玉柴林铁坚：新一代商用内燃机技术发展趋势

　　由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社共同主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会、中国汽车动力电池产业创新联盟、新能源汽车国家大数据联盟联合协办的第二十届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2024年8月29日至9月1日在天津滨海新区举办。本届论坛以“风雨同舟二十载 携手并肩向未来”为年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

　　在9月1日“节能与新能源方向专题分论坛二：20年创新突破，能源动力技术如何再升级？”中，广西玉柴机器股份有限公司总工程师、研发总院院长林铁坚发表题为 “新一代商用内燃机技术发展趋势”的演讲。

广西玉柴机器股份有限公司总工程师、研发总院院长  林铁坚

　　以下为演讲实录：

　　 各位同行、各位专家，大家上午好！非常感谢论坛给予我这个机会与大家进行交流。本次交流就像是论坛给出的一道命题作文，我一直从事商用发动机开发工作，今天就来和大家共同探讨一下相关内容。

　　 首先，谈谈政策法规方面。从产品发动机的角度来看，最大的挑战仍然是双碳目标的实现问题。并非发动机本身是高碳排放产品，而是取决于其所燃烧的燃料类型。若使用零碳燃料，就能够实现发动机的零碳排放。

　　 在国际层面，纪主任也提到了今年欧洲和美国的情况。欧洲正式确定了二氧化碳目标，对 2040 年以后的车队平均降碳要求在 90% 以上，标准较高；美国目前还是建议稿，2027 到 2030 年以后的降幅相对没那么激进。此外，在减排方面，欧 7 标准已经发布，美国的污染物排放降幅也接近 70% 到 90%，这对发动机来说是巨大挑战。我国在商用车油耗方面一直有持续的法规要求，目前正在实施第三阶段，第四阶段限值虽在讨论中但尚未发布，大家预测会按照 10% 到 15% 的幅度降低。同时，国内在环科院和 VECC 的领导下，积极参与国际标准预研工作。具体情况纪老师已介绍很多，这里不再赘述。

　　 对于国 7 来说，减污降碳必然要协同开展。在达到污染物排放法规要求的同时，还要从各个路径降低整个碳排放和温室气体排放，这其中包括新能源车以及零碳原料的使用选择。国家对低碳和零碳动力的使用出台了很多政策，去年发布的标准体系指南首次在政策中体现了氢内燃机的名称，而其他政策中更多提及氢燃料电池。同时，最近很多省市对氢燃料电池或氢能车辆上高速减免高速费出台了政策，有的明确氢燃料电池车辆免高速通行费，有的省市提 “氢能车辆”，这种说法更科学，也为氢的范围留了口子。

　　 接下来，谈谈具体技术方面。对于我们做发动机的人来说，要协同考虑减污降碳。中短期来看，发动机可以从柴油机、天然气入手提高热效率，从而减少碳排放。同时，要与电气化拥抱，包括增程和混动，目前商用车在这方面的使用比例还非常低，但我们可以看到这里面有很大的发展空间。因为乘用车已经做出了很好的例子，然而商用车的场景复杂，一两个架构无法覆盖所有场景，所以中期来说有很大的发展空间。更长期来看，则是低碳和零碳燃料的使用。下面分别从几个具体方面进行探讨。

　　 从整个发动机来说，其热效率提升有很大潜力。从热力学极限来讲，要达到 60% 多的效率。从发动机本身来说，至少做到 55% 以上在技术上是有可能性的，但需要付出很大努力。中国汽车工业学会在 2022 年组织大家做的碳中和路线图显示，在长途重型牵引中，可以看到根据路线图大家预测传统的柴油和天然气的使用量会下降。但是在 2022 年做这个图的时候，还没有想到今年和去年天然气会占到如此大的比例。实际上，在这两年柴油和天然气的占比已经超过 60%。从更长远来看，当时预测的时候，燃料电池和燃氢发动机的占比中，可能燃料电池会占主导地位。但我觉得如果氢能可以作为道路运输的主体燃料，这两者是存在竞争关系的，最终的比例取决于各自技术的发展路径。

　　 对于发动机减少污染物排放，我们参与了国 7 标准预研工作。通过电加热的辅助措施以及两极的 ICR，特别是在低温或有电加热的时候，采用 LIC 低负荷测试循环，这样的情况下，氮氧化物的排放可以明显降低。另外，我们对不同功率段进行了测试，结果表明采用现有的电加热和双 ICR 路线，具备满足未来更低排放的潜力。整车测试结果显示，双级 ICR 路线结合高效的本体和热管理技术可以达成目标，同时在满足国 7 时仍有潜力满足四级油耗标准。

　　 对于传统发动机中的柴油机来说，未来进一步提升热效率还有很多技术路径。当然，这更多的是技术组合和性价比的问题，但从未来的潜力来看，大家朝着 55% 以上的量产热效率发展是有技术可能性的。我们自己也进行了一些尝试，从 13L 到 15L 平台，采用不同的技术，在实验室阶段采用一些预测可量产的配置，我们可以做到 52.5% 的热效率，这是按照一个标准测试循环可以达到的测试水平。在可行的技术路径情况下，或者说可量产的情况下，效率还是有很大的提升空间。目前市场上实际运行的车辆热效率水平基本上已经到了 49%，我们也预计到明年接近 50% 热效率的技术可以量产应用。

　　 还有天然气发动机，现在的阶段基本在 40 到 42 热效率，也就是批量产品的水平，采用气道喷射的单点、点燃式大量燃烧的技术。随着汽油机的这种结构，它的热效率可以进一步提升接近 45%，但是如果再进一步提升，还是需要类似于柴油未引燃的路线，在这种路线下它的效率和柴油机基本上可以同步。这里面目前 42% 的一些技术，包括整个的滚馏技术都是相对来说比较成熟的，但是 DRE 目前还没有量产。

　　 未来更多的是要储备好低碳和零碳燃料的使用能力。并非发动机本身是高碳排放产品，而是取决于它所燃烧的燃料。现在我们的工作是从甲醇到氨到氢，要具备燃烧不同燃料的能力和潜力。从中国汽车工业协会组织的路线图可以看到，在重型场景下，低碳燃料的使用是更合适的选择。国内外很多企业都在进行相关研发，包括康明斯、达夫、一汽等，我们也布局了 5L 和 15L 的氢发动机以及 15L 的氨和甲醇产品。氢发动机目前以 16L 平台为主，未来以缸内直喷为主。我们希望在 16L 的柔性燃料平台下，可以通过改变指示缸内燃烧、标定或者燃料喷射系统，在发动机主体结构不大变的情况下适应氢、氨、甲醇等不同燃料。

　　 这是我们在氢发动机方面所做的工作。从 2021 年、2022 年开始点火，就实际在车上来运行和跑了。这是我们的一个中型的 5L 机，在实际整车中开始做一些小的示范运行，包括带瞬态的过程中，基本上可以满足瞬态的控制过程。15L 目前采用气道喷射，整体的热效率可以到 44%，接近 45%。我们也在考虑，这个图显示的是一个氢耗和发电量的关系，我们可以带增程器在重型场景中使用。还有氨柴的发动机，热效率在 40.5% 左右，氨是气道喷射，然后是柴油直接引燃。还有甲醇，这是纯点燃式的，采用极管喷射的状态，热效率在 44%，未来采用甲醇缸内直喷的话，这个效率还可以进一步提升。当然，甲醇现在最主要的问题不是效率问题，而是可靠性问题。目前甲醇的可靠性要支撑中长途达到和天然气或柴油同样的水平，还有很长的距离要走。

　　 从商用车领域来说，我们觉得动力的多元化或者燃料的多元化非常重要。同时，有一部分场景肯定适合纯电驱动，而对于中长途或更长的长途运输，混动技术的应用可能也是一个很重要的考虑。我们开发了不同的产品类型，特别是在零碳燃料使用过程中，由于燃料特性导致发动机的瞬态响应会有一些问题，这个时候与混动结合是非常好的方式。但是现在不同场景下的混动构型非常多，大家都在做各种尝试，可能还没有一个看起来能够满足 TCO19 的绝对成功的场景构型能够去量产推广。我们自己也开发了包括增程以及不同构型的像 ECVT、P1、P1.5 等混动构型，这些系统都能够兼顾不同燃料的应用。比如像燃氢发动机包括甲醇，现在都开发了针对增程的方式，主要是解决燃气发动机的瞬态响应弱点问题，用电来结合和应用。还包括一些混动的在商用车上用的柴油的混动专用发动机的开发，从燃烧到排放控制，还有轻量化。

　　 对于未来的国 7 来说，一个好消息就是可能从工况来说，会专门为混动做一些特殊的考虑。这也是目前在商用车上国 6 阶段相对来说难度比较大的地方，因为它的法规测试循环和传统是一样的。国 7 可能会做差异化的考虑，更有利于混动专业化的应用。这是我们 5L 中型的混动专用发动机，热效率也可以接近 50% 的水平。

　　 总体来说，从内燃机的角度来看，未来一定是朝着更高效、低碳、清洁的方向发展。而且在商用车特定的场景下，发动机在很长一段时间内仍会是主导动力，在污染物排放方面也有潜力做得更清洁、更高效。

　　 我的报告到此结束，谢谢大家！