2018年03月28日 | 未来汽车的动力系统会如何发展

这一篇我们来谈谈未来汽车的动力总成会如何发展。汽车已经发展了一百多年了，主要的动力还是内燃机，分为汽油机、柴油机、燃气机等。这些动力系统在不同的领域扮演着多种角色。汽油机主要用于乘用车，就是大家平时开的轿车、SUV等等，具有重量轻、噪音低等特点。柴油机用途广泛，从乘用车（欧洲为主）、商用车（牵引车、货车等）到游艇、轮船、发电机、农用机械等等工业领域都有它的身影。柴油机的特点是扭矩大、马力大、重量大、噪音大、排量也可以很大。大排量柴油机可以有几千马力，几百上千升的排量，用于推动巨轮前行。燃气机在商用行业也占有一席之地。

当我们聚焦到汽车领域，则可以发现近五年来，各种形式的动力系统被不断地推向市场。究其原因是排放法规不断加严，能耗要求不断提高，使发动机不但要更清洁，而且要更高效，从而逼迫发动机不断地提升热效率。汽油机的热效率已经突破40%了，这个数字已经是量产技术可以做到的极限。柴油机则不断接近50%，也是现有量产技术能做到的极限。马自达宣称新一代的创驰蓝天汽油发动机有望突破50%，百公里油耗低至3.5升，这是个令人振奋的消息，让我们拭目以待。

我们国家内燃机工业起步晚，零部件产业链技术落后，在传统内燃机业务上想要接近直至超越老牌内燃机对手，可能还需要几十年的磨练。国家考虑推广新能源汽车，期望在基本相近的起跑线上，实现弯道超车。当然国家能源安全也是推广新能源车的考虑因素之一。有了新能源车的加入，汽车的动力总成就丰富了起来。发动机也迎来了新一轮的变革。我们从电气化介入的深度，由浅至深地说。

在很长的时间内，发动机都是自然吸气的。所以那时候的发动机排量大，功率小，四升排量的发动机甚至达不到现在2.0T发动机的功率。所以到现在，涡轮增压发动机（带T的发动机）已经大幅代替了传统的自然吸气发动机。得益于涡轮增压系统，发动机可以做到很小的排量输出较大的功率，在某些工况下，油耗也会进一步得到下降。发动机的上一轮变化是增压化。在新能源的趋势下，我认为发动机的下一次变革是电气化。就像现在大家习惯于说到发动机就说是不是涡轮增压的，未来大家说到发动机就会说是不是带电的。

发动机的电气化有不同的深度，根据电气化深度的不同也叫做混合动力类型的不同。其实最轻微的发动机电气化（微混Micro Hybrid）大家已经在使用了，就是发动机起停系统（start-stop）。这是基于原有发动机的电压（乘用车一般是12V），利用启动电机或蓄能器在等红灯或短时间停车时将发动机熄火，以达到节油目的的技术。当然，马自达的起停是另一种原理，此处暂不详述。由于电压不高，启动功率不大，蓄电池容量也不大，所以大家会发现发动机停止的时间并不长，而且做得不好的话启动过程还挺恼人的。

为了进一步降低油耗，使发动机停止时间更长，欧洲厂商于2013年开始开发了48V轻混系统（Mild Hybird）。48V轻混系统最核心的意义在于其增加的成本不高，大多只有几千元，而节约燃油多于微混，约6-15%。由于48V系统的最高电压54V低于欧洲ECE R100法规的直流电压60V的规定，故不需要做额外的防护措施。并且整车布置改动较小，主要集中在发动机上，研发成本较低，是一个性价比较高的方案。提高的电压可以带动更大功率的起动机，可以用容量更大的电池（1kwh以内，远小于新能源车的动力电池容量），零部件供应商开发了BSG和ISG，分别可以装在发动机前端和后端，用来启动和助力发动机。其助力扭矩范围为40Nm到250Nm。受限于电压，其持续时间并不长，功率不高。说到这里，48V系统的作用也就说了大半了。

总结一下，48V有以下作用：

1、提高发动机启动速度（0.2-0.4S，普通发动机为0.5-1s），延长发动机熄火时间。可以在车速20Km/h以下就熄火滑行，甚至在高速公路下坡的时候挂空挡熄火滑行。普通发动机千万不要这么做，因为发动机熄火后，转向、刹车均处于失效状态。但是48V发动机启动非常快，所以在需要的时候发动机会瞬间启动，提供刹车的真空度。48V的车辆转向机也是电动助力的，如果需要转向，在发动机熄火期间由蓄电池提供足够的电量来帮助转向。

2、空调可以在发动机熄火后继续使用，因为改成了电动空调。普通车辆的空调是由发动机皮带带动空调压缩机来制冷的。而48V车辆的空调则和电动车一样，是由电驱动的。所以不会出现起停系统启动的时候，空调无法制冷的情况。

据预测，未来增长最快的是配有48V系统的车辆。好多汽车厂商所谓的“不再生产纯内燃机发动机的汽车”意思是配上48V系统就是电气化的发动机，不是纯内燃机。而不少媒体误读为未来只生产纯电动汽车。48V系统的车辆已经装备在新款奥迪A8和奔驰S车型上，未来会下放到A6、A4和奔驰E、C级车上。国内48V系统的研发正在有条不紊地开展，预计2018年底到2019年将会有一大批厂商发布量产的48V车型。

某机构关于2025年前各种动力系统在车上的使用数量的预测

混合动力（无论48V轻混还是PHEV插电混动/HEV强混）是过渡技术，未来的目标一定是纯电动和燃料电池。可这个过渡时间将会很长。有预测到2050年，至少还有50%的车辆装备有内燃机。就像上一篇文章所说，这个过渡时间完全取决于纯电动或燃料电池的发展，如果这两者有一者爆发式发展了，那么内燃机很快会消亡。所以谁也说不好会过渡多久。所以混合动力技术还是各大厂家发力的地方。到了PHEV/HEV阶段，发动机可以作为动力源也可以作为充电源，所以发动机的形式也开始多样起来。如果是注重动力性提升PHEV车型，则依然会配备大功率涡轮增压发动机，目的是为了获得较好的整车动力性。如果是节油取向，发动机则需要进行一定的改进，在中低负荷中低转速走阿特金森循环，以此提高燃油经济性，丰田的HEV就是个例子。由于政策驱使和专利限制，中国品牌大多把精力投入到PHEV的研发中。相对HEV来说，用PHEV技术工信部油耗很容易做到2L/100km以下，最新的已经做到了1L/100km。然而大家都知道这是前100km的情况，超过100km电池用完电后油耗会飙升。谁也说不好HEV/PHEV哪个更好，我认为只要根据自己的使用工况和充电便利度来选择就行。目前PHEV用的大多还是传统内燃机，这些内燃机也同时使用在非混合动力车型上。 

我认为未来这些内燃机也会进行改进，不断地推进发动机电气化。发动机上的附件会越来越少，更多的附件直接由电驱动。而发动机上的电控部件也会越来越多，进一步降低不同工况的阻力功率。对于燃烧过程的改进则依靠阿特金森循环不断优化，不断地推动汽油机朝45%的热效率，柴油机朝50%的热效率方向前进。内燃机还有很多事情可以做，电动车也同时在快速发展，可以预见在很长的时间内会有多种技术并行，消费者也可以根据自己的需求选择相应技术的车辆。纯电动背后还有燃料电池在磨刀霍霍，谁也不知道三者中最终胜出的是那种技术，胜出的时间是什么时候。

最后给出我对未来不同排量的车用发动机主要技术发展的预测，浅薄观点，望轻拍。