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這一篇我們來談談未來汽車的動力總成會如何發(fā)展。汽車已經發(fā)展了一百多年了,主要的動力還是內燃機,分為汽油機、柴油機、燃氣機等。這些動力系統(tǒng)在不同的領域扮演著多種角色。汽油機主要用于乘用車,就是大家平時開的轎車、SUV等等,具有重量輕、噪音低等特點。柴油機用途廣泛,從乘用車(歐洲為主)、商用車(牽引車、貨車等)到游艇、輪船、發(fā)電機、農用機械等等工業(yè)領域都有它的身影。柴油機的特點是扭矩大、馬力大、重量大、噪音大、排量也可以很大。大排量柴油機可以有幾千馬力,幾百上千升的排量,用于推動巨輪前行。燃氣機在商用行業(yè)也占有一席之地。
當我們聚焦到汽車領域,則可以發(fā)現(xiàn)近五年來,各種形式的動力系統(tǒng)被不斷地推向市場。究其原因是排放法規(guī)不斷加嚴,能耗要求不斷提高,使發(fā)動機不但要更清潔,而且要更高效,從而逼迫發(fā)動機不斷地提升熱效率。汽油機的熱效率已經突破40%了,這個數(shù)字已經是量產技術可以做到的極限。柴油機則不斷接近50%,也是現(xiàn)有量產技術能做到的極限。馬自達宣稱新一代的創(chuàng)馳藍天汽油發(fā)動機有望突破50%,百公里油耗低至3.5升,這是個令人振奮的消息,讓我們拭目以待。
來源 汽車之家
我們國家內燃機工業(yè)起步晚,零部件產業(yè)鏈技術落后,在傳統(tǒng)內燃機業(yè)務上想要接近直至超越老牌內燃機對手,可能還需要幾十年的磨練。國家考慮推廣新能源汽車,期望在基本相近的起跑線上,實現(xiàn)彎道超車。當然國家能源安全也是推廣新能源車的考慮因素之一。有了新能源車的加入,汽車的動力總成就豐富了起來。發(fā)動機也迎來了新一輪的變革。我們從電氣化介入的深度,由淺至深地說。
在很長的時間內,發(fā)動機都是自然吸氣的。所以那時候的發(fā)動機排量大,功率小,四升排量的發(fā)動機甚至達不到現(xiàn)在2.0T發(fā)動機的功率。所以到現(xiàn)在,渦輪增壓發(fā)動機(帶T的發(fā)動機)已經大幅代替了傳統(tǒng)的自然吸氣發(fā)動機。得益于渦輪增壓系統(tǒng),發(fā)動機可以做到很小的排量輸出較大的功率,在某些工況下,油耗也會進一步得到下降。發(fā)動機的上一輪變化是增壓化。在新能源的趨勢下,我認為發(fā)動機的下一次變革是電氣化。就像現(xiàn)在大家習慣于說到發(fā)動機就說是不是渦輪增壓的,未來大家說到發(fā)動機就會說是不是帶電的。
發(fā)動機的電氣化有不同的深度,根據電氣化深度的不同也叫做混合動力類型的不同。其實最輕微的發(fā)動機電氣化(微混Micro Hybrid)大家已經在使用了,就是發(fā)動機起停系統(tǒng)(start-stop)。這是基于原有發(fā)動機的電壓(乘用車一般是12V),利用啟動電機或蓄能器在等紅燈或短時間停車時將發(fā)動機熄火,以達到節(jié)油目的的技術。當然,馬自達的起停是另一種原理,此處暫不詳述。由于電壓不高,啟動功率不大,蓄電池容量也不大,所以大家會發(fā)現(xiàn)發(fā)動機停止的時間并不長,而且做得不好的話啟動過程還挺惱人的。
為了進一步降低油耗,使發(fā)動機停止時間更長,歐洲廠商于2013年開始開發(fā)了48V輕混系統(tǒng)(Mild Hybird)。48V輕混系統(tǒng)最核心的意義在于其增加的成本不高,大多只有幾千元,而節(jié)約燃油多于微混,約6-15%。由于48V系統(tǒng)的最高電壓54V低于歐洲ECE R100法規(guī)的直流電壓60V的規(guī)定,故不需要做額外的防護措施。并且整車布置改動較小,主要集中在發(fā)動機上,研發(fā)成本較低,是一個性價比較高的方案。提高的電壓可以帶動更大功率的起動機,可以用容量更大的電池(1kwh以內,遠小于新能源車的動力電池容量),零部件供應商開發(fā)了BSG和ISG,分別可以裝在發(fā)動機前端和后端,用來啟動和助力發(fā)動機。其助力扭矩范圍為40Nm到250Nm。受限于電壓,其持續(xù)時間并不長,功率不高。說到這里,48V系統(tǒng)的作用也就說了大半了。
總結一下,48V有以下作用:
1、提高發(fā)動機啟動速度(0.2-0.4S,普通發(fā)動機為0.5-1s),延長發(fā)動機熄火時間??梢栽谲囁?0Km/h以下就熄火滑行,甚至在高速公路下坡的時候掛空擋熄火滑行。普通發(fā)動機千萬不要這么做,因為發(fā)動機熄火后,轉向、剎車均處于失效狀態(tài)。但是48V發(fā)動機啟動非??欤栽谛枰臅r候發(fā)動機會瞬間啟動,提供剎車的真空度。48V的車輛轉向機也是電動助力的,如果需要轉向,在發(fā)動機熄火期間由蓄電池提供足夠的電量來幫助轉向。
2、空調可以在發(fā)動機熄火后繼續(xù)使用,因為改成了電動空調。普通車輛的空調是由發(fā)動機皮帶帶動空調壓縮機來制冷的。而48V車輛的空調則和電動車一樣,是由電驅動的。所以不會出現(xiàn)起停系統(tǒng)啟動的時候,空調無法制冷的情況。
據預測,未來增長最快的是配有48V系統(tǒng)的車輛。好多汽車廠商所謂的“不再生產純內燃機發(fā)動機的汽車”意思是配上48V系統(tǒng)就是電氣化的發(fā)動機,不是純內燃機。而不少媒體誤讀為未來只生產純電動汽車。48V系統(tǒng)的車輛已經裝備在新款奧迪A8和奔馳S車型上,未來會下放到A6、A4和奔馳E、C級車上。國內48V系統(tǒng)的研發(fā)正在有條不紊地開展,預計2018年底到2019年將會有一大批廠商發(fā)布量產的48V車型。
某機構關于2025年前各種動力系統(tǒng)在車上的使用數(shù)量的預測
混合動力(無論48V輕混還是PHEV插電混動/HEV強混)是過渡技術,未來的目標一定是純電動和燃料電池??蛇@個過渡時間將會很長。有預測到2050年,至少還有50%的車輛裝備有內燃機。就像上一篇文章所說,這個過渡時間完全取決于純電動或燃料電池的發(fā)展,如果這兩者有一者爆發(fā)式發(fā)展了,那么內燃機很快會消亡。所以誰也說不好會過渡多久。所以混合動力技術還是各大廠家發(fā)力的地方。到了PHEV/HEV階段,發(fā)動機可以作為動力源也可以作為充電源,所以發(fā)動機的形式也開始多樣起來。如果是注重動力性提升PHEV車型,則依然會配備大功率渦輪增壓發(fā)動機,目的是為了獲得較好的整車動力性。如果是節(jié)油取向,發(fā)動機則需要進行一定的改進,在中低負荷中低轉速走阿特金森循環(huán),以此提高燃油經濟性,豐田的HEV就是個例子。由于政策驅使和專利限制,中國品牌大多把精力投入到PHEV的研發(fā)中。相對HEV來說,用PHEV技術工信部油耗很容易做到2L/100km以下,最新的已經做到了1L/100km。然而大家都知道這是前100km的情況,超過100km電池用完電后油耗會飆升。誰也說不好HEV/PHEV哪個更好,我認為只要根據自己的使用工況和充電便利度來選擇就行。目前PHEV用的大多還是傳統(tǒng)內燃機,這些內燃機也同時使用在非混合動力車型上。
我認為未來這些內燃機也會進行改進,不斷地推進發(fā)動機電氣化。發(fā)動機上的附件會越來越少,更多的附件直接由電驅動。而發(fā)動機上的電控部件也會越來越多,進一步降低不同工況的阻力功率。對于燃燒過程的改進則依靠阿特金森循環(huán)不斷優(yōu)化,不斷地推動汽油機朝45%的熱效率,柴油機朝50%的熱效率方向前進。內燃機還有很多事情可以做,電動車也同時在快速發(fā)展,可以預見在很長的時間內會有多種技術并行,消費者也可以根據自己的需求選擇相應技術的車輛。純電動背后還有燃料電池在磨刀霍霍,誰也不知道三者中最終勝出的是那種技術,勝出的時間是什么時候。
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