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新能源汽車沖擊 發動機就前途暗淡了?

發布時間:2020-04-08【企業動態】

近年來,隨著混合動力、插電混合動力、純電動以及燃料電池車概念的發酵,讓人們認為新能源將會是未來的核心,前途光明,也因此有人因而拋棄傳統發動機,認為“發動機是熟透了的技術”,在新一代汽車(新能源)的沖擊下,發動機前途暗淡,仿佛發動機就要進入“冰河期”一般。 這其實是一個嚴重的誤解,在美國的某些發動機開發部門甚至流傳著一個完全相反的笑話,ICEAGE的確會來,但不是冰河期,而是“內燃機時代”,ICE其實是InternalCombustion Engine的縮寫。 傳統發動機尚未“熟透” 更多新型發動機的誕生,比如大發、馬自達、通用等企業相繼開發出更小排量更新技術,燃效相比以往至少提升22%以上,即便扣除自啟停帶來的油耗優勢,也能看出傳統發動機其實還有很大的挖掘潛力,可以繼續茁壯成長。 根據今年的數據統計,全球汽車經濟性在過去1999年到2012年期間,油耗提升了7.9%,當然這其中包含了混合動力車型,比如普銳斯、沃藍達,但其實混合動力的真正爆發點是2008年,所以整量上影響并不大。 代表發動機進步的一個指標是尾氣損失、冷卻損失,如今很多傳統發動機尾氣溫度大概在600℃左右,但是新型追求燃效的發動機已經可以降低到接近500℃,并且發動機排氣歧管、缸壁表面也幾乎不會出現溫度升高的情況,這也就意味著大部分能量都用于驅動車輛了。 在傳統動力上,馬自達運用高壓縮比在第一階段達到了與弱混相當的燃效,第二階段可以達到強混相當的燃效。這其中發展的核心點就在于單純利用發動機實現稀薄燃燒,最終希望內燃機可以在2030年將70%的內燃機汽車二氧化碳排放量相比1990年降低80%。 關于發動機前途暗淡的討論,我們雖然能看到中國政府在鼓勵PHEV、EV甚至FCEV的發展,并且希望這些車型能快速提高份額,但實際上這種提高其實是政府一直在主觀引導,而在全球市場看來,一旦2020年放開補貼,那么全球市場的發展絕不僅僅是消費者希望的那樣。 富士CHIMERA綜研關于2020年世界需求的預測中表示,新能源汽車(含HEVEVFCV)由2010年的1.4%增長到2015年的4.4%,2030年將達到8.6%,也就是說即便到了2030年,依然是傳統內燃機的天下。這主要是因為未來汽車市場增長點主要在發展中國家,又以中國、泰國、印度、巴西、俄羅斯、墨西哥等為甚。 新興市場國家消費者通常比較保守,他們特別抗拒可靠性比較差的產品,加上購買高等級汽車的階層有限,所以預算不足以購買新能源車型,當他們預算充足了,這些國家也會更愿意購買后驅車型。另外,新興國家大都行駛距離更長,并不像日本這些國家,單純EV擁有100-200km的續航即可。 當然,HEV混合動力其實也是搭載傳統發動機的汽車,并不能完全歸于新能源汽車,所以發動機依然可以在高壓縮比、燃效方面繼續發展。 歐美狂熱追求燃效渦輪 渦輪增壓已經不是新生事物了,而且也經過了一段時間的發展,現在它的角色正在發生轉變,大有接過內燃機燃效繼續深挖的潛質。 過去渦輪增壓發動機往往著眼于輸出功率,即在原有排量之上增加渦輪,提高動力,而現在渦輪則更多轉變成減少20%-50%的排量,利用渦輪增壓器徹底增高壓力,這就是燃效渦輪發動機了。 不得不說,燃效渦輪發動機在全球范圍內,主要由歐美推動,日本要保守很多,幾乎沒有任何動作,除了豐田推出了一款添加97#汽油的2.0T以及英菲尼迪利用可變壓縮比概念推出的2.0T發動機。 猶記得當初福特和本田發布的1.0T發動機,共同采購自德國FEV,通用則自己發布了1.0T和1.3T小排量渦輪增壓發動機。可以說,目前在小排量發動機領域,直接對壘的其實就只有FEV和通用兩家,而后面還有大眾陸續加入,這些企業其實都在卯足力量爭奪世界汽車銷量冠軍。 這種燃效渦輪和輸出渦輪不同,不求最大輸出功率,只求和原本發動機保持相同程度即可,因此可以減少排量,“小型化發動機”(Downsizing)也正是由此而來。比如,通用推出的1.0T發動機最大功率92kW最大扭矩170Nm,顯而易見是要代替目前在服役的1.5L自然吸氣發動機,以匹配競品的1.6L或者1.8L發動機。 通用推出的1.3T則更進一步,最大功率120kW最大扭矩230Nm,完全是在匹配競品的2.0-2.4L發動機,如此一來,兩款發動機至少可以帶來5%-10%的燃效提升。 畢竟減少了排量,相應的可以縮小所有部件,降低摩擦阻力,缸徑和沖程都變小的話,活塞和氣缸摩擦的面積以及摩擦的沖程都會變小,泵氣損失也會減少,在負載較小,增壓不發揮作用的時候,燃效渦輪就相當于一臺小排量發動機,所以相比較自然吸氣發動機,節氣門會微微打開,這樣一來泵氣損失就減少了。加之,小排量在渦輪作用前和作用后,動力懸殊并不大,所以動力上也不會嚴峻。 如今看來,小排量三缸渦輪發動機的主要問題就是震動和NVH了,但顯然目前也有了一些改進方法,暫且不提。 從全球市場看,德國博世曾經預測,小排量渦輪增壓發動機至少可以提高22%的燃效,現在已經有很多發動機超過了25%,未來可能達到29%,小排渦輪和HEV的差距會進一步縮小。此外的優勢是,小排渦輪更容易減重,通用1.0T比1.5L減輕24公斤,1.3T也比1.4T減重25公斤,減幅20%,新能源配備電池、馬達和逆變器之后,車重至少100kg以上,小排量也就更容易開發節能車。 小排渦輪增壓未來的規律 從此前FEV供應的1.0T發動機,結合通用本次推出的1.0T引擎和1.3T引擎,我們在其中可以看到未來一些小排量渦輪增壓發動機的趨勢。 首先,目前大多數三缸小排量渦輪增壓發動機大存在抖動、噪音等問題,其中又以寶馬1.5T三缸機為甚。為了抑制噪音和抖動,多數車企在發動機懸置方面進行了大量的功課。通用這次在1.3T發動機上把傳統系統中安裝在發動機和變速箱之間的剛性飛輪“一分為二”,通過一個彈簧減震連接,這樣可以吸收部分發動機扭轉振動。 其次,低摩擦會是未來所有發動機的研究方向,比如DLC涂層。DLC涂層比鋼材的硬度、耐磨性都要更高,相比過去的PVD涂層,硬度提升一倍,耐磨性提升八成,如此一來,小排量渦輪增壓引擎機油消耗量只要同級別的三分之一,降低了摩擦損失。這種涂層也會有越來越多發動機采用。 第三,越來越多的電子設備開始進入發動機,在緊湊的體積內提供更加豐富和準確的操作,這也是小排量發動機跨越式發展中最至關重要的一環。比如,通用為了讓1.3T引擎的渦輪增壓器更快提供正壓,不僅使用了低慣量渦輪還采用了電子渦輪。 最后,模塊化會是小排量發動機的核心。從1.3T發動機上我們可以看到通用其他發動機比如1.0T的特點,因為這些發動機基本都是在模塊化基礎下開發出來,擺脫了過去某幾款發動機作為一個整體開發的概念,通過設計一個比較優秀的發動機單缸,然后將這些單缸發動機組合得到不同排量的發動機。 當然,這種研發模式導致集成化越來越高。其實從最早缸蓋集成技術,我們就已經可以看到這種跡象。隨之而來的是,車企耐久性可靠性的測試強度會比過往增強許多,以避免單一問題造成更大損失,另外一點是,高集成會大幅減重,比如采用更加緊湊的設計、更加高級別的材料等等。 從最終結果上看,我們不難理解,通用、福特、大眾這些國際大廠,在新能源如日中天時依然下注于小排量渦輪發動機,其實也恰恰是依然看好傳統引擎的發展前景。這其中通用還宣稱“未來沒有通用不涉及的動力總成”,據說通用準備了不止一款小排量渦輪增壓發動機。至少在通用看來,未來小排量發動機會在集成化、電氣化以及降低摩擦方面會有更多的進步,而且從通用對于小排量發動機的構想上,我們已經能看到未來發動機的發展趨勢。

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