新能源车让很多精妙的机械结构退出了历史舞台，其中哪些技术值得被记住？

我倒是觉得本篇我聊的这个东西，不一定不会实现，只是到最后如果落地，还得再改一改，目前这个状态是肯定落不了地的。 但无论如何，这个机械结构是十分精妙的，平时我和很多主机厂的工程师有讨论的，大家都觉得这东西确实有存在感。

保时捷最近这个六冲程专利，其实很早我就看到了，这专利你别看互联网上没什么水花，但行业内讨论很激烈，不同的声音很多，再加上最近正值工信部明确表示，行业应当推动内燃机技术发展，释放出重视燃油车市场的信号，所以咱们今儿就从保时捷这项巧妙但充满挑战的专利来展望一下，下半场，如果乘用车还需要发动机的话，发展路径有可能是哪些？ 【本期有同步视频，可移步】

这次咱给大家整点新活儿，老王这回用3D打印的方式，按照专利的轮廓，临摹出来一个单缸模型。就是这个。活塞和连杆是之前拆长安蓝鲸发动机留下来的，也是我节目老演员了。

先说观点，就是这个专利开发的目的，欧7和欧8法规倒还是其次，保时捷在拉高品牌这一块的需求肯定是排前面的，品牌打造本来就是逆水行舟不进则退，又碰上现在汽车电气化，各方面能力都上来了，像什么主动悬架，线控转向，48V制动，但这些都不算保时捷独特优势，又不可能和其他车企卷冰箱彩电，那么保时捷最拿的出手的其实是水平对置发动机的性能，不断深入内燃机做独特性研发，就是一个顶级品牌需要遵循的生存之道。

但与此同时，排保时捷前面的一个相对没那么成功的案例，就是日产VCR可变压缩比发动机，几年前我就讲过，通过连杆的特殊设计去改变冲程，期待用一台四缸机去替代六缸甚至八缸，但结果大家都看到了，技术是有创意的，但市场并不怎么认可，那么保时捷肯定不能重蹈日产的覆辙，据我所知，保时捷内部对这项专利是非常审慎的。因为机械层面的这种伤筋动骨，都可能导致成本的万劫不复。所以本期我们专利分享的同时，也为大家扩展一下这个专利的优劣。

开篇- BMW喷水发动机

其实，要说第一个被认为是六冲发动机的品牌还真不是保时捷，之前很多人认为，宝马F82的M4 GTS 结合了蒸汽机的原理，在完成第四个排气冲程、活塞到达上止点的瞬间，向燃烧室喷水，水在气化过程中膨胀，推动活塞下行来完成六个冲程。
但很遗憾，那台发动机老王后来又看了一下，运行原理并不是六冲程，判定是否为六冲发动机有一个最基本的判定依据，就是如果一次主喷嘴喷油只能驱动曲轴转动720度的话，那么往里额外喷什么喷辣椒面它也是四冲，而且宝马这台车，一方面只有4L多的水箱容量，每次注水量也很小，到达进气口时基本已完成气化吸热，很难达到推动活塞下行的程度，第二，这个设计更多的目的是想降低爆震的同时，拉高压缩比和增压bar数。其实所以宝马M4那台发动机只能被认为是4冲程+创新的冷却系统，其实我们退一步也可以想到，如果喷水就可以解决问题，保时捷也不必花这么多心思在机械结构上了。还专门注册专利，对吧？
先简单看看这个模型，静态来看，保时捷这个6冲发动机和普通四冲，最大区别就是它多了外圈的这个齿轮，活塞的连杆轴颈是设置在这个绕着外齿圈旋转的行星齿轮的偏心量上面的。其次，气缸中部有一圈扫气孔。
动起来之后，就是这个样子，大家会发现每次活塞的最高点是有变化的，实际上气缸的上下止点，各有两个。
吸气循环是从一个稍微矮一些的上止点开始吸气，然后到达最高的一个下止点，活塞向上进入压缩冲程并到达最高上止点，然后紧接着点火做功，活塞到达最低下止点，漏出扫气孔，上方排气门也配合性半开，排出一定量的废气，让气缸形成一个负压状态，这种负压会有助于将新鲜的空气从扫气孔吸入，然后随着气缸向上扫气孔被关闭，排气门也随之关闭，此时内部气体会被再向上压缩一次，活塞到达最高上止点的时候进行二次点火开始第二次做功冲程，不过因为能量有限，只达到这个最高下止点，然后回到这个比较矮一点的上止点，完成一次六冲程循环。
其实大家也发现了，理论上这个气孔应该在第二次下止点的时候完全覆盖的，这个模型因为材料和加工精度的问题，公差比较大，尤其是到最后第五第六个冲程，齿轮前面的误差就会被积累到最后这两个冲程上面。如果说这个模型加工精度足够好，那么它就和动画是一致的。
其实我们把外齿圈和行星轮进行一个平面抽象可能是更清楚，就是我手中这个，你看像不像大叔用来花样摊煎饼的这个轨迹？这个行星齿轮旋转的时候，它肯定是绕着外齿圈做这么一个纯圆形的轨迹，但如果此时，把活塞连杆的大头圆心，在行星轮上做一个偏心设计，那么此时活塞的轨迹就变得可以被设计。
之前我们讲过行星齿轮可以用在很多地方，像减速器、差速器包括混动的分流结构，只不过这玩意儿用在发动机连杆上，为发动机提供了两个上下止点还是比较少见的。有两个上下止点之后，图形又是对称的，就好办了，起始点是中心这个位置，分别可以画出六个冲程，吸气、压缩、一次做功、二次压缩、二次做功，排气。图片是对称的，又回到了原点。

专利讲解

按照这个逻辑画出来之后，正好和保时捷的专利一样，有小伙伴问了，说第二次做功冲程为啥要变矮一些？其实这是这个偏心量轨迹导致的，与此同时，这也是因为燃料的剩余能量不够了，这个花朵状带有偏心量的轨迹恰好是设计师想要的。或者这么说，只要你愿意调整齿比，就可以设计任意冲程，但燃料能被重复压榨的次数有限，所以这个齿数比，对应的压榨次数刚好符合设计需求。
这个专利对我的启发点是，交叉学科往往能带来应用创新，这个专利就是平面几何和内燃机这两块的知识的交叉。

不过要说原创性，我觉得保时捷这个专利肯定有所借鉴，比如之前老王在另一个三冲程专利中也看到过类似的，这项专利来自瑞士波特曼·布鲁诺，这个专利曲柄销的轨迹，是通过中心一颗小齿轮来实现。轨迹是一个特殊的三角运动，相当于二冲发动机，但把扫气作为一个独立冲程抽出来了。
此外，相关类型的专利，包括西班牙和法国人的专利WO2022087759A1，和美国人8215268 B2 的二连杆三冲程专利，都曾经提到过通过齿轮来引导曲柄销轨迹的问题。
检索中我还发现，中国人白池本的专利CN112953110A。从他的专利申请相关检索来看，这位专利申请人应该在电磁发动机方面有较为深入的见解。

其实保时捷这个新专利还有一个很精髓的地方我没打印出来，我测绘的时候看到，就是专利中提到这个外侧环形齿轮旁边的这个小的啮合结构，能够在发动机运行时操纵外环齿轮，精确调整压缩比。包括刚才我们说的误差，都是可以进行微调的。如此说来，这个专利就很闭环了。

优势1 工艺相对传统

我们说这项专利都有哪些优势呢？首先，我发现这项专利基本都还是依赖于传统的工艺，像齿轮、内齿圈、连杆和活塞，不用专门为了绕开某些工艺专门去开发全新技术。
有的小伙伴可能认为中间这个气缸开孔这个是不是加工会难一些，但实际上很多二冲程，尤其是柴油机，这种布置就很常见，我们称之为扫气，发动机会根据进气口形状和顶部设计有很多不同的扫气方法，比如横流也叫错流扫气Cross Flow、环流扫气Loop Scavenge，以及单流扫气Uniflow，只不过相当于保时捷在4冲发动机上巧妙利用2冲的理论实现了六冲。

包括凸轮轴，这个老王非常有发言权，我见过的凸轮轴多了，这玩意儿虽然也很吃转速和磨损，但六冲凸轮轴实质上只需要以曲轴的三分之一速度旋转，而常规发动机则是一半。所以原则上凸轮轴要求反而变低了，只需要重新设计一个二次排气的包角，把整体尺寸设计稍微大一些就可以搞定。而且凸轮轴没有太多载荷，加工工艺挑战不大，距离量产非常近，保时捷不需要大量的研发投资就可以将这个技术推向市场。

优势2 排放低，油耗相对小

第二个好处，就是原则上，费那么半天劲，其实还是为了多压榨动力，普通四缸机曲轴转了两圈720度，活塞才做一次功，假设10个循环7200度是作10次功，那么同等情况，六冲程每1080度曲轴旋转可以做两次功，那么传统四冲程10个循环内7200度，六冲可以做功13次。
当然，这只是理论计算，因为六冲程的两次爆燃给出的做功输出也不一样，所以你是肯定看不到多了三成的理论功率提升，但我觉得打个3折，增加1成，还是比较容易的。如果此时再结合高增压技术，比如把涡轮调高3bar，然后因为六冲程有足够多的压榨机会，让燃油的能力得到彻底释放，而且你也不用担心排放和效率的问题，你就相当于在气缸内自带了一套EGR系统。
我手中这个就是EGR，从比亚迪混动上拆下来的，隆盛科技的试制件，这玩意儿后来上没上在比亚迪DM-i混动，大家可以帮我问一下，这是一套前取气系统，结构很紧凑，很轻，将燃烧过程中产生的废气引导进这个冷却器、通过这个口送回进气。这一进一出两个冷却液管走这个散热循环，把废气就给冷却然后重新打入气缸了，这边这个电磁阀就是控制回流量的。
现在的发动机为啥不像保时捷专利这么干，就是因为压榨废气的方式有很多种，EGR也很便宜，不一定非得设计这么多齿轮结构。不过请大家注意，EGR这套系统的散热循环也是耗能的，这个能耗定量来说，通常是几十瓦的范围，主要还是用于控制EGR率的阀门，虽然对发动机动辄几十上百千瓦的功率来说，能耗可以忽略不计，但没说相对效率可以忽略不计。因为EGR自带冷却，冷却本身不直接增加电耗，但冷却液循环额外的负荷，会提高发动机水泵工作量，间接增加能耗。这还是小事，更关键的是EGR通过引入减少混合气，降低了燃烧温度，减少了氮氧化物的排放，但燃烧温度降低的同时也拉低了燃烧速度和效率。

原则上保时捷这套系统厉害之处就在于，它没有脱离燃烧循环，内部可以在一个循环内自带EGR功能的同时不影响效率，可以加浓喷油，又可以预防爆震。所以这样一来，效率、排放、爆震以及功率都可以得到提升，可谓是一石四鸟。
优势3 效率提升的同时体积变化不大
最后一个好处，就是紧凑和简单。你别看这个环形齿轮我这模型做的很大，这是为了演示清楚，如果把这个换成金属，大概会像之前这个三冲程专利的大小差不多，大家比较熟悉的9A2水平对置发动机的缸体完全装得下。
理论上这个专利只需要增加三个主要零件，分别是这一对环形齿轮，中间的活塞轴颈齿轮，以及用来调节发动机运行状态的蜗轮蜗杆，那么我们都知道水平对置发动机的活塞连杆它可以做的比我们本期的这个临时抓包拿过来的长安发动机的活塞连杆还要紧凑，所以这个专利理论上不会大幅增加发动机的尺寸。
缺点1 行星齿轮会带来寄生损失
当然，本期我们聊到这里其实有一个点要跟大家分享，就是任何专利，量产之路上必然会有坎坷，也必然要经历严厉的挑战，之前我在云辇-Z的专利分享节目中，就给大家讲了一种看待技术的价值观，就是我们不能仅凭专利就把一个东西吹上天。那么本期我们也聊聊这个专利的理论缺陷。
首先，第一个缺点是齿轮，齿轮引入机械系统的寄生损失，除了和滑动轴承一样都会产生摩擦和热损失以外，还有额外的传动和结构刚性损失，从而降低效率，之前我在电驱动节目中就想说了，为什么大多数电驱动都会采用平行轴传动而不是行星齿轮减速器，就是因为齿轮效率的问题，前几天听说小米有一种新的技术可以把行星轮减速器的效率做到比平行轴还高，这个到时候我留意一下他们怎么做的。反正目前来看，对发动机来说，如果每个气缸都要加入两个这么大的齿轮，效率不会太高。并且这是从原理上直接可以看出来的，所以我认为这种设计，6冲程多压榨一次燃油带来的收益，得平衡掉齿轮寄生损失之后才有可能量产。
其实说到这，大家发现没有，压榨能量的手法，决定了你的燃料利用率。而现代汽车所谓“压榨”，主要过程发生在分子级别，是将燃油分子这样的碳氢化合物与氧气分子作用，打破分子内部的化学键，分子键的断裂和重组释放出热量和能量，将化学能转化为机械能。并不会到达分解成单个原子的程度。前几天我也是才看了奥本海默那个电影，我就想到，你说原子弹之所以那么厉害，是因为它的压榨都已经不是原子程度，而是深入到了原子核内了，所以为什么我们总是讲可控核能那么重要呢。当然扯远了，我们还是回到这台发动机。

缺点2 发动机动平衡很难
最后一个也是比较明显的挑战，就是六冲程发动机的各自循环位置一旦产生交错，由于冲程长度和发力点不均匀，发动机力矩或者平衡冲击问题也是不能忽略的，普通四缸的两上两下的自平衡，惯性力平衡，力矩用平衡轴就可以搞定，但这个模型的平衡轴估计要做的非常复杂，H6发动机应该还好，假设是1-6-2-4-3-5的点火顺序，对向活塞如果不能完全平衡彼此，可能借助于刚才我们讲到的，侧面喷油系统的帮助，可以一定程度上平衡振动力矩。
保时捷确实在专利中提到了这一点，称这种六冲程，最适合发动机气缸数是三的倍数。所以911都是H6的，大概率就是冲着它来的。所以我们在这里还是可以期待一下，解决这些难点之后，保时捷把这台发动机搭载在993.2上面。

结尾

老王记得，在2023年3月底，欧盟与德国达成了一项协议，规定在2035年后，只要使用电子燃料或环保的碳中和燃料，就可以销售和注册新的内燃机车。现在，这种燃料的生产进度我觉得是比较拉垮的，完全不足以维持这个协议，因为e-Fuel的生产非常贵，再加上人工成本不断走高以及不断闹事的工会，我甚至一度认为，主推新能源的中国产业链因为它的工业体系更加完善，反而是e-Fuel更合适的产地，像吉利前几天提出来的甲醇汽车，就是某种角度的清洁能源燃料。种种迹象表明，如果再不在内燃机本身上发力，德国可能会落后于这个时代，所以前一阵子保时捷总裁也说过， 对德国来说，失去内燃机，往往意味着德国重新回到落后贫穷的年代。
在意识到这一点之后，其实近期你会发现德国品牌都在做内燃机方面的资本回调，保时捷这个品牌的立身之本，就是911，而911的核心就是那台水平对置的六缸内燃机，所以从品牌调性来说，这台车必须拥有完全超脱于其他品牌的，最能够引领时代的发动机，才可以继续拉高品牌溢价率。因此，保时捷不断推出新的发动机专利，各种奇思妙想的出炉，本质上都是在为今后可能的品牌危机采取预防措施。
与许多专利一样，它可能永远不会面世，但你必须承认，利用几何维度的知识，将行星轮的偏心量转移到直线运动的活塞行程上，是一个很有启发性的想法，从发展的角度来看，这类专利是内燃机领域深度思考的标志。节目的最后，老王还是要告诉大家——内燃机不会死，他们只会在今后找到自己的更好的位置，完全放弃研发内燃机等同于自断臂膀。好了，这就是本期我们六冲程发动机的专利分析，希望大家喜欢这类节目！我是老王，下期见。