內(nèi)燃機(jī)最早由卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年發(fā)明，距今已經(jīng)有131年的歷史了。

當(dāng)年卡爾·本茨發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)排氣量984cc，最大馬力0.7ps/400rpm。每小時(shí)可以行使15km。隨著時(shí)間的推移，更高的性能，更低的油耗，更清潔的排放就成了內(nèi)燃機(jī)的目標(biāo)。

因此，在過(guò)去100多年中內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展路線只有一個(gè)方向，就是研發(fā)越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)，提升性能、效率和排放水平。內(nèi)燃機(jī)變得越來(lái)越復(fù)雜。

卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)汽車專利

隨著電氣化時(shí)代的到來(lái)，內(nèi)燃機(jī)面臨著越來(lái)越多的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，其中最主要的就是內(nèi)燃機(jī)的污染物排放和二氧化碳排放。內(nèi)燃機(jī)很快就會(huì)被電動(dòng)車取代已經(jīng)成為一個(gè)熱門話題。

雖然目前總體的認(rèn)識(shí)是內(nèi)燃機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，但是毫無(wú)疑問(wèn)，在電氣化的大背景下內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了下半場(chǎng)。我們需要回答一個(gè)問(wèn)題：內(nèi)燃機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的新方向在哪里？

一、 內(nèi)燃機(jī)本身效率的進(jìn)一步提升

熱效率提升是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)永恒的話題，目前的內(nèi)燃機(jī)效率還遠(yuǎn)未達(dá)到極限，內(nèi)燃機(jī)效率提升的空間還很大。目前市場(chǎng)上內(nèi)燃機(jī)熱效率的水平普遍在35%左右。

在最新的2019年沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)選中豐田2.0l自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和本田2.0l阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)攜混合動(dòng)力系統(tǒng)雙雙獲獎(jiǎng)。

其中豐田最新的2.5l和2.0l dynamic force engine發(fā)動(dòng)機(jī)，采用阿特金森循環(huán)，混合動(dòng)力版本熱效率能夠達(dá)到41%，即使非混動(dòng)的普通版本也可以實(shí)現(xiàn)40%的最高熱效率（圖2）。

而本田獲獎(jiǎng)的2.0l阿特金森循環(huán)混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率也達(dá)到了40.6%。這是當(dāng)今量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)中熱效率最高的水平了。

目前大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率都在35%左右的水平

2019沃德十佳發(fā)動(dòng)機(jī)獲獎(jiǎng)名單

豐田的dynamic force engine發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率達(dá)到41%

本田的2.0l阿特金森混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率達(dá)到40.6%

內(nèi)燃機(jī)效率進(jìn)一步提高的努力并未停止，我們來(lái)看看最近和未來(lái)幾年發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升的關(guān)鍵技術(shù)吧:

1、 備受關(guān)注的馬自達(dá)第二代創(chuàng)馳藍(lán)天skyactive x發(fā)動(dòng)機(jī)即將在2019年6月正式量產(chǎn)。

skyactive x發(fā)動(dòng)機(jī)采用了馬自達(dá)稱為spcci火花塞輔助控制壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)。這一新技術(shù)結(jié)合柴油機(jī)和汽油機(jī)的優(yōu)勢(shì)，壓縮比18，馬自達(dá)聲稱熱效率可以達(dá)到50%。

馬自達(dá)第二代創(chuàng)馳藍(lán)天skyactive x發(fā)動(dòng)機(jī)

2、日產(chǎn)于2018年量產(chǎn)了全球第一個(gè)可變壓縮比vcr發(fā)動(dòng)機(jī)vc turbo。

日產(chǎn)的可變壓縮比技術(shù)是在連桿和曲軸之間增加了一套連桿，來(lái)控制壓縮比的大小，允許壓縮比在8:1到14:1之間調(diào)節(jié)。在小負(fù)荷工作區(qū)域采用14:1的高壓縮比來(lái)提高熱效率，在大負(fù)荷采用8:1的壓縮比來(lái)避免爆震。

目前日產(chǎn)宣稱vc turbo發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率可以達(dá)到38%-39%之間。已經(jīng)是目前增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到的最高水平了。如果可變壓縮比可以推廣和其他發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合后估計(jì)潛力會(huì)更大。

日產(chǎn)的vc turbo可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)

2、 預(yù)計(jì)2019年我們馬上還將看到福特為了提高熱效率準(zhǔn)備在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)上引入動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)，這個(gè)技術(shù)可以通過(guò)ecu來(lái)計(jì)算何時(shí)需要哪個(gè)汽缸停止工作，完全是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，福特進(jìn)行了大量的開發(fā)工作以解決動(dòng)態(tài)停缸情況下的nvh問(wèn)題。

最有意思的是在這一系統(tǒng)起作用時(shí)，三缸中只有一半在工作，就是平均只有1.5個(gè)汽缸在工作，可以有效的降低油耗最高達(dá)到15%以上。

福特三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)停缸技術(shù)

4、預(yù)計(jì)未來(lái)我們會(huì)看到寶馬聯(lián)合博世開發(fā)的噴水燃燒系統(tǒng)汽油機(jī)量產(chǎn)，這一系統(tǒng)目前已經(jīng)在m4 gts和寶馬1系上進(jìn)行了大量的測(cè)試。

這一技術(shù)通過(guò)向汽缸內(nèi)噴少量的水來(lái)降低燃燒溫度和爆震傾向，在大幅度提升功率的同時(shí)能夠達(dá)到和柴油機(jī)相同的熱效率水平。

寶馬和博世共同開發(fā)的噴水燃燒系統(tǒng)

二、 動(dòng)力系統(tǒng)電氣化給內(nèi)燃機(jī)效率進(jìn)一步提升帶來(lái)的新機(jī)遇

（一）傳統(tǒng)的混合動(dòng)力概念：電動(dòng)機(jī)來(lái)幫助發(fā)動(dòng)機(jī)

傳動(dòng)的混合動(dòng)力概念的本質(zhì)是讓電動(dòng)機(jī)來(lái)幫助發(fā)動(dòng)機(jī)提高效率。

比如豐田的混合動(dòng)力概念，或者大眾的p2混動(dòng)方案等，主要的思維方式是用電機(jī)來(lái)幫助發(fā)動(dòng)機(jī)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。這種思維還是基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主的概念，電機(jī)是來(lái)幫忙的。

這樣等于一個(gè)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需要再增加一個(gè)復(fù)雜的電機(jī)系統(tǒng)，兩者還要耦合，很復(fù)雜，很貴，至今還沒有完全把傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)打敗，同時(shí)又遇到了電動(dòng)車的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)混合動(dòng)力方案的整體思想是在原來(lái)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上做加法。

豐田混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)

大眾p2混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（二）最新的混動(dòng)新方案：發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)。這里講兩個(gè)例子

1、 本田的i-mmd混動(dòng)方案，本田的混動(dòng)方案非常有特點(diǎn)

（1）非常低的時(shí)速時(shí)可以純電驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)完全不工作。

（2）在車速80km/h以下發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)直接驅(qū)動(dòng)車輛，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)即使啟動(dòng)工作，也只是發(fā)電，然后把發(fā)出來(lái)的點(diǎn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

（3）在超過(guò)80km/h時(shí)速的高速情況發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)直接驅(qū)動(dòng)車輛。但是也只是負(fù)責(zé)穩(wěn)態(tài)輸出，在高速情況下的加速過(guò)程仍然由電機(jī)負(fù)責(zé)。保證即使在發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，也是工作在發(fā)動(dòng)機(jī)的最高效率區(qū)域，非常省油。同時(shí)，高速用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也避免了電動(dòng)車遇到的高速下電耗過(guò)大的問(wèn)題。

本田的i-mmd混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本田的i-mmd混動(dòng)系統(tǒng)的三種工作模式

發(fā)動(dòng)機(jī)只在最高效率區(qū)域工作

2、 日產(chǎn)的 e power混動(dòng)，主要的特點(diǎn)如下：

（1） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)電，不驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)只在最高效率區(qū)域工作

（3） 電池很小，不能純電行駛，也不能充電，只能用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

日產(chǎn)e-power混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

日產(chǎn)e-power混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)只工作在最高效率區(qū)域

從上面的分析可以看出，在新的混合動(dòng)力方案中，電機(jī)的作用被充分發(fā)揮，發(fā)動(dòng)機(jī)的很多性能都不再需要，發(fā)動(dòng)機(jī)可以只工作在最高效率區(qū)附近來(lái)幫助電機(jī)解決續(xù)航、充電、電池成本等一系列問(wèn)題。

這種混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)的設(shè)計(jì)方向會(huì)向更簡(jiǎn)單，效率更高，成本更低的方向發(fā)展。

三、 內(nèi)燃機(jī)的可再生燃料

在內(nèi)燃機(jī)相對(duì)于電動(dòng)車的對(duì)比中，目前大家討論的最根本的問(wèn)題有兩點(diǎn)：

1、 內(nèi)燃機(jī)的燃料來(lái)源于石油，而石油是不可再生資源，因此內(nèi)燃機(jī)未來(lái)必將消亡。

2、 內(nèi)燃機(jī)燃燒化石燃料會(huì)排放co2二氧化碳，這會(huì)危害地球環(huán)境，因此，電動(dòng)車更加環(huán)保。

我們來(lái)看看這兩個(gè)問(wèn)題是否對(duì)于內(nèi)燃機(jī)是無(wú)解的，其實(shí)，如果內(nèi)燃機(jī)的燃料采用可再生燃料，同時(shí)也不排放co2的話這個(gè)問(wèn)題就不存在了。有沒有這種可能性呢？

其實(shí)有，而且技術(shù)上相對(duì)并不困難。目前主要有兩種可再生燃料被廣泛的研究過(guò)：

（一） 氫燃料

也就是采用氫作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，理論上講排放物只有水，不產(chǎn)生污染，而h2氫可以通過(guò)電解水得到，是可再生的能源。之前寶馬和馬自達(dá)都研究過(guò)氫燃料內(nèi)燃機(jī)，但是最終放棄了，主要原因是：

1、 氫內(nèi)燃機(jī)的效率不如氫燃料電池

2、 氫氣制備和運(yùn)輸、供應(yīng)、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)存在很大的困難

寶馬的氫燃料內(nèi)燃機(jī)研究項(xiàng)目

馬自達(dá)的氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目

（二）甲醇燃料

2019年的兩會(huì)上吉利汽車總裁李書福再次提到了甲醇燃料的話題，其實(shí)，其本質(zhì)就是以甲醇為載體做到內(nèi)燃機(jī)排放co2的平衡。

根據(jù)吉利官方的資料，甲醇燃料相當(dāng)完美：不含硫、不排放顆粒物、可生物降解、燃料安全性高于lpg、汽油、柴油，制備過(guò)程綠色環(huán)保。其實(shí)甲醇燃料的最大優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：

1、 可再生

甲醇可以通過(guò)兩種方法來(lái)制造，第一種是通過(guò)煤炭或天然氣來(lái)制造甲醇，第二種是采用電廠排放的co2二氧化碳來(lái)制造甲醇。 目前冰島的cri公司已經(jīng)具備了 “電廠排放co2+地?zé)嶂萍状肌奔夹g(shù)。

從本質(zhì)來(lái)說(shuō)它是能夠讓甲醇燃料獲得“可再生”的特性，利用高濃度溫室氣體co2生產(chǎn)甲醇，再通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的燃燒吧co2釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)co2總體不增加的目標(biāo)。

甲醇制造的方法

冰島的cri公司的電廠排放co2+地?zé)嶂萍状技夹g(shù)

吉利在冰島和cri公司一起測(cè)試甲醇燃料汽車

2、 可以利用現(xiàn)有的化石燃料基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)

甲醇是液態(tài)，雖然具有一定的腐蝕性，但是整個(gè)運(yùn)輸、儲(chǔ)存的過(guò)程可以利用目前成熟的的基礎(chǔ)設(shè)施。

不需要像氫氣那樣重新來(lái)建造基礎(chǔ)設(shè)施，在同一個(gè)加油站中很容易實(shí)現(xiàn)既可以加汽油也可加甲醇。同時(shí)，目前的汽油機(jī)稍加改進(jìn)就可以成為甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的影響比較小，這也是非常大的優(yōu)勢(shì)。

甲醇可以直接利用目前的基礎(chǔ)設(shè)施

總結(jié)一下，在電氣化的大背景下，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了下半場(chǎng)，和電機(jī)相結(jié)合將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展從加法逐漸轉(zhuǎn)為減法，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高熱效率提升將是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的主題。

同時(shí)，可再生燃料的應(yīng)用也為內(nèi)燃機(jī)保存著生機(jī)。內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)車的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)持續(xù)了100年，未來(lái)也注定是一場(chǎng)長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)，劇情如何發(fā)展我們拭目以待。

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