比亚迪为啥能在混动领域弯道超车?

汽车小青爱吃草2022-04-29 14:59:29浏览80评论0

众所周知,5年前国产发动机相比合资发动机在动力、油耗方面均无法匹敌。可随着近两年国产品牌纷纷布局混动领域,中国瞬间诞生出了一大批热效率傲视全球的混动发动机,像是比亚迪DM-i专用的1.5L骁云引擎,热效率就达到了惊人的43%,完全甩开了此前…

众所周知,5年前国产发动机相比合资发动机在动力、油耗方面均无法匹敌。可随着近两年国产品牌纷纷布局混动领域,中国瞬间诞生出了一大批热效率傲视全球的混动发动机,像是比亚迪DM-i专用的1.5L骁云引擎,热效率就达到了惊人的43%,完全甩开了此前以41%热效率见长的日系“双田”混动引擎!这不禁令人好奇,中国品牌为啥突然就在混动发动机领域实现了弯道超车呢?

大众EA211evo

首先,中国量产发动机之所以能“瞬间”在发动机热效率领域实现弯道超车并领先全球,不可否认的一个原因就是这个领域的竞争对手确实很少。这主要是因为发动机的热效率越高,发动机的峰值功率就会越低。此时如果没有混动系统通过电池、电机的组合去弥补动力不足,那车辆的动力表现就会很拉胯。这对于结成联盟、一心钻研48V“轻混”的欧洲汽车厂商来说肯定是不能接受的,毕竟48V“轻混”的电机只能带来10几马力的微弱动力提升,根本不足以抵消发动机追求顶级热效率而大幅损失的马力。所以这也导致欧洲厂商不敢把发动机的热效率搞的太高,像是大众搭配48V轻混系统的1.5T EA211evo新款发动机,其热效率也不过37.5%。

换句话说,欧洲车企的轻混、插混系统,基本都是在现有的纯燃油发动机基础上,通过增加电机实现的,并没有针对发动机进行重新设计。至于大众传闻中给DHT混动系统设计的41%超高热效率的1.5T发动机,目前也只是停留在PPT阶段,还没有正式量产。

雪佛兰Volt

与欧洲车企不同的是,在好莱坞明星人手一辆丰田普锐斯宣扬环保主义的美国,通用集团早在2010年就推出了可以实现串并联的混动车型雪佛兰Volt。由于驱动车辆的动力从原本的单个汽油发动机,变成了大功率电动机与汽油机配合工作的动力组合,因此Volt上那台1.5L发动机就可以放心大胆地专攻热效率,只保留101马力的峰值动力了。只可惜,由于Volt推出时间比较早的关系,那时提升热效率的技术还不够丰富、成熟,所以即使是2016年发布的第二代Volt车型,其发动机也只做到了36.5%的最高热效率。

“蝙蝠侠”本·阿弗莱克的座驾

可随着最近几年特斯拉的崛起,美国好莱坞明星们又开始青睐购买特斯拉作为自己支持环保主义的象征。毕竟比起普锐斯、雪佛兰Volt这种毫无性能可言,且还得加油的混动车来说,选择特斯拉不仅同样不会被职责“不环保”,而且还能拥有强劲的性能,以及更智能的驾驶辅助。因此,没啥销路的雪佛兰Volt便于2019年正式停产了,并且此后的美国车企也再没推出过像样的混动车,而是都一股脑全面拥抱了电动车的大趋势。

在欧洲、美国都放弃强混动路线后,地球上除了石油资源极其匮乏的日本以外,就只剩下石油资源同样匮乏的中国在狂点混动车技能点了。在目前日本车企中,丰田、本田、日产均有混动车专用的高热效率发动机。其中热效率最高的,就是去年日产专为中国市场打造的混动轩逸e-power了。由于混动轩逸采用了增程式混动的思路,其1.2L三缸发动机只负责发电,所以便将最大热效率毫无顾忌的提升至了43%。至于“两田”的混动发动机大家应该都很熟悉了,丰田旗下用在混动凯美瑞、汉兰达上的2.5L发动机,最大热效率为41%;本田雅阁混动上的2.0L LFB11引擎,最大热效率为40.6%。由于这两款发动机都有参与驱动的工况,所以热效率并不像日产那样夸张。

综上所述可以发现,欧洲车企由于抱团坚定了48V轻混的路线,所以并没有在混动车型专享的高热效率发动机上下功夫。而美国由于家用车、混动车市场早已被日系车侵吞,所以美国汽车厂商一方面还在吃大排量自吸发动机的历史红利,一方面已经开始跳过混动车全面押注电动车了。所以目前地球上具备工程师研发能力,能将混动发动机研发出来,并且有足够大市场去消纳混动车的,就只剩中国和日本了。相当于全球的混动阵营已经可以简化为中国(比亚迪+吉利+长城+长安+奇瑞+上汽)⭐ VS 日本(丰田+本田+日产)⭐了。至于其他国家那些优秀的汽车研发工程师,心思压根就没在混动发动机上,相当于混动发动机这个赛道上一共就没几辆车参赛,所以只要你能超过身边的竞争对手,那基本就能站上“领奖台”了。

看到这大家肯定会好奇,既然混动发动机的竞争对手那么少,弯道超车的机会那么大,那为何国产汽车厂商不早一点推出混动车专用的高热效率发动机,非得赶在最近两年扎堆推出呢?原因其实很简单,因为之前国产品牌连像样的混动系统都没有,所以即使造出高热效率的发动机也根本没有用。要知道,目前混动领域一共就只有两种方案,一种是由行星齿轮组结构构成的混动系统,是丰田自家的专利,广泛应用于丰田集团内部的混动车上。另一种则是带离合器的双电机串并联结构混动系统,目前本田i-MMD、比亚迪DM-i,以及长城/奇瑞的DHT混动都是基于这种结构打造的。

本田i-MMD混动

而之所以国产品牌早些年没能推出带离合器的双电机串并联结构混动系统,其实是因为这个混动结构专利直到2019年才过期......不过这次国产汽车厂商赶在专利过期后一拥而上,也并非是因为这个结构有多牛,终于可以进行抄袭了,反而是因为这个结构十分简单,早在1999年就被一个以卖专利为生的美国公司给抢注了。“专利公司”大家都懂,注册完之后自然是用来收保护费的,传说某田就是因为交了“保护费”才于2013年推出了这种结构的混动系统。或许是看到了本田i-MMD的成功,于是国产品牌便也开始基于这种混动结构进行了开发,并等到国际公认的“20年专利期限”到期后的2019年才前后脚发布了“大同小异”的混动。

这种双电机串并联结构的混动之所以省油,就是因为发动机在中、低速时只会在最高热效率点上进行发电,驱动车辆行驶的任务由电机完成,如此一来发动机便规避了此前中、低速直驱车轮的低效工作区间。而到了高速,发动机又能通过离合器与车轮直接相连,进而规避不利于电机能耗的高速工况。至此,在有了高效混动的基础上,国产汽车厂商只需要为这套混动系统打造出一台高热效率发动机,就可以实现超低的油耗了。

农作物要想长得好,除了有地、有种子、有人照顾这些内在因素外,天气好坏这个外因也是决定最后粮食能否丰收的关键所在。这就像是国产混动车型造出来了,最初消费者大概率不能理解混动比纯燃油车贵出的上万块差价意义在哪,以至于厂家根本不敢大力去铺混动,生怕比纯燃油车贵出的差价,会导致品牌销量扑街。如此一来,消费者买单,厂商将利润再次投入研发提升竞争力,消费者再用同样价格买到更好产品的工业产品升级循环根本就转不起来。好在,我国政策的大手正好卡在国内厂家纷纷推出混动车型前的时间点,通过政策的出台为混动车、电动车铺平了前方的道路,起到了推波助澜的效果!

2018年4月,我国推出了严苛的双积分政策,该政策根据企业每年销售车辆的油耗计算积分,如果车辆油耗过高,企业的积分则会变为负数,进而需要缴纳罚款、甚至被强制退市。而如果多卖混动车、新能源车,则可以获取正积分,不仅能够在一定程度上抵消掉其它高油耗燃油车的负积分,甚至还能将积分卖给其它车企赚取可观的收入。例如车企每卖出一辆续航500km的纯电动车,就可以获取6.8个积分,卖一辆插电混动车,就可以获取2个积分。以比亚迪为例,2020年比亚迪靠销售新能源车获得了近75万个新能源正积分,而当时一个积分的行情价可以卖到3000元,相当于如果比亚迪将所有积分都卖出去,就可以获利约22.5亿元!虽然不知道实际比亚迪通过卖积分赚了多少钱,但根据比亚迪的企业年报来看,比亚迪在2019年的企业净利润不过16.14亿,而2020年企业净利润就一下达到了42.34亿。所以对于在中国生存的车企来说,降低燃油车油耗、多生产插混、纯电车就成为了必须要做的决策。

除了双积分政策的“强推”外,最近十几年中国各大城市推行的摇号限购政策也是国内插混车能得到快速发展的助推剂。毕竟插混车可在除北京以外的大部分城市享受免摇号且免费的上牌政策,同时又没有电动车的续航焦虑。所以尽管前些年国内的插混车因为没有强混动系统的加持,不充电油耗就高得吓人,但依然有不少消费者会在政策的优待下选择购买插混车,来享受政策福利。

政策的力量是强大的,混动专利过期的时间点是恰到好处的,同时中国车企也是争气的,在经历了短暂的低效插电混动乱象后,国内的高效混动系统正式迎来了井喷期。2020年底,比亚迪率先推出了DM-i高效插混系统,并靠着先天的插混政策优势、出色的平顺性、以及足以媲美“两田”混动车的亏电油耗,迅速获得了消费者的追捧,随后长城也推出了类似结构的DHT系统。而吉利这边更是在去年推出了增加3挡变速器的DHT Pro系统,其混动结构、工作逻辑之高超,就连日系“两田”看了也得自惭形秽。

看到这大家肯定就会好奇了,对于中国混动来说,专利过期、政策推波助澜顶多算是天时、地利,那人和这一块,中国厂商又是如何在混动系统不可或缺的混动发动机领域迎头赶上的呢?下面我将为大家带来本文的重头戏,也就是为啥中国能在混动发动机领域瞬间实现弯道超车!

一直以来,国产厂商的汽油发动机之所以无法与合资厂商相媲美,主要就是因为单纯供燃油车使用的发动机要同时兼顾动力、油耗、成本、技术,以及开发时间,所以确实非常难造。而其中最难的,就是动力与油耗之间的兼顾,因为它不仅需要较高的研发成本,同时更需要长时间在发动机领域的积淀。毕竟回顾历史,一款好的发动机,通常都是靠长时间一点一点技术积累堆起来的,网络爽文中那种英雄横空出世,直接创造奇迹的故事情节很难在发动机制造领域出现。

日产HR16引擎

像是没啥存在感的家用小能手--日产HR16 1.6L自然吸气发动机就是一个很好的例子。这台发动机最早诞生于2006年,在过去十几年中服务于轩逸、骐达、劲客、阳光等多款入门级车型。这台1.6L自吸发动机的牛X之处在于,在它发展至如今第3代的16年间,日产只通过对一些细枝末节处进行升级,就使这台发动机的动力与油耗兼顾能力长期保持在了顶尖水准。

日产缸壁熔射工艺

像是第二代HR16就从初代的可变气门正时升级成了连续可变气门正时,而三代又升级成了e-VTC智能电动连续可变气门正时,这种配气结构的升级就为降低油耗、提升动力提供了很好的基础。此外,第三代HR16发动机还取消了缸套设计,升级成了跟GT-R发动机一样的缸壁熔射工艺,可以有效降低活塞运转的阻力。并且在此基础上,日产又通过提高压缩比提升了发动机的燃油经济性,最终将HR16发动机的峰值马力,从初代的109马力提高到了第三代的139马力,并且随着发动机的升级换代,轩逸的NEDC油耗也从初代车型的7.2L/100km,降至了第三代车型的4.9L/100km,实现了动力与油耗的双重提升。

既然发动机制造如此讲求技术积累,那为何国产车又能瞬间在混动发动机领域实现弯道超车呢?

通过上面日产HR16发动机的进化路程我们不难发现,要想打造出一台兼顾动力和油耗的发动机确实不是一朝一夕就能实现的。不过!只要我们抹掉油耗和动力这两个指标中的任意一个需求,那发动机就会好造很多了。像是改装厂之所以可以通过刷程序轻易将发动机动力大幅提升,就是因为他们放弃了原厂发动机在设计时必须兼顾油耗排放的要求。反之,如果放弃动力,只抓省油的话,那也是可以轻易将发动机热效率做高的。而恰巧混动车上的发动机在大部分时间内充当的都是增程器角色,本就不需要什么动力,所以像是目前比亚迪唐DM-i的1.5T发动机,就只有139马力;本田i-MMD的2.0L发动机也只有146马力。

串并联混动系统之所以不太需要考虑发动机动力,主要还是因为它的运转模式并不依赖发动机的动力大小。上文提到过,当车辆处在中、低速下的串联模式时,发动机只会起到发电作用,车轮的驱动力是由驱动电机来提供的,这就意味着发动机的动力并不会对车辆的加速性能造成影响,动力只需要满足电机的用电量就好。而在高速并联模式下,虽然车辆保持巡航状态的动力来源切换为了发动机,但维持车辆巡航并不需要太大的动力。

例如满足一辆普通家用紧凑型轿车进行时速120km/h的巡航,大约35马力就已经足够了。所以像是1.5L混动凌派这种车型,即使发动机的峰值马力只有109马力,也完全可以满足车辆的巡航动力需求了。至于遇到需要强劲动力输出的高速超车工况,这类串并联结构的混动还能调动比发动机马力更大的驱动电机与发动机一同加速。如此一来,由于全工况都不需要发动机出大力,所以混动发动机就可以尽情舍弃动力,去追求热效率了。

在了解了串并联混动发动机为什么不需要动力后,我们就很好理解为什么一台不需要考虑动力的高热效率发动机会很好造了。其中最关键的原因就是,研发一台混动发动机只需要将一个“点”的热效率做高就足够了。而普通燃油发动机则需要在整个“面”的范围内兼顾热效率和动力。举个例子,上图是本田2.0混动发动机(左)⭐与1.5T增压发动机(右)⭐的“制动比油耗图”,图中等高线上的数字代表了该发动机在当前转速、扭矩输出状态下,每一千瓦动力在一小时要消耗多少克汽油,其中某个区域或某个点的数字越小,就意味着发动机热效率越高、越省油。

还是以这张图为例,我们可以看出左侧专门为混动车打造的2.0L自吸发动机上的最省油区域为210g/(kW·h)⭐,而右侧纯燃油车使用的1.5T涡轮机的最省油区域为240g/(kW·h)⭐,相当于每小时每千瓦动力的耗油量要比混动2.0L自吸多出30g。不过从对比图中我们也可以看出,1.5T发动机的240g/(kW·h)⭐工作区域,是要远大于2.0L混动发动机最省油的210g/(kW·h)⭐工作区域面积的,这也就意味着,虽说1.5T在某一个很小的工作范围内没有2.0L自吸省油,但却能将自己240g/(kW·h)⭐的最佳油耗以更强的扭矩覆盖更广的区域。这便是只兼顾一个“点”的热效率,与在一个“面”上兼顾热效率和动力的区别。

要知道,如果想让一台纯燃油发动机在一个很大范围内兼顾动力和油耗,也就是将“面”做大,是需要把发动机所有工况下的配气、点火正时、喷油量、甚至是涡轮的起压状态都调到极致才行的,这不仅需要付出很大的硬件、时间成本,而且更离不开车企强大的发动机研发能力,如果没有长期的技术积累是不可能做到的。

但如果换成打造一台动力只需满足电机驱动需求,且只需要将一个“点”热效率做高的混动专用发动机的话,那难度就要低太多了。像是在硬件层面,由于不需要动力,混动发动机首先可以使用在传统燃油发动机上会降低动力,但却能提升热效率的阿特金森循环,来避免低负荷时的泵气损失。其次,混动发动机还可以通过大幅提高压缩比和空燃比,来使发动机达到稀薄燃烧的效果,进一步提升发动机热效率。

比亚迪1.5L骁云发动机

不仅如此,由于混动发动机通常只会在很小的转速波动范围内进行发电,不需要装配适应高低转速的气门升程功能,所以配气机构也就可以省去了,在节省成本的同时,还降低了配气机构的运转阻力,对热效率也有帮助,像是比亚迪的1.5L骁云发动机就取消了排气门侧的气门调整机构。而在调校方面,由于混动发动机工况十分单一,且结构简单,所以压根也不需要厂商具备很强的调校能力和经验。

综上所述大家不难发现,打造一台省油的混动发动机,确实要比打造一台动力、油耗兼顾的传统燃油车发动机简单太多了

现如今国六b严苛排放标准的推行,让不少车企都不得不通过研发新发动机、并加装颗粒捕捉器的方式来满足排放政策。要知道,目前汽油发动机的排放难主要是由车辆低速、低负载情况下,油气混合物燃烧不充分生成的氮氧化合物所导致的。但由于串并联混动的发动机运转工况单一,且一工作就会处于2000转左右的最高热效率点上,所以发动机并不会存在不利于燃烧的低负载工况,那通过排放法规就成为了一件轻而易举的事情。并且从目前来看,混动车型上的发动机,无论采用的是自吸还是涡轮增压,由于其日常工况都非常健康,所以几乎都不用在排气上加装颗粒捕捉器。

此外,由于负责过滤尾气的三元催化器只有在14.7:1的空燃比下才能提供最佳净化能力,而普通燃油车的加速、减速工况又会造成发动机空燃比的波动,所以也容易导致尾气污染物排放的超标。而对于串并联混动系统的车型来说,首先就像前面讲的,发动机在大多数工况下的输出功率都是固定的,自然能将14.7:1的空燃比保持的很稳定。其次如果遇到需要发动机和驱动电机同时发力的加速工况,驱动电机也会优先调整输出功率,来避免发动机出现较大的负载变动,从而保持空燃比的稳定,避免尾气污染物排放超标。所以混动车型不仅可以轻松通过目前严苛的国6b,而且就算未来国7排放继续加码,混动车型也依旧可以高枕无忧。

由于混动发动机和纯汽油发动机采用了截然不同的设计思路,所以在本文的最后我们不妨来做一个假设,如果将这些热效率超高的混动发动机装在纯燃油车的机舱里,那这台纯燃油车开起来会是什么样的感觉呢?

首先,高热效率发动机较差的峰值功率会导致这台车的动力十分拉胯。其次,由于混动发动机的高热效率区间很窄,所以当纯燃油车发动机来用的话,油耗还会变得很高。最后,由于混动发动机的最高热效率普遍在2000转上下,所以如果自动挡车型按照省油逻辑去将每个挡位匹配到高效的2000转工作,那这台车日常开起来便会因为发动机转速偏高,出现噪音恼人的问题。

如果10年前蹦出来一个人公开放话:不出10年,中国的造车水平将会提升到和欧美、日本一样高的第一梯队水平!那这个人大概率会被大家当成“小粉红”看待。可10年后的今天,无论是在代表着未来的电动车领域,还是承担着过渡角色、驾驶感受远超纯燃油车的混动车领域,中国的某几款车型都已经完成了真正意义上的“弯道超车”。此时如果你问我未来10年中国造车将会发展到什么水平,我不好说,也不敢说,因为我怕大家看完我的预测,也会将我归位“小粉红”的行列。但我可以肯定的是,随着2022年4月3号比亚迪官宣停产纯燃油车,未来国内停产纯燃油车的中国品牌一定会越来越多,因为现在大家已经做足了准备,准备好了迎接下一个10年,那个属于中国造车的高光时刻。

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