高效率小排量 國產發動機進擊之路

撰文 / 錢亞光

編輯 / 張  南

設計 / 趙昊然

題圖 / Serene

8月23日，紅旗品牌全新力作紅旗H9正式上市，搭載的3.0L CA6GV30TD和2.0L CA4GC20TD發動機，完全由中國一汽自主研發，展現了中國發動機的領先水平。

隨着歐洲新排放標準、中國雙積分政策相繼落地，汽車產業正加速向電動化轉型。一些國際車企和大型Tier 1都表示不再繼續研發純燃油發動機相關技術，多個國家制定了燃油車禁售時間表。

然而，2019年新能源汽車銷量在汽車總銷量中僅佔4.68%，傳統燃油車超過95%。在未來相當長一段時間內，新能源汽車不可能完全替代傳統燃油車從而成為汽車市場主流。對傳統內燃發動機的挖潛和改進，依然對節能減排有着很大影響。

近幾年，我國主流自主品牌都把發動機放在了產品研發最核心的地位，部分領軍企業更是實現了從追趕到超越，不僅在自家的車型上裝上了高效穩定的內燃機，還將內燃機推向模塊化設計、生產的新高度，特別是在小排量渦輪增壓發動機方面，基本可以和國外車企正面較量。

據一位自主品牌動力總成研發負責人稱，發動機是汽車當中最複雜的部件，需要長期的技術積累，國產發動機開發時間較短，團隊相對年輕，和國際先進水平相比，在一些細節的地方還是有一定差距，但推到市場的產品，從品質上、技術含量上，以及動力、熱效率、NVH等硬指標上，和國際品牌的產品沒有多少差異。

7月23日，國家領導人視察中國一汽時指出：“一定要把關鍵核心技術掌握在自己手裏，也就是説，我們自主品牌，民族品牌，必須要有核心技術。”

通常來説，衡量一款發動機的優劣，有功率、扭矩、熱效率和 NVH 靜謐性和耐久性等幾項指標。

其中，功率和扭矩決定動力輸出，而動力越大，車子提速就越快；熱效率決定油耗，熱效率越高，發動機越省油；NVH 靜謐性決定舒適度，靜謐性做得越好，汽車運行時便越安靜；耐久性決定發動機運行壽命。目前多數發動機可以持續運行 16萬-20 萬公里，一些性能卓越的發動機能持續運行 50 萬公里以上。

通過2019年中國十佳發動機獲獎名單，可從一個側面觀察國產發動機的現狀。入選機型的有 9 款汽油發動機和 1 款油電混動系統，入選的車企包括上汽通用別克、長安、奇瑞、海馬、東風日產、一汽紅旗、長城、吉利、一汽豐田/廣汽豐田，其中有7個國產品牌，3個合資品牌。

從中不難看出，目前國產發動機主要有兩個特點：一是熱效率比較高，二是以小排量渦輪發動機為主流。上述獲獎產品的熱效率已經基本達到了37%-38%之間。例如，奇瑞ACTECO 1.6T熱效率37.1%，長安藍鯨1.4T發動機熱效率37.6%。

在汽車強國的道路上，一廂是汽車的新四化，另一廂是自主發動機的研發迎來了新一波的浪潮，多家企業推出更新更強的發動機產品。

聚焦提升熱效率

環保節能是發動機發展的大趨勢，在排放愈加嚴苛、消費者對汽車動力效率追求越來越高的年代，這些技術都是圍繞一個核心而來——熱效率。在一定程度上代表發動機的燃油經濟性的熱效率，就成了考量發動機性能的關鍵性能指標，這意味着對每一滴燃油的利用程度，熱效率高的發動機能夠壓榨出更多的能量，也就更省油。

發動機的熱效率=車輛的動能÷汽油燃燒產生的總能量×100%，從公式可以看出，發動機熱效率越高，車輛不僅更有勁，燃油消耗量也更少。

車企宣傳中的熱效率數字基本都是指發動機的最高熱效率，發動機到底省不省油，還要看綜合工況下最高熱效率能夠覆蓋多大的範圍。高熱效率區間的範圍大小，決定了一台發動機省油的程度。

上海交通大學汽車工程研究院院長許敏表示：“一方面受限於燃料本身的燃燒效率，根據能量守恆定律，將燃料轉化為機械能的時候，就會損失大量熱能，燃料燃燒後所放出的總熱量，只有一小部分能轉化為有效功，其他部分都以不同的方式散失於外界。因此發動機熱效率每提高1%都非常困難。”

中國一汽研發總院動力總成部主任段加全向汽車商業評論介紹，紅旗H9搭載的2.0T發動機為了實現高熱效率，首先要選擇合適的壓縮比，以達到性能和效率的平衡；其次還要解決各種能量損失，比如泵氣損失、摩擦損失、燃燒損失、冷卻損失和排氣損失。

紅旗H9搭載的3.0L V6機械增壓發動機

不知不覺中，熱效率極限，已經像5nm的芯片一樣，從以前的技術極限，現在逐步逼近了基礎理論科學的極限了。再大幅度的進步可能需要某種顛覆性的技術。

上海交通大學汽車工程研究院副院長殷承良表示：“內燃機原理已經理論上明確證明最高效率55%，而這是極度理想情況，純內燃發動機實際上沒有實現可能性。”

上汽集團一位不願具名的研發人員稱：“隨着排放法規和油耗法規進一步收嚴，基本現在的油耗和CO2排放已經把發動機效率逼到快極限了，一般在40%左右。不管是奧托循環，米勒循環還是阿特金森，其實熱效率都是有天花板的，現在已經很近了。”

他認為，要想讓熱效率更進一步，肯定要加上各種混動措施。即使40%熱效率，大多數車企的發動機也要結合混動系統才能實現的，否則車輛動力性駕駛性會很差，消費者無法接受的。”

發動機熱效率進化史

1876年，德國工程師奧托研製出第一台四衝程煤氣內燃機，壓縮比達到2.5：1，熱效率達到14%，超過蒸汽機的同期水平。

奧托的第一台四衝程煤氣內燃機

1883年，戴姆勒和邁巴赫聯手造出了世界第一台立式四衝程汽油機，內燃機熱效率歷史性地提升到15%，1894年又提高到20%。

此後多年，汽油機熱效率都沒有太大的進步。直到1990年，電噴系統給汽油機熱效率的提升帶來了曙光。到了2000年，發動機的熱效率才達到30%。

馬自達Skyactiv-X發動機

現在主流汽油發動機的熱效率在36%左右，熱效率最高的量產發動機是馬自達2019年5月24日發佈的Skyactiv-X發動機，熱效率為43%。經過了漫長的143年，熱效率只提升了29%。

目前全球汽車市場已量產的發動機上，排名第二是豐田Dynamic Force A25B 2.5L混合動力發動機，熱效率41%。排名第三是本田的地球夢2.0L自然吸氣發動機，熱效率40.6%。

而今年6月上市的長安UNI-T搭載的藍鯨NE1.5T發動機，熱效率達到40%；率先通過中汽中心“能效之星”認證的一汽奔騰T77 PRO搭載的第三代“智擎魔方”1.5T 發動機，熱效率達到 39.06%；上汽最新的2.0T發動機也通過了“能效之星”認證，熱效率更是高達39.52%。

馬自達、豐田、本田的高效發動機都是自然吸氣的，從技術層面來講，自吸發動機能更容易達到高熱效率，而渦輪增壓發動機提升熱效率難度更大。

因為渦輪增壓發動機進氣壓力較高，壓縮衝程時，高壓氣體很容易在火花塞未點火前使汽油自燃，比自然吸氣發動機更容易產生爆震。為了控制爆震，就必須降低壓縮比，還得對點火時刻進行修整，緩和氣缸燃燒工況。要把各種新技術整合在一起，才能有效提升熱效率。

提高熱效率的主流招術

熱效率就像田徑場上的十項全能比賽，考驗的是發動機的綜合實力，需要多方面的齊心協力才能實現較高的熱效率。

一般來説，提高熱效率主要有三個途徑：一是提高發動機的壓縮比，給燃油創造一個儘可能地完全燃燒的物理環境；二是提升燃油的燃燒效率，讓燃油儘可能多地轉化為動能；三是對廢氣和氣缸温度進行熱量優化管理。

為促進提高發動機熱效率而開發的主要技術有提高壓縮比、缸內直噴、阿特金森循環或米勒循環，是廢氣再循環系統（EGR）和低摩擦技術等。

增大壓縮比或過程指數均可以提高熱效率。汽油機壓縮比提高到一定程度將受到爆震燃燒的限制，但高壓縮比對發動機零部件可靠性，抗爆震性要求也就越高，可能需要加註95甚至98號油，可能需要用更堅固的零部件，採用可變壓縮比技術是提高發動機熱效率同時避免爆震的最佳技術方案之一。

阿特金森循環的實質是膨脹比大於壓縮比，採用進氣門晚關的方法，讓缸內的混合氣被壓回進氣管一部分，這樣活塞加速做功的衝程就長於壓縮衝程，可以讓發動機的效能更高，也就是熱效率更高。

米勒循環也是膨脹比大於壓縮比，只不過是通過早關氣門的方法實現的，在進氣行程結束前，提前關閉氣門。與阿特金森循環相比，米勒循環在低負荷情況下更省油，但在高負荷時會導致發動機功率不足。

350bar高壓噴射系統升級了燃油噴射壓力，更高的噴射壓力可以大幅度的降低顆粒物的排放，尤其是PN顆粒物數量排放，有利於滿足國6b排放。同時升級的高壓噴射系統還可以提高效率，降低油耗。

廢氣再循環系統是用來冷卻部分返回到發動機氣缸內的廢氣的裝置，廢氣再循環量的增加能降低汽油機在中低負荷工況下的節流損失，從而降低汽油機的燃油消耗率，通過低温燃燒減輕了發動機爆震，減少了傳熱損失，對提高發動機熱效率有着極其重要的作用。

在發動機內部旋轉及傳動過程中，部件之間有着各種摩擦造成能量損失。摩擦損耗是發動機額外功消耗的最大部分，減少了摩擦等額外功以後，發動機的熱效率便會很明顯的提升。

除了採用DLC塗層、滾輪搖臂驅動氣門、可變剛度氣門彈簧等低摩擦技術和部件，提升摩擦副零部件材料和製造工藝，提升硬件製作精度，改善整個發動機潤滑系統的設計合理性，採用低粘度的潤滑油等也是常用的降低摩擦方法。

小排量加點料，會更香

發動機排量小型化不僅是國產發動機的趨勢，也是汽車發展的整體趨勢。大眾、豐田、本田、日產等都在推進，比如豐田推出搭載1.2T，本田推出搭載1.0T發動機車型。

大眾化汽車品牌目前基本上是四缸為主，三缸為輔，3.0L及以上自吸發動機在八九年前就消失了，在最近三年2.4L及以上的自吸發動機也基本消失了，多數品牌旗艦車型2.0T發動機就頂天了，但可能會加上插混系統或48V微混系統。

車型降低排量是行業趨勢。以中國為代表的許多國家，都推出了分階段降低乘用車車企平均油耗的限值要求。中國2018年國產燃油車平均油耗水平為7.16L/100km，規定到2020年,燃油限值要降至5L/100km。根據去年工信部發布的徵求意見稿，到2025年平均油耗限值將達到4.6L/100km。

以2020年國家規定的乘用車企平均燃油限值為例。奔馳的整體油耗限值要達標，每賣出一輛4.0L排量的G系列車型（平均油耗高達11.8L/100km），就要賣出多輛低於5L/100km的車來平攤。但奔馳的現實情況是，排量最低的1.3T GLB油耗也高達6.3 L/100km，遠超過達標線。

現階段可行的辦法是，不斷將車小型化和低油耗化。而國內車企很少推廣大排量的發動機，並不是技術原因，除了有燃油限值的因素之外，還有一個因素是發動機研發費用高，週期長，需要實現規模效益。

據一位自主品牌的動力總成研發負責人稱，2.0T或以上的發動機，對於頭部車企來説，技術上已經沒有太大難度，關鍵還是看用户的需求。因為2.0L以下的發動機需求量更大，也更加符合國家油耗法規的要求，所以才會車企更重視小排量渦輪增壓發動機。

上汽集團的一位研發人員表示：“現在小排量渦輪增壓發動機已經形成趨勢，不做小排量增壓的意見幾乎變成異類了，銷量也不會非常亮眼（比如馬自達）。”

長安集團一位不願具名的發動機研發工程師告訴汽車商業評論：“發動機研發週期長，成本高，需要快速上量為企業帶來效益。”

一款新型發動機的研發代價高昂，不僅是要人工費用，還有技術合作、無形資產攤銷、直接投入等等花費，其中任何一項花費都是天文數字，而且研發實驗所用的材料往往比量產件貴很多。

不但是研發費用高，新的動力總成研發週期也很長。從項目啓動到最終量產，要經過項目目標範圍定義、項目策略定義等8個階段。比如説項目立項階段，就要對產品進行定位，選擇產品的技術方案、核算經濟效應、對市場上的同類產品進行對標分析。

像發動機這樣的批量化、工業化產品，由於涉及到研發、開模和產線費用等一次性投資，必須要有需求量來平攤各種費用。現在國產品牌的單一車型很難每年賣到15萬輛以上，無法分攤成本更高的大排量發動機。小排量增壓發動機定位主流的A級轎車或SUV，有着巨大的銷量潛力，因此讓眾多車企趨之若鶩。

不過，小排量渦輪增壓發動機並不能解決所有問題，也有侷限性。

首先在動力水平上有限，比如在中型轎車或中型SUV上，只用小排量燃油發動機就比較吃力，不能滿足人們的動力需求。

其次，從熱效率方面考慮，純燃油發動機是有瓶頸的，即使是小排量發動機也是如此。

一汽集團研發總院動力總成部主任郭超告訴汽車商業評論：“中國一汽的規劃目標是在2030年熱效率達到50%。按照現有的技術狀態，即使要實現45%熱效率，也基本上是基於混動和電動化相匹配實現的。在後續的整個汽車行業裏邊，混動系統參與會越來越多，純內燃機的份額也會越來越低。”

一汽集團創新技術研究院創新技術研發主任張強表示：“紅旗不排除將來會有小排量的產品，因為小排量也在我們研發序列中，但紅旗的小排量發動機一定會配合混合動力，比如1.5T加上48V微混或者更高的強混，實際動力水平要達到2.0T甚至3.0T的水準才行。”

7款先進的自主品牌發動機

1.一汽CA4GC20TD 2.0L渦輪增壓發動機

這是一汽自主研發的第三代2.0T汽油發動機，採用高壓縮比米勒循環燃燒技術、雙可變配氣正時、350bar精確燃油噴射技術、全MAP智能熱管理技術、集成排氣歧管、兩階可變排量機油泵、電控高響應性雙流道增壓器、超低摩擦節能技術、集成式雙平衡軸系統、高效48V中混系統、小節距齒形靜音鏈條等技術，燃燒熱效率高達39%。

這款發動機壓縮比為10.7：1，最大功率185kW，峯值扭矩380N·m，滿足第五階段油耗法規和國6b排放法規。

該發動機目前已經配備在紅旗HS7和紅旗H9上，還將搭載在紅旗HS5上。

2.長安1.5T藍鯨發動機NE15T

長安旗下的藍鯨動力系列是我國發動機中的領頭羊產品。這款1.5T藍鯨發動機NE15T由英國研發中心帶頭設計，支持模塊化設計以及電氣化設計，集成了350Bar高壓燃油噴射、可變排量機油泵、集成式氣缸蓋、雙渦管增壓器等先進技術，在零部件工藝上使用了低摩擦技術。這款發動機最大功率132千瓦，峯值扭矩300牛·米，國六b排放標準，匹配在緊湊SUV上油耗能達到6L/百公里左右的水平。

這款發動機今年已經在長安UNI-T、CS55 PLUS藍鯨版、鋭程CC藍鯨版等車型大面積裝機。

3.上汽藍芯3.0 2.0T發動機

這款發動機配備了350bar超高壓燃油噴射系統、可變氣門升程、可變截面增壓器VGT、外部冷卻EGR及電動化可控零部件系統，比如有電控廢氣旁通閥的渦輪增壓器、集成式排氣歧管、中置式相位調製器等技術。此外，上汽還進行了靜音方面和輕量化方面的改進。

這款發動機最大功率是172kW，峯值扭矩360N·m，熱效率達到了39.52%，油耗較上代產品降低10%。它將搭載在榮威首款MPV iMAX8上，10月份上市投產。

4.一汽第三代智擎魔方1.5T發動機

這款發動機採用了米勒循環，壓縮比達到11.5：1，配備350bar三次噴射系統、智能熱管理模塊技術、機油泵流量和換氣系統、高壓可變噴油技術，最高熱效率達到了39.06%，最大功率124kW，峯值扭矩258N·m，並達到國六b排放標準。

這款發動機已經搭載在奔騰T77 PRO上，未來還將搭載在FMA架構的首款車型第三代奔騰B70上。

5.廣汽390T 2.0T發動機

這款發動機是廣汽G平台下的第三代渦輪增壓直噴發動機，配備了側置式350bar缸內直噴系統、GCCS高滾流燃燒室、橫流式冷卻系統、曲軸箱強掃氣系統、雙渦管單渦輪、電控排氣旁通閥、緊耦合三元催化器、進排氣雙VVT、滾子搖臂氣門驅動系統、變排量機油泵等先進技術，在動力、排放和燃效上實現了平衡，熱效率達到38%。

這款發動機的最大功率為185kW，峯值扭矩達到了390N·m，相比第二代發動機分別提升37kW和70N·m。此款發動機已經在2020款傳祺GS8上搭載。

6.長城4N20發動機

這款發動機是長城成立蜂巢易創後推出的第一款全新發動機。在電子水泵、350bar中置燃油直噴技術、兩段式VVL氣門程、米勒循環等技術的加持下，4N20系列發動機熱效率達到了38.3%，壓縮比為12:1，最大功率150kW，峯值扭矩320N·m，並且滿足國六b+RDE、歐六d排放標準要求。

通過降低發動機整機摩擦以及減重，採用缸蓋集成排氣歧管，提升增壓器能量利用率，並加快暖機時間，改善啓動時燃油消耗。該發動機將於年內量產，可能會搭載在長城汽車旗下全新一代哈弗H6、哈弗大狗以及WEY P01等車型上。

7.奇瑞第三代ACTECO 1.6TGDI發動機

這款發動機應用了奇瑞最新的iHEC（智效）燃燒系統，通過高強度滾流進氣系統、200bar高壓供油系統、90毫焦高能點火系統、第三代智能控制系統以及智能高效清潔燃燒技術，熱效率37.1%，在提高穩定性、提高動力性能，燃燒充分性的同時，有效降低了排放。

其最大功率145kW，峯值扭矩290N·m，目前該發動機搭載在新款奇瑞瑞虎7、星途TX以及後續誕生在T2X與M3X平台的車型上。

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。