浅谈未来车用发动机发展趋势_张宗法

电动车将是对现有能源供应体系的一次彻底推翻，重
小型发动机是未来发展趋势，已经受到整车企业
新建立电动车的能源供应体系花费巨大。有人士测算， 的普遍重视。小排量高性能发动机不仅可以降低使用
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过程中的二氧化碳排放，也可以降低制造过程中的 碳排放量。新技术的发展和应用，使小排量发动机 的动力性和舒适性能够满足一般驾驶要求，将成为 发动机发展的必然趋势。
1 传统发动机向更节能、更清洁方向 发展
2010 年1月22 日，国家能源局发布数据指 出，我国原油对外依存度已超过国际规定的警 戒线，达到51.3%。根据2009 年7月中国社会 科学研究院 《能源蓝皮书》 预测，10年后，我 国原油对外依存度将达到64.5%。当前，新能 源汽车是未来汽车的发展方向，但在现阶段， 新能源普及却无法实现。我们还是应该以传统 汽车技术为主，尤其是先进的柴油发动机的燃 油经济性更好，目前最可行的节能环保战略，
油率可达2%~4%；降低摩擦损失，可节油2%~5%；余 到30%，那么每年就能为国家节省将近一个大庆油田的
热能利用，可节油8%左右。美国能源部也曾提出乘用 原油产量，同时能减少近600万 t 的 温室气体排放。
车采用混合动力和先进的发动机技术 （轻量化、高增
尽管国情和能源战略各有差异，但欧洲、美国和
从目前情况看，我国小排量发动机的整体水平 与国外差距不大，特别是自然吸气式小排量发动机 基本达到了国际水平。丰田、大众的小型发动机性 能较好，主要原因是他们生产的是高端机型，价格 较高。而我国的小型发动机主要应用在A0、A00级 乘用车上，主要面向收入不高的普通消费者。在这 样的市场定位下，受小型发动机的价格限制，导致 一些新技术很难应用，只能挖掘发动机的自身潜 力。本土小排量发动机继续发展仍面临4个方面的 问题：一是研发能力弱，如燃烧系统设计及性能开 发能力；二是能够支撑先进高效小排量发动机的国 内核心零部件供应商比较缺乏；三是发动机精细化 标定能力不够，这将影响小排量发动机的性能；四
对于涡轮增压未来的技术发展方向，有关专家
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指出，增压器行业主要满足发动机对其提出的要求 进行开发，随着发动机强化程度越来越高，发动机 所面对的排气温度会不断增加，对增压器的材料、 制造工艺、可靠性等方面将提出更高的要求。同时 为了满足新的更严格的排放法规要求，会有更多的 技术手段来配合，包括改善空气动力学、提高效率 等方面的考虑 。
4 涡轮增压技术不可逆转
在能源危机和环境保护的双重压力下，当代汽 车发动机技术、涡轮增压技术水平不断提升。近年 来，随着国际乘用车市场上越来越多的使用直喷式 柴油发动机，其对于涡轮增压器的需求也大幅度上 升。同时，世界范围内对于直喷式柴油机的巨大需 求又大大推动了涡轮增压器效率的提高和匹配技术 的发展。涡轮增压器技术在汽车行业得到了广泛的 应用，目前，我国增压器的需求以每年30%的速度 递增。曾经，在国内市场上，涡轮增压技术更多地 应用在1.8L及以上大排量车型上，如今，1.6L及以 下小排量涡轮增压车型越来越多。涡轮增压技术已 被广泛应用到小排量车型上。
绿色、低碳已经成为不可逆转的全球性趋势， 可以想象的是，涡轮增压技术的应用在未来将更为 普及，而不仅仅局限在向小排量发展、向整体操控 匹配发展这两个趋势上。涡轮增压发动机取代传统 发动机也许会变成现实。
5 高压共轨技术前景广阔
我国在商用车领域已全面实施国Ⅲ排放标准， 国Ⅳ排放标准也将很快实施。近几年，各种国Ⅲ技 术路线针对不同的车型、路况进行了充分的实践， 从各企业国Ⅲ标准柴油机的产销统计数据来看，已 经呈现电控高压共轨、EGR系统、电控单体泵全面 推广状态。
消耗限值标准。与同排量的汽油机相比，柴油车可实 对柴油机技术的模糊态度，颁布了一个综合性的能源
现节油30%、减少二氧化碳排放25%，而动力却可以提 法令，突出了柴油技术在美国能源和环保政策中的重
升50%。由于柴油轿车优异的节油特性，在原油价格持 要性。美国能源部和以美国三大汽车公司为代表的美
续上涨的情况下，其经济性尤为突出。如果油价继续 国汽车研究所理事会正在开发的新一代经济型轿车，
但节能减排成效显著的柴油轿车发展竟十分迟缓，仅 柴油技术成为最切实可行的选择。在欧洲，柴油轿车
占轿车总产量的0.65%，远远落后于欧洲50%的平均水 已经被广泛接受和认同，其市场份额在持续增长。近
平。在纯电动车一时还难以成气候的情况下，要完成 年来，柴油车在欧洲西部的市场销售中所占份额更是
国家“十二五”节能减排约束性指标，轿车柴油化就 以每年4个百分点的速度增长。目前，柴油机不仅在重
2005年7月1日，我国实施的 《乘用车燃料消耗量限值》 用柴油机，德国等国的出租车基本上都是柴油轿车。
国家标准，要求到2015年平均油耗要达到每百公里 2004年在欧盟新增的车辆中，柴油车占新增商用车 (即
6.9L。具体步骤为：2012年为导入期，允许企业平均燃 卡车、客车) 的比例近100%。据有关研究机构预测，
升高，则柴油轿车的经济性就更加明显。从可靠性上 也将柴油机作为动力配置方案之一。另外，美国政府
来看，柴油发动机的转速较低，气缸燃烧温度与汽油 还对柴油轿车实行车辆购置补贴政策。
机相比较低，相关零部件不易老化，发动机的故障率
远远低于汽油发动机，整车安全性也大大提高。对比 3 小排量发动机大有可为
电动车，柴油车基础设施的升级改造更为简便。发展
现代绿色柴油发动机已经成为目前实现节
能环保最现实的途径之一，与主流的汽油发动
机相比，它拥有出色的节能性和动力性。数据
表明，柴油机的燃烧效率可达45%，而汽油机
的燃烧效率仅为35%左右。目前绿色柴油机在
欧洲的市场占有率已达到50%以上，且排放水
平已达到欧Ⅴ标准。
在节能减排任务相当繁重的情况下，实现
有效节能减排，可行的办法之一就是深挖传统
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浅谈未来车用发动机发展趋势
摘 要 本文从汽车节能减排的趋势出发，浅析了未来车用发动机的发展趋势，指出未 来车用发动机的发展关键是高燃效、低能耗、低排放。
关键词 绿色柴油机 小排量发动机 涡轮增压技术 高压共轨 新能源汽车
汽车发动机决定汽车的质量，是汽车的 核心。打造优良的汽车发动机是提升汽车质量 和品牌的关键。国内无论是整车企业还是专业 的发动机制造企业都在加大研发力度，以求在 激烈的市场上占据一席之地，而外资企业也蜂 拥而至，试图在前景光明的中国发动机市场分 杯羹。由于石油短缺和环保的双重压力，企业 纷纷投入绿色柴油机、替代燃料发动机、小排 量等产品的研发，高能量利用率和低排放发动 机的开发形成了不可阻挡的趋势。
车用发动机的潜力。可以采用先进的燃油喷射 系统，高性能增压器、EGR阀、废气余热利用 装置等一些关键零部件，另外，使用恰当的发 动机材料，通过提高运动件加工质量也可以降 低摩擦损失。从技术角度看，应在提高各个部
广东省技术开发中心
□ 张宗法 吴家年 韦文求
件的精度、可靠性、耐久性的基础上，加强增
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应该是着力发展这一市场。的确，目前节能与
新能源汽车发展方向虽然一直是汽车业代表、
委员们关注的焦点，但众多业内专家认为，当
前新能源汽车仍受到核心技术、基础设施和推
广成本等因素的制约，普及还需要有一段很长
的路要走。因此，从传统的汽柴油汽车入手，
通过技术手段提升其燃油效率，同时降低排
放，才是当前实现汽车节能减排的现实路线。
油消耗量比目标值高9%；2013年，允许企业平均燃油 到2015年，西欧市场柴油轿车的占有率将达到55%的最
消耗量比目标值高6%；2014年，允许企业平均燃油消 高值，然后趋于稳定。美国是世界上最大的汽车生产
耗量比目标值高3%；到2015年全面实行第三阶段燃油 和消费国之一。自2005年起，美国政府就改变了以往
成为迫切而现实的途径选择。
型汽车领域继续保持其地位，而且在轻型车动力领域
据权威机构预测，2015年前90%的汽车仍将采用传 的 应 用 也 不 断 扩 大 。 据 统 计 ， 欧 洲 100% 的 重 型 车 、
统动力，2020年前传统动力仍将占有80%的市场。而 90%的轻型车均已采用柴油机，90%以上的出租车均采
增压技术的初衷是增大发动机的功率密度，从 而提高发动机的机械效率，进而提升它的有效热效 率。一般来讲，增压发动机比非增压发动机热效率 可提高5%~10%。在增压技术的帮助下，小车大功率 已变成现实。从目前发展趋势看，增压技术可通过 传统发动机的小尺寸化实现节能减排。以1.8T涡轮 增压汽油发动机为例，经过增压之后，动力可达 2.4L发动机的水平。柴油机经过增压，动力性增加 幅度可达到100%，甚至更高。首先，小尺寸化节省 了材料和加工过程中的能耗，实现了间接的低碳排 放。其次，小尺寸化后，发动机的低负荷等常用工 况经济性得到提高，实现直接减排。
小排量发动机主要通过紧凑的结构设计、可变 气门、增压中冷、两级增压等先进技术提高发动机 的动力性和经济性，但是这会导致缸体承受的强 度、刚度以及缸盖、活塞的热负荷增加。相关零部 件及发动机的生产企业需要通过新材料的选用和整 体优化设计，解决零部件可能出现的问题。小型发 动机应用的技术与1.6L、2.0L的发动机不会有太大 差别，可能会陆续采用可变气门技术、增压技术、 直喷技术等。由于这些核心技术基本掌握在国外企 业手中，本土企业研发小型发动机有一定困难。
涡轮与电动混合增压系统是极具发展前景的增 压技术。应用该技术后，可以更加充分地利用发动 机的排气能量，当废气能量多于压气机耗功所需时， 可利用废气能量通过涡轮发电储于蓄电池中，同时 起到涡轮调节的作用。
空气涡轮再冷增压技术也是正在探索的提高增 压发动机性能和挖掘其潜力的技术措施之一。这项 技术可降低发动机的进气温度和相对于排气的压力， 有利于氮氧化物的降低和EGR的实现。
高压共轨 (Common Rail) 电喷技术是指在高压 油泵、压力传感器和电子控制单元 (ECU) 组成的闭 环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全 分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油 输送到公共供油管 (Rail)，通过公共供油管内的油 压实现精确控制，使高压油管压力 (Pressure) 大小 与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油 压力随发动机转速变化的程度。目前共轨燃油喷射
2010年发改委等部门联合下发了 《关于印发 “节能产品惠民工程”节能汽车推广实施细则的通 知》，将发动机排量在1.6L及以下、综合工况油耗比
现行标准低20%左右的汽油、柴油乘用车纳入“节 能产品惠民工程”，在全国范围内推广。国家鼓励 小排量车发展，对于国内发动机企业及众多车企的 推动作用较为明显。业内专家普遍认为，补贴政策 及新车船税法的出台，意味着国家对小批量轿车支 持力度的进一步增强，将激活消费者的购车热情， 同时使小批量发动机产量迅速提升。
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压器、燃油系统、后处理装置等3个部件的协同性；在 “十二五”期间，如果重点发展电动车，国家至少需要
零部件的使用方面，可以在发动机内部采用高密封、 投入2000亿元用于充电站建设。而反观柴油供应体系，
ห้องสมุดไป่ตู้
低摩擦技术。 采用新技术能大大提高传统发动机的节 现在已有较为完善的设施，只要稍加改进，就能适应
油性。应用轻量化材料，节油率可达10%左右；应用缸 技术更为先进的柴油车所需。因此，在没有掌握电动
内直喷技术，节油率可达8%左右；应用EGR （废气再 车核心技术的情况下，柴油车先天的高效率特性，将
循环） 技术，节油率可达2%~10%；应用起停技术，节 成为我国车企的现实选择。如果柴油车市场份额能达
压、先进燃烧技术等） 有40%以上的节能潜力。
日本等发达地区和国家几乎一致性地制定了积极发展
和推广清洁柴油车的发展战略。西欧国家石油产量有
2 轿车柴油化
限，节约能源的需求迫切。欧洲一方面积极寻求新能
源，计划在2020年把新能源占所有能源的比例提高到
我国已连续两年跻身世界最大的汽车生产消费国， 20%；另一方面力求降低传统汽车的能源消耗，先进的
是先进高效的小排量发动机对机械制造工艺要求很 高，国内机械制造水平和基础装备水平需要进一步 提升。
此外，现生产1.6L、2.0L的发动机企业如果改 为生产小型发动机，会面临一个重要问题，即生产 线升级或者重新建线。由于采用先进技术的小型发 动机在结构上与现有1.6L、2.0L的发动机差异较大， 如要生产，企业可能需要投入上千万元进行生产线 改造，或投入上亿元建立新的生产线。