去年第五届中国汽车发动机技术大会落下帷幕，本次作主题报告的主讲人均是来自世界各大先进汽车动力系统、发动机零部件等多个领域的技术管理专家，并且本次的发动机技术大会在面临汽车发动机史上最大变革的时期召开，从颇具深度的主题报告以及问答环节中，我们可以渐渐摸清未来发动机的发展方向，以及未来动力的重点技术领域。
废话不多说，本文以X个板块，深度解读该会议的核心干货。
1.未来还会有内燃机吗？
内燃机老了？几个数字告诉你真相
下图是来自美国能源部国家实验室经理带来的一组美国对纯电动车以及内燃机车的全生命周期能耗计算，当前考虑发电方式而言，内燃机车CO2排放为32吨，低于纯电车的39吨，而在未来2050年，这一数字仍未21.5吨小于电车的22.7吨，这里面考虑了各种能源的发展以及产业进步，特别是考虑能源结构等问题。这一数字在中国的真实运行环境下，由于能源结构偏煤炭的现状下，内燃机的高效燃烧方式仍然具有相当强的竞争力。另一方面，内燃机车在改变能源、后处理方面具有天然技术优势，利用高效燃烧以及电气化系统、燃料的重新设计，可以实现真正意义上的零排放，这一点在世界上各类热机中是无与伦比的。
未来内燃机不是内燃机，而是“人类至高能源转化动力系统”
本次会议贯彻始终的，是发动机需要在未来扮演的角色，大会首先肯定了携带内燃机的动力系统，将在未来30年内作为主要车用动力。其中发动机的电气化势在必行，电气化的燃烧系统控制附属系统，电气化的控制策略，新型高效燃烧模式，混合动力系统等均是各个主讲人的主要内容。
内燃机的未来是清晰并明确的。单纯的鼓吹电车、油车都是对人类资源的不负责以及对自我无知的曝光。
发动机的未来在三个方面”混动”,”高效燃烧”,”燃料”
本次会议多个代表均提到了未来的动力方式，认为未来在全球范围内，搭载高效内燃机的混合动力系统一定是未来发展的主流。本文截取来自丰田公司的预测给出了一个直观的预测数字，对比不同动力方式的预测结果如图，在搭载新一代高效内燃机的基础上，混合动力车型可以给出最低的全生命周期能耗，这包括50%热效率以及再生能源的组合。在2030年左右，全部汽车均实现电动化，而内燃机将搭载在汽车中，作为超高效能源转化装置持续提供动力，而在2050年，混合动力车总和将维持在80%-90%，这一数字的也得到了美国能源部国家实验室经理、欧洲燃烧系统设计公司、高校研究机构，韩国研究机构等代表的认可。可见高效燃烧系统，混合动力系统是未来的技术重点。
2.混合动力怎么用？
“混动”=“混电+混智+混链接”。
混动提了很久了，但是什么样的混动是是最好的，争论了这么久，市场验证了这么久，现在看来应该还是没有给出最后的结论。实际上我们在思考未来的时候，由于某一个版块的局限性，常常一叶障目。资本家思考金钱，科学家思考测试结果，能源署思考开采，政府思考战略，用户思考体验，而企业，则夹在所有的牢笼里，产品一代一代迭代，不断衍生。潮水即将退去，如果未来的混动车里发动机的角色相较于普通车，其工作方式没有得到优化，内燃机的设计负担没有得到减轻，那么这套混动系统绝对是失败的。
失败的混合动力系统好比是马拉火车，还没有搞清楚动力是谁，牵强的拼凑只能自毁。未来的内燃机在混动，是需要电气化可以帮助这套能源转化系统做到更高的能源转化。本次大会来自美国、欧洲、亚洲的技术专家均一致认为，内燃机的未来一定是混动系统中的重要一部分，而不是单独的动力方式。
Michele Battistoni博士的演讲中有一句话将的很好，“In this context the internal combustion engine will still play a major role, but the optimization will move from the classical fully flexible ICE – a “lone hero” – to a modular team player. ”发动机在未来的角色中一定要找准新的定位，完全依靠机械的变化以及粗暴的控制，已经不能适应未来的要求，而混合动力则是将发动机推在一个新的位置上的最好工具。内燃机在电气化的助力下，是最有希望实现全生命周期“零排放”的工具，这需要内燃机在核心燃烧系统为适应电机、新的控制器，新的辅助设备上面，做到接口的更新。这个链接涉及混合动力以及核心燃烧效率的机器匹配，以及对控制策略的匹配。
1. 新的机器匹配。要求整个传感器以及物理连接方式的更新，电机与内燃机的匹配，新的增压器，新的后处理系统将在新的系统下进行革新。丰田在本次技术大会上重申了自己的THS系统，而这种混动系统实际上是对传统意义的串并联混合优化，为的是优化燃烧，将低速工况和部分大负荷工况完全舍弃，燃烧会持续稳定在一个较为“舒适”的区间。这种更新会是革命性的，在中国这种高城市工况使用率的条件下，真实使用感受将会比试验数据更好。
2. 新的策略匹配。发动机在传统的运行过程中实际上是相当粗暴的，设计师将特定的运行区间以及相应的控制策略做好标定，写在发动机控制程序中，而这一切是基于发动机在实验室中的表现，而在真实路况里，这些程序并不是最贴合最优燃烧的解，为了保证车子的顺利运转，一般简单的做法就是燃油加浓以及推迟点火角，稳定燃烧后也带来了燃烧效率的恶化。新的控制系统将会完全颠覆这一控制方式，利用模型预测控制的方法，通过所谓人工智能在设定模型的基础上对运行发动机传感器接收到的实际信号，进行实时更新，从而给出最优的燃烧、控制方法。另外辅助驾驶、自动驾驶等路况信息则提前为核心燃烧系统做出准备信号，在每一个红绿灯前适当关闭点火，利用刹车回收能量。而这一切的控制需要所有控制系统控制策略的“新链接”。
3. 内燃机，怎么燃？
搭载“新概念”燃烧，效率直逼50%
本次大会多位专家清晰的给出了未来内燃机的新型燃烧技术，众多燃烧技术在学术界也是已经做了大量的前期研究工作，已经从实现硬件、机理模型、过程诊断等多个维度对未来的燃烧技术做了大量的技术储备。要实现燃烧系统的热效率革命性提升（38%升至50%），主要从增压压缩比，以及降低传热损失这两方面来进行考量。降低传热损失除了降低摩擦（增加减摩涂层），利用废热废气（增压+废热回收）外，稀薄燃烧无疑是未来的主流燃烧模式。因为稀薄燃烧所制造的低温、富氧、无泵其损失的燃烧环境，对燃烧的效率、生成物以及热效率都是革命性的提升。然而在稀薄燃烧中，仍然存在比较多的问题，比如首先如何实现稀薄燃烧，例如电晕点火、预混腔点火等，以及如何稳定稀薄燃烧，如气流、喷雾等，是关键的问题。主要的还是集中在后文所提到的几种气流、喷雾、点火3个方面。具体研究细目如下：
除了点火，压燃也是未来的一个主要发展方向。马自达的创驰蓝天第一次将梦想了很久的HCCI产业化，提出了火花塞辅助压燃的SPCCI技术，这一突破是对燃烧模式的革新，同时火花塞的引入也暴露了压燃不易控制的缺点。压燃的方式众多，如PCCI，RCCI等等，实际上其燃烧模式都是压缩自燃，但是都为了稳定燃烧控制，利用点火、燃料策略等，利用可控的电子设备（如喷油器），去干预燃烧的空间、时间相位。这一燃烧概念是成熟的，未来的研究研究重点就是不同工况、燃料的控制开发。
4. 企业的产品怎么用？
丰田在应用混动技术的同时，针对混动的发动机燃烧系统进行了优化。核心燃烧系统是丰田的Dynamic Force，不过根据混动的特性进行了修改优化。混动发动机由于去掉了部分大负荷工况，尤其是低速的工况，一些相应的结构设计进行了修改，更高的压缩比，更高比例的EGR系统以及阿特金森循环可以将燃烧的侧重点更放在效率，同时为了更快的策略切换以及相应速度，可变正排气技术进行了进一步优化。除了减摩，材料的更新外，这套燃烧系统的特点就是利用气流以及喷雾的相互作用，优化缸内燃烧速度和油气混合度，如优化高滚流，优化进排气夹角以及喷雾对气流的适应等。除此之外，电气化的好处可以将很多辅助系统直接电控，除掉机械负载的同时，也可以进一步提升响应速度和降低排放。
可以看到这套系统在针对性的优化下，最大热效率以及高效燃烧区间均有较大幅度的提升。
对于未来的技术发展，丰田主要的目标放在了超稀薄燃烧（Lambda>2.5）上，搭配隔热涂层，减少缸内热量流失，这里面需要重点考虑的是点火、着火方式等相关技术，如高能点火，电晕点火，预混腔点火等丰田所谓的“火核”控制技术。
丰田这套THS+高效燃烧发动机系统，不仅从最后的上市效果看是很好的，在成本的控制上也是做到了极致，随着电气化的不断加深，这种成本将进一步降低，更多的技术积累使得热效率可以实现50%。
中国本土企业一汽红旗汽车，也给出了自己的产品技术路线图，而红旗这款CA4GC20TD发动机虽然没有像丰田那样的经典，但从39的最高热效率以及众多新技术的应用，新开发方法的实施上看，已经达到了世界一线发动机技术水准。这台发动机搭载的高压缩比+米勒循环的燃烧思路也是未来的主流燃烧系统路线，其他如350bar高压喷射，电控双流道增压器以及智能热管理系统，都是应用在顶级车型发动机的先进技术。另一方面比较亮眼的是，红旗并没有简单的堆砌供应商的新技术，而是利用主机厂的优势，对整机的开发如降摩擦，平衡，轻量化以及NVH方面，作出了新的调整，48V中混系统也走在了其他厂商的前列。但是从开发效果上看，我们相对世界老大哥丰田的燃烧系统还是有一定差距，众多新的技术加持也仍有热效率的开发潜力，全MAP高效广度仍有拓展空间，如对一些关键燃烧恶化区域，高速高负荷，低速大负荷，小负荷等，利用现有热管理、燃烧控制策略等可以进一步调整优化。另外可以引入部分其他先进技术如喷水以及超高增压等。
另外一点在本次大会上红旗也部分给出了其设计思路，缸内可视化和数字化设计的燃烧系统设计过程已经应用在整个开发流程里，包括对喷雾的诊断、缸内可视化诊断以及模型的精确标定。这种设计方法的应用同样有较大潜力可以挖掘，例如在设计油气混合方面，单纯的标定模型是不够的，在特殊工况点的油气精确诊断对燃烧具有很强的影响，尤其是超高压喷射的过程里，油束与燃烧室、气流的相互作用直接绝对了湿壁量的多少，换句话说，我们在单独标定、设计气流、喷雾上已经做的不错了，在相互作用方面以及对最终燃烧的诊断方面需要进一步提升，这也是各大技术厂商的核心能力所在。
5. 未来关键技术
当然实现50%热效率，不仅仅是提出稀薄燃烧概念这么简单的，如何实现需要喷油、点火技术的加持。
喷雾方面，超压喷射是义不容辞的主流。超高压喷射可以实现更强的雾化效果，更短的喷射时间，实现相对更晚的喷射策略。随着活塞下行，喷雾碰壁更少，甚至不碰壁，这就大大降低了不良燃烧、积碳以及热点的生成，进一步减少爆震、超级爆震的发生。再进一步，爆震的减少意味着点火角优化以及更高的压缩比，在排放、动力性、经济性上实现大的跨越。喷雾是发动机燃烧系统中至关重要的一环，相关的喷雾破碎、蒸发、甚至沸腾模型都是在设计中至关重要的部分，更快的计算速度以及计算方法，使得这些模型可以更加精确的在设计软件中实现，从而完善的优化结果。
此外在燃烧模式上，点火决定了燃烧的发生，同时也决定了燃烧的传播，高能点火，也即是提高火花塞点火能量，已经被证实是实现超稀薄燃烧的有效手段，除此之外，预混腔点火将在未来逐渐成为主流，搭配在新一代发动机中。所谓预混强点火就是在燃烧室外设计一个小的预混腔，将火花塞和喷油器集成在其中，预先点火，而在真正的燃烧室中直接得到预混强喷出的火焰，这种火焰直接喷向燃烧室壁，点燃整个燃烧室，直接加快了燃烧速度。
下图中就是直观的预混腔点火燃烧火焰图片，左侧是传统点燃模式，右侧是预混腔点火，可以看到新的点火模式以几个火柱为主要燃烧点，直接扩散到全部燃烧室中，点火面积直接得到了快速提升，缸内压力以及放热率也明显提升。这直接实现了快速燃烧、高效燃烧的目的。另外很重要的是，这种全局瞬间放热的方式，使得超稀薄燃烧以及爆震抑制得到了空前的加强，更高的压缩比搭配超稀薄燃烧在更大MAP范围内实现对全局热效率提升的意义巨大。
另外，电晕点火也是稳定、有效的实现稀薄燃烧、快速燃烧的有效点火手段之一，电晕点火区别于普通的火花塞产生的一个小火花，是从电极直接射出等离子体将整个燃烧室点燃，类似于我们看到的闪电。其中（media1）是电晕点火的缸内燃烧图像，（media2）是普通火花塞点火的缸内燃烧图像，从这两个视频可以明显看出，缸内燃烧速度更快，空间分布更均匀。这种点火方式潜力很大，易于控制，但是目前的系统成本比较高，而且耐用性以及可靠性还需要进一步提升。
喷水技术也是最近以及未来的研究热点。水独特的高潜热值，以及水火不容的特性使得水在燃烧的过程中具有很好的吸热，膨胀的特点。在燃烧前，喷水可以使得整机温度迅速降低，而在膨胀过程中也可以作为很好的介质推动活塞下行，得到很好的抑制爆震，降低油耗的作用。喷水器的位置、策略以及水的搭载，都将是该技术应用的挑战和潜力。
同样本次会议中了几家关键零部件企业也给出了相关精彩的演讲，针对增压器、热管理以及供油测试系统等领域发展作出相应的分析。
奕森科技作为增压器方面的龙头，针对未来增压器面临的挑战，尤其是涡轮增压器给出了自己的发展思路。未来的更高的能量密度以及更高的压比，要求更高的增压器能力，并且运行区间需要更广，重量更轻。另外随着颗粒物排放的法规出台，GPF已经是今后的必要技术，这导致排气背压更高，并且随着米勒循环的不断引入，VGT是最佳选择，需要材料和设计对温度、压力的耐受性更强。响应以及迟滞需要得到更好的解决，这些优化需要基于更精准的流体模型以及设计方法，新的材料以及制造测量工艺。
除此之外，在笔者看来，未来增压器可能不仅仅作为当前的功能单元使用，而是有更强的使用场景。我们知道增压器的使用一方面利用了废气能量，另一方面搭配小型化燃烧系统的设计，更多的是发动机工作区间的调整，可以在更快的反应速度上达到更大的马力，从油耗上讲是利用小型化不足，增压弥补的方式将更多的工作区间拉到经济运行区。而在未来的挑战中，一个重要的目标就是低温燃烧，增压器可以作为这一燃烧模式的空气控制模块，对稀薄燃烧程度直接进行控制，在增压工况实现超稀薄燃烧，而燃烧温度也直接由增压程度喷油系统进行控制，这也从一方面控制了排气温度以及相应的排放模块。
在热管理方面，本次会议主要由银轮股份牵头，对车用管理系统，特别是发动机周边热管理技术中中冷器，EGR以及涉及发动机能耗的前端冷却模块以及制冷机等进行了讨论，给出了未来的解决方案如下。
其中我们知道在发动机工作的过程中，热管理涉及加热、冷却两个方面。我们需要适合的温度并且反应迅速，在流体涉及相关的如气体、液体中，快速的散热可以增大介质的密度，使得充量更多，而在工作区间，我们又希望热量可以促进油气的蒸发混合。另外在未来电气化的复杂系统中，元器件、电池的冷却也是一个关键的命题，简单的流道管理方式已经不能满足复杂的控制需求，新兴储能方式，比如储热储冷等，一定是未来的发展方向。
围绕发动机整机系统，除了对燃烧系统核心优化之外，外围设备为燃烧系统提供优良的环境输入以及输出。这些设备的更新升级实际上是电气化进程的关键，硬件的升级才能辅助核心燃烧系统的开发。会议整理了以下五个方面的能量流动过程中可以攻克的关键技术方向。
其中针对汽油机以及柴油机的产品创新，科博达给出了几个产品的突破点，主要集中利用变排量的机油泵、智能可变进气格栅以及冷却水温控阀，对机油量、进气风阻以及冷启动边界条件的优化，从而实现最终的节能减排。在柴油发动机中，后处理永远是最关键的一环。科博达的方案是通过对EVT阀体的重新设计，尿素喷雾的优化以及DPF主动再生喷射单元的优化（喷雾角度以及温控），以实现后处理部分的先进设计。
总结：未来可期，大有可为
最后，必须重点补充说明的一点是燃料在未来所扮演的重要作用。正如本文开头所说，我们必须重新正确认识内燃机这一概念在未来中所扮演的角色，是高效的能源转化器。所以我们想从全生命周期提升能源的转化效率，除了对内燃机这一车载终端的升级，从能源源头开始我们需要重新设计所需燃料。本次会议大部分专家同时提到了未来利用更多的生物质能油品，如醇类等，以及碳中性燃料E-Fuel。利用产业化能力，整合排放CO2重新合成燃料，实现全生命周期零排放。除此之外，双燃料燃烧系统的开发，也可以利用燃料的组合在个别工况节能减排。燃料这一课题谈了很久，注定未来的变革中将会真正放上棋盘，实现人类能源革命。
最后，我们简单的来总结一下未来的动力系统该如何设计：
核心高效燃烧系统开发+智能动力链接系统布置+软件控制策略升级+新燃料设计=未来零排放动力系统