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新能源车时代下的燃油机技术还能有春天吗?车企是这样回应的

2023年11月08日 14:55:06
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来源:阿川说车

在近期,不少大型车企都在重新考虑延长燃油车的生产寿命。由于海外电动车市场的需求低迷,包括丰田、通用、奔腾奔驰在内的巨型跨国汽车公司,都在考虑通过延长燃油车的寿命来提高整体回报率。

当下,其实我们正处于“油电转换”的时间节点以内。而各大跨国汽车公司透露出的这一消息,也不禁让人疑惑:目前的燃油车核心技术发展还有多大的空间?在未来,燃油车是否还能带来更新的体验?

第一个问题:目前燃油技术发展到了何种程度?

进入到2023年之后,其实不少车企的内燃机技术,已经发展到了相当高的层面。

当然,这里的“高”主要集中在三大层面:热效率高、性能高以及环保性高。

其实纵观目前的主流发动机阵营,我们可以发现很多相似之处。

很多以经济性为取向的机型,都有着令人惊讶的热效率表现。

比如为我们所熟知的丰田 “DynamicForceEngin”2.5L直喷发动机,通过高速燃烧的设计理念,减少了燃油的浪费,使得热效率可以达到40%-41%(混动与纯燃油车热效率有1%的区别)。

再比如,马自达鼓捣出来的Skyactive-X汽油压燃发动机,也实现了热效率的突破。

基于SPCCI火花塞控制压燃点火技术,这一汽油压燃发动机可以通过火花塞辅助压燃的方式,让汽油发动机实现超稀薄燃烧。简单来说,就是空燃比更高,以更少的汽油混合更多的空气,从而使得燃烧更加充分。

基于这样的技术策略,马自达汽油压燃发动机理论上的热效率可以达到50%,而在实际应用的情况下,其热效率也能“有条件地”达到43%。毫无疑问,这样的热效率,将有效改善传统燃油车的油耗表现。例如在NEDC工况下,国产的马自达3 昂克赛拉的百公里油耗仅为5.2L,接近于混动车的水平。

目前很多性能取向的发动机,在高性能与高经济性之间达成了平衡。

比如在目前的主流2.0T机型中,很多发动机普遍拥有160kW以上的功率、350N·m以上的扭矩储备,并且能耗表现不错,有效替代了自吸时代的3.0L-3.5L排量的机型。

举个例子,为了提升2.0T发动机的动力性,很多车企开始在增压系统方面下功夫。

比如通用第八代Ecotec 2.0T发动机,就采用了低惯量单涡轮双涡管以及电子控制技术,这一技术可以精确地控制涡轮系统的转速,为车辆提供更大的进气压力,从而提升动力。

同时,上汽蓝芯2.0T发动机还采用了VGT可变截面涡轮增压技术。

这一技术的优势在于,可以使用更大尺寸的涡轮来提升动力储备。同时,由于涡轮叶片可以像飞机螺旋桨一样进行变矩,所以在转速较低的时候,也能减小阻力,避免低扭不足的问题,从而带来类似于“大小双涡轮”或者“双增压”的线性高性能表现。

当然了,目前的主流2.0T发动机除了追求性能的提升外,也注重提升整体的效率。

比如目前多家车企,都从燃烧的层面去解决效率的问题。例如在燃油喷射端,包括通用、大众在内,都采用了35Mpa(350Bar)高压直喷技术。更大的喷射压力,可以让燃油在进入气缸之后,雾化得更加均匀,从而更好地与缸内空气进行混合,实现均匀、高效的燃烧,这也直接提升了发动机的热效率。

此外,还有一些车企甚至还针对四缸发动机开发出了“闭缸技术”。

比如通用第八代Ecotec 2.0T发动机,在气门凸轮轴上,采用了几种不同的凸轮,1-4气缸包含“高扬程凸轮”、“低扬程凸轮”,而且2、3号气缸还额外增加了一组“0扬程凸轮”。它们可以根据工况来调整气门开启角度。在巡航的工况下,2号、3号气缸甚至可以实现关闭,从而实现两缸运行,尽可能地降低燃油消耗。

凯迪拉克CT6这款C级轿车为例,在WLTC工况下,其百公里油耗仅为7.59L,直接打破了美系车“耗油”的刻板印象。

第二个问题:燃油技术的后续提升空间还有多大?

其实,在了解过目前各大主流车企的发动机整体技术实力之后,我们发现在这个追求高效率的时代,纯燃油发动机技术似乎已经发展到了“顶点”。

但是,如果仅仅是“照搬”理论的话,笔者认为内燃机的发展之路其实还很漫长。

比如在热效率方面,内燃机的热效率其实还可以提升。首先,发动机的热效率取决于压缩比、工质绝热指数、燃烧等容度,在奥托循环体系之下,当空气燃料压缩比达到15:1时,理论热效率可达66%左右;而压缩比达到20的时候,理论热效率甚至可以超过70%。当然,如果是船舶用的大型内燃机,其热效率甚至还可以继续提升。

而且,在海外一所大学的发动机试验室中,研究人员通过RCCI双燃料发动机压燃技术,将E85汽油与柴油进行混合燃烧,理论热效率也达到了59%。

由此可见,在内燃机技术方面,其实还有很长的路要走。

但是在笔者看来,发动机受制于技术、成本等方面的影响,其热效率的极限值应该难以达到70%以上。根据现有的发展进行推测,在后期,汽油发动机的热效率应该有望能达到55%-60%。而即便是这一数据水平,未来发动机的性能、油耗也将获得质的飞跃。

当然,在动力方面,发动机的进步空间就不用多说了,只要车企想要去做,就有足够大的空间。当然,追求动力的极限值,也需要发动机材料科学的同步跟进,以此来避免动力性能上升、材料耐久性下降的问题。

第三个问题:在未来,内燃机如何赋能汽车?

其实在短时间内(5-10年以内),受制于科技水平的发展,汽油发动机的热效率或许难以突破50%的大关。但是在这个阶段,节能减排也会是主旋律。各大国家和地区,也将推出日益严苛的环保标准。而在此时,传统内燃机要想“活下去”,就需要寻找“合作伙伴”。

从目前的技术水平来看,发动机与电机配合,是一个理想化的发展模式。

在今年,中国汽车市场的插混车型销售增速已经超过了纯电动车型,由此可见,插混车将从市场层面,成为未来新能源市场的中流砥柱。

而插混车型,除了需要一套优秀的电驱系统外,也少不了高效的燃油驱动系统。

此时,内燃机也能在混动车型上“焕发第二春”。

通过原理来看,在插混车型上,内燃机与电机这两种驱动模式,算是互补的存在。

高速用油、低速用电、加速混用,这可谓是混动车型的基本工作模式。

简单来说,内燃机的特性,是在中高速巡航阶段比较节能,此时内燃机能进入到舒适的运转区间,提供不错的动力和效率;而电机则在中低速区间比较节能,但是高速耗能量大。所以,将两者结合起来,可以实现能耗的进一步降低。

并且有一个比较重要的信息,在功率分流式或者混联式混动系统中,对发动机的效率其实并不挑剔。即便是热效率不到40%的发动机,也能通过混动系统,在A级或B级轿车上带来4-5L/100Km的实际油耗。

而且,一旦内燃机的热效率超过40%的话,那么在直驱和串联发电的模式下,还会更加节能,从而进一步降低油耗。

结语:

所以,从目前的汽车发展大趋势来看,内燃机的整体发展思路是与电机结合从而实现能效的互补。在短时间内,内燃机必然不会消亡并且仍然将在汽车工业中保持重要的地位。只是,未来的汽车将不会完全依赖于内燃机,而是把内燃机视作整个动力链中的一个环节。

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