【原创】混动汽油发动机如何达到50%热效率

随着节能减排要求越来越严苛，国七排放已开始探讨，3L/100km以下的油耗要求也随之提出，对于混动车型内燃机最高效率的追求步伐日益加快。下面针对未来汽油机50%热效率实现的技术路线措施进行相关探讨。

46%的实现是在目前量产的43.6%热效率基础上进行三个方面优化:采用稀燃技术、采用更高EGR率、控制试验室更好的温度压力冷却等边界。

经过大量调研，目前上市高效热效率机型，最高热效率真实的实际水平为43.6%，从43%升级到50%需要经过多方面油耗改进。下面从热效率介绍、热效率影响、热效率路线等几个方面进行详细讲解。

热效率分为指示热效率和有效热效率，指示热效率是指发动机实际循环指示功与消耗的燃油热量的比值，一般通过燃烧分析仪测得P-V示功图进行相应换算；有效热效率是指燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数。

为了说明热效率提升方式，必须引入几个定义，如下所述。

指示功一般用IMEP表示，IMEP为指示平均压力，指示对应指示油耗率，如下：

有效功（曲轴轴功）一般用BMEP表示，BMEP为制动平均压力，制动对应有制动油耗率，如下：

摩擦功一般用FMEP表示，FMEP为摩擦平均压力，IMEP=FMEP+BMEP,得出制动油耗与指示油耗关系，如下：

（具体见内燃机学）

我们通常所说的热效率一般只制动油耗对应的热效率，一般油发动机燃油消耗BSFC来换算得到，初步总结为如下经验公式：热效率=84/油耗率；

根据换算目前市场上汽油机高效最低油耗率为84/（43.24%）=194.3g/kWh；如果要获得50%热效率，对应的油耗率为：168g/kWh。可见，最低油耗需要降低接近26.3g，降油耗任务非常艰巨。

根据相关专业机构预估，预计在未来2035年热效率预期能够达到50%水平。

50%的热效率水平预期油耗可以达到3L以下，甚至接近2L/100km的极致油耗水平。

这么低的油耗挑战，要么采用BEV纯电技术，要么需要进行内燃机极致热效率提升。

通过上面热效率的了解，提升有效热效率主要的途径就是首先提升指示热效率（总的），其次在减少相关损失（无效的）。这样对于热效率影响因数就从这两个大方面着手分析。

指示功的影响因素较多，例如高效循环、使用燃料、指标定义、发动机基本参数、传热损失等。下面进行详细阐述。

传统发动机使用的基本都是奥拓循环，进气门关闭时刻提前滞后较少，基本在下止点附近。而混动专用发动机包括高效循环包括米勒循环和阿特金森循环两种。学术界、网络上对这两种循环众说纷纭，把很多人弄得神魂颠倒，不知何解？下面针对这两个循环做一下简单讲解。

阿特金森循环：阿特金森循环最早在专利中定义必须带有用于提升进气压力的机械连杆系统，如下图所示。通过进气滞后，压缩比加大，使膨胀功足够大，降低的气量用该机械机构进行弥补。

目前市场上的机型不存在这种机构，所以不是实际意义上的阿特金森循环。 

米勒循环：通过进气提前或者滞后关闭来调节压缩行程与膨胀行程，提升膨胀功，米勒循环是基于阿特金森循环的改进版，没有繁琐的连杆机构。

那目前市场上的高效机型其实全是米勒循环。而之所以目前市场上称为阿特金森循环主要受到丰田影响，丰田开发的自然吸气高效发动机称为阿特金森循环，行业内也就随着这样称呼了。

而国内业界就这样习惯把自然吸气高效成为阿特金森，而把带增压的高效循环成为米勒循环。

高效循环主要是通过降低泵气损失，增加膨胀比。同时匹配高压缩比、高EGR、高滚流等技术提升热效率。

在开发一款高效发动机时，发动机指标的定义至关重要，必须明确定义发动机功率、扭矩和油耗要求，高效低油耗发动机必须要面临最大功率、扭矩的降低，不能一味的追求所有目标的极致，这样的话会做不到热效率的更低化。如下图所示，未来高热效率发动机需要适当降低对最大功率的需求，这正好是混动的最佳匹配，更高的功率需求由电机补偿即可，发动机尽量做到最高热效率极致。

最求更高的50%必须追求更少的缸数，例如从四缸变为三缸，甚至采用两缸方案，缸数越少摩擦越低。

三缸与四缸对比最低油耗具备较大提升如下图所示。

4.1 行程缸径比

最求更高的热效率需要匹配更大的行程缸径比，如下图所示。

目前市场上最高的热效率43%对应的行程缸径比已经达到了1.5以上，在未来开发的50%热效率机型需要更高的行程缸径比最求，预计可以突破1.6甚至接近1.7。

4.2 压缩比

压缩比的提升在保证冷却爆震和绝热前提下会进一步提升热效率，如下图所示。

目前市场高效发动机最大压缩比已达到了16水平，未来50%热效率必须匹配更高的压缩比需求，伴随着稀燃技术，压缩比有望接近柴油机水平。当然压缩比的提升必须匹配更好的抗爆震技术才可行。

为了更好的提升压缩比，关键油耗圈、关键负荷常用工况采用更高压缩比，功率扭矩较大位置易爆震区域采用低压缩比，可以兼顾油耗与性能最佳化，采用可变压缩比技术。

4.3 曲轴偏心

曲轴偏心距加大可以进一步降低摩擦损失，如下图所示。

目前市场上曲轴偏心在8mm左右，未来将挑战更大的曲轴偏心距设计。

4.4 面容比

更低的面容比可以增大燃烧速度，各个方向燃烧更均匀，同时减少放热损失，如下图所示面容比越低油耗降低越大。

目前市场上机型面容比大多数在3.5左右，随着热效率提高，面容比尽量降低，希望能够设计到2.5以下。

未来更高热效率需要单缸更大的排量支撑，单缸排量在500cm3以上更利于油耗发挥。

目前市场上高效发动机机型一般单缸最大排量在0.4左右，未来50%热效率在缸数减小的基础上进一步加大单缸排量。

外部冷却EGR技术是高效发动机的标配，EGR率的进一步提升可以有效抑制爆震和延缓传热损失，提升热效率，实现更高热效率提升EGR率是必须的手段。

目前市场上CEGR的形式有高压和低压两种，实现的EGR率在20%左右，未来匹配50%热效率，EGR率预计要求达到30%左右，实现更高的EGR流量。

更高的 EGR 率必须匹配更大的点火能量，以保证燃烧速度更快，不易失火。

目前市场上高效机型一般最大点火能量为120mJ，未来匹配 50%热效率机型需要更高的点火能量，需要的点火能量预估可达到200mJ，可以考虑激光点火技术的应用。

燃烧优化包括燃烧室设计、喷油器选配以及混合燃烧效率的提升。主要的目的是提升燃烧速度、降低爆震风险、提升混合效果。

8.1 喷油选型

对于喷油器选型主要是提升喷油压力、喷孔更小更多，最终达到增强雾化效果的目的。

目前市场上采用的GDI机型最大喷油压力为350bar,为了追求喷油效果的极致可以考虑采用500bar（已量产）,甚至可突破至1000bar。PFI机型喷油压力基本在(5-6)bar。

喷油压力的提高实现了燃烧周期缩短，燃烧更快，更有利于热效率提升。现市场国内量产机型喷油器多为6-8孔，后续升级可以考虑10-12孔优化设计。需要注意的是喷油器的升级需要配合油品质量跟随提升。

喷射技术中，对于解决缸内冷却，降低爆震，匹配更大的压缩比，在应对未来50%热效率需要考虑喷水技术的应用。

燃烧室喷水可以降低燃烧周期，对提升热效率具有较佳效果。该技术目前在宝马最先进的机型中已成功应用。

8.2 气道燃烧室优化

传统气道追求的是普通滚流比和更高的流量系数，主要是为了实现更好的功率扭矩性能。而高效机型需要更大的滚流比，实现更高的湍动能，从而获得更低的燃油消耗。

高效发动机能够实现50%热效率必须匹配预燃室技术，同时需要匹配高效燃烧室设计需求的更高的挤气和更低的面容比，如下图所示。

活塞优化设计匹配更好的压缩比，实现对气流和喷雾最佳的导向作用，如下图所示。

气道、燃烧室和活塞最优化设计和匹配获得更好的热效率效果。下图中显示更高的滚流和湍动能获得了更好的#3燃油消耗率，更好的方案可以实现局部位置最大燃油消耗降低10g以上。

提升热效率除了提升指示效率，还要减少散热损失，最好的方式就是绝热技术。镀陶、激光喷涂都是绝热技术，但最彻底的绝热就是缸盖缸体一体设计，没有螺栓连接，减小缸垫部位散热损失。

目前市场上实现43%热效率采用的燃料大多数产品为92#燃油，也有一些为95#燃油，未来实现50%热效率，对燃料的选配要求更加高，需要采用热值更高、燃烧更快、抗爆性更好的燃料，需要采用牌号更高的燃油或者采用氢燃料这种辅助燃烧更好的燃料作为添加。

材料的优化选配较好的情况下可以实现提升（1-2）%的热效率。

稀燃技术是未来实现50%热效率的必须技术配置，稀燃技术的应用可以在现有高效基础上大幅度提升更低热效率范围，实现更低热效率数值。

与现有标准空燃比λ=1技术相比，在整个功率需求范围热效率均有所提升，尤其是种地功率需求下的稀薄燃烧热效率提升更多。

未来对于更高热效率，空燃比需要控制在22以上，甚至更高水平，空燃比越高对热效率降低效果越极致。

目前市场上空燃比14.7标准下热效率最高只能做到43%的水平，更高的热效率实现和追求需要在稀燃的环境下获得。

降摩擦优化是实现更高效率的最有效措施和手段。对于增压机型一般最低油耗负荷为12bar左右，而自然吸气机型一般最低油耗负荷为8bar左右。

最高热效率点摩擦功降低0.2bar，油耗可以降低4g，基本遵循2g/0.1bar的技术趋势。目前市场上43%热效率最高热效率点FMEP已经做到了0.5bar水平，进一步降低摩擦损失是一件非常艰巨的任务。

预估下一代更高热效率机型需要摩擦FMEP降低到0.35水平，匹配50%热效率摩擦功需要进一步优化压榨。

降低摩擦、优化设计，需要针对摩擦占比较大部件系统，如下图所示。

运动系统摩擦占比最大，之后是配器机构和前端轮系如下图所示。

目前高效发动机应用于混动上机型，前端轮系都采用了电动化技术，主要的损失为电子水泵，一般功率为400W左右。

11.1激光喷涂

缸体激光喷涂技术是无铸铁缸套，可以有效降低摩擦力，同时能够更好的实现绝热效果，降低热损失。试验显示该技术可以降低活塞部分摩擦的10%，具有较好的降摩擦效果，是未来50%热效率建议采用的技术方案。

11.2 曲轴优化

曲轴在摩擦占比中较大，对曲轴优化采用减重、降低轴颈、优化结构等措施。

随着曲轴优化设计更极致，需要选取更小直径、更小质量的设计。需要匹配混动车型工况使用来优化（混动使用相对于传统车型负荷和转速可实现进一步降低）

11.3 材料优化

采用摩擦系数更小的图层材料和镜面加工技术，可以实现更低摩擦效果。

11.4 活塞优化

活塞优化主要为结构优化减重、裙部优化降摩擦面积、活塞环优化降低弹力，在活塞摩擦占比中活塞环影响最大。

活塞环摩擦力占比最大的是第一环，目前市场上高效发动机第一环设计以1mm居多，未来实现50%热效率，可以挑战更薄、弹力更小的0.8mm活塞环应用。

11.5 配气优化

配气机构中降低摩擦最有效措施为把滑动摩擦变为滚动摩擦，采用滚动接触形式。

配气机构中凸轮轴轴颈摩擦占比较大，采用减少支撑轴颈或者采用滚动轴承方式更有利于降低摩擦损失。

目前市场上国内高效机型配气机构还是采用常规的设计方式，国外大众某款机型已采用了滚动轴承设计和减少支撑轴颈应用。

11.6 润滑油

追求更低摩擦设计，需要采用粘度更低的油品进行应用。

目前市场上高效机型油品以5W30或者粘度更低的0W20，在未来热效率实现50%的技术中，润滑油品需要进一步优化来压榨降摩擦效果。

11.7 功耗附件

对于高效发动机很多功耗附件都进行了电动化，例如水泵、空压机、转向泵等，电动化可以提升降低功耗损失，提升效率。

在加速和爬坡以及最高车速运行时，需要混动系统提供最高功率来满足整车行驶需求，而在城市或者等中低速巡航时低功率需求，可以采用停缸技术也能够满足整车低功率需求，同时还可以降低摩擦损失、提高应用负荷，获得更好的机械效率和热效率水平。

停缸技术是一个成熟技术，已成功应用于一些国外机型，主要是采用可变VVL的方式进行切换凸轮停缸，停缸技术的难点在于控制和NVH协调。

热管理技术在国内发动机中应用水平较差，热管理提升空间较大。未来50%热效率发动机在热管理这块可以具备较大的提升空间。

最佳的热管理就是实现发动机冷热满足要求，无过冷、无过热，在这种前提下热效率做到最佳，尤其是针对整车常规运行油耗排放工况热效率做到最低。

12.1 热管理模块

下面针对热管理优化点进行相关举例说明。首先，最值得关注的就是发动机热管理模块，这个技术在大众机型上早已成功应用，但在国内机型机型上因为成本和控制难度而很少应用。

热管理模块的应用可以合理调节缸盖、缸体水流分配，让缸盖缸体冷却更为合理。可以缩短暖机时间，降低冷机油耗和排放。因为温度分配的合理性，发动机工作热效率也更高。

12.2 缸体分水套

另一个缸套增加分水套的技术也是用来提升缸体温度分布合理性的设计举措。

这个技术在日本机型上应用较多，可以实现缸体流速分布更合理，上止点附近需要冷却更多的部位流速更高，整个缸体水套水流流速分层，缸体受热更均匀，匹配活塞可以降低配缸间隙，根据试验统计该技术可以实现NEDC循环节油1%。

12.3 缸盖集成排气

集成排气技术在目前高效机型上已成功应用，在未来50%热效率机型上也是必须的标配， 集成排气可以实现高速高负荷应用的不加浓，在发动机高负荷运行工况实现节能减排效果。

值得关注的是排气集成与热管理模块联合使用，获得更好地热管理效果。

12.4 活塞冷却

50%热效率需要匹配更大的压缩比、实现更好的绝热效果，需要压榨更多的燃烧效率，燃烧室温度会相应提高，而对于冷却除了缸盖水套，最主要的就是活塞冷却，采用活塞温度最高的头部设计油道，直接过油冷却，可以有效抑制爆震，提升热效率。

在整车能量传递过程中，决定轮端输出的最主要的就是发动机热效率水平，进一步提升发动机热效率，这样才能实现整车运行更低的燃油消耗。整车能量传递如下图所示。

50%热效率技术的实现除了需要继承目前43%热效率的基础技术，还需要对应用的技术进一步细化，精细压榨提升，进一步挖掘现有技术的热效率。具体技术应用罗列如下。

以上现有技术主要包括以下两个方面，指示热效率提升技术和降摩擦技术。

指示热效率提升主要是实现使用燃料最大实现指示功率。从而获得更高的指示效率。包括进气量优化措施、燃烧优化措施、以及油-气合理混合，最高效做功。如下图汇总。

最高指示效率下，实现最低的损失就能获得最高的有效热效率，最主要的一块损失就是摩擦损失，降摩擦在实现50%热效率技术中举足轻重。

实现50%热效率在现产品技术上进行相应升级，主要的技术应用为稀燃技术（预燃室）、电子增压、绝热技术以及其它相应组合。

实现50%热效率在现产品高效基础上进行相关升级，绿色字体为必要的技术方案，黑色字体为可选择的技术措施。

在50%热效率技术开发实施过程中，要根据自身产品特点和需求进行相应的方案选配。

实现50%热效率主要的技术为直喷、增压、稀燃、高压缩比、高EGR、大行程缸径比、低摩擦、绝热等，在现有43%热效率基础上进行技术优化，同时匹配稀燃、大行程缸径比、绝热低摩技术。具体的技术升级效果预估如下。

根据不同机型相应效果和应用技术可能会略有差异，根据产品需求应用相应技术获取50%热效率。

50%热效率追求和实现固然是一种技术体现，但在实际整车应用中更要最求高热效率圈的落点，高热效率圈落点的负荷和转速越适应整车高效需求，整车节能减排效果越好。所以实际的高效发动机开发中不能追求单个高效点，要看所在圈位置，根据整车需求，进行合适的圈定义，合理配置定义等（不同高效配置会影响高效圈形状和位置）。

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