第二节 动力总成的发展简史

动力总成的历史，可以分为内燃机与变速箱两个部分。

最早出现的内燃机是以煤气为燃料的煤气机。1860年，法国人雷诺瓦尔制成了第一台单缸、二冲程、无压缩和电点火的煤气机，输出功率为740~1470W，转速约为100r/min，热效率为4%。法国工程师德罗沙认识到，要想尽可能提高内燃机的热效率，就必须使单位气缸容积的冷却面积尽量减小，膨胀时活塞的速率尽量快，膨胀的冲程尽量长。在此基础上，他在1862年提出了著名的燃烧循环四冲程：进气、压缩、燃烧和膨胀、排气。1877年，德国人奥托制成了第一台单缸四冲程往复活塞式煤气机，功率约为2210W，转速约为180r/min。在这台发动机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了汽缸盖，使混合气充分形成。这是一台非常成功的发动机，其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程融为一体，使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等一系列优点。在1878年巴黎万国博览会上，它被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。等容燃烧四冲程循环由奥托实现，也被称为奥托循环。

煤气机虽然比蒸汽机具有很大的优越性，但在社会化大生产情况下，不能满足交通运输业所要求的高速、轻便的性能要求。因为它以煤气为燃料，需要庞大的煤气发生炉和管道系统，而且煤气的热值低（1.75×10⁷~2.09×10⁷J/m³），故煤气机转速慢、比功率小。到19世纪下半叶，随着石油工业的兴起，用石油产品取代煤气作为燃料已成为必然趋势。

1883年，戴姆勒和迈巴赫制成了第一台四冲程往复式汽油机，安装了迈巴赫设计的化油器，用白炽灯管解决了点火问题。以前内燃机的转速都不超过200r/min，而戴姆勒的汽油机转速一跃为800~1000r/min。它的特点是功率大、质量小、体积小、转速大和效率高，特别适用于交通工具。与此同时，本茨研制成功了现在仍在使用的点火装置和水冷式冷却器。

到19世纪末，四冲程往复活塞式内燃机进入了实用阶段，很快显示出巨大的生命力。内燃机在广泛应用中不断地得到改善和革新，迄今已达到一个较高的技术水平。

在这100多年的发展历史当中，有两个重要的具有划时代意义的发展阶段：一是20世纪50年代增压技术在发动机上的广泛应用；二是20世纪70年代开始的电子与计算机技术在发动机研制中的应用，这两个发展趋势至今都方兴未艾。我们可以按照提高汽油机的功率、热效率、比功率和降低油耗等主要性能指标的过程，来回顾一下汽油机在20世纪的发展历程，大致分为四个阶段。

第一阶段是20世纪的最初20年，为适应交通运输的要求，以提高功率和比功率为主。采取的主要技术措施是提高转速，增加缸数和改进相应的辅助装置。这个时期内，转速从20世纪的500~800r/min提高到1000~1500r/min，比功率从3.68W/kg提高到441.3~735.5W/kg，这对提高负载能力具有重大的意义。

第二阶段是20世纪的20年代，主要解决汽油机的爆震燃烧问题。当汽油机的压缩比达到4时，汽油机就发生爆震。美国通用汽车公司研究室的米格雷和鲍义德通过在汽油中加入少量的四乙基铝，干扰氧和汽油分子化合的正常过程，解决了爆震的问题，使压缩比从4提高到了8，大大提高了汽油机的功率和热效率。当时另一严重影响汽油机功率和热效率的因素是燃烧室的形状和结构，英国的里卡多及其合作者通过对多种燃烧室及燃烧原理的研究，改进了燃烧室，使汽油机的功率提高了20%。

第三阶段是从20世纪20年代后期到40年代早期，主要是在汽油机上装备增压器。废气涡轮增压可使气压增至1.4~1.6个大气压，为提高汽油机的功率和热效率开辟了一个新的途径。其真正的广泛应用，则是在20世纪50年代后期才普及的。

第四阶段从20世纪50年代至今，可以这么讲，汽油机技术在原理重大变革之前已经发展近极致，结构越来越紧凑，转速越来越高，缸内喷射、多气门技术、进气滚流、稀薄分层燃烧、废气再循环、三元催化等排放处理技术，点火正时、汽油喷射及空燃比随工况精确控制等全面电子发动机管理等。这些技术在近年来成功研制并量产的缸内直喷汽油机（GDI）上得到了充分的体现。有兴趣的读者可以自行研究。

变速箱作为动力总成不可获取的部分，最初的想法就是寻求如何将活塞的往复运动转换为旋转运动。尼古拉斯·约瑟夫·屈尼奥于1769年将棘齿式的运动转换装置与蒸汽机结合，制造了一台三轮蒸汽机车，如图1-3所示。从此，变速箱的历史就与所有发动机的发展紧密地结合在一起了。1784年，詹姆斯·瓦特获得了常啮合机构与齿轮的专利，并制造了采用牙嵌离合器接合的2挡变速箱。自此，可变速度的传动装置诞生了。

手动变速箱（manual transmission，MT）出现的最早，又称机械式变速箱，必须用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。目前，主流的乘用车手动变速箱一般采用4个前进挡或者6个前进挡，外加1个倒挡。

自动变速箱（automatic transmissions，AT），则是在MT的基础上发展而来。最初由斯特蒂文特兄弟于1904年开发，具有两个前进挡。但是很遗憾，由于当时的冶金技术不过关，这款自动变速箱经常会毫无征兆地出现故障。1908年，可以说是自动变速箱发展史的一个里程碑，亨利·福特在T型车上采用了两挡变速箱，并且装备了采用行星齿轮的倒挡，尽管仍然需要驾驶人员通过踏板来选取挡位，但从某种程度上讲，这款变速箱降低了对驾驶技巧的要求。1934年，GM开发了一款半自动变速箱（semi-automatic transmission），仍然需要离合器来控制发动机与变速箱的啮合。与此同时，克莱斯勒则在研究利用液力耦合的自动换挡装置，但从未应用。直到1939年，GM才正式第一次量产了名为“Hydra-Matic”的自动变速箱，并于1940年装备Oldsmobile和之后的Cadillac车。这款变速箱在之后的时间里大行其道，Bentley、Hudson、Kaiser、Nash、Rolls-Royce，以及Lincoln等众多车型均使用过。为改善换挡品质，GM在1956年引入了“jetaway hydra-matic”自动变速箱，采用了两个液力耦合器，其中一个解决发动机与变速箱的耦合，另一个则代替了离合器，这样的设计极大地改善了1挡和2挡的换挡品质，但传动效率下降，结构更加复杂。在这之后，又出现了多种自动变速箱的液力耦合器设计方案。随着电子控制技术的出现与进步，自动变速箱也变得越来越先进。2002年，采埃孚与宝马在7系车上推出E65首款6速自动变速箱。2003年，梅塞德斯奔驰推出7G-Tronic的7速自动变速箱。2007年，丰田在LexusLS460上应用8速自动变速箱。2014年，吉普Cherokee首先量产了世界上首款9速自动变速箱。

双离合变速箱（dual-clutch transmission，DCT），最早于第二次世界大战前由法国人Adolphe Kégresse提出，但从未开发。世界上最早的双离合变速箱开发，是在哈里·韦伯斯特的指导下进行的，并且应用于Ford Fiesta Mk1、Ford Ranger以及Peugeot 205，其主要特征是采用了一个干式离合器和一个多盘湿式离合器。接下来，奥迪与保时捷在20世纪80年代开始将双离合变速箱应用于赛车。2003年，大众开始在Golf车型上正式使用双离合变速箱。如今，双离合变速箱已经被众多品牌使用。

无级变速箱（continuously variable transmission，CVT），可以追溯到1490年达·芬奇提出的概念。米尔顿·里夫斯于1879年发明了一种无级变速装置用于锯铣，并在1896年使用在他的第一台车上。在欧洲，戴姆勒与奔驰于1886年注册了第一个车用摩擦带式无级变速箱（friction-based belt CVT）专利。美国则于1935年注册了环形无级变速器（toroidal CVT）。20世纪50年代，哈伯·范多尼与其他人合伙成立了Van Doorne’s Automobiel Fabriek（DAF）汽车公司，设计并制造了名为“Variomatic”的无级变速箱，用于1958年生产的DAF 600车型。之后，DAF公司的乘用车部门于1975年出售给了沃尔沃，并在Volvo 340车上使用了无级变速箱技术，专利则转移给了Van Doorne Transmissie B.V.（VDT）公司，这家公司又于1995年由罗伯特·博世有限公司收购。

1987年，斯巴鲁在东京推出装备电子无级变速箱（electronic CVT）的Justy车型，随着技术的不断完善，这款车型产能不断提高，并且于1989年在美国开始生产。看到车型成功之后，斯巴鲁开始扩大CVT的应用，比如Outback、Forester等车型。1987年，福特开始在Fiesta车型上使用钢V带无级变速箱，在欧洲成为主流的无级变速箱。20世纪90年后，日本的汽车制造商，包括日产、本田、丰田都开始研制无级变速箱，并推出多款车型，比如1992年的Nissan March、2003年的Nissan Murano、2008年的Mitsubishi Lancer、2010年的Suzuki SX4和Kizashi。

通用汽车公司于2002年开发了自己的CVT（VTi），并用于Saturn Vue和Saturn Ion车型。福特在20世纪八九十年代曾在欧洲销售过Escort和Orion车型，均使用了CVT。2005年，福特将CVT（CFT30）应用于Ford Freestyle、Ford 500、Ford Focus C-MAX以及Mercury Montego。2007年，道奇在Caliber、Jeep Compass和Jeep Patriot使用了CVT。2016年，FCA美国分公司宣布2017款Chrysler Pacifica Hybrid Minivan将使用CVT，代替之前的9速自动变速箱。

奥迪则在2000年的时候，于奥迪A43.0L V6车型上使用了CVT技术。菲亚特于同期推出Punto（16V 80 PS ELX，Sporting）和Lancia Y（1.2L 16V）的CVT车型。宝马在2001年推出使用ZF生产的CVT的Mini车型。MG-Rover也推出了同样使用ZF技术的CVT车型Rover 45和MG ZS。

综合来看，世界各大汽车厂商，对变速箱的研发投入了大笔资金和力量，各种技术层出不穷。在今后相当长的一段时间里，仍然会保持MT、AT、DCT、CVT相互竞争的格局。无论如何，发动机与变速箱技术的出现与进步，与世界汽车工业的发展是不可分割的。图1-4简要列出了过去100多年中推动汽车行业动力总成技术进步的若干重要事件，希望可以帮助读者理清脉络。

以福特汽车为例，1896年，亨利·福特制造了一辆由一台4马力双缸内燃机通过链条驱动的四轮车——Quadricycle，这辆车的变速箱仅有两个前进挡和空挡，没有倒挡，最高时速约为32km/h，如图1-5所示。1903年，福特推出了A型车，采用了对置双缸汽油机，行星齿轮手动变速箱，拥有两个前进挡和一个倒挡。1907年，福特汽车发布了划时代的产品，那就是T型车，如图1-6所示。T型车之所以伟大，是因为这个产品是世界上第一次将流水线与汽车制造结合，大幅度提升了生产效率和产量，提高了工人的收入，降低了零件和制造成本，极大地促进了汽车的普及。截至1927年停产时，T型车一共销售了1500万辆，这个纪录即使从今天来看，仍然是一个非常了不起的成就。1951年，福特推出O-Matic车型，首次装备了自动变速箱。20世纪80年代早期，福特就已经开始研发双离合变速箱，最早的样车则是Fiesta Mk1和Ranger。2008年，福特在Focus和C-MAX量产车上运用了“PowerShift”双离合变速箱。

关于新能源汽车，福特早在1913年便开展了纯电动汽车的研究，由于当时条件限制而未能量产。1997~1999年，几个主要的汽车制造商在美国加利福尼亚州开始推广纯电动汽车，包括本田的EV Plus、通用汽车公司的EV1和S-10电动皮卡、福特的Ranger电动皮卡，以及丰田的RAV4电动车。尽管首批试用者热情高涨，但这些电动汽车的尝试还是在随后的若干年间销声匿迹。直到2004年，福特投放了混合动力车Escape，这是北美市场第一次出现混合动力的SUV车型。关于增程式的混合动力汽车（Plug-in hybrid electric vehicle，PHEV），福特则于2012年在美国推出了商业化的C-MAX Energi车型。

关于内燃机的燃油喷射与燃烧，福特早在1983年就开发了多点气道喷射式（multi-port fuel injection，MPI）汽油机，应用于Escorts、Mustangs和Thunderbirds车型。在1986年，这种汽油机就成为福特所有V6以及V8发动机的标配。而所谓稀薄燃烧系统，福特在20世纪70年代，曾经开发了名为“PROCO”（PR Ogrammed Combustion）的稀薄燃烧发动机，并且有超过115台的Crown Victoria车型装备了PROCO的V8发动机。但这个尝试很快就终止了，主要原因在于这个系统的电子控制还很不成熟，稀薄燃烧所产生的氮氧化物也超过了EPA限值。受20世纪70年代末石油危机影响，油价高涨，PROCO系统又重新活跃起来。但考虑到大环境的不稳定以及V8发动机的未来市场的不确定性，福特还是没有投入过多的力量。2001年，福特欧洲开始引入直喷汽油及技术。2003年，直喷式汽油机便用于Mondeo车型。2007年，福特开始推出EcoBoost发动机，包括四缸与六缸机，采用了增压直喷技术。