一刀说丨从未停止讨论的发动机热效率，最近又有了什么新技术？

在目前节能环保和电气化的大背景下，如何提升发动机的热效率逐渐成为发动机开发的一个主要技术方向。

各大汽车公司都在提升发动机热效率方面进行了深入广泛的研究和探索，通过一系列新技术的应用，过去的20年发动机的热效率有了显著的提升，下面我们来看看主流的提升发动机热效率的新技术。

首先我们来看看已经量产的提高热效率的方案，我选了4个从2017年至今最新上市的代表当前最高热效率水平的量产发动机来分析，名单如下：

（1）日系自吸：丰田最新的2.5L Dynamic Force Engine；

（2）日系增压直喷：日产的VC-TURBO可变压缩比发动机；

（3）德系小排量增压直喷：大众EA211 1.5T Evo；

（4）美系增压直喷:通用全新Ecotec 2.0T。

这些发动机代表了目前量产的最先进的技术，我们来逐一分析一下它们典型的代表业内最高水平的提高内燃机热效率的关键技术方案：

▍丰田，还是要先说丰田

丰田最新的2.5L Dynamic Force Engine发动机，采用阿特金森循环，混合动力版本热效率能够达到41%。该发动机提高效率的典型技术方案如下：

（1）阿特金森循环为了实现41%的热效率，丰田采用了阿特金森循环。简单的说就是采用进气门晚关的方法，把进入汽缸的空气再压回进气管一部分，这样给活塞加速做功的冲程就长于实际用于压缩的冲程，也就是膨胀比大于压缩比，所以热效率会比较高。基于阿特金森循环，丰田为2.5发动机选择了高达13的压缩比。

（2）电动VVT阿特金森循环需要电动宽角度调节的可变气门正时系统VVT的支持，这样可以实现快速的VVT调节，满足阿特金森循环对气门正时控制的要求。

（3）冷却EGR 为了进一步提高热效率，丰田设计了一个冷却EGR也就是废气再循环系统，这样在部分负荷时从排气管引一部分废气重新进入进气系统，这部分废气不参与燃烧，但是可以降低部分负荷时的泵气损失，从而提高热效率。

（4）双喷射技术双喷射系统就是每个气缸有两个喷嘴一个GDI直喷喷嘴加一个PFI气道喷射喷嘴，这种设计在中低负荷采用PFI可以大幅度的降低颗粒物排放。在中大负荷又可以发挥GDI直喷在排放和油耗上的各种优势。同时在中小负荷采用PFI系统的时候，GDI喷嘴不工作高压油泵驱动力变小，这样可以降低摩擦阻力，提高效率。

（5）基于MAP控制的连续可变机油泵为了降低润滑系统的阻力，丰田在2.5L发动机上采用了基于MAP控制的连续可变排量机油泵，连续可变机油泵在低速低负荷采用低油压来降低机油泵驱动阻力，提高效率，在高速高负荷采用好油压来保证润滑。

说明：为了避免重复，后面介绍的发动机和前面重复的提高效率的技术方案只会罗列一下，不再展开详细描述了。

▍日产，怎么能缺席？

日产的2.0T VC-TURBO可变压缩比发动机，采用了连续可变压缩比技术，使VC-TURBO的最高热效率在38%-39%的水平，可以说是目前涡轮增压直喷发动机的最高水平。该发动机提高效率的典型技术方案如下：

（1）可变压缩比VCR（该技术为首次在量产发动机应用）日产VC-TURBO通过改变连杆和曲轴的连接方式来实现VCR。基本原理是连杆不再和曲轴直接连接，而是连接一个可变的过渡连杆装置然后再和曲轴相连。通过改变中间过渡连杆装置的杠杆比来改变冲程，从而实现VCR。日产VC-TURBO发动机压缩比可以在8-14之间连续调整。研究结果显示NEDC工况油耗可以降低7%以上，即使是更接近用户实际使用工况的WLTP工况，也可以降低5%以上。

（2）基于MAP控制的热管理系统。日产VC-TURBO采用了基于MAP控制的电子节温器和热管理系统，可以灵活的控制冷却水流量分布，加快暖机过程，减少爆震倾向，从而在提高热效率的同时降低冷机状态的排放。

该发动机还采用了一些其他的提高效率的技术方案，包括：双喷射系统，两级可变机油泵等。

▍大众，大家都很感兴趣

大众EA211 1.5T Evo发动机，采用米勒循环加VGT，最高热效率能够达到38.4%。该发动机提高效率的典型技术方案如下：

（1）米勒循环燃烧系统采用了全新的米勒循环燃烧系统，物理压缩比达到了12.5:1。米勒循环简单的说就是采用气门早关的技术实现膨胀比大于压缩比的燃烧，这样的燃烧过程在部分负荷效率更高，更省油。

（2）VTG可变截面涡轮增压器（该技术为首次在汽油机上量产应用）VTG可以在不同的转速和负荷下通过调整涡轮叶片来实现涡轮机的高效率和发动机的低涡前压力，这样可以有效的降低油耗，改善性能和增压器动态响应。

（3）350bar高压喷射系统相比原来的200bar的系统，大众升级了燃油喷射压力到350bar，更高的喷射压力可以大幅度的降低颗粒物的排放，尤其是PN颗粒物数量排放，有利于满足欧6b排放。同时升级的高压喷射系统还可以提高效率，降低油耗。

该发动机还采用了一些其他的提高效率的技术方案，包括：基于MAP控制的热管理系统，连续可变机油泵，停缸技术等。

▍通用，全新Ecotec2.0T发动机

通用2018年发布了全新升级的2.0T涡轮增压直喷发动机，这是通用第八代Ecotec系列发动机的首款产品，它最特别的地方在于应用了包括Tripower可变气门管理技术（三级可变气门升程技术)在内的一系列提高热效率的技术。

（1）Tripower可变气门管理技术在高速大负荷和低速小负荷两种工况下可以切换高低凸轮升程，并且在特定的工况下，还可以由四缸做功切换到两缸做功，一共有高升程，低升程，停缸三种模式。这是业界第一个可以同时具备升程切换和停缸两种技术的发动机，主要目标是提高效率，获得更好的燃油经济性。虽然宝马很早就实现了连续气门升程调节，大众和福特也有停缸技术的应用，但是将气门升程调节和停缸技术集成在一台发动机上，通用Tripower确实是第一个。

（2）电子水泵和MAP控制的热管理系统。Ecotec2.0T发动机采用了电子水泵来代替传统的机械水泵，可以有效的减少机械损失，同时和基于MAP控制的电子节温器一起可以灵活的控制冷却水流量，加快暖机过程，减少爆震倾向降低油耗和排放。

（3）双流道增压器双流道就是把发动机的1-4和2-3排气管分成两组，分别的引入增压器，这样可以避免排气之间的干扰，提高增压器响应速度，也可以提高涡轮机的效率。

该发动机还采用了一些其他的提高效率的技术方案，包括：连续可变机油泵，350bar喷射系统等

量产发动机分析完毕后我们在，再来看一看未来两年马上要上市的发动机，看看未来发动机提高热效率的技术趋势。这里选择了两个目前看未来最具突破性的技术代表，分别是：

（1） 马自达均质压燃HCCI

（2） 宝马缸内喷水燃烧系统

▍马自达均质压燃HCCI

马自达第二代创驰蓝天Skyactive-X刚刚于2018年11月在洛杉矶车展发布，预计2019年量产，其核心技术是超高压缩比(压缩比能够达到18)和均值压燃，主要目标是大幅度的提高汽油机的热效率。马自达声称最高热效率能够达到创记录的50%，油耗比第一代Skyactive-G降低30%。第二代创驰蓝天的主要核心技术如下：

（1） 火花塞控制的均质压燃系统SPCCI马自达改良了传统HCCI均质压燃系统燃烧不稳定，工作区域小等缺点。改良的SPCCI燃烧系统也就是火花塞控制的压燃，增加了火花塞来改善压燃点火的质量，使之具备量产的可能。为了使均质压燃系统能够正常工作，马自达为这一系统匹配了以下配套核心技术方案：

（2）废气再循环系统EGR马自达为了进一步拓宽压燃工作区域，避免SPCCI在稀燃情况下引起的NOX排放超标，采用了废气再循环EGR系统。

（3）超高压燃油喷射系统为了满足压燃情况下燃油混合的需求和保证燃烧稳定性，马自达采用了超高压的GDI喷射系统，喷射压力高达1000bar。远远高于目前汽油机最高的350bar系统，几乎接近了柴油机的喷射压力。

（4）机械增压器在Skyactive X发动机上采用了一个机械增压器，马自达的主要目的不是提高性能，而只是SPCCI燃烧系统高响应进气控制的一部分。这个机械增压器，主要是为了控制进气，为超高压缩比提供足够的空气量，以及需要的空气温度和密度，保证压燃系统的稳定工作

（5）电动VVT这个技术在第一代的创驰蓝天发动机的进气VVT上已经应用，但是在第二代Skyactive X发动机上进排气侧都采用了电动VVT。在SPCCI燃烧系统中电动VVT能够灵活快速的控制残余废气和压缩压力，保证SPCCI的压燃系统在较大的范围内稳定运行。

▍宝马water injection缸内喷水燃烧系统

目前宝马的M4 GTS限量版跑车上已经推出了喷水燃烧系统，只不过是进气道喷水。宝马正在和博世联合开发缸内喷水的系统，这一概念被提出了很多年，但是一直没有进展，宝马目前在开发的基于缸内喷水的燃烧系统是一种全新的尝试，如果量产将开创一种完全不同的汽油机燃烧方式。从目前宝马公布的信息来看，缸内喷水系统在提升效率上有几个非常明显的优势:

（1）缸内喷水技术和EGR结合可以直接提高热效率，降低油耗，目前宝马的研究结果显示油耗可以达到柴油机的水平。

（2）缸内喷水可以大大的降低排气温度，在不损失功率的情况下可以轻松的满足欧6排放中关于RDE实际道路驾驶工况排放的要求。同时，排气温度降低可以完全避免零件保护加浓，可以显著的降低高速大负荷油耗。

（3）缸内喷水可以很好的抑制发动机的爆震倾向，这样可以提升点火效率，避免因为爆震推迟点火提前角完成的发动机效率下降。从而使发动机在达到更高的性能同时降低油耗。

其实，还有另外一类提高效率的技术，就是降低摩擦的技术，限于篇幅原因本次做不详细分析，下次再做一个专题来讨论。

▍总结一下，简单分类，提高发动机效率的方案主要有三个技术方向。

1.当前汽油机燃烧系统的进一步优化挖掘潜力：包括EGR系统，双流道增压器，350bar喷射系统，双喷射系统，阿特金森循环，米勒循环等，这些技术都是在目前的燃烧方案上进一步挖掘潜力。

2.增加各种可变机构和电机驱动机构来把目前系统的效率发挥到极致：这些可变机构包括：VVT以及电动VVT，可变气门升程甚至停缸，双喷射系统（喷射系统可变），可变机油泵，电子水泵和热管理系统，可变截面涡轮增压器VTG，气缸可变（停缸），以及终极的可变压缩比技术。这些可变技术的加入，让传统发动机核心的进排气系统，润滑系统，冷却系统，燃油喷射系统甚至燃烧系统本身都可变，并且大量的用电机驱动代替传统的机械驱动，从而可以通过优化控制策略将这些系统提升效率的潜力发挥到极致。 

3.未来探索突破性的全新燃烧系统马自达的均质压燃和宝马的缸内喷水燃烧系统都是在探索可以大幅度提高热效率的全新燃烧系统方案。未来，如果汽油机的热效率平均水平能够突破50%的话，从全生命周期的CO2排放来分析，内燃机的CO2排放有可能低于电动车。从这个意义上来看的话，内燃机将很难被目前的电动车取代。这是在内燃机和电动机的竞争中必须要实现的目标。