最火一刀说丨电气化时代内燃机技术发展的新趋势

一刀说丨电气化时代内燃机技术发展的新趋势

内燃机最早由卡尔·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年发明，距今已经有131年的历史了。

当年卡尔·本茨发明的内燃机排气量984cc，最大马力0.7ps/400rpm。每小时可以行使15km。随着时间的推移，更高的性能，更低的油耗，更清洁的排放就成了内燃机的目标。

因此，在过去100多年中内燃机的发展路线只有一个方向，就是研发越来越多的先进技术，提升性能、效率和排放水平。内燃机变得越来越复杂。

卡尔·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年发明的内燃机汽车专利

随着电气化时代的到来，内燃机面临着越来越多的质疑和挑战，其中最主要的就是内燃机的污染物排放选择1家专业正规、范围较大的生产厂家和二氧化碳排放。内燃机很快就会被电动车取代已经成为一个热门话题。

虽然目前总体的认识是内燃机还有很长的路要走，但是毫无疑问，在电气化的大背景下内燃机的发展已经进入了下半场。我们需要回答一个问题：内燃机技术未来发展的新方向在哪里？

一、 内燃机本身效率的进一步提升

热效率提升是内燃机技术永恒的话题，目前的内燃机效率还远未达到极限，内燃机效率提升的空间还很大。目前市场上内燃机热效率的水平普遍在35%左右。

在最新的2019年沃德十佳发动机评选中丰田2.0l自然吸气发动机和本田2.0l阿特金森循环发动机携混合动力系统双双获奖。

其中丰田最新的2.5l和2.0l dynamic force engine发动机，采用阿特金森循环，混合动力版本热效率能够达到41%，即使非混动的普通版本也可以实现40%的最高热效率（图2）。

而本废塑料也日渐增多田获奖的2.0l阿特金森循环混动发动机的最高热效率也达到了40.6%。这是当今量产发动机中热效率最高的水平了。

目前大部分发动机的最高热效率都在35%左右的水平

2019沃德十佳发动机获奖名单

丰田的dynamic force engine发动机最高热效率达到41%

本田的2.0l阿特金森混动发动机最高热效率达到40.6%

内燃机效率进一步提高的努力并未停止，我们来看看最近和未来几年发动机热效率提升的关键技术吧:

1、 备受关注的马自达第二代创驰蓝天skyactive x发动机即将在2019年6月正式量产。

skyactive x发动机采用了马自达称为spcci火花塞辅助控制压燃发动机。这一新技术结合柴油机和汽油机的优势，压缩比18，马自达声称热效率可以达到50%。

马自达第二代创驰蓝天skyactive x发动机

2、日产于2018年量产了全球第一个可变压缩比vcr发动机vc turbo。

日产的可变压缩比技术是在连杆和曲轴之间增加了一套连杆，来控制压缩比的大小，允许压缩比在8:1到14:1之间调节。在小负荷工作区域采用14:1的高压缩比来提高热效率，在大负荷采用8:1的压缩比来避免爆震。

目前日产宣称vc turbo发动机的最高热效率可以达到38%-39%之间。已经是目前增压发动机能够达到的最高水平了。如果可变压缩比可以推广和其他发动机技术结合后估计潜力会更大。

日产的vc turbo可变压缩比发动机

2、 预计2019年我们马上还将看到福特为了提高热效率准备在三缸发动机上引入动态停缸技术，这个技术可以通过ecu来计算何时需要哪个汽缸停止工作，完全是动态调整的，福特进行了大量的开发工作以解决动态停缸情况下的nvh问题。

最有意思的是在这一系统起作用时，三缸中只有一半在工作，就是平均只有1.5个汽缸在工作，可以有效的降低油耗最高达到15%以上。

福特三缸发动机的动态停缸技术

4、预计未来我们会看到宝马联合博世开发的喷水燃烧系统汽油机量产，这一系统目前已经在m4 gts和宝马1系上进行了大量的测试。

这一技术通过向汽缸内喷少量的水来降低燃烧温度和爆震倾向，在大幅度提升功率进行前景非常颓废的同时能够达到和柴油机相同的热效率水平。

宝马和博世共同开发的喷水燃烧系统

二、 动力系统电气化给内燃机效率进一步提升带来的新机遇

（一）传统的混合动力概念：电动机来帮助发动机

传动的混合动力概念的本质是让电动机来帮助发动机提高效率。

比如丰田的混合动力概念，或者大众的p2混动方案等，主要的思维方式是用电机来帮助发动机，提高发动机的效率。这种思维还是基于传统发动围绕航空航天、武器设备及国家重点工程型号用铝镁合金新材料、新技术机驱动为主的概念，电机是来帮忙的。

这样等于一个复杂的发动机系统需要再增加一个复杂的电机系统，两者还要耦合，很复杂，很贵，至今还没有完全把传统发动机打败，同时又遇到了电动车的挑战。传统混合动力方案的整体思想是在原来传统内燃机的基础上做加法。

丰田混合动力结构

大众p2混合动力系统的结构

（二）最新的混动新方案：发动机来帮助电动机。这里讲两个例子

1、 本田的i-mmd混动方案，本田的混动方案非常有特点

（1）非常低的时速时可以纯电驱动，发动机完全不工作。

（2）在车速80km/h以下发动机不会直接驱动车辆，这时候发动机即使启动工作，也只是发电，然后把发出来的点给电机驱动车辆。

（3）在超过80km/h时速的高速情况发动机才会直接驱动车辆。但是也只是负责稳态输出，在高速情况下的加速过程仍然由电机负责。保证即使在发动机直接驱动车辆时，也是工作在发动机的最高效率区域，非常省油。同时，高速用发动机驱动也避免了电动车遇到的高速下电耗过大的问题。

本田的i-mmd混动系统的结构

本田的i-mmd混动系统的三种工作模式

发动机只在最高效率区域工作

2、 日产的 e power混动，主要的特点如下：

（1） 电机驱动

（2） 发动机只发电，不驱动，发动机只在最高效率区域工作

（3） 电池很小，不能纯电行驶，也不能充电，只能用发动机发电来驱动电机

日产e-power混动系统的结构

日产e-power混动发动机只工作在最高效率区域

从上面的分析可以看出，在新的混合动力方案中，电机的作用被充分发挥，发动机的很多性能都不再需要，发动机可以只工作在最高效率区附近来帮助电机解决续航、充电、电池成本等一系列问题。

这种混动动力系统中发动机未来的设计方向会向更简单，效率更高，成本更低的方向发展。

三、 内燃机的可再生燃料

在内燃机相对于电动车的对比中，目前大家讨论的最根本的问题有两点：

1、 内燃机的燃料来源于石油，而石油是不可再生资源，因此内燃机未来必将消亡。

2、 内燃机燃烧化石燃料会排放co2二氧化碳，这会危害地球环境，因此，电动车更加环保。

我们来看看这两个问题是否对于内燃机是无解的，其实，如果内燃机的燃料采用可再生燃料，同时也不排放co2的话这个问题就不存在了。有没有这种可能性呢？

其实有，而且技术上相对并不困难。目前主要有两种可再生燃料被广泛的研究过：

（一） 氢燃料

也就是采用氢作为内燃机的燃料，理论上讲排放物只有水，不产生污染，而h2氢可以通过电解水得到，是可再生的能源。之前宝马和马自达都研究过氢燃料内燃机，但是最终放弃了，主要原因是：

1、 氢内燃机的效率不如氢燃料电池

2、 氢气制备和运输、供应、储存环节存在很大的困难

宝马的氢燃料内燃机研究项目

马自达的氢燃料转子发动机研究项目

（二）甲醇燃料

2019年的两会上吉利汽车总裁李书福再次提到了甲醇燃料的话题，其实，其本质就是以甲醇为载体做到内燃机排放co2的平衡。

根据吉利官方的资料，甲醇燃料相当完美：不含硫、不排放颗粒物、可生物降解、燃料安全性高于lpg、汽油、柴油，制备过程绿色环保。其实甲醇燃料的最大优势有两点：

1、 可再生

甲醇可以通过两种方法来制造，第一种是通过煤炭或天然气来制造甲醇，第二种是采用电厂排放的co2二氧化碳来制造甲醇。 目前冰岛的cri公司已经具备了 “电厂排放co2+地热制甲醇”技术。

从本质来说它是能够让甲醇燃料获得“可再生”的特性，利用高浓度温室气体co2生产甲醇，再通过内燃机的燃烧吧co2释放出来，从而实现co2总体不增加的目标。

甲醇制造的方法

冰岛的cri公司的电厂排放co2+地热制甲醇技术

吉利在冰岛和cri公司一起测试甲醇燃料汽车

2、 可以利用现有的化石燃料基础设施和技术

甲醇是液态，虽然具有一定的腐蚀性，但是整个运输、储存的过程可以利用目前成熟的的基础设施。

不需要像氢气那样重新来建造基础设施，在同一个加油站中很容易实现既可以加汽油也可加甲醇。同时，目前的汽油机稍加改进就可以成为甲醇燃料发动机，对于整个产业的影响比较小，这也是非常大的优势。

甲醇可以直接利用目前的基础设施

总结一下，在电气化的大背景下，内燃机技术的发展进入了下半场，和电机相结合将会使发动机技术发展从加法逐渐转为减法，发动机的最高热效率提升将是未来技术发展的主题。

同时，可再生燃料的应用也为内燃机保存着生机。内燃机和电动车的竞争已经持续了100年，未来也注定是一场长期的竞争，剧情如何发展我们拭目以待。

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