节能与新能源技术|发动机降油耗技术解析
摘要：本文是“节能与新能源技术”专题首篇，基于油耗排放法规、双积分政策要求，展开发动机在燃烧系统、配气系统、增压系统、热管理、低摩擦以及轻量化技术解析，并针对丰田、本田、日产、大众等车企的发动机技术升级路径进行简要分析。
1、政策法规
油耗排放法规，强制汽车环保压力。
面对全球变暖、环境污染、能源危机严峻的现状，汽车保有量的快速增加带来的环保压力，国家制定了严苛的油耗、排放法规，推动和促进汽车节能技术发展，以提高汽车燃料经济性水平。节能减排已成为汽车产业可持续发展的必然选择。 2012-2017年期间，国务院相继发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》、《汽车产业中长期发展规划》，明确了我国汽车节能标准的整体目标，到2020年，乘用车平均燃料消耗量下降到5.0L/100km，到2025年，平均燃料消耗量降到4.0L/100km，预测2030年降至3.2L/100km。
2016年12月23日，环保部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（第六阶段）》，2020年7月1日起，所有销售和注册的轻型汽车应符合国六标准，其中I型试验应符合“国六a”；2023年7月1日起，符合“国六b”。 2018年7月3日，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》：所有销售和注册登记的轻型汽车应符合国六限值要求，明确指出重点区域、珠江三角洲、成渝地区提前实施国六排放标准。
2019年5月，《中国传统燃油车退出时间表研究》报告流出，提出分车型分区域逐步推动传统燃油车禁售要求，其中私家乘用车2040年完全退出。
“双积分”，引导低能耗汽车发展。2019年7月-9月，工信部连续两次发布对《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》征求意见稿，明确2020年后双积分管理办法的细则，坚定不移推动新能源汽车发展。其中引出“低油耗车”概念，“低油耗车”在核算油耗积分时可以得到0.5倍的车型数量倾斜。 对此，我根据最新发布GB19578-2019《乘用车燃料消耗量限值》和 GB27999-2019《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》的草案针对单个车型油耗要求进行了统计，如下：
其中按照要求，目前销量占比主导地位的A/B级车型（GVW：1320-1660kg）2023年要求降至5.32-5.77L/100km，对比现在车型（丰田卡罗拉常规动力版、长安逸动蓝鲸版）油耗表现，在2023年皆无法满足其低油耗要求。（后续将会针对双积分进行详细测算）
小结：法规和政策驱动，围绕燃料消耗和排放标准进行技术升级将成为车企未来研发和应用的主要方向。
2、汽车发展趋势
根据行业权威咨询公司发布的数据，燃油车市场（含混合动力）占有较大市场份额，2025年依然占比约80%。燃油车以及混动汽车在未来相当长一段时间仍是汽车行业的主流。如何提高动力总成效率将成为各大车企主要的课题。
3、发动机燃油经济性分析
影响整车燃油经济性因素分析
整车轻量化带来的节油效果是很客观的，但受制于轻量化基础材料、应用成本影响，目前贡献度并不高。动力总成系统（含能量管理）节油潜力占据整车燃油经济性潜力的80%左右，其中发动机技术升级是汽车节能减排的主要方向。
发动机降油耗技术解析
发动机的热效率是发动机输出的机械功与发动机燃烧产生的化学能的比率，即燃料的化学能转化成机械动力的效率。热效率越高，转化的机械动力越多，燃油经济性强。但由于燃料的不完全燃烧，加之冷却损失、排气损失、泵气损失和机械摩擦带来的损失，发动机的有效做功被限制，提高发动机热效率是降低油耗的最直接、最根本的方法。
面对日益严苛的燃料消耗量和污染物排放标准，基于内燃机的汽车动力系统已经开展研究并应用一些降油耗技术应对，其中提高发动机热效率和动力系统电气化成为主要的技术路径。（本文重点解析发动机热效率提升技术，电气化及变速器传动系统后续再导入）
改善燃烧效率
350bar+GDI+PFI：缸内直喷系统核心是喷油压力，目前在产主流车型喷油压力在200bar，新一代缸内直喷发动机技术升级将采用350bar，提高缸内直喷系统喷油压力可以缩短喷油时间，改善燃油雾化效果，使燃烧更加充分，能获得更显著的节油效果并减少颗粒物排放。缸内GDI有效提升发动机功率与扭矩都提高约10%。
尽管GDI已成为应用的主流，但进气道喷射技术PFI仍因其优势得到广泛应用。PFI喷射主要用于中小负荷，GDI主要用于中高负荷及要求多次喷射的工况，GDI+PFI双喷系统规避了GDI在冷启动和中小负荷时的积碳、排放等问题，具有组织燃烧更灵活、控制爆震、抑制冷启动时的碳烟排放等优势。
配合GDI技术应用的还需高滚流气道，高滚流气道提高燃烧速度，降低爆震倾向，提高热效率，可降低油耗1%左右。
废气再循环EGR：EGR主要通过降低缸内温度，从而减少NOx排放和抑制爆震，更有利于提高压缩比，增大点火提前角，提高燃烧效率，改善车机匹配的油耗和排放。根据发动机和EGR控制策略不同，有效燃料消耗率能够降低3%-8%。
EGR可分为内部、外部EGR，其中内部EGR在现有主流车型大面积应用，有效降低油耗1-2%；外部EGR因其取气位置不同可分为高压EGR和低压EGR，高压EGR节油率在2-4%，低压EGR节油率在4-6%。
阿特金森/米勒循环系统：米勒循环、阿特金森循环以膨胀比大于压缩比的原理来提高热效率，进气门晚关为阿特金森循环，采用阿特金森循环技术有效降低泵气损失，从而实现5%左右节油率，目前丰田、本田、福特、通用等将其用于混合动力专用发动机；进气门早关为米勒循环，目前能够达到3%的节油率，国内大部门车企正在开发米勒循环发动机，以应对混合动力系统搭载。
高压缩比：有效降低燃油消耗率，但同时带来爆震倾向，日产提出可变压缩比发动机，
增压技术：主要包含涡轮增压、机械增压、电子增压、双涡管增压以及可变截面涡轮增压技术，涡轮增压+缸内直喷技术成为众多车企发动机小型化必备应用方案，发动机小型增压技术可带来节油效率10%左右。
可变截面涡轮VTG：VTG是应对“涡轮迟滞”现象而生的增压技术，可以提升低速扭矩30-60%，改善进排气压差，减少缸内残余废气，抑制发动机爆震。目前因其技术难度、成本较高主要在奔驰、大众发动机上应用。
单涡轮双涡管是将一个涡轮增压器的气流在经过涡管时分为两股气流，每股气流负责不同气缸。有效提升低速扭矩10%。
电子+涡轮增压：同样应对涡轮迟滞”现象而生的增压技术，当发动机低转速时，电机先驱动电动涡轮介入工作，当排气流量变大后，通过废气带动另一个涡轮介入工作。由于电气化升级，48V电子增压技术目前在奥迪高端车应用。
优化进排气系统
可变气门控制技术是优化发动机进气效率的主流技术之一。可变气门控制技术有可变气门正时VVT和可变气门升程VVL两个方向。
进排气双可变气门正时系统DVVT是VVT的发展和升级，DVVT发动机可实现对进排气门同时调节，具有低转数大扭矩、高转数高功率的特性，能够带来2%的性能提升和5%的节油率。
电子VVT系统是未来发展的方向，依靠直流电机通过齿轮箱带动凸轮轴转动，不依赖发动机机油油压，只要供电即可参与调节，而且具有360度可调节的优点。
VVL控制气门升程满足发动机不同工况对进气量的需求，减少气门节流损失，按照调节方式可分为分段式气门升程调节DVVL和连续式气门升程调节CVVL两种技术。DVVL无法实现气门升程连续调节，但因其结构简单、技术成熟得到广泛应用；CVVL气门升程连续可变，可在不同工况选择最佳气门升程，但因其复杂性、成本高目前应用较少。
断缸技术，NEDC循环大部分运行在低速低负荷区域，发动机节气门开度小，节流损失大，断缸技术可是使工作缸处于高负荷状态，从而降低节流损失，提高热转化率，节油6-10%左右。
智能能量管理
先进的发动机能量管理技术逐渐引入，如电子节温器、电子水泵、可变排量水泵、可变排量机油泵、智能发电机、缸盖集成排气管、独立冷却系统等，最大程度降低发动机的能量损耗。
电子节温器及电控水泵通过调节冷却液流量从而调节发动机水温，使发动机在不同工况下均工作在最佳的温度范围，达到降低燃油经济性和改善尾气排放的目的。
电子节温器主要利用发动机在运行过程中低负荷和高负荷两个工况完成对冷却液温度的不同控制。在中低负荷工况下设定较高的目标水温，以降低油耗；在高负荷工况中调低目标水温，加大冷却强度，以保证发动机安全运行。在低负荷工况下，节油效果2%-6.5%。
水泵作为发动机能量管理的关键部件，从机械水泵—电控开关水泵—电子水泵的技术升级。电控开关水泵和电子水泵已成为发动机热管理系统主流应用趋势。
可变排量机油泵，可使供油量与发动机的实际机油需求量进行匹配，从而降低机油泵功率消耗的。节油效率在1-2%。目前大众最新发动机EA211 1.5L EVO系列已应用。
此外，集成式缸盖也是一种发动机热管理方式，集成在缸盖内部的排气歧管通过冷却液进行热管理，串流的冷却液与排气歧管实现热交换，从而降低能量损失。
低摩擦和轻量化技术
低摩擦技术：主要是指降低发动机摩擦损失应用的技术，针对曲柄连杆机构、配气机构、正时系统、润滑系统、冷却系统的优化。包含低摩擦涂层、液压滚子摇臂、偏置曲轴、低张力气门弹簧、低粘度机油、激光珩磨技术、低摩擦轴承、缸孔等离子电弧加工技术等。
轻量化技术：塑料进气管、塑料缸盖罩、铝合金缸体、铝合金缸盖、结构设计优化减重。
4、各车企发动技术升级途径
丰田：A25A-FXS发动机（热效率40%，混动版41%）
应用技术包含：阿特金森循环、GDI+PFI+多孔喷射、高压缩比（13/14）、外部EGR、进排气DVVT、智能能量管理（电子水泵、电子节温器、可变排量机油泵）、低摩擦技术（激光熔覆气门座、低摩擦正时链、涂层轴承、低粘度机油等）。
搭载第八代凯美瑞综合油耗6L/100km。
本田：LFA 2.0L（热效率39.8%）
应用技术包含：阿特金森循环、GDI+PFI、高压缩比、高滚流气道、EGR、DVVT+DVVL、智能能量管理（电子水泵、电子节温器）、低摩擦轻量化技术。
搭载雅阁等混动车型，i-MMD混动系统。
日产：E-power1.2NA（热效率39%）
应用技术包含：阿特金森循环、PFI、高压缩比、高滚流气道、外部EGR、DVVT+VVL、智能能量管理、低摩擦涂层及轻量化技术。
搭载NOTE车型，E-power混动系统。
日产2.0VC-TURUO应用第四代可变压缩比技术（8-14压缩比连续可变），热效率在38-39%之间。
除可变压缩比技术之外，2.0VC-TURUO发动机还搭载了DVVT、集成排气歧管、双喷射系统（GDI+PFI）、可变流量机油泵、最佳冷却通道控制阀门系统等技术。
通用：LSY 2.0T发动机（热效率37.43%）
应用技术包含：350bar直喷GDI、双涡管涡轮增压、DVVT+DVVL+停缸、智能能量管理（电子水泵、电子节温器、集成歧管、可变排量机油泵）、轻量化技术（较上一代重量降低14%）。
搭载该发动机的凯迪拉克XT4综合油耗低至7.2L/100km。
大众：EA211 TSI 1.5L EVO发动机（热效率37.5%）
应用技术包含：350 bar直喷GDI、米勒循环、高压缩比、可变截面涡轮增压VTG、VVT+停缸、智能能量管理（电子水泵、集成歧管、可变排量机油泵）、低摩擦技术（缸体珩磨、轴瓦等离子涂层、聚合物涂层轴承）、轻量化技术（全铝发动机、无衬套连杆）等。
该发动机节油10%以上（百公里油耗低至5L以下）。
长安：蓝鲸NE14TG-1.4T（热效率40%）
应用技术包含：直喷GDI、高压缩比、高滚流气道、内部EGR、DVVT、智能能量管理（电子节温器、集成歧管、可变排量机油泵）、低摩擦技术、轻量化技术等。
该发动机目前大众逸动、CS35 plus综合油耗5.9L/100km。
广汽：第三代发动机1.5TM、2.0TM（热效率40%）
应用技术包含：350 bar直喷GDI、米勒循环、双涡管涡轮增压、高压缩比、外部高压EGR、DVVT、智能能量管理（电子水泵、集成歧管、可变排量机油泵）等。
长城：GW4B15-1.5T（热效率40%）
应用技术包含：350 bar直喷GDI、涡轮增压、高压缩比、内部EGR、DVVT+CVVL、智能能量管理、可变排量机油泵等。
吉利：第三代发动机1.5TG-RE（热效率39.1%）
应用技术包含：200bar直喷GDI、米勒循环、低惯量涡轮增压、高压缩比、外部EGR、DVVT+VVL、智能能量管理、可变排量机油泵、低摩擦技术等。
吉利1.5TG应用电气化48V-P0，同平台搭载MHEV、HEV、PHEV，形成未来电气化动力平台。
除此之外，不少车企已经启动对超稀薄燃烧技术等前沿技术预研，如马自达、丰田等。
5、总结
内燃机在未来相当长一段时间仍是汽车主要搭载动力，面对日益严苛的油耗排放法规，促使车企推动发动机技术升级或迭代，逐步推进高效率、节能环保、小型化技术趋势，通过高效的燃烧技术、按需型的智能热管理、轻量化低摩擦技术以及逐步普及的电气化技术，发动热效率有望在2025年突破45%。
再思考再启发：发动机热效率提升是一个技术升级和产品迭代过程，其中带来的成本压力、技术难度、开发周期本文无法评估。但我们认为，发动机技术升级只是车企应对国家法规手段之一，单一的技术手段是很难满足国家油耗排放法规、双积分政策带来的强制性节能环保要求。
下期解析内容：乘用车节能技术解析之48V轻混技术解析。
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