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。每小時可以行使15km。隨著時間的推移，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，在過去100多年中內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展路線只有一個方向，就是研發(fā)越來越多的先進(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

隨著電氣化時代的到來，內(nèi)燃機(jī)面臨著越來越多的質(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)很快就會被電動車取代已經(jīng)成為一個熱門話題。

雖然目前總體的認(rèn)識是內(nèi)燃機(jī)還有很長的路要走，但是毫無疑問，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。我們需要回答一個問題：內(nèi)燃機(jī)技術(shù)未來發(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)動機(jī)評選中豐田2.0L自然吸氣發(fā)動機(jī)和本田2.0L阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)攜混合動力系統(tǒng)雙雙獲獎。

其中豐田最新的2.5L和2.0L Dynamic Force Engine發(fā)動機(jī)，采用阿特金森循環(huán)，混合動力版本熱效率能夠達(dá)到41%，即使非混動的普通版本也可以實現(xiàn)40%的最高熱效率（圖2）。

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

目前大部分發(fā)動機(jī)的最高熱效率都在35%左右的水平

2019沃德十佳發(fā)動機(jī)獲獎名單

豐田的Dynamic Force Engine發(fā)動機(jī)最高熱效率達(dá)到41%

本田的2.0L阿特金森混動發(fā)動機(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，我們來看看最近和未來幾年發(fā)動機(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)動機(jī)即將在2019年6月正式量產(chǎn)。

Skyactive X發(fā)動機(jī)采用了馬自達(dá)稱為SPCCI火花塞輔助控制壓燃發(fā)動機(jī)。這一新技術(shù)結(jié)合柴油機(jī)和汽油機(jī)的優(yōu)勢，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)動機(jī)

2、日產(chǎn)于2018年量產(chǎn)了全球第一個可變壓縮比VCR發(fā)動機(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的高壓縮比來提高熱效率，在大負(fù)荷采用8:1的壓縮比來避免爆震。

目前日產(chǎn)宣稱VC TURBO發(fā)動機(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)動機(jī)技術(shù)結(jié)合后估計潛力會更大。

日產(chǎn)的VC TURBO可變壓縮比發(fā)動機(jī)

2、 預(yù)計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)動機(jī)上引入動態(tài)停缸技術(shù)，這個技術(shù)可以通過ECU來計算何時需要哪個汽缸停止工作，完全是動態(tài)調(diào)整的，福特進(jìn)行了大量的開發(fā)工作以解決動態(tài)停缸情況下的NVH問題。

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

福特三缸發(fā)動機(jī)的動態(tài)停缸技術(shù)

4、預(yù)計未來我們會看到寶馬聯(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)行了大量的測試。

這一技術(shù)通過向汽缸內(nèi)噴少量的水來降低燃燒溫度和爆震傾向，在大幅度提升功率的同時能夠達(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、 動力系統(tǒng)電氣化給內(nèi)燃機(jī)效率進(jìn)一步提升帶來的新機(jī)遇

（一）傳統(tǒng)的混合動力概念：電動機(jī)來幫助發(fā)動機(jī)

傳動的混合動力概念的本質(zhì)是讓電動機(jī)來幫助發(fā)動機(jī)提高效率。

比如豐田的混合動力概念，或者大眾的P2混動方案等，主要的思維方式是用電機(jī)來幫助發(fā)動機(jī)，提高發(fā)動機(jī)的效率。這種思維還是基于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動為主的概念，電機(jī)是來幫忙的。

這樣等于一個復(fù)雜的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)需要再增加一個復(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)動機(jī)打敗，同時又遇到了電動車的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)混合動力方案的整體思想是在原來傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上做加法。

豐田混合動力結(jié)構(gòu)

大眾P2混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

（二）最新的混動新方案：發(fā)動機(jī)來幫助電動機(jī)。這里講兩個例子

1、 本田的i-MMD混動方案，本田的混動方案非常有特點(diǎn)

（1）非常低的時速時可以純電驅(qū)動，發(fā)動機(jī)完全不工作。

（2）在車速80Km/h以下發(fā)動機(jī)不會直接驅(qū)動車輛，這時候發(fā)動機(jī)即使啟動工作，也只是發(fā)電，然后把發(fā)出來的點(diǎn)給電機(jī)驅(qū)動車輛。

（3）在超過80Km/h時速的高速情況發(fā)動機(jī)才會直接驅(qū)動車輛。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程仍然由電機(jī)負(fù)責(zé)。保證即使在發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動車輛時，也是工作在發(fā)動機(jī)的最高效率區(qū)域，非常省油。同時，高速用發(fā)動機(jī)驅(qū)動也避免了電動車遇到的高速下電耗過大的問題。

本田的i-MMD混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本田的i-MMD混動系統(tǒng)的三種工作模式

發(fā)動機(jī)只在最高效率區(qū)域工作

2、 日產(chǎn)的 e Power混動，主要的特點(diǎn)如下：

（1） 電機(jī)驅(qū)動

（2） 發(fā)動機(jī)只發(fā)電，不驅(qū)動，發(fā)動機(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)動機(jī)發(fā)電來驅(qū)動電機(jī)

日產(chǎn)e-POWER混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

日產(chǎn)e-POWER混動發(fā)動機(jī)只工作在最高效率區(qū)域

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

這種混動動力系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)未來的設(shè)計方向會向更簡單，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)相對于電動車的對比中，目前大家討論的最根本的問題有兩點(diǎn)：

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

2、 內(nèi)燃機(jī)燃燒化石燃料會排放CO2二氧化碳，這會危害地球環(huán)境，因此，電動車更加環(huán)保。

我們來看看這兩個問題是否對于內(nèi)燃機(jī)是無解的，其實，如果內(nèi)燃機(jī)的燃料采用可再生燃料，同時也不排放CO2的話這個問題就不存在了。有沒有這種可能性呢？

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

（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)研究項目

馬自達(dá)的氫燃料轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)研究項目

（二）甲醇燃料

2019年的兩會上吉利汽車總裁李書福再次提到了甲醇燃料的話題，其實，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，制備過程綠色環(huán)保。其實甲醇燃料的最大優(yōu)勢有兩點(diǎn)：

1、 可再生

甲醇可以通過兩種方法來制造，第一種是通過煤炭或天然氣來制造甲醇，第二種是采用電廠排放的CO2二氧化碳來制造甲醇。 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)來說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，再通過內(nèi)燃機(jī)的燃燒吧CO2釋放出來，從而實現(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，但是整個運(yùn)輸、儲存的過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建造基礎(chǔ)設(shè)施，在同一個加油站中很容易實現(xiàn)既可以加汽油也可加甲醇。同時，目前的汽油機(jī)稍加改進(jìn)就可以成為甲醇燃料發(fā)動機(jī)，對于整個產(chǎn)業(yè)的影響比較小，這也是非常大的優(yōu)勢。

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，和電機(jī)相結(jié)合將會使發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展從加法逐漸轉(zhuǎn)為減法，發(fā)動機(jī)的最高熱效率提升將是未來技術(shù)發(fā)展的主題。

同時，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)和電動車的競爭已經(jīng)持續(xù)了100年，未來也注定是一場長期的競爭，劇情如何發(fā)展我們拭目以待。