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我们总是在说，汽车工业是一个国家工业的重要支柱之一。作为几乎能与房子比肩的财产，汽车是最复杂的大规模生产的民用产品。我们往往会由于汽车的普遍性而轻视它，然而我们真的了解汽车吗？汽车的“心脏”——发动机，在汽车节能减排的赛道上有着十分重要的地位，接下来就让我们跟随着国产发动机新技术的脚步一起看看发动机的节能技术吧！
国产发动机的设计与制造水平在不断进步。2021年3月25日，比亚迪宋PLUS DM-i发布，新车搭载比亚迪最新代号骁云1.5L发动机的插电混动系统，每百公里油耗低至0.9L，是当时市面上标定油耗最低的SUV，即便在纯燃油模式下行驶也仅需4.4L/100km，相比丰田RAV4、本田CR-V混动油耗更低。该车型上市之后引起了广大消费者热烈的反响，2021年4月的上海车展，比亚迪更是亮相了搭载该款超高热效率混动发动机的唐、宋Pro DM-i车型，在车展中赚足了眼球。被称为汽车界的“国货之光”的比亚迪凭借着它一代又一代的骁云发动机技术，逐渐在国际上打出了名堂，今天就带大家来看看这最新的骁云1.5L发动机到底牛在何处。
这款骁云1.5L发动机主打高热效率——“43%全球量产汽油发动机最高热效率”。那么要想得到这样一款如此高效、实现节能省油的发动机，比亚迪又做了哪些努力呢？
首先要明确一点，拥有最高热效率的发动机不能和最省油的发动机直接划等号。通俗地说，最高热效率代表的只是一个工作点，只能表示在这个点满足的特定工况下，这台具有43%最高热效率的发动机确实是目前量产最省油的发动机，实际评判要看发动机工作的高效区间够不够宽广。这二者的关系就好像梯田，如图1-1所示。
所以，这也是为什么同样一台发动机，给不同车主使用下来的实际油耗是不同的，这和车主的驾驶习惯和使用路况都有很大的关系。
其次，还要说明的是，这台骁云1.5L发动机只是目前量产的发动机里拥有最高热效率的。目前全世界发动机中能实现最高热效率的是马自达创驰蓝天Skyactiv-G，它的最高热效率高达57%，如图1-2所示。相比之下，当下大多乘用车的热效率普遍在37%左右，即便是比亚迪最新发动机的43%最高热效率相比也逊色不少。但由于技术难度问题，马自达这款发动机无法实现量产，只是一个实验室产品，所以不应该被拿来和已经实现量产的发动机做比较。
图1-1 最佳燃油消耗区间和最高热效率关系图
图1-2 具有57%最高热效率的马自达发动机
那么比亚迪为了实现43%的热效率，对发动机做了哪些技术改进呢？
目前国际上主流的提高热效率的思路有提高压缩比、减少摩擦、采用阿特金森循环等手段，而比亚迪也没有避开这些思路。
首先是提高压缩比。压缩比是指活塞的在上止点和下止点往复运动时，缸内最大容积与最小容积的比值，如图1-3所示。
那么你是不是会认为那就尽可能地提高压缩比呗，在结构尺寸允许的情况下越大越好不就可以了。当然不是，压缩比的提高不仅受到发动机尺寸的限制，其最大的限制还是汽油燃烧的特性，压缩比升高时，油气燃烧所产生的能量就会有更多部分转化为动能，这会使气缸壁受到的压力就越大，对气缸材料的要求也会提高——这会导致制造成本急剧上升。同时，当压缩比升高到一定程度时，混合气体很容易因为高压在火花塞还未点火时便达到着火点而发生自燃，这是由高压之下汽油的自身特性发生了改变导致的。此时活塞尚未到点火位置——还在向上压缩的过程中，但燃烧产生的巨大冲击力和活塞的运动方向相反，引起发动机剧烈震动，即产生爆燃现象——爆燃现象对发动机的损害非常大，发动机中配有专门的爆燃传感器来随时监测。
图1-3 压缩比示意图
所以我们不能无限制地提升压缩比，而需要选择合适的压缩比使得每个参数都能达到折中，从而提升发动机性能。比亚迪最终以自己技术实力将压缩比定在了15.5∶1这么一个超高的数值，如图1-4所示。不仅如此，这款发动机只需要92号汽油就可以使用（汽油牌号数值越大，抗爆燃的性能越好），可见其技术实力的雄厚。
图1-4 骁云1.5L发动机超高物理压缩比示意图
其次是比亚迪花费了很大气力减少摩擦。其对发动机的曲轴连杆、活塞、凸轮轴等零件都做了重新的设计，还使用了一种低黏度机油，通过多种方法最大限度地降低了摩擦损失，如图1-5所示。
图1-5 采用复杂连杆设计后的发动机四冲程工作示意
注：活塞行程由蓝黄红绿四个色块表示，依次为：吸气、压缩、做功、排气四个行程。
这款发动机还使用了目前各大品牌厂家都会使用的阿特金森循环。说到阿特金森循环，这是一个不同于传统内燃机采用的奥托循环的高效循环。通过加入较为复杂的连杆完成从活塞到曲轴的动力输出，这也导致与传统奥托循环的发动机有了一个很大的不同之处——其在压缩和做功行程时的活塞实际位移不同。阿特金森循环发动机气缸工作的三维示意图如图1-6所示。
设计的巧妙就在于使不同的连杆协同工作，达到各个行程幅度不同的效果。这样可以使膨胀（做功）行程更长，更充分地利用之前燃烧过程中的废气残存高压，使效率得到提高。除此之外，通过调节连杆行程可以达到改善进排气的效果，进排气情况改善后，燃烧也就更充分，由此达到了更高的热效率。
图1-6 阿特金森循环发动机运行图
当然，这样设计的最大困难就是复杂的连杆机构，所以一直很难普及和量产，比亚迪为了解决这个问题换了一个思路，采用了VVT技术，如图1-7所示。VVT（Variable Valve Timing）是指可变气门正时，通过改变进排气系统工作的重叠时间来改善进排气情况，从而降低油耗并提升效率。前面说到阿特金森循环就是要实现膨胀行程大于压缩行程，而这通过VVT技术改变进排气工作时间就可以实现相同目标。比亚迪更巧妙的是只在进气采用了VVT，达到了进气门晚关的效果，简化结构、降低制造成本的同时又达到了阿特金森循环的工作模式。这里要说明的是，通过VVT技术实现膨胀比大于压缩比的方式在部分厂家和科研文献中又被称作米勒循环，名称不同但实际原理是相同的。
不仅如此，除了在这些传统思路方面对发动机做了改进，比亚迪还采用了自研的EGR技术以及分体冷却技术，如图1-8所示。
图1-7 骁云1.5L发动机VVT选取方案图
图1-8 EGR技术示意图
EGR（Exhaust Gas Re-circulation）技术并不是一个新鲜的技术，它的全称叫废气再循环，是将发动机排出废气中的一部分气体分离再导入到进气中参与燃烧的技术，初衷是降低排出气体中的氮氧化物，同时在部分负荷时由于间接减少了进气损失从而提高了燃油经济性。但传统的EGR往往会面临由于废气温度过高，从而带来爆燃以及不正常燃烧等问题，特别是爆燃，前面已经说了，这款发动机拥有超出一般发动机的压缩比，爆燃的产生可能性本来就更大，如果采用传统的EGR，将极大地增加爆燃的风险。对此，比亚迪的解决方案一是采用自主设计的全新水冷系统将高温废气降温到100℃左右，由于降温的保证，其得以采用高EGR率，使更多的废气引入气缸从而提高了燃烧效率；其次，该EGR采用一种全新的“催后取气”的方案，顾名思义就是再循环的是经过三元催化转化器处理后的废气，这样废气中的杂质更少，使燃烧更顺利，保护了发动机（图1-9）。
不仅如此，发动机整体的分体冷却技术也是亮点十足，将缸体和缸盖分开设置两套冷却循环系统，并各自设置了单独的节温器。节温器实际上就是一个感应器，原理就是根据冷却液的温度高低调节进入散热器的水量，从而调节冷却液的散热能力使其可以工作在一个合适的温度范围。比亚迪为这两套单独的冷却循环系统分别配备了电子节温器和蜡式节温器，大小循环实现独立控制，有效降低了发动机的热损失，如图1-10所示。
图1-9 骁云1.5L发动机EGR系统实物图
图1-10 骁云1.5L发动机分体冷却技术实物图
最后，这样一款实现了超高热效率的发动机还做了很多减法，比如不再在发动机上布置压缩机等。正是技术的革新加上适当的减法才造就了这么一款发动机。而对发动机行业而言，提高热效率永远是工程师们不懈奋斗的目标。在电池技术暂且还没迎来革新的今天，发动机将继续扮演着重要的角色，对发动机开发的革新还远远没有结束。比亚迪在混动技术的开发上一直积极探索，老牌的国际大厂如丰田、本田同样也在不断努力，未来还有更多的路需要走，也相信发动机会在未来继续给大家带来技术上的惊喜。
截至2023年，我国已经连续十四年成为世界第一大汽车产销国，全球有三分之一的汽车产于中国。随着汽车数量的快速增长，传统燃油汽车所排放的尾气污染物对空气质量和环境产生了严重的影响（图1-11）。为了解决这个问题，汽车制造商和政府已经采取了一系列措施来控制和减少传统汽车的排放污染。
图1-11 汽车尾气
车辆的排放控制系统是降低污染物排放的重要因素。随着技术的发展，现代汽车配备了先进的排放控制系统，例如，采用三元催化器将一氧化碳、氮氧化物和未燃烧的碳氢化合物转化为无害的氮气、二氧化碳和水，采用颗粒捕捉器捕获和减少颗粒物的排放，等等。接下来，让我们一起来看看这些控制系统是怎样让我们的汽车“放屁不臭”的。
为什么三元催化器要叫“三元”呢？这是因为这种催化器可同时将废气中的CO、CH、NO x 三种主要有害物质转化为无害物质。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的催化剂将对CO、CH和NO x 三种气体进行催化，促使其进行一定的氧化还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；CH化合物在高温下氧化成水和二氧化碳；NO x 还原成氮气和氧气。这样，三种有害气体都变成了无害气体，从而使汽车尾气得到净化。
三元催化器通常位于排气歧管与消声器之间的管路上，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置。它的外面用双层不锈钢薄板制成筒形。在双层薄板夹层中装有绝热材料——石棉纤维毡。内部在网状隔板中间装有净化层，如图1-12所示。净化层由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。其中的催化剂通常使用贵金属铂、铑、钯。
颗粒捕捉器是一种安装在发动机排放系统中的陶瓷过滤器，其结构如图1-13所示，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。它常常集成在三元催化器内，与三元催化器一体封装，或者独立设置在三元催化器后方。
图1-12 某种三元催化器结构示意图
图1-13 颗粒捕捉器的网状结构
通过捕捉废气中的颗粒物来降低污染物排放本来是件好事，可由颗粒捕捉器引起的车辆故障也必须得到重视。安装了颗粒捕捉器就相当于给汽车的排气系统戴上了“口罩”，长期沉积颗粒物则可能会导致排气系统不能正常工作，从而降低汽车动力，增加汽车的油耗。所以我们要定期给这个“口罩”进行清理，也就是对颗粒捕捉器进行再生。颗粒捕捉器的再生可以分为被动再生和主动再生两种。被动再生是指驾驶员在日常行驶过程中，松开加速踏板的时候，发动机开始断油，大量氧气进入其中发生化学反应并实现再生。主动再生是指被动再生无效的情况下，需要我们以最低80km/h的速度行驶，然后松开加速踏板使车辆滑行，使排气温度保持超温状态，如此反复循环30min，从而达到再生的效果。
由于发动机气缸不是完全密封的，与气缸相连的曲轴箱会有气缸逃逸出来的窜气，这其中70%~80%是未燃烧气体，燃烧的副产品则占20%~30%。这些窜气在曲轴箱内会破坏机油，产生油泥，使曲轴箱腐蚀。因此，最初的车辆都是从曲轴箱引出通风管道，让这些气体直接逸入大气，从而造成污染。而曲轴箱强制通风系统则是利用发动机的真空度将外界的空气吸入曲轴箱内，同时将窜气重新导入进气系统并在发动机气缸内燃烧掉，如图1-14所示。这样能有效防止曲轴箱内的窜气排入大气，从而达到减少空气污染的效果，同时还保护了曲轴箱，提高汽车的燃油经济性。
图1-14 曲轴箱强制通风系统工作示意图
汽车燃油箱内的汽油会在车辆运行期间以蒸气的形式从燃油系统中逸出进入大气，或是在汽车发动机熄火状态下，发动机余温或大气温度变化引起的液体燃油蒸发进入大气对环境造成影响。而燃油蒸发控制系统则是一种收集汽油蒸气，并在合适的时候将其送入进气管，与空气混合后进入发动机燃烧，从而提高燃油的经济性的控制技术。它由蒸气回收罐（活性炭罐）、控制电磁阀、蒸气分离阀及相应的蒸气管道和真空软管等组成。
当发动机工作或熄火时，燃油箱中的汽油蒸气通过管路进入活性炭罐的上部，新鲜空气则从活性炭罐下部进入活性炭罐。当发动机起动后装在活性炭罐与进气歧管之间的电磁阀打开，活性炭罐内的汽油蒸气被吸入歧管参加燃烧，从而减少油气对空气的污染，降低燃由消耗量。
除了排放控制系统，燃料的质量和成分也对汽车排放产生重要影响。汽车燃料的硫含量越低，硫氧化物排放就越少。因此，许多国家都制定了严格的燃料标准来限制硫含量，并鼓励使用低硫燃料。此外，在燃料中添加缓解剂和改性剂可改善燃料的燃烧效率，从而减少排放。
除此之外，汽车排放控制还需要政府的管理和监管。许多国家制定了严格的排放标准和法规，并对汽车排放进行监测和检测。政府还鼓励汽车制造商生产更环保的车辆，并提供各种补贴和激励措施来推广低排放汽车的使用。例如，我国在2023年7月1日起，全国范围内全面实施国六b排放政策，禁止生产、进口、销售不符合国六b排放标准的车型（表1-1）。
表1-1 国五国六推进时间表
总之，传统汽车排放污染控制技术是一项复杂而持续的工作。通过排放控制系统的完善、燃料质量的提高和政府的监管，我们可以有效地减少汽车排放带来的环境污染。只有我们共同努力，才能创造一个更清洁和健康的交通环境。