GBN特写 | 未来30年内燃机仍将起关键作用
汽车动力将如何变革？内燃机又将何去何从？
作者 | 韩志玉 吴振阔 高晓杰
来源 | 《汽车安全与节能学报》
来自帮宁工作室（gbngzs）的报道
编者按
未来30年汽车动力将如何变革？此变革中内燃机又将何去何从？这篇学术论文或许能为我们部分廓清上述问题。
文章结论性观点如下：
其一，过去30年，轻型汽车汽油机技术取得长足进步——汽油机产品在动力性、燃油经济性和排放控制方面获得全方位提高。其中，动力性提高67%以上，热效率提高8个百分点，提高幅度为20%以上。中国轻型汽车排放标准从国1到国6，有害排放物降低80%以上。
其二，未来30年内燃机仍将起到关键作用，至少60%以上轻型汽车需要一个内燃机。
其三，内燃机在轻型汽车动力中的地位将逐渐发生变化。一方面，从内燃机单独驱动逐渐演变为内燃机和电机共同驱动，其作用变化类似于从“独唱”变为“二重唱”。
另一方面，内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降，从一个“核心”部件变成“关键”部件，成为一个通用产品，商业模式可能发生变化。
其四，结合混合动力系统应用可充分利用发动机的高效率区域。混动系统，特别是增程混合动力系统，要求内燃机运行范围变窄，有必要开发混合动力专用发动机，进一步提高其热效率、简化机构、降低成本。
其五，未来汽油机热效率（特别是实际运行时的热效率）将大幅度提高，通过多种技术手段的应用，商业化产品有望实现45%的热效率。
其六，汽车燃用天然气可大幅度降低CO2排放。车用动力将根据地域形成“油、电、气”的多元格局。
本文摘自《汽车安全与节能学报》2019年第10卷第2期“汽车动力变革中的内燃机发展趋势“，帮宁工作室授权刊发，并略做编辑。
第一位作者韩志玉博士，知名汽车与发动机专家，国家特聘专家，美国国际汽车工程师协会会士，全球汽车精英组织副主席。现任同济大学汽车学院教授，江苏上淮动力有限公司董事长。
01.
现状
自20 世纪末汽车动力开始呈现多元化发展趋势。
汽车从单一内燃机的燃油车（internal combustion enginevehicle，ICEV）逐渐向油电混合动力汽车（hybrid electric vehicle, HEV）、电动汽车（指纯电动汽车 (battery electric vehicle , BEV) 、插电式混合动力汽车 （plug in hybrid electric vehicle））和燃料电池汽车（fuel cell vehicle , FCV）等方向发展。这些多元化动力是汽车动力向电动化发展的不同形式，几乎都需要电机及电池。
以商业化产品为例，丰田公司于1997年推出油电混合动力车型Prius，上市后广受好评，目前丰田在全球销售的混合动力汽车已超过1000万辆。2009年，丰田发布第3代Prius，据工信部公告，其油耗为4.3 L / (100km)。
纯电动汽车以特斯拉为例。2008年，特斯拉推出纯电动车型Roadster。2017年，特斯拉交付10.3万辆纯电动汽车。
另外，2016年，丰田汽车推出全球首款批量商业化氢燃料电池乘用车Mirai。该车加注一次氢气可以续航650 km，达到和汽油车相同的续航里程和燃料加注效率。
与此同时，汽车公司也一直致力于研发并生产更加节能的燃油汽车。
马自达汽车坚持改进汽油机热效率，采用13:1的高压缩比等措施改善燃烧，在传统动力整车燃油经济性上取得领先优势。据工信部数据，2015年，马自达Atenza整车油耗为6.4 L / (100km)， 比2016年国家第3阶段油耗限值低近18%，大大领先于其他同类产品。
上面这些例子明确表明汽车动力多元化的技术发展趋势和商业实践，未来几种形式将共存发展。
02.
预测
汽车动力在20世纪末开始出现多元化且成功商业化，但目前非内燃机驱动的汽车所占市场份额仍然很低，未来仍需较长发展时间。
很多机构和研究者预测未来不同汽车动力形式的发展趋势。从全球范围看，根据国际能源署最新报告预测，2020年和2030年全球轻型电动汽车（含BEV和PHEV）的销量分别为390万辆和2100万辆，各占当年总销量的3%和13%。也就是说，到2030年至少还有87%的轻型汽车需要单一内燃机驱动。
这两张图表分别给出了未来美国市场及中国市场不同动力形式汽车的市场份额预测。
从第一张图中可以看出，2015年美国市场销售的纯内燃机汽占比92%，预计在2030年为80%，而在2050年为60%。考虑到混合动力仍然需要内燃机，因此在2030年和2050年美国用内燃机的轻型汽车分别为96% 和90%。
第二张图是“中国节能与新能源汽车技术路线图”中对未来汽车动力的预测。从中可以看到，在2030年，中国纯内燃机汽车约占市场份额的35%，混合动力汽车占25%，电动汽车（含 BEV 和 PHEV）占40%。燃料电池累计销量为100万辆。如果假设电动汽车中间有一半应用插电式混合动力，可以得出2030年中国汽车销量中仍然有60% ~ 80%的份额需要内燃机。
以上预测表明，未来30年内燃机在汽车动力中仍然起到关键作用，全球范围内至少60%以上的轻型汽车仍将装有一个内燃机，内燃机生命力依旧旺盛。
但随着汽车动力电动化的发展，未来内燃机的支配地位将逐步弱化。汽车由单一内燃机驱动变为由内燃机和电机（一个或者几个）驱动。换言之，汽车动力由内燃机的“独唱”变为内燃机和电机的“二重唱”。
由此可以推断，内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降，将从一个“核心”部件变成“关键”部件，逐步成为一个通用产品。商业模式因此也可能发生深刻变化。
03.
电动化的痛点
汽车动力在向电动化发展的过程中遇到了以下主要问题。
一是电池能量密度低。
这张表给出了不同电池与几种典型液体燃料能量密度值的对比。从中可以看出，电池的能量密度与传统液体燃料相差在1~2个数量级。
这说明与传统燃油相比，想要依靠动力电池产生出相同的能量，所需动力电池的重量远远超出燃油质量和体积，这将造成整车质量的显著增加，使得能耗增加。
但是，为维持较长的续航里程解决用户里程焦虑的问题，大容量的电池在当前的技术条件下是必需的。