清華帥石金：構建混動構型–高效發動機–綠色燃料協同技術體系

2025年9月11日，在無錫艾迪花園酒店舉辦的 “2025中國混合動力技術持續創新與市場趨勢研討會” 上，長期深耕車用發動機與動力系統研究的清華大學車輛與運載學院教授帥石金，以《車用混動技術路線對專用發動機的需求分析》為題，從全球車用動力多元化趨勢切入，深度剖析混動專用發動機的研發核心理念、乘用車和商用車混動技術路線及碳中和燃料布局，為行業提供 “混動構型-高效發動機-綠色燃料” 協同創新的清晰方向。

行業現狀：全球動力多元化 中國混動 “百花齊放”

帥石金首先梳理了全球車用動力發展格局，指出 “電動化為主導的多技術路線并行” 已成共識：從國際能源署（IEA） 2015 年對各種車用動力發展趨勢的預測到當前全球市場的現實選擇，純電、插混（PHEV）、油電（HEV）均占據重要賽道，且中國在電動化推進中更為激進 —— 公交車已基本實現全面電動化，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電（光電、風電、水電），尤其是光電裝機容量的爆發式增長，為車用動力電動化和多元化奠定了綠色低碳化發展的基礎。

1. 混動構型分化：油電與插混 “各有側重”

油電（HEV）：串聯、并聯、混聯構型均有應用，以豐田 THS（功率分流系統）技術為代表的混聯構型在全球廣受歡迎，核心優勢在于發動機、發電機和電動機三者無極調速運行，技術成熟度高，發動機的節能效果得到很好體現，但行星齒輪機械耦合靈活性受限，用于以電驅為主的插電混合動力沒有優勢。

插電（PHEV）：呈現 “串并聯為主、串聯增程緩解純電里程和充電焦慮” 的特點。串聯構型因結構簡單、動力性強，在高端乘用車市場占據一席之地；P1+P3構型主導的串并聯構型，因場景覆蓋率廣、動力源組合靈活（發動機和電機可按需求調整大小），成為國內主流，而傳統并聯構型因 “以發動機為主” 的邏輯與當前 “以電為主”的趨勢不符，逐步退出乘用車市場。

“插混的靈活性源于‘離合器開關構型’優于行星齒輪機械耦合，誰能更好組合發動機與電機讓各自的性能極致發揮，誰就能搶占先機。” 帥石金強調，中國插混市場已從早期單一電機（P0、P1、P2、P2.5、P3）并聯構型，發展為以 P1+P3 離合開關式混聯構型為主導的多元化格局，體現出鮮明的技術迭代特征。

2. 商用車混動：場景決定構型選擇

與乘用車和輕型商用車的多混動構型路徑不同，重型商用車混動構型呈現兩種基本的 “場景綁定” 特性：高速公路等工況變化不大的應用場景，以 “發動機為主、電機助力” 的并聯構型更優；而在頻繁啟停的復雜工況（如城市配送、國道）中，串聯構型適應性更強；而 P1+P3 串并聯構型因成本與復雜度平衡問題，在商用車領域應用較少。

核心痛點：混動專用發動機的 “三大矛盾”

作為發動機領域專家，帥石金直指當前混動系統研發的核心瓶頸之一是專用發動機，具體表現為三大矛盾：

1. 效率與動力的平衡矛盾

傳統發動機多在 “低效率平原區” 運行（有效熱效率20%左右），混動專用發動機依托電機助力，發動機一旦運行可直接進入 “高效高原區”（有效熱效率 40% 以上）運行，但要進一步突破至 45%以上，需要犧牲一部分動力性，如采用稀燃技術路線，并進一步提高壓縮比（15-17），這對發動機結構強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：插混專用發動機尤其是增程混動專用發動機，主要以 “充電寶” 角色解決純電運行的里程和充電焦慮，工作區間收窄（僅 在“甜蜜點及附近” 運行）；而油電混動的專用發動機是主角，需頻繁啟停，對 NVH（噪聲、振動與粗糙度）要求更高。未來混動專用發動機可以燃燒生物質乙醇、甲醇和電制碳中和燃料(e-fuel)，實現零碳和碳中和排放。

商用車：商用車可以先從油電混合動力起步，再逐步過渡到插電混動和純電路線。由于重卡長途運輸工況相對平坦，并聯構型成本低、節能效果明顯。將現有柴油車和甲醇車進行對比，發現柴油與甲醇燃料理化特性差異顯著 —— 柴油自燃溫度低、壓燃優勢明顯，高效區寬（較低功率即可進入高效區），工況適應面寬；甲醇汽化潛熱高、需點燃，高效區窄（較高功率才進入高效區），工況適應面窄，在頻繁啟停和多變工況采用串聯方式更節能。重卡未來混動專用發動機可以燃燒氫氣和電制碳中和燃料(e-fuel)如甲醇，實現零碳和碳中和排放。

3. 成本與技術升級的取舍矛盾

點燃式混動專用發動機的有效熱效率突破 50% 需采用稀燃、高能點火、高效增壓、稀燃氮氧化物吸附LNT后處理等技術，雖能提升節能效果，但會增加研發與制造成本；針對串聯增程混動特殊場景下，輕量化、高功率密度的二沖程發動機、轉子發動機甚至渦輪發動機等有應用機會，但面臨能耗高、產業化成本居高不下的問題，也許在低空混動飛行器上有更多機會。

創新突破：構建 “混動構型–高效發動機–綠色燃料” 協同技術體系

針對上述痛點，帥石金結合行業實踐與團隊研究，提出三大創新方向：

1. “高原出高峰” 的發動機設計理念

打破傳統發動機 “全工況覆蓋” 思維，依托混動系統電機助力，讓發動機專注于 “高效窄區間” 運行：通過 “犧牲部分動力性”，將高壓縮比、高滾流比、高 EGR 率、高能點火、高效增壓（“五高”）與低泵氣損失、低摩擦（“二低”）技術結合，使汽油機有效熱效率突破45%，柴油機達50%。

現有高校實驗室的研究結果，“從 36% 逐步突破至 50% 的技術路線及實踐證明，稀燃、高壓比、長沖程、低摩擦等技術組合，可實現有效熱效率的進一步突破。” 帥石金補充，當前國內企業在混動專用汽油機領域已走在全球前列，成本控制與效率提升成效顯著。

2. 燃料與工況的 “精準匹配” 方案

乘用車：插混與增程混動專用發動機歸為 “窄區間類”，優先選擇低成本的四缸渦輪增壓汽油機，兼顧緊湊性與效率；油電發動機歸為 “頻繁啟停類寬高效區”，強化 NVH 優化與啟停超低排放控制。

商用車：比較重卡長途車混動構型，在典型高速場景如半掛牽引車（CHTC-TT）工況，無論是柴油混動重卡還是甲醇混動重卡，都適合采用具備發動機直驅模式的技術路線，如并聯或者以并聯為主的串并聯（小電機+多擋箱），而采用串聯構型反而都不節能；在典型國道場景如山西大同國道工況（運煤線路），甲醇混動重卡更適合采用串聯模式為主的技術路線，如增程或者以串聯為主的串并聯（大電機+少擋箱）。

3. 碳中和燃料與氫發動機的前瞻布局

為破解 “發動機綠色低碳轉型” 難題，帥石金牽頭推動氫發動機創新實踐：

成立氫發動機創新聯合體：在2024 年天津舉辦的世界內燃機大會期間，中國內燃機學會聯合濰柴、玉柴、一汽、二汽等企業及相關零部件企業，還有高校和研究機構，組建氫發動機創新聯合體，聚焦車用氫發動機研發；濰柴牽頭承擔的“十四.五”新能源汽車重點專項《重型商用車混合動力專用氫內燃機》，明確 2027 年實現產品上公告的目標。

突破核心技術瓶頸：針對氫發動機噴射系統耐久性和氫燃燒安全等問題，聯合高校與企業攻關氫缸內直噴技術，目前進氣道噴射氫發動機已進入示范階段，歐洲整車和發動機企業已在非道路領域實現氫發動機示范運行，康明斯正在推動氫發動機產業化落地（產品數據顯示，動力性與柴油機相當，易滿足未來歐七或國七排放法規）。

專家展望：混動是橋梁，碳中和燃料是未來

“混合動力不是過渡，而是連接傳統發動機與零碳動力的橋梁。” 帥石金強調，發動機的未來在于 “燃料綠色低碳化”：

短期：優化混動專用發動機實現 “油-機”優化匹配，推動汽油機熱效率向 50% 突破，柴油機向 55% 邁進，降低油電、插混全生命周期碳排放和能耗。

中期：規模化應用綠色甲醇、生物乙醇等碳中和燃料，依托現有發動機產業鏈，實現 “換燃料不換發動機”。

長期：聚焦零碳氫發動機研發，解決氫氣直噴、耐久性和燃燒安全等核心技術，與氫燃料電池形成互補，共同推動商用車零碳轉型。

“發動機無罪，關鍵在是否擁抱清潔燃料。” 帥石金呼吁能源與動力行業協同，通過政策標準（如氫發動機排放、安全法規）先行、產業鏈上下游聯動，讓 “混動構型 – 高效發動機 – 綠色燃料” 協同創新成為乘用車和商用車低碳轉型的核心驅動力。