1.1 开发需求

汽油机作为乘用车的“心脏”，承载着诸多乘用车的关键使命和用户体验，如满足目标市场所在国家或地区的政策与法规要求、应具备一定水平的硬件质量和驾乘体验、助力所搭载乘用车产品愿景达成等，这就使得汽油机产品开发是一个需同时满足多个需求且实现路径多样的复杂任务，基于企业品牌定位、市场定位、产品战略全面分析汽油机产品开发需求十分关键，并且也是汽油机产品开发的驱动力。汽油机产品开发需求分析的主要边界包括政策法规、用户需求、竞争需求。

1.1.1 基于政策法规

汽车产品满足目标市场所在国家或地区的政策与法规要求，既是企业承担的社会责任，也是企业实现合规经营的要求。随着汽车交通产生的能源与环境问题日益凸显，国家能源安全战略与环境保护要求需要乘用车向清洁低碳化实现根本性改变，政府已经出台日趋严格的油耗与污染物排放法规标准和政策，这些标准和政策的核心意义就是引领行业技术发展方向，新的燃油消耗量和污染物排放政策标准要求将直接影响企业如何设计乘用车汽油机。

燃油消耗方面，2017年国家发布《汽车产业中长期发展规划》并确定2020年和2025年乘用车平均燃油消耗量（含新能源汽车）目标分别为5.0L/100km和4.0L/100km，该值是我国市场范围内所有上牌销售乘用车的“平均目标值”。这意味着，虽然油耗高于该值的车型还被允许继续销售，但汽车制造企业将不得不用更低燃油消耗量甚至零燃油消耗量的乘用车进行“对冲”。根据工业和信息化部发布的2019年乘用车企业平均燃油消耗量与新能源汽车积分执行情况年度报告，国内乘用车平均燃油消耗量为5.56L/100km（含新能源），距离2020年和2025年的平均目标值仍有较大差距，乘用车燃油消耗量的控制依然面临挑战。

要达到我国乘用车平均燃油消耗量的目标，乘用车动力系统电动化是必然趋势，可选择达标的技术路径有很多，如100%纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）、100%插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）、50% EV和50% PHEV等。但迄今为止，以EV和PHEV为代表的新能源乘用车，由于技术与成本原因，其发展动力仍主要来自各国政府的政策推动，对于传统汽车制造企业，节能与新能源汽车的协同发展是近中期更为实际的方式。中国汽车工程学会2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提出的愿景是到2035年新销售的乘用车中节能与新能源汽车各占50%，因此，持续降低含汽油机的乘用车燃油消耗量仍具有战略实际意义。

为了提高乘用车能效、降低燃油消耗、促进新能源汽车快速发展，2017年9月工业和信息化部等部委联合发布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》（简称“双积分管理办法”），2020年6月发布《关于修改〈乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法〉的决定》，该管理办法规定了如何计算企业平均燃料消耗量积分和新能源汽车积分，规定了积分达标与不达标的处理方法，包括不按时抵偿负积分的后果。双积分管理办法如同一个天平，让汽车制造企业关注两件事：一是尽可能降低带内燃发动机（包括传统燃油车型和混合动力车型）车型的油耗以提升燃油消耗量积分；二是尽可能生产高性价比的新能源车型以提升新能源汽车积分。具体来讲，我国境内的每一个汽车制造企业都有一个自己需要遵守的“个体油耗目标值”，该目标值基于车企每年销售的单车油耗目标值加权核算而来，如果企业生产的含汽油机的乘用车油耗过高，意味着企业将面临油耗负积分。

2021年2月20日国家发布强制性国家标准（GB 19578—2021）《乘用车燃料消耗量限值》并于2021年7月1日正式实施，标准确定：①轻型汽柴油车新车认证测试循环从新欧洲驾驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）向全球统一轻型车辆测试循环（Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle，WLTC）切换，与2020年7月1日实施的第六阶段污染物排放测试循环统一。②实现《汽车产业中长期发展规划》确定的2025年乘用车平均燃油消耗量4.0L/100km目标不变，根据新旧试验方法对比总体目标进行换算。③确定了2021—2025年各年度单车油耗目标值，如图1-2所示，该单车油耗目标值根据整备质量不同而不同，且逐年降低。单车油耗目标值的逐年降低，意味着车型产生正油耗积分的难度逐年增加，因此，汽油机作为48V微混合动力汽车（48-V microHybrid Electric Vehicle）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的共同基础，需要持续研发更为节能高效的汽油机来符合双积分管理办法。

污染物排放方面，2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局联合发布强制性国家标准（GB 18352.6 —2016）《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（后文简称“国六”），要求自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合标准6a阶段限值要求，自2023年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合标准6b阶段限值要求。“国六”号称最严标准，对于乘用车汽油机设计来说，其关键变化为：①轻型汽柴油车新车认证测试循环工况从NEDC向WLTC切换，图1-3所示分别为NEDC工况和WLTC工况的“车速-时间”曲线。NEDC工况分为市区工况和市郊工况两部分，运行时间1180s，曲线十分规则；WLTC分为低速、中速、高速、超高速四个部分，运行时长1800s，循环工况波动大。从表1-1的分析可知，NEDC超过40%的测试时间为匀速阶段，即使在加减速过程中，其加速度也为恒定值，属于稳态工况测试范畴；相比NEDC，WLTC工况波动大，怠速工况和匀速工况少，且增加了最高车速大于130km/h的超高速工况，属于瞬态工况范畴。测试过渡工况增加、稳态工况减少、怠速时间减少，意味着整车排放挑战加大。②排放限值项目增多，指标加严幅度大。如表1-2所示，国6b阶段相比国五，一氧化碳（CO）下降50%，总碳氢化合物（THC）下降50%，非甲烷碳氢化合物（NMHC）下降49%，氮氧化物（NO_x）排放下降42%，颗粒物（PM）下降33%，并增加了氧化亚氮（N₂O）、颗粒数量（PN）要求。③增加了实际行驶污染物排放（Real-world Driving Emissions test，RDE）要求，测试边界与要求进一步变化，以改善车辆在实际使用状态下的排放控制水平。

排放测试工况和目标要求的变化，意味着乘用车汽油机开发在不断降低汽油机燃油消耗量的同时，要基于不同工况标准考量汽油机总体设计思路，达到整车降低包括二氧化碳在内的污染物排放的目的。乘用车进入平均燃油消耗量目标4.0L/100km时代后，电动化进程势必加速，汽油机与电机融合带来整车燃油经济性提升的同时，也会使得汽油机间歇性运行更多；叠加新的测试工况，意味着需要更高效率、更高性能的排放后处理技术的同时，也需要更高效清洁的缸内燃烧技术、集成标定技术等，以实现整车降低燃油消耗量和污染物排放。

综上所述，汽油机在未来相当长一段时间内仍将是乘用车主流动力形式，但能源安全和环境问题已经要求我们进一步寻找乘用车汽油机高效清洁低碳化的解决方案。乘用车进入平均燃油消耗量目标4.0L/100km、国六污染物排放标准的时代后，乘用车汽油机需协同电动化技术与信息化技术，通过高效燃烧系统开发、附件电子化、智能控制、高效标定等新技术应用持续实现燃油消耗量和污染物排放控制的突破。

1.1.2 基于用户需求

随着我国社会经济发展和技术进步，国民消费理念也在逐步变化。如图1-4所示，日本已经历了不同时代的消费变迁：第一消费阶段的消费驱动来自中上阶级，并以刚需品消费为主；第二消费阶段以家庭为中心的消费势如破竹，消费趋向大量消费，大的就是好的；第三消费阶段个性化消费崛起，强调消费的个性化、差异化。通过类比日本消费阶段的变化，表明当前我国消费已步入第三消费阶段，消费特征由“好坏”升级为“变好、变美、变强”，悦己主张明显。消费需求的变化意味着用户对汽车的购买需求从“拥有”升级为可表达自己的“体验化、个人化”，而产品体验好坏决定了用户是否买单，进而决定了企业的成败。例如，腾讯依靠QQ、微信和王者荣耀等极具社交体验的经典产品，在互联网行业茁壮发展并成为互联网行业的头部企业。对于汽车制造企业而言，快速洞察用户变化，主动为用户解决痛点问题，创造价值，成为在新形势下取得成功的关键。因此，体验开发作为源自互联网行业的概念，也正逐步成为传统汽车产业产品开发理念的新趋势，强调极致性能体验与差异化服务体验。

从用户的角度考虑，所购买的乘用车应具备一定水平的硬件质量和驾乘体验，汽油机作为乘用车体验的“使能器”，其决定着用户对整车诸如经济性、动力性、驾驶乐趣等关键车辆属性的体验好坏。当乘用车从功能服务进入差异化体验服务，用户对于“使能器”的关注点将越来越“专业”。一方面，随着用车场景变得越来越多，与汽油机相关的关键体验如加速起步性能、市区油耗、极寒快速起步、振动噪声等需求将变得越来越重要；另一方面，随着用车频率越来越频繁，对产品持续“好用”的需求增加，期望产品在技术上保持持续领先，实现“常用常新”。

随着用户对汽车需求由“功能满足”升级为“差异化体验服务”，差异化和体验打造使得动力系统电动化、智能化成为趋势，因此对于汽油机的要求可归纳为两个层面：一是汽油机需融合电动化和智能控制等技术，在技术上保持持续领先，实现极致体验；二是在极致体验提升的同时，解决技术等级、质量管控、投产速度、风险控制等问题，实现具有持续竞争力的功能与性能。

1.1.3 基于竞争需求

中国是世界上汽车市场发展最为迅猛的国家，仅十年时间，汽车就由奢侈品变成了几乎人人可消费的日常交通工具，中国品牌，对外与国际汽车巨头拼技术、拼产品，对内更要拼价格、拼服务，中国市场竞争呈白热化，技术的领先性与性价比成为未来市场的关键。基于竞争需求，要求从实际的产品概念出发寻求如何塑造产品概念。具体包括技术趋势和产品竞争力两个方面，其通过技术趋势分析、竞争对手情况分析和对比，支撑实现使技术保持长期竞争水平的合理认知。

所谓技术趋势分析，就是考虑因法规政策趋势、产业变革趋势等，带来的汽油机技术和产品变化的“大趋势”。例如，为了降低燃油消耗和降低污染物排放，满足法规与政策要求，目前乘用车汽油机的主要发展趋势是高效化和电动化，对于乘用车汽油机来说，电动化是实现高效化的关键技术路径，其中关键是如何高效化。电动化有两层意思：一是动力系统产品形式由以“油”为主向“电-油”的混合动力转型，通过电机对汽油机运行负荷的调节，确保汽油机运行在高效清洁区域，实现节能减排；二是优化汽油机本体设计，通过附件电子化和运行智能化实现更高的热效率。基于上述背景，面向未来多元化乘用车动力产品，40%~50%热效率成为新一代汽油机产品开发和技术突破的重点。

在48V-HEV、HEV、PHEV等多元化动力系统中，动力总成拥有汽油机和电机两个动力源，汽油机既可通过电机将部分机械能转化为电能，调整运行工况点，使汽油机运行于高效率区间，提高系统的总体效率；也可通过电机将电池电能转化为机械能输出，助力汽油机的功率输出，共同满足不同工况下整车的动力性需求。因此，在电动化应用场景中，汽油机运行区域将更加聚焦，设计思路也将因此而发生改变，汽油机的开发需要聚焦核心运行区域做“加法”，增加技术应用，提升热效率，以达到更低的油耗；在其他运行区域做“减法”，比如汽油机在低负荷的效率、升功率升转矩、瞬态响应等，以平衡开发周期和成本。

汽油机与电动化技术的融合，使得汽油机产品开发也正在由以“机械”为中心向“机械+电子附件+软件”转变，电子电器、软件控制成为影响汽油机质量和性能的核心新要素。一方面，汽油机将持续附件电子化，以满足更高效智能的能量管理需求，例如智能热管理系统在满足发动机可靠运行要求的基础上，还可实现按需冷却或升温，以满足发动机不同运行工况下不同的热管理要求，即按需冷却，低速小负荷区域机体温度尽可能高，以减少燃烧过程中的传热损失，大负荷区域机体温度尽可能低，达到比常规冷却系统更优的水平，从而实现汽油机运行过程的综合效率提升，实现更低的燃油消耗量；另一方面，为适应动力系统一体化集成控制，实现动力系统差异化体验需求，汽油机与电机、变速器的系统硬件平台化、软硬一体化集成将是新的需求，比如未来将可以通过大数据或软件服务提供差异化的动力输出，为用户带来“千人千面”的驾乘体验。

基于上述背景，面向未来多元化的乘用车动力产品，40%～50%热效率成为汽油机产品开发和技术突破的重点。在自然吸气汽油机方面，以日韩为主的一流车企均已量产了多款热效率超过40%发动机，如日本丰田汽车新一代2.5L自然吸气式发动机最高热效率达到41%，日本本田汽车2.0L自然吸气式发动机热效率达到40.6%，日本马自达汽车SKYACTIV-X 2.0L发动机的热效率已达到43%。在增压直喷汽油机方面，德国大众汽车EA211平台1.5TSI evo和日本本田汽车1.5TGDI两者的热效率均达到38%，日本日产汽车2.0TGDI发动机热效率达到39%；国产品牌方面，第一汽车集团的CA4GC20TD-2.0TGDI发动机实现了39%的热效率，广州汽车的1.5TGDI达到了38.5%的热效率，长安汽车的1.5TGDI实现40%的热效率。国外主流车企和研究机构正通过技术探索，促进发动机热效率朝50%甚至更高的水平发展。如日本马自达在研的SKYACTIV Generation3实测热效率已达到56%，韩国现代汽车规划在2035年通过稀燃、可变压缩比、缸内绝热、余热回收等技术实现50%热效率；德尔福通过采用多次喷射技术、增压技术、进气加热、排气再循环、全可变气门等技术，未来将推出第四代GDCI发动机，热效率预计达到48%。国内车企如第一汽车集团、东风汽车、长安汽车、长城汽车、吉利汽车、比亚迪等也均在研究更高热效率的汽油机。如长安汽车正在开展最高效率达到45%的下一代汽油机关键技术研究与开发。

同样重要的是外部竞争对手选定及内部基准机型竞争力评估。未来汽车技术向电动化发展是必然趋势，但技术的变化节奏并不具体，因为汽车行业的走向，除了环境与政治因素，市场因素也很重要。为应对日益严格的法规要求，汽油机技术的升级不可或缺，也就不可避免地引起成本上涨，如何制定一条正确的技术路线，也是汽车企业必须面临的挑战。技术落后没有竞争力，技术太超前也会给企业带来损失，基于竞争对手分析，合理制定产品性能目标与技术配置也是产品竞争的关键。