盡管汽車發(fā)明至今已經(jīng)走過了130多年的歷史，汽車也早已融入了我們的生活。但作為核心之一的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以說無(wú)論在哪個(gè)時(shí)代，都是這個(gè)時(shí)代當(dāng)之無(wú)愧的“黑科技”。它是民用科技領(lǐng)域的集大成者，也因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而成為極少數(shù)國(guó)家和企業(yè)能夠開發(fā)的一種技術(shù)。

汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)就像柴米油鹽一樣，不可缺少也稀松平常，看似沒有什么黑科技的感覺。不過黑科技這個(gè)詞用得多，可真正“黑”的科技又應(yīng)該是什么樣的呢？

AI技術(shù)應(yīng)該是比較被認(rèn)可的夠“黑”的科技了，本文將從人工智能和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程、技術(shù)的復(fù)雜程度兩個(gè)方面展開對(duì)比，看看在AI面前發(fā)動(dòng)機(jī)是否不堪一擊。

下面故事開講，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的故事：

1950年下面這位被稱為“人工智能之父”的帥哥艾倫·圖靈提出了人工智能的概念。

隨后人工智能行業(yè)幾經(jīng)沉浮，經(jīng)歷了3次高潮和2次低谷。第一次高潮在20世紀(jì)50-70年代。

在這期間，斯坦福國(guó)際研究所研制的了機(jī)器人Shakey，裝配電視攝像機(jī)等傳感器，并通過無(wú)線通訊系統(tǒng)由二臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)。

從外觀上，Shakey也建立了現(xiàn)代人類對(duì)機(jī)器人形象的認(rèn)知，不管是實(shí)際使用的巡檢機(jī)器人還是電影作品里的瓦力，都能看到Shakey的影子。下圖分別是Shakey、京東巡檢機(jī)器人和《機(jī)器人瓦力》的主角Wall-E。

但是由于硬件條件制約，Shakey的運(yùn)行速度相當(dāng)緩慢，經(jīng)常需要數(shù)小時(shí)時(shí)間進(jìn)行環(huán)境感知并進(jìn)行路徑規(guī)劃。因此20世紀(jì)70年代人工智能行業(yè)陷入了第1次低谷。

從20世紀(jì)80年代到90年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展人工智能又迎來了一波春天但很快又進(jìn)入了AI之冬，來得快去得更快。

直到1993年后特別是2015年以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能才迎來了第3次高潮，接下來的一些事情比如AlphaGo大戰(zhàn)李世石就不贅述了。

時(shí)間倒回到19世紀(jì)中葉，在轟轟烈烈的第二次工業(yè)革命大潮中點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)被發(fā)明。但當(dāng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)還很稚嫩，1886年奔馳1號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率只有0.89匹馬力，只能將車子推動(dòng)16km/h的最高速度。隨后70年間，發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升，下表列出了幾款車型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。

1967年德國(guó)Bosch發(fā)明了世界上第一款汽油機(jī)電控系統(tǒng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)帶入到了電控年代。自此之后特別是進(jìn)入21世紀(jì)后各種各樣的發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)紛紛出現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣、正時(shí)、點(diǎn)火、冷卻、啟動(dòng)系統(tǒng)全面進(jìn)入了電控時(shí)代。目前市場(chǎng)上大多數(shù)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)升功率都達(dá)到了80hp/L，而增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更達(dá)到100~120hp/L，相比130年前提高了100倍。

綜上所述人工智能的發(fā)展用了接近50年才從Shakey的接近植物的移動(dòng)速度到現(xiàn)在滿屋跑的掃地機(jī)器人，像深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域廣泛使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法其實(shí)在幾十年前就已經(jīng)有了。

發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也是如此，從奔馳1號(hào)到現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率提升了100倍，同時(shí)由于環(huán)保法規(guī)的升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物也大幅減少。

下圖是國(guó)I到國(guó)IV階段污染物降低幅度，2015年國(guó)V法規(guī)全面實(shí)施后又增加了對(duì)NMHC(非甲烷碳?xì)?和PN(發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物)的限制值，現(xiàn)在汽車的污染物水平僅僅是20年前的10%不到。

人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，再深層次其實(shí)就是數(shù)學(xué)啦，你看工程師的發(fā)際線就知道這行有多燒腦了。

人工智能是通過數(shù)學(xué)模型對(duì)事件進(jìn)行描述并進(jìn)行決策和執(zhí)行的，舉個(gè)栗子：

小馬要過河，卻不知道河有多深，老牛說河水很淺，松鼠說河水很深，小馬不知道如何是好。但如果有人工智能加持，小馬就可以先找老牛、松鼠、狗熊、兔子、青蛙以及其他動(dòng)物詢問他們的看法然后根據(jù)他們的說法以及小馬和這些動(dòng)物體型上的差異判斷出水不會(huì)沒過自己，然后小馬就可以勇敢地過河了。

人工智能實(shí)質(zhì)上是通過不同的數(shù)學(xué)模型事先對(duì)事物進(jìn)行歸納并總結(jié)成規(guī)律，在實(shí)際操作中將感知到的信息整理歸納并和之前的模型進(jìn)行對(duì)比通過評(píng)價(jià)模型進(jìn)行判斷，然后再根據(jù)決策模型進(jìn)行決策控制并輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

這樣人工智能在訓(xùn)練準(zhǔn)確的情況下就可以搞定小馬過河這種有成功經(jīng)驗(yàn)(即深度學(xué)習(xí))或者成功標(biāo)準(zhǔn)(即強(qiáng)化學(xué)習(xí)) 但是自己沒有做過的問題了。

下面的圖中是機(jī)器學(xué)習(xí)常用的算法：

1.經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)很難覆蓋所有情況，就像故事中小馬并沒有能問到另一匹小馬是如何過河的;

2.感知到的信息未必都是真值，總有一些噪音(錯(cuò)誤的信息)需要濾除掉，這就相當(dāng)于故事中各種小動(dòng)物跟小馬說的話都夾雜了自己對(duì)河水深淺的理解而并非是真是的情況；

3.多種感知信息的融合和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)小馬過河的故事里不存在，但是大家生活中就會(huì)經(jīng)常遇到比如走在路上時(shí)大腦會(huì)根據(jù)后面汽車的燈光和聲音綜合判斷后面的車離自己有多遠(yuǎn)，需要閃到什么地方才能躲開車或者回頭看一下再確定車到底在哪。

發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)技術(shù)主要是有效組織發(fā)動(dòng)機(jī)更好地工作，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作的核心則是燃燒系統(tǒng)，其余系統(tǒng)都是圍繞讓發(fā)動(dòng)機(jī)更好燃燒而設(shè)計(jì)。

以汽油機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒涉及到新鮮空氣進(jìn)氣量控制、氣流的組織、點(diǎn)火時(shí)刻的控制以及排氣的控制。因此發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)分別涉及到了熱物理、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)等。下圖說明了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程：

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程比較好了解，但是如何提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率就的的確確是件挺有難度的事情了。在實(shí)際研究過程中普遍使用仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)模擬的復(fù)雜程度其實(shí)是很難想象的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)存在不穩(wěn)定的湍流，因此導(dǎo)致需要通過各種湍流模型來近似描述氣流的運(yùn)動(dòng)。

我能想到的最簡(jiǎn)單地說明湍流模擬復(fù)雜的例子就是對(duì)算力的要求了，通常會(huì)使用刀片服務(wù)器做計(jì)算，而沒有服務(wù)器的話只能靠時(shí)間的力量了。

一個(gè)6缸發(fā)動(dòng)機(jī)60ms內(nèi)油軌內(nèi)部燃油脈動(dòng)的仿真我曾經(jīng)算了1天1夜也就是2,073,600s，單缸的燃燒分析則需要更久的時(shí)間。相比之下即使現(xiàn)在對(duì)算力要求比較高的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，計(jì)算的時(shí)間也都在亞秒級(jí)，相比之下差了大概1億倍的時(shí)間。

相比之下發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究也不怎么讓人省心，定容燃燒彈和光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)都身價(jià)不菲，主機(jī)廠的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和測(cè)試臺(tái)架更是動(dòng)輒幾十上百個(gè)。燒不起研發(fā)費(fèi)用也是為什么之前沒人敢輕易涉足發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的原因之一了。

定容燃燒彈

光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)

但即使經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)室的理論研究過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的在工程階段的開發(fā)也仍然有很多難點(diǎn)。

正如湍流的不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)也存在隨機(jī)的變化稱為循環(huán)變動(dòng)，而同一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)之間也存在或多或少的個(gè)體差異。但受限于排放、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性以及振動(dòng)噪音的制約，發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)的工作一致性必須保證在一定的范圍內(nèi)。用固定的模型控制隨機(jī)的變化，Are you kidding me？

不要緊，偉大的汽車工程師們發(fā)明了不少方法來解決這些問題，大概5000頁(yè)的function說明書就可以讓一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)乖乖聽話了，比如充氣模型、排溫模型、噴油map、點(diǎn)火map、踏板特性、低水溫修正、高水溫修正、冷啟動(dòng)補(bǔ)償、空調(diào)補(bǔ)償、發(fā)電機(jī)補(bǔ)償……經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定后發(fā)動(dòng)機(jī)控制模型的準(zhǔn)確度通常高達(dá)98%-99%。

另一方面，由于發(fā)動(dòng)機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000rpm/min以上，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的控制速度要求極高。

比如一款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為了達(dá)到很好的效果需要在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)進(jìn)行多達(dá)5次噴油操作，而總共的持續(xù)時(shí)間也只有1ms左右，同時(shí)還要控制燃油按照不同的噴射量。發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴應(yīng)該也算是全世界最快的嘴了吧。

可以發(fā)現(xiàn)，AI和發(fā)動(dòng)機(jī)都離不開各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)涉及到的學(xué)科范圍甚至更廣，花費(fèi)的資源也更多，如果以高深莫測(cè)作為黑科技的判斷指標(biāo)之一的話，發(fā)動(dòng)機(jī)顯然是符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的，當(dāng)然AI也一樣符合。

其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)雖已是一個(gè)多世紀(jì)之前的產(chǎn)物，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)也早已經(jīng)不是之前的樣子了，變化一直發(fā)生在看得見和看不見的地方。

其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)本身就是黑科技了，而且還在不停進(jìn)化。

只有大約1個(gè)胖子的體重，喝相當(dāng)于5瓶大可樂的汽油，就可以推著1噸多重的汽車以超過100km/h的速度狂飆100km，而且還能保持穩(wěn)定，超過100,000km都幾乎不需要維修。

汽油機(jī)可控預(yù)混壓燃技術(shù)(SPCCI)：馬自達(dá)家的獨(dú)創(chuàng)科技，19年的二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動(dòng)機(jī)上就要搭載了，結(jié)合了汽油機(jī)和柴油機(jī)的工作方式，利用火花塞控制氣缸內(nèi)的壓力從而實(shí)現(xiàn)類似柴油機(jī)一樣的燃燒方式，在某些工況下熱效率高達(dá)50%，要知道以高效著稱的豐田也只能做到41%，而普通發(fā)動(dòng)機(jī)只有38%左右。50%的熱效率可以說是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的進(jìn)步了。這也是汽油機(jī)壓燃技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展首次應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中。

混合噴射技術(shù)：在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)特別是直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多的今天，低速、低負(fù)荷情況下由于新鮮空氣滾流強(qiáng)度較差會(huì)導(dǎo)致汽油和空氣的混合較差，非常容易出現(xiàn)積碳，這里就要點(diǎn)名下本田的地球夢(mèng)了，雖然性能出色但是積碳問題卻是老大難。為了解決這個(gè)問題豐田在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了雙噴射系統(tǒng)，即部分工況下使用進(jìn)氣道噴射部分工況下使用缸內(nèi)直噴，這樣就很大程度上避免了積碳的問題。

可變氣門技術(shù)：通過改變氣門的正時(shí)或者升程更好地組織缸內(nèi)的氣流，在這方面很多主機(jī)廠都有解決方案，最著名的要數(shù)寶馬的Valvetronic了。

柴油機(jī)高壓共軌技術(shù)：噴油系統(tǒng)壓力高達(dá)2000bar，相當(dāng)于20000米深海底的壓力，大約有2個(gè)馬里亞納海溝那么深，可以幫助歐洲的轎車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)升功率接近汽油發(fā)動(dòng)機(jī)水平。

另外，奔馳新的M264 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)配48V中混系統(tǒng)以及奧迪新A8L的3.0T+48V系統(tǒng)、豐田的40%熱效率2.5L自吸發(fā)動(dòng)機(jī)都是現(xiàn)在最先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

發(fā)動(dòng)機(jī)是性能、可靠性、成本的統(tǒng)一，自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)除了有一些關(guān)鍵技術(shù)受外國(guó)供應(yīng)商比如大BOSCH等廠商制約外，自主設(shè)計(jì)積淀不足固然是一方面重要的原因，但在10萬(wàn)左右的市場(chǎng)拼殺成本也是關(guān)鍵因素，雙VVT、VVL、電子機(jī)油泵、雙噴射等技術(shù)的成本也注定自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)不能打包都用上。

而加工方面自主品牌和國(guó)際先進(jìn)品牌已無(wú)太大區(qū)別，曾有奔馳高層參觀某自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線評(píng)價(jià)自主品牌發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)和奔馳德國(guó)工廠沒什么差別了。

另外，除了奔馳寶馬豐田等少數(shù)廠家以外，其他國(guó)外廠家的發(fā)動(dòng)機(jī)也并非全無(wú)缺點(diǎn)，通用的2.0T雖然性能高但油耗也不低、奧迪和大眾的燒機(jī)油早已名聞遐邇、本田地球夢(mèng)的積碳也有點(diǎn)惱人……

正如奔馳那句經(jīng)典的廣告語(yǔ)：The Best or Nothing，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也是如此，只有最好的發(fā)動(dòng)機(jī)才能在各方面都傲視群雄，其他人只能仰視王者。

自主品牌不需要做到最好但是希望自主品牌能設(shè)計(jì)出最合適中國(guó)消費(fèi)者的發(fā)動(dòng)機(jī)。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作過程&發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸布置形式

冷卻系統(tǒng)工作過程

排氣系統(tǒng)工作過程

電氣系統(tǒng)工作過程

燃油系統(tǒng)工作過程

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