP循環(huán)冷機(jī)和熱機(jī)排放比較[1]

圖6-2 WLTP循環(huán)冷機(jī)和熱機(jī)排放比較[1]

采用混合動力有望實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)長期的競爭力，并達(dá)成動力系統(tǒng)的整個(gè)生命周期綠色及可再生循環(huán)的終極目標(biāo)。但動力系統(tǒng)復(fù)雜化是個(gè)挑戰(zhàn)，需要積極準(zhǔn)備做好技術(shù)應(yīng)對。

1.3 新型燃料

很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在研究可持續(xù)再生的新能源系統(tǒng)，德國某大學(xué)通過實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)顯示C1類燃料DMC+（Dimethyl carbonate）[2]，除了具有較高的熱效率，還表現(xiàn)出非常低的顆粒排放及其它尾氣排放，具有成為2030年以后未來發(fā)動機(jī)綠色燃料的潛力。德國亞琛大學(xué)也發(fā)布了歐洲到2050年降低60%CO2（與1990年比）的各種措施，預(yù)測可再生能源將會起到12%的貢獻(xiàn)。通過費(fèi)托合成耦合氫甲酰化反應(yīng)可以產(chǎn)生含氧E-Fuel，只要控制合理的噴射速率，發(fā)動機(jī)燃燒不同成分的含氧e-fuel都能實(shí)現(xiàn)很低的排放，有望成為可持續(xù)再生的動力系統(tǒng)能源。目前問題是其成本較高，需要科學(xué)突破。

圖7 混合動力車型使用區(qū)域[1]

2 新能源動力的技術(shù)發(fā)展

在新能源動力方面，近期產(chǎn)品投放以電驅(qū)能力升級為主，增加續(xù)駛里程或純電扭矩，提升能量密度，減輕重量，減少成本[3-4,9-10]。寶馬宣稱2022年以后，EV里程目標(biāo)700km、PHEV純電里程目標(biāo)100km，MHEV油耗降低12%[3]。中遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)平臺化，包括驅(qū)動系統(tǒng)平臺化、電池模塊化和整車平臺化。比較有特色的是寶馬的整車平臺，其傳統(tǒng)車、PHEV、EV及四驅(qū)電動車都采用相同的整車架構(gòu)平臺，見圖8。而其它廠商大都針對電動車開發(fā)新的整車平臺，如日產(chǎn)計(jì)劃打造新的EV專用平臺，2022年之后，其70%EV將基于新的平臺打造。產(chǎn)品精益化迭代，是產(chǎn)品升級的主要方式之一，如豐田進(jìn)一步升級THS系統(tǒng)，原THS的牽引電機(jī)減速器取消，在發(fā)動機(jī)和電機(jī)輸出后加10速變速器，輪端扭矩比原來提升50%。V6THS升級后與原來的V8THS相比，油耗降低26%，動力性提高20%。寶馬2021年推出第5代電驅(qū)動平臺，其性能有很大提升，純電里程達(dá)到700km，能量密度提升25%，重量減輕20%，成本減少30%。第五代xEV模塊驅(qū)動將能支撐百萬級規(guī)模發(fā)展。

FEV預(yù)測2030年電動化車型在中國比例將達(dá)到31%、在美國達(dá)到9%、在歐洲達(dá)到22%。BMW 2025年前將發(fā)布13款PHEV，12款EV，預(yù)計(jì)其2025年P(guān)HEV+EV占比在15%-25%之間。

Audi發(fā)布了第一款四驅(qū)純電動車平臺，95kWh電池。開發(fā)了系列電驅(qū)動平臺APA250（135kW 309N ·m），APA320，AKA320(165kW 355N ·m)，ATA320，ATA250。預(yù)計(jì)其2025年新能源車占比1/3，傳統(tǒng)能源車占比2/3。

AVL認(rèn)為電動化份額在2020年之后將快速增加，電池單體成本在2021年達(dá)到100$/kWh，電池單體功率密度：2020年 225-275Wh/kg；2025年 275-350Wh/kg，對充電技術(shù)預(yù)期，適用于長途使用，超過350kW，實(shí)現(xiàn)10分鐘400km。FEV預(yù)測電驅(qū)專用變速器比例（EV、P4等）將快速增加，中國2030年比例超過30%。各咨詢公司均在電驅(qū)減速器方面有投入。

現(xiàn)代的FCV已經(jīng)具備批量化生產(chǎn)的條件，現(xiàn)代新一代FCV：效率60%；續(xù)駛里程609km；最大功率120kW；最低啟動溫度-30℃；可靠性16萬km或10年。奔馳氫燃料電池車主要參數(shù)如下：燃料電池功率90kW；續(xù)航里程380km；最高車速170km/h；鋰電池1.4kWh。

值得關(guān)注的還有電驅(qū)橋技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)，F(xiàn)EV、AVL、麥格納、奧迪等都有展示，電驅(qū)橋無論對EV、PHEV或是48V，都是核心總成，在技術(shù)和總成資源方面都至關(guān)重要。

圖8 寶馬設(shè)計(jì)一個(gè)整車架構(gòu)平臺適應(yīng)各種動力系統(tǒng)[3]

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)還有繼續(xù)優(yōu)化的空間，可以進(jìn)一步提升動力性和效率，也有望實(shí)現(xiàn)接近零排放。

混合動力化后，利用傳統(tǒng)動力和新能源的各自優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)很高的系統(tǒng)效率。

新型燃料使發(fā)動機(jī)有實(shí)現(xiàn)零排放和綠色循環(huán)的可能。

未來的動力系統(tǒng)將是多樣化的，燃料也是多元化的，電動化與合成燃料會共存。

由于動力系統(tǒng)的多樣性，開發(fā)和驗(yàn)證需要更多虛擬世界。

不但動力系統(tǒng)本身在發(fā)生變化，開發(fā)方法和環(huán)境也在發(fā)生變化。

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