范英杰

摘要：本文介紹了目前中國的乘用車油耗及排放法規(guī)、乘用車市場的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。分析了影響發(fā)動機油耗及排放水平的相關(guān)因素，重點分析了為適應(yīng)未來油耗及排放法規(guī)要求的發(fā)動機技術(shù)升級方向與路線并進(jìn)行了總結(jié)。

Abstract： The paper introduces the current Chinese passenger vehicle fuel consumption and emission regulations， the current status and development trend of the passenger vehicle market. The relevant factors affecting engine fuel consumption and emission levels are analyzed， and the direction and route of engine technology upgrades to adapt to future fuel consumption and emission regulations are analyzed and summarized.

關(guān)鍵詞：油耗;排放;發(fā)動機;技術(shù)升級路線

Key words： fuel consumption;emission;engine;route of technology upgrades

中圖分類號：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0180-02

0? 引言

在節(jié)能減排、減少對石油依賴等多重因素推動下，中國實行了嚴(yán)格的油耗與排放法規(guī)。2020年7月1日起，所有生產(chǎn)、銷售、進(jìn)口、注冊登記的汽車都必須符合國Ⅵa標(biāo)準(zhǔn)，而更為嚴(yán)格的國Ⅵb排放法規(guī)將在2023年7月1日開始實施。2021年7月1日開始，將實施新一輪的油耗標(biāo)準(zhǔn)，即第五階段油耗標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求到2025年車企生產(chǎn)的乘用車平均油耗降至4L/100km。在油耗與排放法規(guī)雙重壓力下，中國的新能源汽車發(fā)展勢頭迅猛，新能源汽車2020年銷量為136.7萬輛，其中純電動汽車銷量為111.5萬輛，PHEV銷量為25.1萬輛。但純電動汽車在充電與續(xù)航方面仍存在技術(shù)瓶頸，混合動力汽車因價格及保養(yǎng)問題，目前較難實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，因此在未來5-10年中，傳統(tǒng)燃油車仍然是市場上的銷售主力。

傳統(tǒng)燃油車中，整車油耗與排放很大程度上取決于發(fā)動機技術(shù)水平。為應(yīng)對日趨嚴(yán)格的油耗與排放法規(guī)，各車企紛紛對發(fā)動機進(jìn)行了技術(shù)升級。接下來對中國乘用車發(fā)動機未來技術(shù)升級的方向進(jìn)行分析研究。

1? 與發(fā)動機油耗相關(guān)因素分析

當(dāng)前市場在售車型的發(fā)動機排量、技術(shù)、配置等都不盡相同。一般比較同等級別、相同排量、相同類型（同為增壓或自吸，變速器類型相同等）的車型油耗，來間接對比發(fā)動機的油耗水平。但該種方法有時無法真實反映發(fā)動機的油耗，因為車輛重量、傳動系統(tǒng)效率、ECU及TCU標(biāo)定風(fēng)格及水平等都對整車的油耗有一定影響。

排量是影響發(fā)動機油耗的一個因素。如同一企業(yè)同一平臺的發(fā)動機，在其他配置及技術(shù)條件都相同的前提下，排量越大，其油耗越高。但大排量發(fā)動機輸出功率與扭矩也較大。排量固定前提下，其他技術(shù)配置都相同時，增壓機型的油耗一般都高于自然吸氣發(fā)動機。增壓發(fā)動機進(jìn)入汽缸中的空氣量要高于自然吸氣發(fā)動機，故發(fā)動機每一工作循環(huán)的噴油量也高，造成其油耗升高。但增壓機型的輸出功率與扭矩也較大。對發(fā)動機油耗影響最大的因素為發(fā)動機的熱效率。發(fā)動機熱效率越高，油耗越低。影響發(fā)動機熱效率的參數(shù)主要為：①壓縮比。發(fā)動機壓縮比越高，發(fā)動機熱效率越高，這也是為何柴油機的熱效率普遍高于汽油機的原因。②發(fā)動機工作循環(huán)方式。采用米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)的發(fā)動機，其膨脹比大于壓縮比，也可提升發(fā)動機熱效率[1]。③發(fā)動機摩擦損耗。發(fā)動機摩擦損耗越大，熱效率越低，故目前很多高熱效率發(fā)動機都通過降低摩擦副的損耗來提升熱效率[2]。④發(fā)動機所帶附件多少。發(fā)動機輪系所帶附件越多，發(fā)動機損耗功越高，部分發(fā)動機通過采用電子水泵、電子壓縮機等電氣化部件來降低發(fā)動機的前端輪系損耗，以提升發(fā)動機的熱效率。

2? 與發(fā)動機排放相關(guān)因素分析

發(fā)動機的排放是各大車企重點關(guān)注領(lǐng)域。一款發(fā)動機排放性能的好壞關(guān)系著其最終開發(fā)成本，與車企利潤相關(guān)。若發(fā)動機原始排放優(yōu)異，則發(fā)動機在廢氣后處理方面可節(jié)省大量成本。若發(fā)動機原始排放較差，則發(fā)動機可能需用兩級催化及增加GPF等后處理裝置來滿足排放法規(guī)，這會使車企為之付出更高的成本。因此，車企發(fā)動機開發(fā)都以達(dá)成更優(yōu)的原始排放為目標(biāo)。

發(fā)動機原始排放與發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒情況密切相關(guān)。而發(fā)動機缸內(nèi)燃燒情況又受發(fā)動機噴油方式、噴油壓力、發(fā)動機工作循環(huán)模式、燃燒室設(shè)計、點火系統(tǒng)能量等因素影響。

發(fā)動機的噴油方式目前分為進(jìn)氣道噴射與缸內(nèi)直噴兩種。進(jìn)氣道噴射雖然使混合氣混合較好，但其無法實現(xiàn)多次噴施、分層噴射等，故進(jìn)氣道噴射發(fā)動機無法實現(xiàn)稀薄燃燒及分層燃燒等燃燒方式，不利于提升發(fā)動機的排放。通過缸內(nèi)直噴，將燃油噴入燃燒室中，利于發(fā)動機精確控制噴油時刻及噴油規(guī)律等，可極大提升發(fā)動機排放性能。除噴油方式外，噴油壓力也影響發(fā)動機排放性能。噴油壓力越高，燃油霧化越好，則缸內(nèi)燃燒越好。

目前大部分發(fā)動機都采用奧托循環(huán)方式工作。若發(fā)動機采用米勒循環(huán)或阿特金森循環(huán)+廢氣EGR的工作方式，可顯著降低發(fā)動機油耗及氮氧化物排放。好的燃燒室設(shè)計可提升發(fā)動機滾流及湍流等氣流組織能力，此外，分層燃燒、預(yù)混燃燒及壓燃等燃燒方式的實現(xiàn)也需要進(jìn)行對應(yīng)的燃燒室設(shè)計，因此，燃燒室設(shè)計與發(fā)動機排放關(guān)系密切。此外，要想實現(xiàn)發(fā)動機稀薄燃燒等燃燒方式，點火系統(tǒng)必須有極高的點火能量，如此才能保證發(fā)動機穩(wěn)定點火。

總之，發(fā)動機原始排放主要還是與發(fā)動機噴油系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)相關(guān)。整車最終排放雖與車重等因素也強相關(guān)，但發(fā)動機的原始排放還是影響整車最終排放最重要的因素。

3? 中國乘用車發(fā)動機未來發(fā)展方向分析

在油耗與排放法規(guī)及新能源汽車等多重因素影響下，中國乘用車發(fā)動機未來發(fā)展方向如下：

3.1 小排量

排量越小，發(fā)動機的油耗越低、發(fā)動機的尺寸越小、汽車的車船稅越低。在上文中已分析過發(fā)動機油耗與排量的關(guān)系，除油耗外，多家車企的新能源路線中都制定了不再生產(chǎn)純?nèi)加蛙嚨臅r間節(jié)點，屆時將全部生產(chǎn)混合動力汽車與純電動汽車?；旌蟿恿ζ囋黾恿穗婒?qū)動相關(guān)零部件，因此對機艙空間要求很高，這就需要發(fā)動機尺寸越緊湊越好。此外，根據(jù)我國汽車稅收政策，1.6L排量以下發(fā)動機稅費明顯降低。在各種因素影響下，目前國內(nèi)各主流車企開發(fā)的發(fā)動機都以小排量為主：2020年“中國心”十佳發(fā)動機榜單中有7款發(fā)動機為1.5L排量，包括紅旗、吉利、長安、比亞迪、上汽等的1.5T發(fā)動機。此外，根據(jù)各車企發(fā)布的動力產(chǎn)品規(guī)劃來看，未來依然以開發(fā)小排量發(fā)動機為主，多數(shù)車企都發(fā)布了針對旗下1.5L發(fā)動機進(jìn)行技術(shù)升級的信息及新型小排量發(fā)動機開發(fā)的計劃。

3.2 增壓

增壓可以顯著提高發(fā)動機的功率與扭矩。目前以國內(nèi)的購車市場來看，用戶對汽車的動力性要求極高，隨著發(fā)動機排量的減小，想提升動力性，就必須依靠增壓。目前各主流車企的小排量發(fā)動機基本都配備了渦輪增壓系統(tǒng)，功率與扭矩都媲美甚至超過大排量發(fā)動機，如表1所示。在未來，各車企將繼續(xù)對增壓系統(tǒng)進(jìn)行升級，如采用變截面渦輪增壓器或電子渦輪增壓器等，以進(jìn)一步提升發(fā)動機的動力性并降低油耗。

3.3 高壓縮比加米勒循環(huán)

眾所周知，提高壓縮比可顯著提升發(fā)動機的熱效率，但因汽油的理化性質(zhì)，壓縮比過高會加大發(fā)動機的爆震傾向。因此目前加大發(fā)動機的壓縮比后都會采用米勒循環(huán)來降低發(fā)動機的爆震傾向，兩者結(jié)合可降低發(fā)動機的油耗，但對發(fā)動機動力性有部分影響[3]。若想保證動力性不衰減過多，可以略微提升壓縮比并采用輕度米勒循環(huán);若對動力性要求不高，則可采用大壓縮比加深度米勒循環(huán)的組合方式。

3.4 采用超高壓直噴

目前市面上滿足國6排放的發(fā)動機基本上都采用了350bar高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)。理論上噴射壓力越高，燃油的霧化越好，混合氣混合越均勻，混合氣燃燒時速度越快，燃燒越完全，排放物中顆粒物越少。目前馬自達(dá)已率先采用了最高可達(dá)1000bar的高壓直噴技術(shù)，未來國內(nèi)發(fā)動機也將采用更高的燃油噴射壓力來滿足油耗與排放法規(guī)。

3.5 廢氣EGR

根據(jù)相關(guān)研究，發(fā)動機只增加EGR技術(shù)，可降低發(fā)動機氮氧化物的排放。在使用米勒循環(huán)及高壓縮比的前提下增加EGR技術(shù)，不僅可降低氮氧化物排放，還可減輕發(fā)動機在高壓縮比下的爆震傾向，即可進(jìn)一步提升發(fā)動機的壓縮比，提升發(fā)動機的熱效率，降低發(fā)動機油耗。但使用EGR技術(shù)的缺點在于該技術(shù)將提升發(fā)動機的成本，一套EGR系統(tǒng)至少要使發(fā)動機的成本增加數(shù)百元甚至上千元人民幣。

3.6 附件電氣化

發(fā)動機的機械水泵、機械壓縮機等要消耗發(fā)動機的功率。目前電子壓縮機與電子水泵等技術(shù)已發(fā)展較為成熟。將這些附件電子化，傳統(tǒng)發(fā)動機不需要再通過皮帶去驅(qū)動相關(guān)零部件，可降低發(fā)動機的摩擦損耗，最終降低發(fā)動機的功率損耗，提高發(fā)動機的熱效率，降低發(fā)動機油耗。

3.7 采用新的廢氣后處理技術(shù)

排放法規(guī)愈來愈嚴(yán)，在后處理中增加GPF等裝置，也是一條達(dá)成排放法規(guī)要求的路線，且該方法研發(fā)難度低，不需對發(fā)動機的技術(shù)做太多升級，僅需付出成本。

4? 結(jié)語

綜上所述，中國發(fā)動機未來發(fā)展方向為小排量增壓、高壓縮比+米勒循環(huán)、高壓缸內(nèi)直噴、廢氣EGR、附件電氣化及新的廢氣后處理技術(shù)，以此來滿足愈來愈嚴(yán)的油耗及排放法規(guī)并抵擋來自新能源汽車的沖擊。

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