高效率小排量国产发动机进击之路

8月23日，红旗品牌全新力作红旗H9正式上市，搭载的3.0L CA6GV30TD和2.0L CA4GC20TD发动机，完全由中国一汽自主研发，展现了中国发动机的领先水平。

随着欧洲新排放标准、中国双积分政策相继落地，汽车产业正加速向电动化转型。一些国际车企和大型Tier 1都表示不再继续研发纯燃油发动机相关技术，多个国家制定了燃油车禁售时间表。

然而，2019年新能源汽车销量在汽车总销量中仅占4.68%，传统燃油车超过95%。在未来相当长一段时间内，新能源汽车不可能完全替代传统燃油车从而成为汽车市场主流。对传统内燃发动机的挖潜和改进，依然对节能减排有着很大影响。

近几年，我国主流自主品牌都把发动机放在了产品研发最核心的地位，部分领军企业更是实现了从追赶到超越，不仅在自家的车型上装上了高效稳定的内燃机，还将内燃机推向模块化设计、生产的新高度，特别是在小排量涡轮增压发动机方面，基本可以和国外车企正面较量。

据一位自主品牌动力总成研发负责人称，发动机是汽车当中最复杂的部件，需要长期的技术积累，国产发动机开发时间较短，团队相对年轻，和国际先进水平相比，在一些细节的地方还是有一定差距，但推到市场的产品，从品质上、技术含量上，以及动力、热效率、NVH等硬指标上，和国际品牌的产品没有多少差异。

7月23日，国家领导人视察中国一汽时指出：“一定要把关键核心技术掌握在自己手里，也就是说，我们自主品牌，民族品牌，必须要有核心技术。”

通常来说，衡量一款发动机的优劣，有功率、扭矩、热效率和 NVH 静谧性和耐久性等几项指标。

其中，功率和扭矩决定动力输出，而动力越大，车子提速就越快；热效率决定油耗，热效率越高，发动机越省油；NVH 静谧性决定舒适度，静谧性做得越好，汽车运行时便越安静；耐久性决定发动机运行寿命。目前多数发动机可以持续运行 16万-20 万公里，一些性能卓越的发动机能持续运行 50 万公里以上。

通过2019年中国十佳发动机获奖名单，可从一个侧面观察国产发动机的现状。入选机型的有 9 款汽油发动机和 1 款油电混动系统，入选的车企包括上汽通用别克、长安、奇瑞、海马、东风日产、一汽红旗、长城、吉利、一汽丰田/广汽丰田，其中有7个国产品牌，3个合资品牌。

从中不难看出，目前国产发动机主要有两个特点：一是热效率比较高，二是以小排量涡轮发动机为主流。上述获奖产品的热效率已经基本达到了37%-38%之间。例如，奇瑞ACTECO 1.6T热效率37.1%，长安蓝鲸1.4T发动机热效率37.6%。

在汽车强国的道路上，一厢是汽车的新四化，另一厢是自主发动机的研发迎来了新一波的浪潮，多家企业推出更新更强的发动机产品。

聚焦提升热效率

环保节能是发动机发展的大趋势，在排放愈加严苛、消费者对汽车动力效率追求越来越高的年代，这些技术都是围绕一个核心而来——热效率。在一定程度上代表发动机的燃油经济性的热效率，就成了考量发动机性能的关键性能指标，这意味着对每一滴燃油的利用程度，热效率高的发动机能够压榨出更多的能量，也就更省油。

发动机的热效率=车辆的动能÷汽油燃烧产生的总能量×100%，从公式可以看出，发动机热效率越高，车辆不仅更有劲，燃油消耗量也更少。

车企宣传中的热效率数字基本都是指发动机的最高热效率，发动机到底省不省油，还要看综合工况下最高热效率能够覆盖多大的范围。高热效率区间的范围大小，决定了一台发动机省油的程度。

上海交通大学汽车工程研究院院长许敏表示：“一方面受限于燃料本身的燃烧效率，根据能量守恒定律，将燃料转化为机械能的时候，就会损失大量热能，燃料燃烧后所放出的总热量，只有一小部分能转化为有效功，其他部分都以不同的方式散失于外界。因此发动机热效率每提高1%都非常困难。”

中国一汽研发总院动力总成部主任段加全向汽车商业评论介绍，红旗H9搭载的2.0T发动机为了实现高热效率，首先要选择合适的压缩比，以达到性能和效率的平衡；其次还要解决各种能量损失，比如泵气损失、摩擦损失、燃烧损失、冷却损失和排气损失。

红旗H9搭载的3.0L V6机械增压发动机

不知不觉中，热效率极限，已经像5nm的芯片一样，从以前的技术极限，现在逐步逼近了基础理论科学的极限了。再大幅度的进步可能需要某种颠覆性的技术。

上海交通大学汽车工程研究院副院长殷承良表示：“内燃机原理已经理论上明确证明最高效率55%，而这是极度理想情况，纯内燃发动机实际上没有实现可能性。”

上汽集团一位不愿具名的研发人员称：“随着排放法规和油耗法规进一步收严，基本现在的油耗和CO₂ 排放已经把发动机效率逼到快极限了，一般在40%左右。不管是奥托循环，米勒循环还是阿特金森，其实热效率都是有天花板的，现在已经很近了。”

他认为，要想让热效率更进一步，肯定要加上各种混动措施。即使40%热效率，大多数车企的发动机也要结合混动系统才能实现的，否则车辆动力性驾驶性会很差，消费者无法接受的。

发动机热效率进化史

1876年，德国工程师奥托研制出第一台四冲程煤气内燃机，压缩比达到2.5：1，热效率达到14%，超过蒸汽机的同期水平。

奥托的第一台四冲程煤气内燃机

1883年，戴姆勒和迈巴赫联手造出了世界第一台立式四冲程汽油机，内燃机热效率历史性地提升到15%，1894年又提高到20%。

此后多年，汽油机热效率都没有太大的进步。直到1990年，电喷系统给汽油机热效率的提升带来了曙光。到了2000年，发动机的热效率才达到30%。

马自达Skyactiv-X发动机

现在主流汽油发动机的热效率在36%左右，热效率最高的量产发动机是马自达2019年5月24日发布的Skyactiv-X发动机，热效率为43%。经过了漫长的143年，热效率只提升了29%。

目前全球汽车市场已量产的发动机上，排名第二是丰田Dynamic Force A25B 2.5L混合动力发动机，热效率41%。排名第三是本田的地球梦2.0L自然吸气发动机，热效率40.6%。

而今年6月上市的长安UNI-T搭载的蓝鲸NE1.5T发动机，热效率达到40%；率先通过中汽中心“能效之星”认证的一汽奔腾T77 PRO搭载的第三代“智擎魔方”1.5T 发动机，热效率达到 39.06%；上汽最新的2.0T发动机热效率更是高达39.52%。

马自达、丰田、本田的高效发动机都是自然吸气的，从技术层面来讲，自吸发动机能更容易达到高热效率，而涡轮增压发动机提升热效率难度更大。

因为涡轮增压发动机进气压力较高，压缩冲程时，高压气体很容易在火花塞未点火前使汽油自燃，比自然吸气发动机更容易产生爆震。为了控制爆震，就必须降低压缩比，还得对点火时刻进行修整，缓和气缸燃烧工况。要把各种新技术整合在一起，才能有效提升热效率。

提高热效率的主流招术

热效率就像田径场上的十项全能比赛，考验的是发动机的综合实力，需要多方面的齐心协力才能实现较高的热效率。

一般来说，提高热效率主要有三个途径：一是提高发动机的压缩比，给燃油创造一个尽可能地完全燃烧的物理环境；二是提升燃油的燃烧效率，让燃油尽可能多地转化为动能；三是对废气和气缸温度进行热量优化管理。

为提高发动机热效率而开发的主要技术有提高压缩比、缸内直喷、阿特金森循环或米勒循环、废气再循环系统（EGR）和低摩擦技术等。

增大压缩比或过程指数均可以提高热效率。汽油机压缩比提高到一定程度将受到爆震燃烧的限制，但高压缩比对发动机零部件可靠性，抗爆震性要求也就越高，可能需要加注95甚至98号油，可能需要用更坚固的零部件，采用可变压缩比技术是提高发动机热效率同时避免爆震的最佳技术方案之一。

阿特金森循环的实质是膨胀比大于压缩比，采用进气门晚关的方法，让缸内的混合气被压回进气管一部分，这样活塞加速做功的冲程就长于压缩冲程，可以让发动机的效能更高，也就是热效率更高。

米勒循环也是膨胀比大于压缩比，只不过是通过早关气门的方法实现的，在进气行程结束前，提前关闭气门。与阿特金森循环相比，米勒循环在低负荷情况下更省油，但在高负荷时会导致发动机功率不足。

350bar高压喷射系统升级了燃油喷射压力，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，有利于满足国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。

废气再循环系统是用来冷却部分返回到发动机气缸内的废气的装置，废气再循环量的增加能降低汽油机在中低负荷工况下的节流损失，从而降低汽油机的燃油消耗率，通过低温燃烧减轻了发动机爆震，减少了传热损失，对提高发动机热效率有着极其重要的作用。

在发动机内部旋转及传动过程中，部件之间有着各种摩擦造成能量损失。摩擦损耗是发动机额外功消耗的最大部分，减少了摩擦等额外功以后，发动机的热效率便会很明显的提升。

除了采用DLC涂层、滚轮摇臂驱动气门、可变刚度气门弹簧等低摩擦技术和部件，提升摩擦副零部件材料和制造工艺，提升硬件制作精度，改善整个发动机润滑系统的设计合理性，采用低粘度的润滑油等也是常用的降低摩擦方法。

小排量加点料，会更香

发动机排量小型化不仅是国产发动机的趋势，也是汽车发展的整体趋势。大众、丰田、本田、日产等都在推进，比如丰田推出搭载1.2T，本田推出搭载1.0T发动机车型。

大众化汽车品牌目前基本上是四缸为主，三缸为辅，3.0L及以上自吸发动机在八九年前就消失了，在最近三年2.4L及以上的自吸发动机也基本消失了，多数品牌旗舰车型2.0T发动机就顶天了，但可能会加上插混系统或48V微混系统。

车型降低排量是行业趋势。以中国为代表的许多国家，都推出了分阶段降低乘用车车企平均油耗的限值要求。中国2018年国产燃油车平均油耗水平为7.16L/100km，规定到2020年,燃油限值要降至5L/100km。根据去年工信部发布的征求意见稿，到2025年平均油耗限值将达到4.6L/100km。

以2020年国家规定的乘用车企平均燃油限值为例。奔驰的整体油耗限值要达标，每卖出一辆4.0L排量的G系列车型（平均油耗高达11.8L/100km），就要卖出多辆低于5L/100km的车来平摊。但奔驰的现实情况是，排量最低的1.3T GLB油耗也高达6.3 L/100km，远超过达标线。

现阶段可行的办法是，不断将车小型化和低油耗化。而国内车企很少推广大排量的发动机，并不是技术原因，除了有燃油限值的因素之外，还有一个因素是发动机研发费用高，周期长，需要实现规模效益。

据一位自主品牌的动力总成研发负责人称，2.0T或以上的发动机，对于头部车企来说，技术上已经没有太大难度，关键还是看用户的需求。因为2.0L以下的发动机需求量更大，也更加符合国家油耗法规的要求，所以才会车企更重视小排量涡轮增压发动机。

上汽集团的一位研发人员表示：“现在小排量涡轮增压发动机已经形成趋势，不做小排量增压的意见几乎变成异类了，销量也不会非常亮眼（比如马自达）。”

长安集团一位不愿具名的发动机研发工程师告诉汽车商业评论：“发动机研发周期长，成本高，需要快速上量为企业带来效益。”

一款新型发动机的研发代价高昂，不仅是要人工费用，还有技术合作、无形资产摊销、直接投入等等花费，其中任何一项花费都是天文数字，而且研发实验所用的材料往往比量产件贵很多。

不但是研发费用高，新的动力总成研发周期也很长。从项目启动到最终量产，要经过项目目标范围定义、项目策略定义等8个阶段。比如说项目立项阶段，就要对产品进行定位，选择产品的技术方案、核算经济效应、对市场上的同类产品进行对标分析。

像发动机这样的批量化、工业化产品，由于涉及到研发、开模和产线费用等一次性投资，必须要有需求量来平摊各种费用。现在国产品牌的单一车型很难每年卖到15万辆以上，无法分摊成本更高的大排量发动机。小排量增压发动机定位主流的A级轿车或SUV，有着巨大的销量潜力，因此让众多车企趋之若鹜。

不过，小排量涡轮增压发动机并不能解决所有问题，也有局限性。

首先在动力水平上有限，比如在中型轿车或中型SUV上，只用小排量燃油发动机就比较吃力，不能满足人们的动力需求。

其次，从热效率方面考虑，纯燃油发动机是有瓶颈的，即使是小排量发动机也是如此。

一汽集团研发总院动力总成部主任郭超告诉汽车商业评论：“中国一汽的规划目标是在2030年热效率达到50%。按照现有的技术状态，即使要实现45%热效率，也基本上是基于混动和电动化相匹配实现的。在后续的整个汽车行业里边，混动系统参与会越来越多，纯内燃机的份额也会越来越低。”

一汽集团创新技术研究院创新技术研发主任张强表示：“红旗不排除将来会有小排量的产品，因为小排量也在我们研发序列中，但红旗的小排量发动机一定会配合混合动力，比如1.5T加上48V微混或者更高的强混，实际动力水平要达到2.0T甚至3.0T的水准才行。”

7款先进的自主品牌发动机

1.一汽CA4GC20TD 2.0L涡轮增压发动机

这是一汽自主研发的第三代2.0T汽油发动机，采用高压缩比米勒循环燃烧技术、双可变配气正时、350bar精确燃油喷射技术、全MAP智能热管理技术、集成排气歧管、两阶可变排量机油泵、电控高响应性双流道增压器、超低摩擦节能技术、集成式双平衡轴系统、高效48V中混系统、小节距齿形静音链条等技术，燃烧热效率高达39%。

这款发动机压缩比为10.7：1，最大功率185kW，峰值扭矩380N·m，满足第五阶段油耗法规和国6b排放法规。

该发动机目前已经配备在红旗HS7和红旗H9上，还将搭载在红旗HS5上。

2.长安1.5T蓝鲸发动机NE15T

长安旗下的蓝鲸动力系列是我国发动机中的领头羊产品。这款1.5T蓝鲸发动机NE15T由英国研发中心带头设计，支持模块化设计以及电气化设计，集成了350Bar高压燃油喷射、可变排量机油泵、集成式气缸盖、双涡管增压器等先进技术，在零部件工艺上使用了低摩擦技术。这款发动机最大功率132千瓦，峰值扭矩300牛·米，国六b排放标准，匹配在紧凑SUV上油耗能达到6L/百公里左右的水平。

这款发动机今年已经在长安UNI-T、CS55 PLUS蓝鲸版、锐程CC蓝鲸版等车型大面积装机。

3.上汽蓝芯3.0 2.0T发动机

这款发动机配备了350bar超高压燃油喷射系统、可变气门升程及电动化可控零部件系统，比如有电控废气旁通阀的涡轮增压器、集成式排气歧管、中置式相位调制器等技术。此外，上汽还进行了静音方面和轻量化方面的改进。

这款发动机最大功率是172kW，峰值扭矩360N·m，热效率达到了39.52%，油耗较上代产品降低10%。它将搭载在荣威首款MPV iMAX8上，10月份上市投产。

4.一汽第三代智擎魔方1.5T发动机

这款发动机采用了米勒循环，压缩比达到11.5：1，配备350bar三次喷射系统、智能热管理模块技术、机油泵流量和换气系统、高压可变喷油技术，最高热效率达到了39.06%，最大功率124kW，峰值扭矩258N·m，并达到国六b排放标准。

这款发动机已经搭载在奔腾T77 PRO上，未来还将搭载在FMA架构的首款车型第三代奔腾B70上。

5.广汽390T 2.0T发动机

这款发动机是广汽G平台下的第三代涡轮增压直喷发动机，配备了侧置式350bar缸内直喷系统、GCCS高滚流燃烧室、横流式冷却系统、曲轴箱强扫气系统、双涡管单涡轮、电控排气旁通阀、紧耦合三元催化器、进排气双VVT、滚子摇臂气门驱动系统、变排量机油泵等先进技术，在动力、排放和燃效上实现了平衡，热效率达到38%。

这款发动机的最大功率为185kW，峰值扭矩达到了390N·m，相比第二代发动机分别提升37kW和70N·m。此款发动机已经在2020款传祺GS8上搭载。

6.长城4N20发动机