发动机技术升级：节能减排的主要路径b.pdf

research.stocke 1/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 Table_main 行业研究类模板 深度报告 汽车零部件 报告日期： 2018 年 10 月 23 日 发动机技术 升级 ： 节能减排的主要路径 行业深度报告 行业公司研究汽车零部件 ： 陈珂 执业证书编号： S1230115070086 ： 021-80108043 ： chenkestocke table_invest 行业评级 行业名称 评级 汽车零部件 看好 Table_relate 相关报告 table_research 报告撰写人： 陈珂 数据支持人： 陈珂 报告导读 以发动机 系统节能为主要方向的 传统燃油汽车和混合动力汽车 节能减排技术仍然 是未来汽车技术发展的主要方向 ， 随着 我国 第四阶段油耗标准和 第六阶段污染物排放法规（国六排放法规）实施日期的临近，发动机节能减排技术的应用和普及将加速 推进 ，相关产业有望从中受益。 投资要点 发动机技术 升级 是汽车节能减排的主要方向 传统 燃油车以及混合动力汽车在未来相当长一段时间仍是汽车行业的主流。面对日益严苛的 燃料消耗 量和污染物排放标准，传统动力系统存在巨大的升级需求和空间。 国外先进汽车和发动机企业已经开发储备了丰富的技术应对措施。优化燃烧、改善进气、优化发动机能量管理、减磨技术等围绕提升发动机热效率相关技术陆续进入推广应用阶段，与电气化技术相结合的混合动力系统稳步发展、 48V 系统也将迎来大范围应用。 发动机节能减排领域面临重要 发展 机遇 面对日益严苛的双积分计算规则和要求，车企普遍面临较大的燃料销量积分压力，降低油耗的新技术应用率有望在未来两年大幅度提升。 涡轮增压、可变气门控制、缸内直喷、废气再循环系统、 电子节温器、电子水泵、 48V 系统等技术领域存在巨大的发展潜力，全球领先的 零部件企业在这些领域拥有比较成熟的技术储备和产业化基础，将与整车企业共同推动各项技术推广应用。我国在动力总成技术领域技术基础薄弱，与国际先进企业存在明显的差距，在总成级零部件领域仍基本被国外供应商垄断，在细分基础配套领域，部分供应商已进入主流整车企业的配套体系。随着我国自主品牌汽车的崛起，国内供应商有望取得较大突破，在部分领域逐渐缩小与国外供应商的差距，并逐步形成参与全球供应的竞争力。 相关标的：威孚高科、精锻科技、东睦股份、富临精工、西泵股份、科华控股、湖南天雁、 贝斯特、银轮股份、隆盛科技、腾龙股份 证券研究报告 table_page 行业 深度报告 research.stocke 2/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 正文目录 1. 政策驱动，节能减排技术升级迫切 . 4 1.1. 燃料消耗量和双积分 . 4 1.2. 国六排放标准 . 5 2. 发动机技术升级的主要方向 . 6 2.1. 提高热效率 . 6 2.1.1. 热效率的现状和未来 . 6 2.1.2. 提升发动机热效率的技术路径 . 8 2.2. 电气化辅助技术 . 15 2.2.1. 混合动力技术 . 16 2.2.2. 48V 系统 . 16 3. 发动机先进技术应用进展 . 17 3.1. 国际先进发动机技术应用案例 . 17 3.2. 自主品牌先进发动机 技术现状 . 19 3.3. 国内新车公告燃料消耗量 . 20 4. 投资机会 . 21 table_page 行业 深度报告 research.stocke 3/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 图表目录 图 1：主要国家燃料消耗标准对比 . 4 图 2：第四阶段燃料消耗量限值（ GB 27999-2014） . 5 图 3：发动机的能量损失和热效率 . 6 图 4：世界先进发动机的热效率 . 7 图 5： GDI 应用趋势 . 8 图 6： GDI+PFI 双喷射系统 . 8 图 7：汽油机 EGR 系统 . 9 图 8：汽油机 EGR 燃油经济性 . 10 图 9：可变截面涡轮增压器 . 11 图 10： TT Clubsport Turbo Concept 车型采用电动涡轮增压与普通涡轮增压双增压发动机 . 12 图 11： 奥迪 Q7 采用电动涡轮增压的三涡轮增压发动机 . 12 图 12： 缸盖集成排气歧管 . 15 图 13： 48V 系统的功能和优势 . 16 图 14： 丰田 Dynamic Force Engine 2.5L 四缸自然吸气发动机 . 17 图 15： 基于涡轮增压和停缸等技术的凯迪拉克 LSY 2.0T 发动机 . 18 图 16： 大众 EA211 TSI evo1.5L 发动机 . 19 图 17： 新车公告燃料消耗量情况 . 20 表 1：燃料消耗量限值 . 5 表 2： DVVL 和 CVVL 技术 . 13 表 3：汽车水泵 . 14 表 4：混合动力（ HEV）典型车型参数对比 . 16 表 5：自主品牌先进发动机现状（ 2016-2017 中国心十佳发动机） . 19 表 6：新车公告燃料消耗量达标车型型号数量 . 21 table_page 行业 深度报告 research.stocke 4/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 1. 政策驱动， 节能减排技术升级迫切 能源和环保不仅是中国的问题，也是全世界的挑战。因此节能减排已成为汽车产业可持续发展的必然选择。面对中国汽车保有量的快速增加和环境压力的日益严峻的现状， 2016 年中国发布了号称世界最严格的国六排放法规，制定了四阶段乘用车燃料消耗限值和双积分管理办法。欧盟、美国、日本等世界各经济体和国家，也同样制定了日益严格的油耗（或 CO2 限值）和排放法规。围绕燃 料 消耗量 和 排放标准 进行技术升级将成为未来一段时间汽车企业研发和应用的主要方向。 1.1. 燃料消耗量和双积分 为应对全球性的资源短缺和气候变暖，巩固和提高汽车工业未来国际竞争力，欧、美、日等汽车工业发达国家都在积极采取措施，推动和促进汽车节能技术发展、提高汽车燃料经济性水平。各国相继完成了新一轮针对 2020 年甚至更长远的乘用车燃料消耗量标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的污染物和二氧化碳排放提出更加严格的要求。 日本已经提出了至 2020 年的轻型汽车燃料经济性标准，预计到 2020年，乘用车平均燃料经济性水平达到 20.3 km/L，与 2009 年的 16.3 km/L 相比，燃料消耗量下降约 20.3%。 欧盟于 2009 年通过强制性的法律手段取代自愿性的 CO2 减排协议，在欧盟范围内推行汽车燃料消耗量和 CO2 限值要求和标示制度，要求到 2015 年和 2020 年乘用车 CO2 排放分别达到 130g/km 和 95g/km 的目标 ，对应的 燃料消耗量约为 2020 年 4.1L/100km。 美国于 2010 年 4 月和 2012 年 8 月分别发布了针对 2012-2016（第一阶段）和 2017-2025（第二阶段）的轻型汽车燃料经济性及温室气体排放规定，要求 2025 年美国轻型汽车的平均燃料经济性达到 54.5mpg。 2012 年 6 月 28 日，国务院发布节能与新能源汽车产业发展规划（ 2012-2020 年），明确了我国汽车节能标准的整体目标，要求 2020 年当年乘用车新车平均燃料消耗量达到 5.0 L/100km。 2014 年 7 月 2 日，国家标准化管理委员会下达 GB 19578乘用车燃料消耗量限值和 GB 27999乘用车燃料消耗量评价方法及指标强制性国家标准修 订计划，对我国新车型油耗指标进行了规范。 2017年 4月 25日发布的汽车产业中长期发展规划要求，到 2020年，新车平均燃料消耗量乘用车降到 5.0L/100km、节能型汽车燃料消耗量降到 4.5L/100km 以下；到 2025 年， 乘用车 新车平均燃料消耗量降到 4.0L/100km。 图 1：主要国家 燃料消耗 标准对比 资料来源：工信部，浙商证券研究所 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 燃料消耗量(L/100Km) 2000 2005 2010 2015 2020 2025 table_page 行业 深度报告 research.stocke 5/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 表 1：燃料消耗量限值 整备质量（ Kg） 第三阶段燃料 消耗量目标 L/100km 第四阶段燃料 消耗量目标 L/100km 降幅 750 5.2 4.3 17% 750-865 5.5 4.3 22% 865-980 5.8 4.3 26% 980-1090 6.1 4.5 26% 1090-1205 6.5 4.7 28% 1205-1320 6.9 4.9 29% 1320-1430 7.3 5.1 30% 1430-1540 7.7 5.3 31% 1540-1660 8.1 5.5 32% 1660-1770 8.5 5.7 33% 1770-1880 8.9 5.9 34% 1880-2000 9.3 6.2 33% 2000-2110 9.7 6.4 34% 2110-2280 10.1 6.6 35% 2280-2510 10.8 7 35% 2510 11.5 7.3 37% 资料来源：浙商证券研究所 从第三阶段油耗到第四阶段油耗，汽车油耗需要降低 17%-37%，以 整备质量 1.4 吨的车 型为例 ，在第三阶段 油耗法规下 ，油耗 7.3L/100km 就可以满足要求，但到第四阶段要 降低到 5.1L/100km， 降幅达 30%。 我国在 2017 年 9 月发布了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，即双积分管理办法，该政策规定了企业平均燃料消耗量 的 目标值、达标值和实际值的计算方法。 目标值 （达标值 /实际值） 为企业在核算年度生产或进口车型燃料消耗量目标值 （达标值 /实际值） 与对应生产或进口量乘积之和除以当年度生产或进口总量计算出的平均燃料消耗量。 企业平均燃料消耗量积分 为达标值与实际值的差额与车型核算数量的积。实际值低于达标值产生的积分为正积分，高于达标值产生的积分为负积分。 对纯电动乘用车、燃料电池乘用车以及纯电动驱动模式综合工况续驶里程达到 50 km 及以上的插电式混合动力乘用车，计算企业平均燃料消耗量 实际值 时， 生产或进口总量的计算应乘以 2018-2019 年 3 倍、 2020 年 2 倍的 倍数 。 当车企产生企业平均燃料消耗量负积分时，可以通过 上年度结转正积分、关联企业受让正积分、本企业新能源汽车正积分和购买新能源汽车正积分来进行抵偿。对于未抵偿企业，暂停燃料消耗量达不到目标值的新产品公告申报、暂停部分高油耗车型的生产。 随着企业平均燃料消耗量的目标值的快速下降 、 新能源汽车倍数的降低 和新能源汽车积分比例要求的 限制 ，车企面临的 双积分压力大大增加，因此也面临着 平均燃料消耗量积分压力 的 迅速加大。 1.2. 国六排放标准 欧盟将从 2017 年开始，实行新的欧六 c 排放法规，美国将从 2017 年开始，实行第三阶段排放法规（ Tier3）。中国也将从 2017 年开始，全面实行新的国五排放法规，并且不断加速法规更新步伐。 2020 年，中国将实行国六 a 排放法规。 2023 年，中国将实行国六 b 排放法规。 图 2：第四阶段 燃料消耗 量限值（ GB 27999-2014） table_page 行业 深度报告 research.stocke 6/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 国五国六限制对比（第一类车） 污染物 THC(g/km) CO(g/km) NOx(g/km) NMHC(g/km) N2O(g/km) PM(mg/km) PN(#/km) 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 汽油 柴油 国五 100 - 1000 500 60 180 68 - - - 4.5 4.5 - 6.0*1011 国六 a 100 700 60 68 20 4.5 6.0*1011 国六 b 50 500 35 35 20 3 6.0*1011 资料来源：浙商证券研究所 国六排放法规融 合了欧洲和美国的测试方法，污染物限值与欧 6 c 相同，蒸发排放和 OBD 接近美国， 而且将采用全新的、更为严苛的 WLTC 测试循环，可能会成为最难的排放法规。 目前深圳市已决定提前实施轻型车国六标准 ：自 2018 年 11 月 1 日起 ，轻型压燃式发动机汽车应当符合国 标准；2018 年 12 月 31 日起，轻型点燃式发动机汽车应当符合国 标准。 2. 发动机 技术 升级 的主要方向 面对汽车节能减排的压力和新能源汽车的挑战，基于内燃机的汽车动力系统已经储备了丰富的技术应对措施，并不断通过技术创新和技术升级提高效率，改善节油和排放效果，提高自身的生命力和竞争力。从发展路径上看，提高热效率、与电气化相结合是发动机节能减排的 两个主要 技术路径，也发动机技术发展的主要方向。 2.1. 提高热效率 2.1.1. 热效率的现状和未来 发动机的热效率是发动机输出的机械功与发动机燃烧产生的化学能的比率，即燃料的化学能转化成机械动力的效率。一般情况下，燃烧相同的燃油，热效率越高，转化成的机械动力越多，既热效率高，油耗就低，燃油经济性强。在热效率方面， 由于燃料的不完全燃烧，加之冷却损失、排气损失、泵气损失和机械摩擦带来的损失，发动机的有效做功 被限制， 传统蒸汽机的热效率是 4%-8%，汽油机的热效率在 25%-35%之间，柴油机的热效率能达到 35%-45%，喷气发动机的热效率在 50%-60%之间。 提高发动机热效率是降低油耗的最直接、最根本的方法。德国、日本、美国先进汽车企业持续在发动机热效率方向努力，不断推出超高热效率的发动机产品。 丰田： 2003 年上市的第二代丰田普锐斯 1.5 升发动机（代号 1NZ-FXE）的热效率，在 BSFC 数值为 230g/kwh 的运转区间达到了 36.8%。 2009 年，第三代丰田普锐斯搭载的 1.8L 发动机（代号 2ZR-FXE）， 热效率在 220g/kwh 的区间达到了 38.5%。 2016 年，丰田成为率先突破汽油发动机热效率 40%的车企。首先是第四代普锐斯发动 机热效率达到了 40%，紧接着推出全新的 2.5L Dynamic Force Engine自然吸气发动机的热效率达到了 40%，其混合动力版本的热效率高达 41%。 图 3：发动机 的能量损失和 热效率 table_page 行业 深度报告 research.stocke 7/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 资料来源：浙商证券研究所 本田： 2013 年 ， 本田 新一代 CR-V 搭载的 L15B 系列 1.5L 涡轮增压直喷汽油机，热效率高达 38%，成为量产涡轮增压汽油机热效率的世界第一。 本田在其混动雅阁上 搭载 的发动机 （代号为 LFA） ，最高热效率达到 38.9%。 通用： 通用在 2015 年上市的第二代沃蓝达上应用了一台高效率的 1.5 升自然吸气发动机，最大热效率为 36.45%。在 2016年发布的混动迈锐宝上，通用又加强了其 1.8L 自然吸气发动机的热效率，最大可以达到 37.43%。 图 4：世界先进发动机的热效率 资料来源：浙商证券研究所 2010 年美国汽车研究委员会（ USCAR）学术会议综合了 29 位权威专家的意见，形成 了 关于车用内燃机效率的总结报告，该 研究 报告认为：活塞式内燃机 的 最大有效热效率，不考虑摩擦损失 的情况下 可以达到 60%；现在的内燃机由于非平衡燃烧过程造成 20-25%的损失，经过 对内燃机进行 根本性改造，最大热效率可超过 60%，最高有望达85%。 table_page 行业 深度报告 research.stocke 8/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2015 年在日本汽车技术协会举办的一场学术会议上，来自丰田汽车发动机先行设计部部长友田晃利宣称，丰田未来的车用发动机热效率将 “很快达到 50 “。 本田也在 2020 规划中研发新一代高热效率发动机， 本田 负责技术战略的高管 Keiji Ohtsu 表示，本田有信心把发动机的热效率从目前的 40%提升至 50%。 在 2017 年 东京车展上，马自达 Kai 概念车搭载 的 第二代创驰蓝天（ SKYACTIV-X）发动机， 其 热效率 高 达 50%。 多年来，发动机热效率在通过不断的技术 升级 得 到了稳步提升，从技术研发进展和产品开发趋势上看，发动机热效率在未来仍有很大的提升空间 ，发动机热效率的提升仍将是各大整车和发动机 企业以及 研发机构重点 进行技术 攻关的方向 。 2.1.2. 提升发动机热效率的技术路径 改善燃烧 方式 、优化进气 效率 、降低热量损耗和减少摩擦是提升发动机热效率的主要技术路径。 1.改善燃烧方式 在 改善燃烧 方面，各大汽车公司和研发机构开发出了众多新技术 ： 350bar 缸内直喷、低压冷却 EGR、米勒 /阿特金森循环 已成为众多车企 发动机升级 的主流技术， PFI+GDI 双喷射 技术的应用逐渐增多， 高压缩比、可变压缩比 、 HCCI均质压燃等 技术逐渐成熟 。 20 世纪 90 年代，缸内直喷技术 GDI 取得了重大进步，各大主机厂相继推出了缸内直喷发动机机型。 缸内直喷技术是目前发动机的主流技术，在欧美日发达国家市场已得到普遍应用，与同排量的一般发动机相比 ， GDI 发动机 功率与扭矩都提高 10%左右。 图 5： GDI 应用趋势 资料来源：浙商证券研究所 缸内直喷系统的喷油压力是缸内直喷系统的核心， 提高缸内 直喷系统喷油 压力 可以 缩短喷油时间，改善 燃油 雾化效果， 使燃烧更加充分，能获得更显著的节油效果并 减少颗粒物排放。 1952 年， 奔驰研发了第一台缸内直喷发动机 喷油压力大约是 45bar，目前常见的缸内直喷发动机喷油压力为 200bar， 新一代 缸内直喷发动机 技术升级将主要采用350bar 喷油压力 。 图 6： GDI+PFI 双喷射系统 table_page 行业 深度报告 research.stocke 9/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 资料来源：浙商证券研究所 尽管 GDI 已成为应用的主流，而进气道喷射技术（ PFI）仍有其生命力。 GDI+PFI 双喷系统，兼有两者的优点，在不同工作条件下切换使用， PFI 喷射主要用于中小负荷， GDI 主要用于中高负荷及要求多次喷射的工况。 GDI+PFI双喷系统 规避了 GDI 在冷启动和中小负荷时的积碳、排放等问题， 具有组织燃烧更灵活、控制爆震、抑制冷启动时的碳烟排放等优势，而成本增加不多。 图 7：汽油机 EGR 系统 资料来源：浙商证券研究所 汽油机废气再循环（ EGR）技术应用的主要目的是降低油耗，根据发动机和 EGR 控制策略不同，有效 燃料消耗 率能够降低 3%-8%。在汽油发动机中增加 EGR 系统，随着 EGR 率的增加， HC 增加，但 NOx 排放显著降低，降幅高达80%，因此将三元催化器和 EGR 相结合，可以在满足下阶段排放法规的同时，大幅提高汽油机部分工况下的燃油经济性。 汽油机 EGR 有几种类型，在涡轮之前取气，气体压力较高，称为高压 EGR。经过涡轮做功后气体压力较小，称为低压 EGR。 table_page 行业 深度报告 research.stocke 10/23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 高压 EGR 优势在于对压轮和 中冷器没有损害；另外由于压力较高，空气流速较高，使 EGR 反应速率较高。但是高压 EGR 覆盖不到抗爆震区域，其成本也高于低压 EGR。 低压 EGR 的优势在于排气经过压轮、中冷器，平均分配到 4 个气缸中，因此四个缸的燃烧比较均匀，各缸的燃烧一致性比较好。另外，废气 100%都经过压轮，使其响应速率提高，减少涡轮迟滞现象。 低压 EGR 细分为脏端取气与清洁端取气，脏端取气指的是在三元催化转化器（ Catalyst）之前取气，清洁端取气则是在三元催化转化器之后取气。 脏端取气的优势在于燃油经济性好，首先一部分 CO 和 HC 并没有 充分燃烧，取气之后循环再次燃烧，可降低油耗；其次还可以降低 HC 的排放。 清洁端取气的优势在于对压轮、 EGR 冷却器、中冷器不易造成腐蚀，因为混合气经过三元催化转化器后相对比较干净。系统的可靠性要高于脏端取气方法。 图 8：汽油机 EGR 燃油经济性 资料来源：浙商证券研究所 通过引进 EGR，发动机在抗爆震区域可节油 4-6%，在优化燃烧区域可节油 5-15%，内部 EGR 区域可节油 1-2%，减少泵气损失区域可节油 2-4%。对于直喷发动机， EGR 还可以降低发动机排气中的颗粒物。 从节能减排的角度看，高低压 两种 EGR 同时采用是最理想的，但是 综合技术和 成本问题，在清洁端取气的低压EGR 方案 是应用的主要趋势 。 米勒循环与阿特金森循环的原理相似，都是以膨胀比大于压缩比的原理来提高热效率。 最先由丰田公司和本田公司用于混合动力专用发动机，后在日本普通汽油车上也开始使用。 2014 年日本新开发的 10 款发动机（非 HEV）中有6 款用阿特金森循环技术。 2.优化进气 优化进气 方面 ： 进气系统的技术进步主要围绕涡轮增压和气门控制技术的发展和 升级 。 单涡轮双涡管增压器 、 可变 截面 涡轮 增压器 、 双 VVT、分段式 VVL 已逐渐 成为 技术升级的主要方向 ， 连续可变气门升程（ CVVL） 、可变进气歧管、停缸技术 等应用正在逐渐增加 。随着 48V 技术的引入， 电子增压器的正引起发动机开发人员的关注 。 涡轮增压是一种通过提高发动机进气能力来提高燃油经济性和减少排放的技术。 涡轮增压技术可以在不牺牲发动机性能的同时满足日益严格的全球排放标准，涡轮增加技术配合发动机小型化已经成为是汽车制造商的首选方案。美国等成熟汽车市场以及中国和印度等发展中地区正在越来越多地应用涡轮增压器。根据霍尼韦尔的预测，到 2021 年，