2015日本汽车工程学会:Post 2025年乘用车动力总成的主流?(日本整车厂篇)

丰田、日产、本田、马自达所思考的内燃机的未来技术

2015/06/30

概 要

    2015日本汽车工程学会(5月20-22日,于Pacifico横滨会展中心举办)的汽车技术春季研讨会上、以「Post 2025年乘用车动力总成的主流?」为题进行了产官学各方面的演讲。本次将就其中4家汽车整车厂的演讲内容进行介绍。
    以大气污染,地球温室效应的对应为背景、今后降低CO2排放的重要性将进一步提高,为此有必要构筑多样的应对手段。其中,作为动力总成未来的发展形态,4家公司均表示,虽然现在EV,PHV在增加,但内燃机依然不会被淘汰。因此,内燃机CO2的消减,在未来也将继续是必须要攻克的重要技术课题。在本次演讲中,整车厂就未来内燃机技术的发展方向进行了解说。
 
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围绕汽车的环境·能源问题将进一步扩大

環境エネルギー問題
资料:本田技术研究所

    以前都市的尾气对大气环境的污染曾一度成为问题,现在作为全球范围内的环境问题,对应CO2等使地球变暖的温室效应气体的措施正在实施。而且,可回收能源的对应成已为课题,可以预想,今后该问题将日益严重。

 

 



各国的油耗法规动向

各国の燃費法規動向
资料:本田技术研究所

    为了对应环境·能源问题,各国均在强化其油耗法规,降低CO2排放也成为了必须攻克的课题。现在的法规强化由欧洲率先实施,未来将要求在世界范围内也同样普及。针对乘用车的法规限值,欧洲把到2021年达到95g/km作为目标值。而且还提出了到2025年将达到68~78g/km的苛刻目标。

 

 



内燃机短期内不会被淘汰

    根据IEA的乘用车新车数量统计(下图),采用电动技术的汽车普及率今后将进一步提高,到2050年,绝大多数的车辆都将是借助电动技术驱动,纯粹只依靠内燃机行驶的汽车将只占全体的10%左右。但是,纯粹EV电动车,FCV的普及率到2050年也不满半数。HEV和P-HEV也将持续增加,这些车依然搭载着内燃机。换言之搭载内燃机的车辆到2050年仍将占半数以上。因此,短期内有必要继续降低内燃机的油耗。此次演讲的4家公司,在就汽车未来思考的同时,在这个前提条件上达成了共识。接下来,将就4家公司的对未来动力总成的思考进行介绍。

電動化車の将来比率予測
资料:日产汽车

 

 



丰田:未来汽车动力总成技术的开发方向

友田晃利氏 将来エンジンのキー技術
丰田汽车 零件中心 发动机领先设计部 部长 友田晃利先生 资料:丰田汽车

 

    丰田汽车零件中心发动机领先设计部部长,友田晃利先生,就“未来的汽车动力总成技术的开发方向”进行了演讲。

    丰田针对热效率的提升,燃料对应,行驶性能提升领域各自所面临的课题,提出把①稀薄燃烧、②可变压缩比、③改善燃料质量这3个核心技术,作为未来发动机的核心技术。

過給リーンバーンによる最高熱効率向上
资料:丰田汽车

      与现行的Prius冷却废气循环系统相比、通过大量冷却废气循环系统对自然吸气发动机的改良正在进行。而且,为了使热效率达到40%以上,促进燃烧,降低冷却损失以及、增压稀薄燃烧十分有效。通过搭配这些技术、已取得了最高热效率44%的试验结果。

可変圧縮比による効率向上
资料:丰田汽车

    可变压缩比是,结合实际情况切换低负荷与高负荷的压缩比至最佳值,以便扩大高效行驶区域。

  作为实现可变压缩比的手段,如图所示,有多连杆机构(戴姆勒),双活塞机构(本田),可伸长连杆(FEV)、可变压缩比缸盖(SAAB)等,丰田也尝试了多种创意。

    在燃料品质改善方面,丰田中央研究所在2011年发表了研究成果。在废气循环系统进行废气再循环时,在废气中添加燃料改善品质后送入燃烧室。由此加速燃烧提高热效率。     据友田先生称,2025年,发动机仍将是动力总成的主流。然后有必要各个根据区域顾客的需求,燃料状况来来提供动力总成,为此要求发动机能够提高最高热效率,扩大高热效率邻域,对应多种燃料等。丰田通过采用稀薄燃烧+燃烧控制,可变压缩比,改善燃料品质等方式,在提高热效率+对应多种燃料方面不断前进。  



日产:为了对应100年后的内燃机大战,现在应该做的事

平工良三氏
日产汽车 动力总成技术开发部 动力总成领先技术开发本部 联合团队经理 平工 良三氏

    日产汽车,动力总成技术开发部,动力总成领先技术开发本部,联合团队经理平工 良三先生以“为了对应100年后的内燃机大战,现在应该做的事”为题进行了演讲。虽然日产汽车方面认为EV虽然蕴含着成为未来汽车技术主流的可能性,但一下子全用EV取代还很困难,以内燃机为基础的动力总成的发展依然重要。

 

内燃機関の熱効率の進化
资料:日产汽车

    下一个100年,请设想一下如果内燃机将继续发展将会达到怎样的性能。上图显示了至今为止热效率是怎样提升的。从18世纪到19世纪,把热效率的变化用直线连接后可以发现图线倾斜较小提升并不明显。接下来把从18世纪后半开始,到现在的近50年为止的热效率变化用直线连接后,可以发现图线大幅倾斜向上。虽然预测有些大胆,如果照这个倾斜趋势,可以预想下一个100年也就是2100年的时候,可以期待热效率提升至60%。

内燃機関の熱効率が60%を達成している状態
资料:日产汽车

    当内燃机热效率达到60%时,根据压缩比和冷却损失可以得出如上图所示的热效率地图(图中不同颜色代表不同数值的热效率)。仅靠高压缩比无法大幅提升热效率,但是减少冷却损失与高压缩比同时搭配,则为热效率的提升带来可能性。 减少冷却损失的方法有,使用高灵敏隔热膜,隔热材料等。压缩比的革新方面,则为了使超稀薄燃烧状态下的混合气体能够充分燃烧,需将混合气体充分搅拌使之进行稀薄燃烧后不留余烬(含HCCI),还可采用添加氢元素,改善燃料品质,使用可变压缩比机构等方法。

 

ガソリン車の平均燃費推移 10-15モードを100km/Lで走るとは
资料:日产汽车 资料:日产汽车

    从汽油乘用车的平均油耗(10-15模式)的20年推移可以看出,年均提升2.5%。假设,按照这个速度提升,可以预测到2080年时,乘用车平均油耗将达到100km/L。     这里的100km/L这个数字究竟拥有怎样的意义,有多么惊人,下面将进行解说。在10-15模式(4.16km)下行驶时的燃料消耗为42cc。42cc的汽油所拥有的热量为1.5MJ。这只不过是使50kg铝升温30℃所需要的热量。也就是说在热能转化为动能之前,大部分热能用在了加热内燃机本身。这也意味着,将来,若要降低油耗,把暖气所耗费的热量减至最低也十分重要。

    平工先生就现在应该着手开发的技术做了整理。作为能够继续探究究极热效率的手段,通过开发高灵敏的隔热膜,隔热材料等技术来降低冷却损失。通过开发超稀薄燃耗(含HCCI),加氢,实现超高膨胀比的可变压缩机构的技术十分必要。另外,为了能彻底降低热容量,大量使用轻量材料开发新构造及新型的高轻度材料来实现轻量化。为了降低暖气所必要的热量,通过隔热材料以及隔热膜对燃烧室进行隔热处理,可变热传导率,可变指向性的材料开发,低温燃烧技术的开发也十分必要。

 



本田:内燃机技术开发的现状

松尾歩氏
本田技术研究所 四轮R&D中心 动力总成战略担当 执行委员 松尾歩先生

    本田技术研究所,四轮R&D中心的动力总成战略担当的执行委员松尾 步先生就“内燃机技术开发的现状”进行了演讲。

 

燃費向上の攻め所
资料:本田技術研究所

例举了4个降低油耗的技术难关,首先第一个是提升发动机的热效率。作为提升热效率的技术难关,体现在提高压缩比,回收多余热量,低温燃烧,隔热等方面。第二个是驱动系统的传动效率的提升和变速系统变速速比范围的扩大。第三个是行驶能量的降低。最后是电动化技术,HEV系统效率的提升以及一般车辆的减速能量回收。  

内燃機関進化の方向性
资料:本田技術研究所

    为了使油耗和行驶方面的性能得到提升,内燃机的发展方向在于分别提升热效率,回收多余热能和提升功率密度。稀薄燃烧和增压,以及使用了大量废气循环系统的稀释燃烧(将气缸内的混合气体充分搅拌使之燃烧)的技术将成为核心技术。本田通过融合了火花塞点火和预混合压缩点火燃烧的HLSI(超稀薄预混合燃烧) ,将达到通过低NOx稀薄燃烧提高热效率的目的。

軽量化が軽量化を生む
资料:本田技术研究所

    减小动力总成的尺寸,推进车体的轻量化,通过底盘零件的小型化以及合理布局将使车辆更轻。结果使得车辆变轻后动力总成的小型化又得以实行,如此便形成了轻量化的良性循环。     松尾先生表示,今后EV·FCV的销售比率将增加,针对电动化的技术开发也十分重要,电动领域,氢领域也同样存在着课题。因此,随着世界范围内汽车需求的增加,到2040年时搭载内燃机的汽车将继续增加,内燃机的发展将成为降低CO2排放的关键。

   

 



马自达:关于乘用车内燃机发展方向的构想

山本寿英氏
马自达 技术研究所 次世代动力源研究部门 部门统括研究长 山本寿英 先生

    马自达方面,技术研究所次时代动力源研究部门的部门统括研究长的 山本寿英 先生就“关于乘用车内燃机的方发展的构想”进行了演讲。

 

燃費改善
资料:马自达

    油耗改善即减少损耗。在改善热效率方面应该减少的是排气损失,冷却损失这两个大的要素。其他还有机械摩擦损失,泵损失。作为减少这些损失的可控因素,分别有,压缩比,比热容比,燃烧时间,燃烧时期,壁面热传递,吸排气工程压力差,机械摩擦这7个,所有的油耗改善技术都是基于这7个可控因素所组成的。    

    汽油发动机的第一阶段,SKYACTIV-G采用高压缩比,延迟关闭(mirror cycle) 以及减少机械摩擦来降低油耗。第二阶段,SKYACTIV-G采用更高的压缩比,稀薄燃烧HCCI,更低的机械摩擦来进一步改善油耗。柴油发动机的第一阶段SKYACTIV-D以及第二阶段SKYACTIV-D通过低压缩比,燃烧期间及燃烧时期的最佳化,以及通过减轻负荷来降低机械摩擦等方式进行改善。然后第三阶段,汽油和柴油将同样面临减少冷却损失的课题。就结果而言,汽油和柴油所发展的方向是一样的。  

    作为解释减低冷却损失现象的手段,正在就燃烧/传递连动,隔热壁的瞬间热流速,壁旁气体温度/流速测定等进行解析。除此之外,为了解释减低冷损现象还将通过解析分界层热传递,计算详细化学反应,多尺度分析来对导热面积,热传导率,气体温度,壁温的影响进行分析。

 

燃費改善 Well-to-Wheel CO2削減
资料:马自达 资料:马自达

    马自达相对于在第一阶段SKYACTIV及第二阶段SKYACTIV用高压缩比+稀薄燃烧的方式来改善油耗,第三阶段SKYACTIV则通过减少冷却损失来达到进一步大幅改善油耗的目的。

    SKYACTIV发动机的终极目标是,通过与车辆行驶工作量的减少相结合,达到相对于第一阶段降低约一半油耗的目的,Well-to-Wheel CO2的排放量将达到与EV同等的水平。

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