“革新燃烧技术”(2):内燃发动机的革新道路将走向何方?

更新ICE(内燃发动机)系列的丰田及戴姆勒、日产的e-Power

2016/12/22

概要

 各大整车厂以2050年为目标推进动力总成的更新活动。2021年的欧洲CO2法规、2018年严格化的美国ZEV法案、以及CAFÉ标准的新动向,为满足以上法规法案,实际行动已刻不容缓。

 丰田于2016年12月发布了新型4缸2.5L汽油发动机 (基于老款AR发动机更新:名为Dynamic Force Engine) 及新型动力总成。该发动机及动力总成将搭载于继普锐斯、C-HR之后的凯美瑞等第三批TNGA平台车型上。新型发动机分为HEV版及标准版2种,2种发动机性能有所不同。HEV版的最大热效率为41%、比功率52kW/L (71ps/L);标准版的最大热效率为40%、比功率60kW/L (82ps/L)。比起老款,燃效性能及功率均有提升。FF 8速及FR 10速AT变速箱也在全新开发中。HEV会继续采用THS-Ⅱ,但新开发了变速差速器、电源控制器模块等。据发布,至2021年计划向全球投放19种共计37款产品。

 戴姆勒于2016年5月宣布,投资30亿欧元 (约3450亿日元) 开发费,用于汽油、柴油4、6、8缸模块化设计的新发动机系列的开发工作。

 另一方面,日产首次将串联式混合动力系统应用于Note,成功改善了BEV (纯电动车) 续航里程与充电时间的问题。其11月的日本国内销量时隔30年再次获得第一。本文将报告丰田——宣布至2050年将所有车型电动化,及戴姆勒——在巴黎车展宣布着重BEV的开发,等各公司动力总成的最新情况。

(トヨタ資料: 2.5L Dynamic Force Engine)
(丰田资料: 2.5L Dynamic Force Engine)
(Daimler資料:新型2.0Lガソリンエンジン)
(戴姆勒资料:新型2.0L汽油发动机)



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丰田的动力总成更新计划:至2021年投放全19种共计37款产品

(丰田宣传资料)

 丰田于2016年12月宣布,至2021年完成全19种共计37款“基于TNGA理念的新型动力总成”的开发,并将其投放全球市场。丰田计划全面提升发动机/变速箱/HV系统的效率,并将其最优化。



(丰田宣传资料)

 如此,至2021年基于TNGA动力总成的车辆将占丰田总销量 (日、美、欧、中的60%以上,CO2排放预计比2015年减少15%以上。



(丰田宣传资料)



发动机:大型、中型、小型发动机的模块开发

(丰田宣传资料)

 丰田以往采用按机种更新发动机的方式,但TNGA的理念为,对核心技术进行模块设计,将“统一的构造及核心技术”分别应用于小型发动机、中型发动机及大型发动机。其结果,发动机机种的种类约可减少40%。丰田Dynamic Force Engine系列的模块技术包括,①长冲程(冲程距离大于气缸内径)②增大气门夹角③强化滚流④高速燃烧等。

 用丰田中研开发的独有工艺制造的激光熔覆气门座可有效地将热量从气门伞部传导至气缸盖水套内,相较于以往“气门座压入气缸盖喷油口”的结构,不仅能更有效地对气门伞部进行冷却,而且可扩大气缸内径。配合大气门夹角,提高滚流,有助于实现高速燃烧。结合高喷油压力(~300kPa)等,实现了标准发动机40%、HEV版发动机41%的最高热效率。

 备注) 激光熔覆气门座工艺为,将气门座材料粉末喷向喷油口的同时用激光使其凝固在喷油口,是丰田独有的工艺

(丰田宣传资料)



2.5L 发动机 (Dynamic Force Engine) 主要规格

气缸配置 发动机
型号
排量
(CC)
燃料种类 增压器 压缩比 内径(mm)
x冲程
孔距
(mm)
S/B
配套车辆 主要应用技术 外观
L4 标准版

符合尾气排放标准
LEVⅢ(SULEV30)
2,487 G
(汽油)
13

功率
(151kW/
6600rpm)

扭矩
(250Nm/
4800rpm)

热效率
达40%
87.5x103.54 NA 1.2 凯美瑞等 ・大气门夹角(41度)
+
滚流喷油口
・激光熔覆气门座
(全球首例)
・高压缩比(13及14)
・高能量点火线圈
・新D4-S
・多孔直喷喷油嘴(300kPa)
・电动水泵
・电子控制节温器
・连续可变容量油泵
(全球首例)
・电气式可变气门正时控制(进气)
・油压式可变气门正时控制(排气)
・凹轮
・小型油压间隙调节器
・高响应进气控制
・内置EGR冷却器气缸盖
・后侧排气
・活塞机油喷嘴
(トヨタ広報資料)
HV

符合尾气排放标准
LEVⅢ(SULEV30)
14

功率
(130kW/
5700rpm)

扭矩
(220Nm/
3600-5200rpm)

热效率
达41%
(トヨタ広報資料)

(MarkLines基于丰田宣传资料制作)



变速箱:FF/FR多速化与小型化并存

FF变速箱由以往的6速AT增加至8速。


性能方面

①以高效率及低燃耗为目标,实现全球顶级的传动性。
②追求高响应性,指向精准,实现油门操作灵敏反馈的舒适驾驶性能。
③齿轮结构,全新设计的液力变矩器,全长缩短5mm的紧凑型设计。

技术应用方面


①使用低损耗摩擦材,降低离合器摩擦阻力,减少扭矩损失(50%)。
②开发高性能小型液力变矩器,提高锁止装置的使用率(提高30%)实现灵敏换挡感受,获得平滑的变速性能。

(トヨタ広報資料)
(丰田宣传资料)



FR变速箱也由以往的8速AT增加至10速。虽然福特、奥迪均有使用10速变速箱,但这是日系汽车的首次尝试。

追求符合FR豪华车的“舒适行驶体验”。交叉速比及全球最快级别的变速孕育了富有韵律的舒适行驶体验。油门操作反馈灵敏,不带任何延迟。
单元非常紧凑,变速箱尺寸不超过以往的8速变速箱。


重新设计了1速至10速所有齿轮比,使“快速且无顿挫感的灵敏变速及高速响应的油门操作成为可能,带来舒适的行驶体验。”
(トヨタ広報資料)
(丰田宣传资料)



THSⅡ(2.5L发动机混合动力系统):基于FF混合动力系统改良

 重新设计FF2.5L混合动力系统的动力控制单元、变速差速器及电池系统等,以达到提升以往2.5L混合动力组件的效果。

(丰田宣传资料)



 2.5L新型变速差速器通过平行排列的减速齿轮降低损耗。同时,通过双轴结构双电机来缩短长度。相较于以往的2.5L发动机,长度缩短30mm。

(丰田宣传资料)



 动力控制单元较老款相比体型缩小10%,与普锐斯相同,可搭载于变速差速器的正上方。

(丰田宣传资料)



 改良后的电池组结构及小型化的冷却系统,成功实现了电池的小型化 (体积比以往缩小11%)。

(丰田宣传资料)





Multi-stage THSⅡ (FR发动机混合动力系统):追求快速响应及灵敏性

FR车型混合动力系统称为“Multi-stage THSⅡ”,与10速AT组合开发,以V6-3.5L实现了超过V8-5L的迅猛驱动力,且加速响应敏捷。
与以往产品相比,可通过追加“多级变速箱”扩大发动机所对应的车速范围。多级变速箱可同时提升发动机扭矩与电机扭矩。发动机最高转速从6000rpm提升至6600rpm。
(トヨタ広報資料)
(丰田宣传资料)


戴姆勒的发动机更新计划:投资30亿欧元开发5款新发动机

 戴姆勒是最早宣布更新ICE系列的欧洲整车厂。投资开发费为30亿欧元,用以5款新发动机 (L4、L6、V8) 的开发工作。一度停产的L6发动机再次出现。戴姆勒于2016年春季投放了新型4缸2.0L柴油发动机 (为E-Class配套),并计划于2017年投放新型4缸2.0L汽油发动机及6缸3.0L汽油、柴油发动机及V型8缸4.0L汽油发动机,以满足RDE (道路排放实验) 及2021年后更为严格的CO2规定。

 新发动机系列采用模块化设计,孔距统一为90mm,平均每个气缸排量为500cc左右,长冲程设计,冲程内径比达1.1水平。新发动机系列融合了欧洲的工艺技术及电动化技术。在欧洲,不仅RDE等柴油车的排气规定更为严格,而且新追加了汽油车颗粒限制规定,所以GPF (Gasoline Particulate Filter:汽油颗粒过滤器) 也在量产车上首次应用。

【戴姆勒新发动机主要参数】

气缸配置 发动机 型号 排量
(CC)
燃料
种类
增压器 压缩比 内径(mm) x冲程 孔距
(mm)
S/B
搭载车辆 主要应用技术 外观
L4 OM654 1,950 D
(柴油)
涡轮 15.5 82x92.3 90 1.12 E220d ・铝制缸体+铁质活塞
・DPF (柴油颗粒过滤器)
・共轨喷油嘴 (250Mpa)
・压电式喷嘴
・Camtronic  (可变气门升程)
・二级涡轮
・高压EGR+低压EGR
・水冷中冷器
・偏心曲轴
 
L4 M264 2,000 G
(汽油)
双涡流涡轮 NA 83x92.4 1.11 NA

100kW/L高功率
・BSA (皮带驱动式起动机/发电机)
・BSA具备混合动力功能
・GPF (汽油颗粒过滤器)
・无气缸衬垫
・共轨喷油嘴
・压电式喷嘴
・Camtronic (可变气门升程)
・48V
 
L6 M256 2,999 G 涡轮+电动压缩机
 (消除涡轮迟滞)
10.5 83x92.4 1.11 2017年,新款S级 ・电动压缩机
 (无辅机皮带)
・GPF (汽油颗粒过滤器)
・无气缸衬垫
・共轨喷油嘴
・压电式喷嘴
・Camtronic  (可变气门升程)
・48V
・ISG (起动机发电机一体化技术)
 
L6 OM656 2,927 D 涡轮 15.5 82x92.4 1.13 NA

燃耗比老款改善约7%

・铝制缸体+铁质活塞
・DPF (柴油颗粒过滤器)
・共轨喷油嘴 (250Mpa)
・压电式喷嘴

・Camtronic  (可变气门升程)
・二级涡轮
・高压EGR+低压EGR
・水冷中冷器
 
V8 M176 3,982 G 双涡轮 10.5 83x92 1.1 2017年,新款S级
・GPF (汽油颗粒过滤器)
・无气缸衬垫
・共轨喷油嘴
・压电式喷嘴
・Camtronic  (可变气门升程气缸可停止
・48V
・BSA (皮带驱动式起动机/发电机
 

(MarkLines基于戴姆勒宣传资料汇总)



日产的e-Power:开发首款国产串联混合动力系统

 日产汽车于2016年11月发售了搭载首款国产串联混合动力系统的车型——Note。该系统开发具有以下四个目的。


  ①实现电机独有的强劲动力与舒适行驶体验
  ②实现两个级别以上车型的高度静谧性
  ③轻松有趣、崭新的驾驶操作
  ④实现顶级燃耗性能

1.2L3缸发动机用于充电,仅靠电机来行驶。通过在聆风上培养的电机控制技术实现动力强劲舒适的加速性能。起步加速及中途加速性能可凌驾跑车。无论起步时还是市内行驶时,发动机声音都控制到最小。实现S型JC08工况下,燃耗37.2km/L的效果。此外,油门控制可完成减速操作,踩刹车的次数可减少7成。
(日産広報資料)
(日产宣传资料)

【Note的动力总成 (e-Power)

Drive
system
e-Motor Power 80kW
e-Motor Torque 254Nm
Generating
system
Generator
Power
55kW
ICE Type Gasoline L3
ICE 
Displacement
1.2L
Battery Battery Type Li-ion
Capacity 1.47kWh

(MarkLines基于日产宣传资料制作)



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关键词
ICEV、TNGA、电动化

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