清华帅石金：构建混动构型–高效发动机–绿色燃料协同技术体系

2025年9月11日，在无锡艾迪花园酒店举办的 “2025中国混合动力技术持续创新与市场趋势研讨会” 上，长期深耕车用发动机与动力系统研究的清华大学车辆与运载学院教授帅石金，以《车用混动技术路线对专用发动机的需求分析》为题，从全球车用动力多元化趋势切入，深度剖析混动专用发动机的研发核心理念、乘用车和商用车混动技术路线及碳中和燃料布局，为行业提供 “混动构型-高效发动机-绿色燃料” 协同创新的清晰方向。

行业现状：全球动力多元化 中国混动 “百花齐放”

帅石金首先梳理了全球车用动力发展格局，指出 “电动化为主导的多技术路线并行” 已成共识：从国际能源署（IEA） 2015 年对各种车用动力发展趋势的预测到当前全球市场的现实选择，纯电、插混（PHEV）、油电（HEV）均占据重要赛道，且中国在电动化推进中更为激进 —— 公交车已基本实现全面电动化，乘用车纯电和插混渗透率快速提升，这背后是中国可再生能源发电（光电、风电、水电），尤其是光电装机容量的爆发式增长，为车用动力电动化和多元化奠定了绿色低碳化发展的基础。

1. 混动构型分化：油电与插混 “各有侧重”

油电（HEV）：串联、并联、混联构型均有应用，以丰田 THS（功率分流系统）技术为代表的混联构型在全球广受欢迎，核心优势在于发动机、发电机和电动机三者无极调速运行，技术成熟度高，发动机的节能效果得到很好体现，但行星齿轮机械耦合灵活性受限，用于以电驱为主的插电混合动力没有优势。

插电（PHEV）：呈现 “串并联为主、串联增程缓解纯电里程和充电焦虑” 的特点。串联构型因结构简单、动力性强，在高端乘用车市场占据一席之地；P1+P3构型主导的串并联构型，因场景覆盖率广、动力源组合灵活（发动机和电机可按需求调整大小），成为国内主流，而传统并联构型因 “以发动机为主” 的逻辑与当前 “以电为主”的趋势不符，逐步退出乘用车市场。

“插混的灵活性源于‘离合器开关构型’优于行星齿轮机械耦合，谁能更好组合发动机与电机让各自的性能极致发挥，谁就能抢占先机。” 帅石金强调，中国插混市场已从早期单一电机（P0、P1、P2、P2.5、P3）并联构型，发展为以 P1+P3 离合开关式混联构型为主导的多元化格局，体现出鲜明的技术迭代特征。

2. 商用车混动：场景决定构型选择

与乘用车和轻型商用车的多混动构型路径不同，重型商用车混动构型呈现两种基本的 “场景绑定” 特性：高速公路等工况变化不大的应用场景，以 “发动机为主、电机助力” 的并联构型更优；而在频繁启停的复杂工况（如城市配送、国道）中，串联构型适应性更强；而 P1+P3 串并联构型因成本与复杂度平衡问题，在商用车领域应用较少。

核心痛点：混动专用发动机的 “三大矛盾”

作为发动机领域专家，帅石金直指当前混动系统研发的核心瓶颈之一是专用发动机，具体表现为三大矛盾：

1. 效率与动力的平衡矛盾

传统发动机多在 “低效率平原区” 运行（有效热效率20%左右），混动专用发动机依托电机助力，发动机一旦运行可直接进入 “高效高原区”（有效热效率 40% 以上）运行，但要进一步突破至 45%以上，需要牺牲一部分动力性，如采用稀燃技术路线，并进一步提高压缩比（15-17），这对发动机结构强度与稀燃后处理提出了更高要求。

2. 燃料适配与工况的匹配矛盾

乘用车：插混专用发动机尤其是增程混动专用发动机，主要以 “充电宝” 角色解决纯电运行的里程和充电焦虑，工作区间收窄（仅 在“甜蜜点及附近” 运行）；而油电混动的专用发动机是主角，需频繁启停，对 NVH（噪声、振动与粗糙度）要求更高。未来混动专用发动机可以燃烧生物质乙醇、甲醇和电制碳中和燃料(e-fuel)，实现零碳和碳中和排放。

商用车：商用车可以先从油电混合动力起步，再逐步过渡到插电混动和纯电路线。由于重卡长途运输工况相对平坦，并联构型成本低、节能效果明显。将现有柴油车和甲醇车进行对比，发现柴油与甲醇燃料理化特性差异显著 —— 柴油自燃温度低、压燃优势明显，高效区宽（较低功率即可进入高效区），工况适应面宽；甲醇汽化潜热高、需点燃，高效区窄（较高功率才进入高效区），工况适应面窄，在频繁启停和多变工况采用串联方式更节能。重卡未来混动专用发动机可以燃烧氢气和电制碳中和燃料(e-fuel)如甲醇，实现零碳和碳中和排放。

3. 成本与技术升级的取舍矛盾

点燃式混动专用发动机的有效热效率突破 50% 需采用稀燃、高能点火、高效增压、稀燃氮氧化物吸附LNT后处理等技术，虽能提升节能效果，但会增加研发与制造成本；针对串联增程混动特殊场景下，轻量化、高功率密度的二冲程发动机、转子发动机甚至涡轮发动机等有应用机会，但面临能耗高、产业化成本居高不下的问题，也许在低空混动飞行器上有更多机会。

创新突破：构建 “混动构型–高效发动机–绿色燃料” 协同技术体系

针对上述痛点，帅石金结合行业实践与团队研究，提出三大创新方向：

1. “高原出高峰” 的发动机设计理念

打破传统发动机 “全工况覆盖” 思维，依托混动系统电机助力，让发动机专注于 “高效窄区间” 运行：通过 “牺牲部分动力性”，将高压缩比、高滚流比、高 EGR 率、高能点火、高效增压（“五高”）与低泵气损失、低摩擦（“二低”）技术结合，使汽油机有效热效率突破45%，柴油机达50%。

现有高校实验室的研究结果，“从 36% 逐步突破至 50% 的技术路线及实践证明，稀燃、高压比、长冲程、低摩擦等技术组合，可实现有效热效率的进一步突破。” 帅石金补充，当前国内企业在混动专用汽油机领域已走在全球前列，成本控制与效率提升成效显著。

2. 燃料与工况的 “精准匹配” 方案

乘用车：插混与增程混动专用发动机归为 “窄区间类”，优先选择低成本的四缸涡轮增压汽油机，兼顾紧凑性与效率；油电发动机归为 “频繁启停类宽高效区”，强化 NVH 优化与启停超低排放控制。

商用车：比较重卡长途车混动构型，在典型高速场景如半挂牵引车（CHTC-TT）工况，无论是柴油混动重卡还是甲醇混动重卡，都适合采用具备发动机直驱模式的技术路线，如并联或者以并联为主的串并联（小电机+多挡箱），而采用串联构型反而都不节能；在典型国道场景如山西大同国道工况（运煤线路），甲醇混动重卡更适合采用串联模式为主的技术路线，如增程或者以串联为主的串并联（大电机+少挡箱）。

3. 碳中和燃料与氢发动机的前瞻布局

为破解 “发动机绿色低碳转型” 难题，帅石金牵头推动氢发动机创新实践：

成立氢发动机创新联合体：在2024 年天津举办的世界内燃机大会期间，中国内燃机学会联合潍柴、玉柴、一汽、二汽等企业及相关零部件企业，还有高校和研究机构，组建氢发动机创新联合体，聚焦车用氢发动机研发；潍柴牵头承担的“十四.五”新能源汽车重点专项《重型商用车混合动力专用氢内燃机》，明确 2027 年实现产品上公告的目标。

突破核心技术瓶颈：针对氢发动机喷射系统耐久性和氢燃烧安全等问题，联合高校与企业攻关氢缸内直喷技术，目前进气道喷射氢发动机已进入示范阶段，欧洲整车和发动机企业已在非道路领域实现氢发动机示范运行，康明斯正在推动氢发动机产业化落地（产品数据显示，动力性与柴油机相当，易满足未来欧七或国七排放法规）。

专家展望：混动是桥梁，碳中和燃料是未来

“混合动力不是过渡，而是连接传统发动机与零碳动力的桥梁。” 帅石金强调，发动机的未来在于 “燃料绿色低碳化”：

短期：优化混动专用发动机实现 “油-机”优化匹配，推动汽油机热效率向 50% 突破，柴油机向 55% 迈进，降低油电、插混全生命周期碳排放和能耗。

中期：规模化应用绿色甲醇、生物乙醇等碳中和燃料，依托现有发动机产业链，实现 “换燃料不换发动机”。

长期：聚焦零碳氢发动机研发，解决氢气直喷、耐久性和燃烧安全等核心技术，与氢燃料电池形成互补，共同推动商用车零碳转型。

“发动机无罪，关键在是否拥抱清洁燃料。” 帅石金呼吁能源与动力行业协同，通过政策标准（如氢发动机排放、安全法规）先行、产业链上下游联动，让 “混动构型 – 高效发动机 – 绿色燃料” 协同创新成为乘用车和商用车低碳转型的核心驱动力。