新一代发动机的开发

马自达特色,永无止境的改进

2016/02/23

概 要

摘自马自达资料
(摘自马自达资料)

 自2016年1月13日起的3天内,在东京有明国际展览中心举办了第8届2016汽车电子零部件展。在展会中,比去年增加了145家公司,共有781家公司展示了汽车用零部件等。同时,也多次举办了各种专业研讨会及纪念演讲,针对汽车的轻量化、设计款式、电动化、发动机技术及传感器技术等主题进行了研讨。本报告将围绕“新一代发动机的开发,永无止境的改进”(Auto-7)这一主题的内容阐述内燃机未来的动向。


 2020年以后有关方面也预测汽车内燃机将继续改进,将继续在欧洲、美国、中国、日本等地投入使用。为了防止地球温室效应,减少汽车的二氧化碳排放量,灵活运用热效率较高的柴油发动机及其尾气排放处理课题、排气试验模式与实际行驶问题、HCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition:均质压燃)能否真正实现?日本美国欧洲等不同的混合动力车和电动化趋势、最终实现的FCV(燃料电池车)等围绕汽车内燃机的课题将会永无止境地研讨下去。

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内燃机的改进

 2025年以后包括用于混合动力车方面等的乘用车发动机将继续改进。今后内燃机必定成为主要的动力来源。主要是汽油发动机在直喷与增压方面会有改进。柴油机也在不断改进,大约保持与2015年时相同的数量。

AVL资料AVL资料 (AVL资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 

 



中日欧美等不同的混合动力车和电动化

AVL资料 (AVL资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 混合动力系统将在2025年有所增加,在日本约为乘用车产量的50%、在中国和美国约占15%,在欧洲约30%。各地区的产量在日本约500万辆(1/2完全混合动力)、欧洲约400万辆(3/4轻度混合动力)、美国约300万辆(2/3完全混合动力)、中国约800万辆(3/4轻度混合动力)。轻度混合动力系统的主流电源电压除了日本以外预计为48V。

 

 



马自达的做法

 马自达正积极推进创驰蓝天(SKYACTIV)第2代、第3代的研究。当欧洲阵营正在对小型涡轮增压进行改进时,马自达却坚持走自己的路线。原则上马自达不采用电动化及小型涡轮增压系统。其理由为实际油耗已超标且产品成本较高。压缩比从目前的14升高至20~30,通过均质稀薄燃烧等可计算出有50%可能性的热效率。创驰蓝天的改进方向为:①在不装涡轮的前提下增大排量②进一步提高压缩比③均质稀薄燃烧④气缸停止(低负载区域)⑤降低冷却损失。

 在“新一代发动机的开发,永无止境的改进”研讨会中,马自达(株)常务营运总监人见光夫先生提出了个人意见:

●虽然目前世界主流是小型化增压,但马自达也试着在不减少排量、无增压的前提下实现高压缩比(当然会增加排量)

●在德国年平均驾驶距离范围内,4L汽车(油耗4L/100km的车)排出的二氧化碳量几乎与纯电动车的Well to Wheel二氧化碳生成量(发电时)相同,随着纯电动车的增加,也应改善搭载内燃机汽车的油耗情况。

●PHEV的理论油耗较合理,但与实际行驶油耗之间存在较大差异。

●目前还有很多国家根据排量大小而制定减免税政策。

 

与标准油耗间的差异(在排量大的前提下增加压缩比而实现轻负载驾驶是较为合理的方法)

根据马自达资料由MarkLines制作 (根据马自达资料由MarkLines制作)  从欧洲标准油耗与实际油耗(ADAC ECO test油耗)的相关图来看,小型涡轮车背离标准油耗线15-20%。混合动力车等电动车的背离率为15-45%,呈增大趋势。马自达的SKYACTIV-G(2.0L)背离率较小。这是由于小型涡轮车及混合动力车等电动车在进行试验模式认证时,使用的是性能良好的发动机和电机,但在一般行驶时车速会变快,油耗率会变高。

 

实际油耗的目标值(目标为改善30%)

实际油耗的目标值 (摘自马自达资料)  汽油车油耗如果能降低25%左右的话,Well to wheel二氧化碳的生成量就与纯电动车相同。实际上,在马自达1.3L汽油车实验结果中,得出了与纯电动车相比,如能降低26%就很不错的结论。也就是朝30%的目标努力改进。

 

热效率的改善

热效率的改善 (摘自马自达资料)

 

 目前创驰蓝天计划缩短燃烧时间,把空燃比压缩至4,把压缩比控制在20~30之间,如果能使壁冷却损失减半的话,在模拟试验中热效率可改善至50%。

 

【改善热效率的方式】

轻负载:2000rpm-IMEP290kPa

现状 步骤 1 2 3 4
燃烧时间 汽油 75deg 30deg
柴油 40deg
图示比热比 汽油 λ=1均质 ← ← λ=4均質
柴油 λ=2.8分层 λ=2.8均质
压缩比 汽油 14 ← ← ← ← 20 30
柴油
壁冷却损失 汽油 基准 ← ← ← ← ← ← 0.5*GE
柴油
进气门 关闭时间 汽油 93deg下死点后 ← ← ← ← ← ← ← ←
柴油 36deg下死点后

(马自达资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 

摘自马自达资料 (摘自马自达资料)

 

 小型涡轮在低负载时的油耗较合理,但在高负载时就无法满足排量大的需求。

 

(1500rpm 95RON)
对于排气量的研究

 

 以目前2L的创驰蓝天为基准进行改进的话,小型化将不利于未来的均质稀薄燃烧高压缩比的改进。不如以更大排量保证广泛的稀薄燃烧区域比较好。

 

【对于排量的研究】
增压小型化 发动机 1L or 1.4L 标准大排量 2L 更大排量 2.5L
输出性能 同样
效率 最差 窄小稀薄区域 基准 最佳 广大稀薄区域
NOx 最大 最高负载驾驶 基准 最低 最轻负载驾驶
成本较低时 最高 涡轮增压 昂贵的后处理 基准 最低 最轻负载驾驶 廉价的后处理
(马自达资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 

 



AVL的预测(AVL List GmbH Powertrain Systems Passenger Cars:高级副总裁G Fraidl博士)

AVL资料 (AVL资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 由大众柴油机排气问题引发的在欧洲实际行驶(RDE:Real Driving Emission)时的尾气排放法规正成为政治性问题。实际上,通过认证试验的汽车在实际行驶时,NOx(氮氧化物)值会增大。这主要是由于认证试验的试验温度和行驶模式的不同而引起的,而在欧洲RDE规定计划在2018年左右导入。

 上述图表中的红点为柴油车的NOx CF值(ConformityFactor=适合系数=RDE值/认证试验值),从6开始增大至20。一部分汽油车(蓝点)中也有数值为12的车。在欧洲由于实施了认证试验模式变更(更新款车速更快)与RDE适用(实际行驶时的废气测量)措施,因此多数情况下采用油耗较合理的发动机(吸引人之处=2000rpm近旁的轻负载驾驶区域),同时也必须实施电机等高速运转时辅助不足部分的动力总成的“电动化”(混合动力及辅助机械类的电动化)和“优化发动机排量”。

 AVL预测2020年以后的汽油发动机的主流技术如下:

(燃烧系统):直喷理论空燃比运转、阿特金森循环、米勒循环为主流、         HCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition:均质压燃)处于不透明状态 (空气管理):可变气门、气缸停止、冷却EGR (增压系统):固定几何涡轮增压 (后处理):汽油机用GPF(Gasoline Particulate Filter:汽油机微粒过滤器)

 

AVL资料 (AVL资料:摘自2016汽车电子零部件展研讨会auto-7)

 

 



永无止境的改进

 2020年以后汽车内燃机也将继续改进。因大众尾气排放作弊事件,欧洲整车厂在电动化市场扩大方面扮演了掌舵人角色,最初的热效率较高的柴油发动机不会在市场上消失。其排气处理课题将联合工业、政府及学术界一起展开一体化研究。欧洲在产业与学术的结合方面已有悠久的历史,日本在2014年也成立了AICE(后面将提到),期待它能进一步推动研究。但HCCI真的能实现吗?马自达30压缩比的世界只是一种模拟试验,虽然有一定的可行性,但何时能正式投入使用?我们将拭目以待。

关于AICE

 在经济产业省的支持下,以欧洲的产业学术政府联盟为榜样,在日本于2014年设立了有关内燃机的产业学术政府结合的体制。有关内燃机的产业学术政府联盟在欧洲已有悠久的历史。在欧洲有以德国整车厂与亚琛工业大学为首的广大范围的联盟,产业学术界可共享其研究成果。

 

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