汽车动力系统发展趋势

陈海娥 付磊

（中国第一汽车集团有限公司 研发总院）

汽车诞生100多年来，给人们的生活带来了极大的方便性，也带动了整个工业的发展。但随着汽车数量的急剧增长，也造成了环境的压力。为了满足环境友好的目标，汽车需要大幅减少形成温室效应的CO2排放和对人类身体健康有危害的颗粒物、NOx等尾气排放。在严苛的法规压力下，发动机是否还有未来呢？在2018国际发动机会议上多家汽车公司、咨询公司发表了汽车传统动力和新能源动力发展战略和技术发展规划，对未来各种动力系统的预测各家的观点不完全一致，但所有公司的共同观点是几条路线需要并行发展，传统发动机还有继续优化的空间，发动机自身有望实现零排放。另一方面，各个公司也都在加大发展电动车、燃料电池车。一个新的现象是有很多研究结构和大学在研究新型合成燃料，希望能从根本上解决发动机排放问题，但要实现产品化，还需要从技术上突破及降低成本。

1 汽车传统动力-发动机的未来

1.1 发动机技术发展趋势

发动机目前面临的主要问题是CO2和成本之间的平衡及解决汽车使用当地环境排放问题。柴油机技术重点是解决尾气污染物排放，主要侧重发动机后处理器、温度管理及精细策略上[1-6]。博世宣称不需增加发动机硬件，只采用合理的技术手段就可以使柴油机实现E6d排放。汽油机未来技术重点在降低油耗即CO2排放上，RDE排放也带来一些难题。米勒循环、外部冷却EGR、可变气门升程、可变增压、顺序增压、电动增压、VCR、喷水、HCCI、超高喷油压力、预燃室燃烧、绝热等是比较有价值的技术。不同技术复杂度，对应不同的发动机动力性和热效率，见图1。采用米勒循环、外部冷却EGR和顺序增压，可以实现42%的热效率及90kw/l的功率密度，见图2。发动机未来的发展主要有两种趋势，一是高动力性和中等效率，二是高效率和中等动力性，前者的目标是达到200kw/l，后者的目标是实现45%的热效率，见图3。RDE排放除了要增加后处理器GPF外，也对发动机的高动力性带来压力。目前市场上的发动机在高速大负荷区域，因为排温和爆震的双重限制，通常都需要加浓，但未来为了满足RDE排放可能要求全MAP空燃比1，假设使用95号汽油，采用米勒循环，涡轮前温度限制980℃的情况下，只能实现60kw/l的功率密度。要实现70kw/l，需要采用顺序增压，中间冷却。要实现80kw/l，需要采用VCR和VVL。要实现更高的功率密度，需要采用其它降低爆震的措施，如外部冷却EGR和喷水等技术，同时提高涡轮温度限值也有帮助，如采用1050℃限值的涡轮，见图4。

图1 不同技术对应的发动机动力性[1]

图2 发动机热效率和动力性的平衡[1]

为了应对未来进行研究的技术有预燃室燃烧、超高喷油压力等。AVL和IAV都发布了预燃室燃烧的成果，AVL的研究成果显示，采用预燃室燃烧可以使2000rpm大负荷50%燃烧相位提前8℃A。采用1000bar超高喷油压力后，和350bar喷油压力相比，在不同转速大负荷工况下，能提前50%燃烧相位5-10℃A。

图3 未来发动机功率密度和热效率的平衡[1]

图4 全MAP空燃比1下发动机功率密度与技术措施[1]

今年共发布11款乘用车发动机（汽油机5款，柴油机4款，天然气发动机2款），5款汽油机都是增压直喷发动机，分别是宝马的V8，奥迪的V6，FIAT的1.0L，1.33L两个小型汽油机，起亚的1.6L汽油机。这些发动机大多是传统车和混合动力车共用的。大众继续其天然气战略，已连续几年推出不同排量的天然气发动机，目前已推出1.0L，1.5L，2.0L三个排量的天然气发动机，福特也做了天然气的预研项目。发动机产品上采用的主要新技术有CVVL和冷却EGR。通用宣布将于2019年投放市场采用动态停缸技术的车辆，4缸机上预计能降低油耗8%左右。通用还发布了3段式VVL，能降低油耗7.7%，该技术性价比很高。宝马、大众、奥迪和奔驰都发布了柴油发动机。鉴于欧洲一些城市限制柴油车，估计其柴油车的数量会继续减少，但柴油机较低的CO2排放，还是有存在价值，尤其对大型SUV车型。

1.2 混合动力化

随着法规的逐渐严苛，只采用传统动力很难满足要求，充分利用传统动力并与新能源动力形成合力，提升整个系统效率是中期比较好的平衡策略[3-7]。另外，如果考虑从油井到车轮整个过程的能源消耗，混合动力车型也比较有竞争力，见图5。

图5 不同动力车型车上消耗能量和系统消耗能量对比（一个中型车200,000km混合里程，红色线采用意大利能量系统）[8]

混合动力化可以利用传统动力和新能源各自的优势，如针对尾气污染物排放，在冷机及急加速过程采用48V或其它新能源动力，发动机只运行在热机及接近稳态工况，从而可以实现接近零污染物排放；见图6，再如针对油耗或CO2排放，可以在低速小负荷和高速大负荷采用或辅助新能源动力，保持发动机始终运行在高效率区，从而提高整个系统运行效率，大大降低CO2排放，见图7。

图6-1 WLTP循环冷机和热机排放比较[1]

图6-2 WLTP循环冷机和热机排放比较[1]

采用混合动力有望实现发动机长期的竞争力，并达成动力系统的整个生命周期绿色及可再生循环的终极目标。但动力系统复杂化是个挑战，需要积极准备做好技术应对。

1.3 新型燃料

很多大学和研究机构在研究可持续再生的新能源系统，德国某大学通过实际发动机试验显示C1类燃料DMC+（Dimethyl carbonate）[2]，除了具有较高的热效率，还表现出非常低的颗粒排放及其它尾气排放，具有成为2030年以后未来发动机绿色燃料的潜力。德国亚琛大学也发布了欧洲到2050年降低60%CO2（与1990年比）的各种措施，预测可再生能源将会起到12%的贡献。通过费托合成耦合氢甲酰化反应可以产生含氧E-Fuel，只要控制合理的喷射速率，发动机燃烧不同成分的含氧e-fuel都能实现很低的排放，有望成为可持续再生的动力系统能源。目前问题是其成本较高，需要科学突破。

图7 混合动力车型使用区域[1]

2 新能源动力的技术发展

在新能源动力方面，近期产品投放以电驱能力升级为主，增加续驶里程或纯电扭矩，提升能量密度，减轻重量，减少成本[3-4,9-10]。宝马宣称2022年以后，EV里程目标700km、PHEV纯电里程目标100km，MHEV油耗降低12%[3]。中远期实现平台化，包括驱动系统平台化、电池模块化和整车平台化。比较有特色的是宝马的整车平台，其传统车、PHEV、EV及四驱电动车都采用相同的整车架构平台，见图8。而其它厂商大都针对电动车开发新的整车平台，如日产计划打造新的EV专用平台，2022年之后，其70%EV将基于新的平台打造。产品精益化迭代，是产品升级的主要方式之一，如丰田进一步升级THS系统，原THS的牵引电机减速器取消，在发动机和电机输出后加10速变速器，轮端扭矩比原来提升50%。V6THS升级后与原来的V8THS相比，油耗降低26%，动力性提高20%。宝马2021年推出第5代电驱动平台，其性能有很大提升，纯电里程达到700km，能量密度提升25%，重量减轻20%，成本减少30%。第五代xEV模块驱动将能支撑百万级规模发展。

FEV预测2030年电动化车型在中国比例将达到31%、在美国达到9%、在欧洲达到22%。BMW 2025年前将发布13款PHEV，12款EV，预计其2025年PHEV+EV占比在15%-25%之间。

Audi发布了第一款四驱纯电动车平台，95kWh电池。开发了系列电驱动平台APA250（135kW 309N ·m），APA320，AKA320(165kW 355N ·m)，ATA320，ATA250。预计其2025年新能源车占比1/3，传统能源车占比2/3。

AVL认为电动化份额在2020年之后将快速增加，电池单体成本在2021年达到100$/kWh，电池单体功率密度：2020年 225-275Wh/kg；2025年 275-350Wh/kg，对充电技术预期，适用于长途使用，超过350kW，实现10分钟400km。FEV预测电驱专用变速器比例（EV、P4等）将快速增加，中国2030年比例超过30%。各咨询公司均在电驱减速器方面有投入。

现代的FCV已经具备批量化生产的条件，现代新一代FCV：效率60%；续驶里程609km；最大功率120kW；最低启动温度-30℃；可靠性16万km或10年。奔驰氢燃料电池车主要参数如下：燃料电池功率90kW；续航里程380km；最高车速170km/h；锂电池1.4kWh。

值得关注的还有电驱桥技术和产品开发，FEV、AVL、麦格纳、奥迪等都有展示，电驱桥无论对EV、PHEV或是48V，都是核心总成，在技术和总成资源方面都至关重要。

图8 宝马设计一个整车架构平台适应各种动力系统[3]

3 结束语

传统发动机还有继续优化的空间，可以进一步提升动力性和效率，也有望实现接近零排放。

混合动力化后，利用传统动力和新能源的各自优势实现协同效应，可以实现很高的系统效率。

新型燃料使发动机有实现零排放和绿色循环的可能。

未来的动力系统将是多样化的，燃料也是多元化的，电动化与合成燃料会共存。

由于动力系统的多样性，开发和验证需要更多虚拟世界。

不但动力系统本身在发生变化，开发方法和环境也在发生变化。

[1]G.Fraidl,P.Kapus,H.Mitterecker,K.Prevedel.G.Teuschl,M.Weißbäck.Graz Internal Combustion Engine 4.0[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[2]Ph.Seidenspinner,T.Wilharm,E.Jacob.DMC+as Particulate Free and Potentially Sustainable Fuel for DI SI Engines[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[3]Christian Billig,Andreas Wilde,Florian Preuß,Stefan Juraschek.Innovations in xEV Powertrains and Challenges for Future Architectures[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[4]Koji OSHIMA,Shunya KATO.New Multi Stage Hybrid System for the LC500h with Innovative Drivability of the THSII[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[5]Masaki Toriumi.Nissan’s Electric Powertrain Strategy[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[6]Daniel Neumann, Stefan Pischinger,Marius Zubel,Benedikt Heuser,Katharina Thenert,Walter Leitner,Markus Schönen,Joschka Schaub,Christian Jörg.Powerto-Liquids Compensation of Varying E-FuelCompositions via Digital Rate Shaping[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[7]Helmut List.Propulsion Systems in Transition[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[8]Robert Schlögl.Sustainable Energy Systems and the Mobility Sector[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[9]Sae Hoon Kim,Ki Sang Lee.The Next Generation Fuel Cell Electric Vehicle from Hyundai Motor Company[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.

[10]J.Adolf,C.Balzer,A.Janssen,W.Warnecke,K.Gruenberg,M.Klokkenburg,A.Mehta,J.Powell,J.Cadu.The Route of Sustainable Fuels as the Basis for Zero Emission Mobility-has PtX a Chance[C].39thInternational Vienna Motor Symposium,2018.