内燃机技术的最终发展方向

车用内燃机技术起源于荷兰人的火药爆炸动力研究，传承自1833年英国人赖特的活塞做功设计，奠基自19世纪中期对煤气、汽油和柴油的化学燃烧能源理论突破，经过不断改进与发展最终在1876年由德国人奥托Otto创造出了第一台往复活塞式单缸卧式4马力内燃机。这就是现在大家众所周知的四冲程（吸气、压缩、做功，排气）内燃机发展历程，这个已经发展了百年余的循环做功模式，也称为奥托循环。而后狄塞尔Diesel受压缩点燃研究的启发，于1897年研制 出第一台柴油内燃机。诞生自19世纪的内燃机技术在100多年的岁月长河中，帮助人类加快了进化速度，延展了人类的生存空间。把内燃机推举为19世纪最伟大的发明之一，一点不为过。
然后在现如今全世界都开始关注化石能源枯竭问题、石油政治问题、CO2排放问题的时代。各种新能源替代技术层出不穷，比如已经到了普及临界点的电动汽车，比如欧洲车厂深耕了十余年的氢燃料技术，比如日系擅长的插电双擎重混和燃料电池技术。大家把目光越来越多的集中在了所谓的未来科技上，“廉颇老矣”的车用内燃机好像近10年只是一路在小修小补小升级。这10年里普及了清洁柴油技术，高压共轨缸内直喷技术，低惯量小涡轮技术，类似VVT-i等可变正时技术。甚至最近5年内没出现什么重大技术革新，反而因为苛刻的排放法规另大排量多缸数发动机开始逐渐淡出江湖，甚至衍生出了闭缸技术。期间也出现了为了弥补技术冒进风险而不得已研发的双喷射系统。还有少数传统大厂在内燃机研发上干脆学会了排放作弊。内燃机最基本的技术核心无非是汽油机空燃比14.7，柴油机空燃比14.3，所有的技术革新都要围绕着供油、配气，正时、无效能量再利用以及发动机维持经济运转的方式展开。至少在如下几个方面，车用内燃机技术还大有发挥空间，这些发展方向也基本上是内燃机的最后几个可以突破的技术屏障：
第一，升功率技术突破
衡量当代发动机设计制造水平和做功效率的不是廉价的扭矩，而是通过材料工程学积极研发、大量线下调试和不断耐久压力测试下一步步实现量变到质变的每1000cc马力数值----升功率。其中业内格外关注的是每升排量是否达到100马力，以此作为一条优秀引擎的及硬指标。升功率里程碑似的超过100马力从而轰动世界是来自于本田的B18C发动机，1.8L排量高转速可实现200马力。随后技术偏执的本田在自己著名的红头发动机K20A2引擎上，8500转实现了220马力，牢牢占据了升功率头把交椅数年之久直到廉价涡轮时代的来临。

图：著名的本田K20A红头发动机
而如今的发动机在更高速的ECU控制、缸内高压共轨直喷、先进的涡轮技术加持下。升功率一路慢慢爬升。奔驰A45 AMG的那台著名的M133DE20AL四缸2.0L发动机，最新版本动力已经攀升至385马力。我相信在不就的将来，升功率突破200马力指日可待！


图：参数惊奇的奔驰M133发动机
技术进步不仅是高端车的军备竞赛，随着成本的逐渐下降这些技术必将普及到大众市场，使得普通内燃机技术升功率取得长足进步。
第二，电动增压必将普及
增压技术并不是个新鲜玩意，其最早期研发目的是解决活塞式星型航空发动机在高空氧气稀薄时泵气问题。后来被宝马和萨博引入到了民用车辆内燃机领域，从此一发而不可收。增压泵气技术主要可分为机械式增压（Super Charge），和废气涡轮增压（Turbo Charge）。前者的泵压器动力来源自发动机曲轴，通过皮带轮传动。优点是实现全转速无延迟增压，缺点是结构过于复杂并且损失发动机轮上功率，目前基本除了高端车型已经难觅踪迹。机械增压器在各大发动机厂的研发路线图上，已经有被边缘化的趋势。然而后者废气涡轮增压却在这几年实现了业内普及，涡轮器的原理是利用高温高压的喷射废气，吹动增压器叶轮带动同轴压缩机叶轮实现高效压缩泵气。

图：传统涡轮增压原理图
涡轮增压的优点不用多说，最主要的缺点除了响应延迟外，涡轮将废气作为动力就无法避免在高温高压的废气做功环境下，涡轮内燃机的泵压进气温度升高从而密度降低，这将影响燃烧效率。解决此问题的方法只能是使用笨重的中冷器进行泵气冷却，这无疑增加了涡轮发动机的整备质量也对可靠性造成了影响。

图：中冷器系统进气冷却示意图
然而随着车用电子电气更加可靠和完善，这些年利用电力驱动涡轮泵气同时解决响应迟滞和冷却系统负担的研究已经有了重大突破。2014年奥迪宣布在一台Q7柴油车型上安装了辅助废气涡轮的电动涡轮，可以保证低转速的泵压效率，并减少涡轮迟滞。别看仅仅是辅助性的实验产品，电动增压技术的广阔前景不容小觑。

图：奥迪电动涡轮技术
第三，突破凸轮轴的束缚
传统内燃机为了实现燃烧室内准确的空燃比，需要配气系统实时根据四冲程当前状态完成进气和排气以及进排气重叠角的控制过程，这个控制过程就叫做正时（Timing）。在100多年的时间里，工程师们调整过凸轮轴的上下位置，调整过气门挺杆的位置，甚至研发了进排气双侧可调的所谓VVT气门正时系统。但为什么没人想过笨重的凸轮轴和正时皮带/链条等零部件完全可以被舍弃呢？

图：复杂的凸轮轴和正时皮带
2016年上半年一家超跑公司柯尼塞克公布了电控正时系统（Camshaft less）的研发进度。通过电控气门挺杆彻底抛弃了凸轮轴、正时皮带/链条，发动机减重20%而动力提高了15%。

图：无凸轮轴的正时系统
内燃机产生动力的灵魂是油与氧气的爆炸做功，我们把太多的精力放在了供油系统的改进上。从化油器到电喷，从电喷到缸内直喷，从缸内直喷到分层燃烧。当我们回过头来看看Camshaft less技术对配气系统的革命性改进，不禁会唏嘘有时候技术攻关是需要换个角度重新出发的！

图：简洁轻巧的电控正式系统
第四，小排量技术的跃进
随着内燃机技术不断提升，升功率逐渐攀高、排放法规却日益严苛，同等动力水平下各大主机厂不断推出更小甚至缸数缩减的发动机型号。比如福特、大众、宝马、标致均已推出了三缸1.0T紧凑型发动机，动力接近传统1.8四缸自然吸气引擎，却有更好的功重比和排放表现，必将成为家庭用车的代步首选。

图：福特1.0T 三缸发动机（蝉联世界最佳引擎奖）
这期间还有一个极端的例子，意大利国民品牌菲亚特也许在国内不太受关注，但是在欧洲市场这家公司曾推出过采用TwinAir 0.9T涡轮增压双缸发动机的车型。

图：菲亚特Panda采用0.9T双缸引擎
别看只有两个气缸TwinAir的技术含量那是相当高。FPT菲亚特动力科技的工程师们对整个系统及控制策略进行了重新调校和匹配，优化的流体动力学效果以及精确调节的进气量使TwinAir实现了燃烧效率最大化。此外，由于气缸数量的减少，发动机的质量和体积当然也会相应减小（与相同性能的四缸机相比TwinAir要短23%，轻10%）。最大功率105马力对于一款双缸超小排量发动机，绝对是个技术奇迹。

图：菲亚特双缸发动机
第五，转子发动机的复兴
转子发动机随着马自达2012年宣布停产本已退出历史舞台，但2015年10月28日又通过概念车RX-Vision恢复研发，从而继续成为不可忽视的内燃机重要发展分支。

图：马自达RX-Vision
转子发动机也称汪克尔发动机，设计初衷是利用一种三角偏心转子在滚动中实现进气、压缩、做功、排气这四个“冲程”，由德国工程师汪克尔（Wankel）最先解决了技术问题并发布了原型机。

图：转子发动机剖面图

这个天才般的转子设计彻底抛弃了传统内燃机活塞垂直往复运动通过曲柄转换为旋转运动的固有模式，通过三角转子旋转做功直接产生旋转运动。转子发动机可使内燃机相同动力下体积减少20%，重量下降35%，也减少了机械部件复杂度。马自达深耕此技术30余年，始终没有解决三角油封的耐久性问题。但随着材料科学的持续发展，马自达高调复活转子技术说明了对动油封技术已有了新的技术突破。

图：转子发动机部件图
综上所述，内燃机正在朝着高效、减重、电气化、创新设计大步前进。也许电动车在最近5年内就将开始形成拐点加快普及速度，但我想已经焕发了百年活力的内燃机会在这些最终发展之路上继续革新，永不止步！