清華帥石金：構(gòu)建混動(dòng)構(gòu)型–高效發(fā)動(dòng)機(jī)–綠色燃料協(xié)同技術(shù)體系

2025年9月11日，在無錫艾迪花園酒店舉辦的 “2025中國混合動(dòng)力技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新與市場(chǎng)趨勢(shì)研討會(huì)” 上，長(zhǎng)期深耕車用發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)研究的清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院教授帥石金，以《車用混動(dòng)技術(shù)路線對(duì)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的需求分析》為題，從全球車用動(dòng)力多元化趨勢(shì)切入，深度剖析混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)核心理念、乘用車和商用車混動(dòng)技術(shù)路線及碳中和燃料布局，為行業(yè)提供 “混動(dòng)構(gòu)型-高效發(fā)動(dòng)機(jī)-綠色燃料” 協(xié)同創(chuàng)新的清晰方向。

行業(yè)現(xiàn)狀：全球動(dòng)力多元化 中國混動(dòng) “百花齊放”

帥石金首先梳理了全球車用動(dòng)力發(fā)展格局，指出 “電動(dòng)化為主導(dǎo)的多技術(shù)路線并行” 已成共識(shí)：從國際能源署（IEA） 2015 年對(duì)各種車用動(dòng)力發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)到當(dāng)前全球市場(chǎng)的現(xiàn)實(shí)選擇，純電、插混（PHEV）、油電（HEV）均占據(jù)重要賽道，且中國在電動(dòng)化推進(jìn)中更為激進(jìn) —— 公交車已基本實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化，乘用車純電和插混滲透率快速提升，這背后是中國可再生能源發(fā)電（光電、風(fēng)電、水電），尤其是光電裝機(jī)容量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，為車用動(dòng)力電動(dòng)化和多元化奠定了綠色低碳化發(fā)展的基礎(chǔ)。

1. 混動(dòng)構(gòu)型分化：油電與插混 “各有側(cè)重”

油電（HEV）：串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)構(gòu)型均有應(yīng)用，以豐田 THS（功率分流系統(tǒng)）技術(shù)為代表的混聯(lián)構(gòu)型在全球廣受歡迎，核心優(yōu)勢(shì)在于發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三者無極調(diào)速運(yùn)行，技術(shù)成熟度高，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果得到很好體現(xiàn)，但行星齒輪機(jī)械耦合靈活性受限，用于以電驅(qū)為主的插電混合動(dòng)力沒有優(yōu)勢(shì)。

插電（PHEV）：呈現(xiàn) “串并聯(lián)為主、串聯(lián)增程緩解純電里程和充電焦慮” 的特點(diǎn)。串聯(lián)構(gòu)型因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力性強(qiáng)，在高端乘用車市場(chǎng)占據(jù)一席之地；P1+P3構(gòu)型主導(dǎo)的串并聯(lián)構(gòu)型，因場(chǎng)景覆蓋率廣、動(dòng)力源組合靈活（發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)可按需求調(diào)整大小），成為國內(nèi)主流，而傳統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)型因 “以發(fā)動(dòng)機(jī)為主” 的邏輯與當(dāng)前 “以電為主”的趨勢(shì)不符，逐步退出乘用車市場(chǎng)。

“插混的靈活性源于‘離合器開關(guān)構(gòu)型’優(yōu)于行星齒輪機(jī)械耦合，誰能更好組合發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)讓各自的性能極致發(fā)揮，誰就能搶占先機(jī)。” 帥石金強(qiáng)調(diào)，中國插混市場(chǎng)已從早期單一電機(jī)（P0、P1、P2、P2.5、P3）并聯(lián)構(gòu)型，發(fā)展為以 P1+P3 離合開關(guān)式混聯(lián)構(gòu)型為主導(dǎo)的多元化格局，體現(xiàn)出鮮明的技術(shù)迭代特征。

2. 商用車混動(dòng)：場(chǎng)景決定構(gòu)型選擇

與乘用車和輕型商用車的多混動(dòng)構(gòu)型路徑不同，重型商用車混動(dòng)構(gòu)型呈現(xiàn)兩種基本的 “場(chǎng)景綁定” 特性：高速公路等工況變化不大的應(yīng)用場(chǎng)景，以 “發(fā)動(dòng)機(jī)為主、電機(jī)助力” 的并聯(lián)構(gòu)型更優(yōu)；而在頻繁啟停的復(fù)雜工況（如城市配送、國道）中，串聯(lián)構(gòu)型適應(yīng)性更強(qiáng)；而 P1+P3 串并聯(lián)構(gòu)型因成本與復(fù)雜度平衡問題，在商用車領(lǐng)域應(yīng)用較少。

核心痛點(diǎn)：混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的 “三大矛盾”

作為發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)＜遥瑤浭鹬敝府?dāng)前混動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)的核心瓶頸之一是專用發(fā)動(dòng)機(jī)，具體表現(xiàn)為三大矛盾：

1. 效率與動(dòng)力的平衡矛盾

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)多在 “低效率平原區(qū)” 運(yùn)行（有效熱效率20%左右），混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)依托電機(jī)助力，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦運(yùn)行可直接進(jìn)入 “高效高原區(qū)”（有效熱效率 40% 以上）運(yùn)行，但要進(jìn)一步突破至 45%以上，需要犧牲一部分動(dòng)力性，如采用稀燃技術(shù)路線，并進(jìn)一步提高壓縮比（15-17），這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與稀燃后處理提出了更高要求。

2. 燃料適配與工況的匹配矛盾

乘用車：插混專用發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是增程混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)，主要以 “充電寶” 角色解決純電運(yùn)行的里程和充電焦慮，工作區(qū)間收窄（僅 在“甜蜜點(diǎn)及附近” 運(yùn)行）；而油電混動(dòng)的專用發(fā)動(dòng)機(jī)是主角，需頻繁啟停，對(duì) NVH（噪聲、振動(dòng)與粗糙度）要求更高。未來混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)可以燃燒生物質(zhì)乙醇、甲醇和電制碳中和燃料(e-fuel)，實(shí)現(xiàn)零碳和碳中和排放。

商用車：商用車可以先從油電混合動(dòng)力起步，再逐步過渡到插電混動(dòng)和純電路線。由于重卡長(zhǎng)途運(yùn)輸工況相對(duì)平坦，并聯(lián)構(gòu)型成本低、節(jié)能效果明顯。將現(xiàn)有柴油車和甲醇車進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)柴油與甲醇燃料理化特性差異顯著 —— 柴油自燃溫度低、壓燃優(yōu)勢(shì)明顯，高效區(qū)寬（較低功率即可進(jìn)入高效區(qū)），工況適應(yīng)面寬；甲醇汽化潛熱高、需點(diǎn)燃，高效區(qū)窄（較高功率才進(jìn)入高效區(qū)），工況適應(yīng)面窄，在頻繁啟停和多變工況采用串聯(lián)方式更節(jié)能。重卡未來混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)可以燃燒氫氣和電制碳中和燃料(e-fuel)如甲醇，實(shí)現(xiàn)零碳和碳中和排放。

3. 成本與技術(shù)升級(jí)的取舍矛盾

點(diǎn)燃式混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率突破 50% 需采用稀燃、高能點(diǎn)火、高效增壓、稀燃氮氧化物吸附LNT后處理等技術(shù)，雖能提升節(jié)能效果，但會(huì)增加研發(fā)與制造成本；針對(duì)串聯(lián)增程混動(dòng)特殊場(chǎng)景下，輕量化、高功率密度的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)甚至渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等有應(yīng)用機(jī)會(huì)，但面臨能耗高、產(chǎn)業(yè)化成本居高不下的問題，也許在低空混動(dòng)飛行器上有更多機(jī)會(huì)。

創(chuàng)新突破：構(gòu)建 “混動(dòng)構(gòu)型–高效發(fā)動(dòng)機(jī)–綠色燃料” 協(xié)同技術(shù)體系

針對(duì)上述痛點(diǎn)，帥石金結(jié)合行業(yè)實(shí)踐與團(tuán)隊(duì)研究，提出三大創(chuàng)新方向：

1. “高原出高峰” 的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念

打破傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī) “全工況覆蓋” 思維，依托混動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)助力，讓發(fā)動(dòng)機(jī)專注于 “高效窄區(qū)間” 運(yùn)行：通過 “犧牲部分動(dòng)力性”，將高壓縮比、高滾流比、高 EGR 率、高能點(diǎn)火、高效增壓（“五高”）與低泵氣損失、低摩擦（“二低”）技術(shù)結(jié)合，使汽油機(jī)有效熱效率突破45%，柴油機(jī)達(dá)50%。

現(xiàn)有高校實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，“從 36% 逐步突破至 50% 的技術(shù)路線及實(shí)踐證明，稀燃、高壓比、長(zhǎng)沖程、低摩擦等技術(shù)組合，可實(shí)現(xiàn)有效熱效率的進(jìn)一步突破。” 帥石金補(bǔ)充，當(dāng)前國內(nèi)企業(yè)在混動(dòng)專用汽油機(jī)領(lǐng)域已走在全球前列，成本控制與效率提升成效顯著。

2. 燃料與工況的 “精準(zhǔn)匹配” 方案

乘用車：插混與增程混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)歸為 “窄區(qū)間類”，優(yōu)先選擇低成本的四缸渦輪增壓汽油機(jī)，兼顧緊湊性與效率；油電發(fā)動(dòng)機(jī)歸為 “頻繁啟停類寬高效區(qū)”，強(qiáng)化 NVH 優(yōu)化與啟停超低排放控制。

商用車：比較重卡長(zhǎng)途車混動(dòng)構(gòu)型，在典型高速場(chǎng)景如半掛牽引車（CHTC-TT）工況，無論是柴油混動(dòng)重卡還是甲醇混動(dòng)重卡，都適合采用具備發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式的技術(shù)路線，如并聯(lián)或者以并聯(lián)為主的串并聯(lián)（小電機(jī)+多擋箱），而采用串聯(lián)構(gòu)型反而都不節(jié)能；在典型國道場(chǎng)景如山西大同國道工況（運(yùn)煤線路），甲醇混動(dòng)重卡更適合采用串聯(lián)模式為主的技術(shù)路線，如增程或者以串聯(lián)為主的串并聯(lián)（大電機(jī)+少擋箱）。

3. 碳中和燃料與氫發(fā)動(dòng)機(jī)的前瞻布局

為破解 “發(fā)動(dòng)機(jī)綠色低碳轉(zhuǎn)型” 難題，帥石金牽頭推動(dòng)氫發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新實(shí)踐：

成立氫發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新聯(lián)合體：在2024 年天津舉辦的世界內(nèi)燃機(jī)大會(huì)期間，中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)聯(lián)合濰柴、玉柴、一汽、二汽等企業(yè)及相關(guān)零部件企業(yè)，還有高校和研究機(jī)構(gòu)，組建氫發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新聯(lián)合體，聚焦車用氫發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)；濰柴牽頭承擔(dān)的“十四.五”新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)《重型商用車混合動(dòng)力專用氫內(nèi)燃機(jī)》，明確 2027 年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上公告的目標(biāo)。

突破核心技術(shù)瓶頸：針對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng)耐久性和氫燃燒安全等問題，聯(lián)合高校與企業(yè)攻關(guān)氫缸內(nèi)直噴技術(shù)，目前進(jìn)氣道噴射氫發(fā)動(dòng)機(jī)已進(jìn)入示范階段，歐洲整車和發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)已在非道路領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)氫發(fā)動(dòng)機(jī)示范運(yùn)行，康明斯正在推動(dòng)氫發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化落地（產(chǎn)品數(shù)據(jù)顯示，動(dòng)力性與柴油機(jī)相當(dāng)，易滿足未來歐七或國七排放法規(guī)）。

專家展望：混動(dòng)是橋梁，碳中和燃料是未來

“混合動(dòng)力不是過渡，而是連接傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與零碳動(dòng)力的橋梁。” 帥石金強(qiáng)調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)的未來在于 “燃料綠色低碳化”：

短期：優(yōu)化混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn) “油-機(jī)”優(yōu)化匹配，推動(dòng)汽油機(jī)熱效率向 50% 突破，柴油機(jī)向 55% 邁進(jìn)，降低油電、插混全生命周期碳排放和能耗。

中期：規(guī)模化應(yīng)用綠色甲醇、生物乙醇等碳中和燃料，依托現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn) “換燃料不換發(fā)動(dòng)機(jī)”。

長(zhǎng)期：聚焦零碳?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，解決氫氣直噴、耐久性和燃燒安全等核心技術(shù)，與氫燃料電池形成互補(bǔ)，共同推動(dòng)商用車零碳轉(zhuǎn)型。

“發(fā)動(dòng)機(jī)無罪，關(guān)鍵在是否擁抱清潔燃料。” 帥石金呼吁能源與動(dòng)力行業(yè)協(xié)同，通過政策標(biāo)準(zhǔn)（如氫發(fā)動(dòng)機(jī)排放、安全法規(guī)）先行、產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)動(dòng)，讓 “混動(dòng)構(gòu)型 – 高效發(fā)動(dòng)機(jī) – 綠色燃料” 協(xié)同創(chuàng)新成為乘用車和商用車低碳轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動(dòng)力。