电动车的扩大与ICE (内燃机车) 的改善情况 (一)
到2030年,内燃机将进一步革新,热效率将达到45%及以上
2017/07/06
概要
2017年5月,迎来成立70周年的日本汽车技术会主办的“日本汽车工程学会 横滨”举办了各类论坛。其中,名为《2030年乘用车动力总成的世界》的论坛针对汽油发动机的革新情况开展了讨论。产官学各方在该论坛过去2年后的今天,针对内燃机的开发进展情况开展了讨论。
依次由丰田汽车、本田技术研究所、日产汽车、马自达、博世、AVL List、早稻田大学、日本科学技术振兴机构进行演讲,演讲结束后,还举行了专题讨论会。实现45%的有效热效率迫在眉睫,从“下一个技术”是什么的角度实施了专题讨论会。
丰田将普锐斯、C-HR、凯美瑞等车型上已经实现41%及以上热效率的汽油发动机搭载至HEV,在全球采用丰巢TNGA平台,扩大新动力总成的产品线。利用本田名为i-CVCC的副室快速燃烧系统,虽然只有单汽缸,仍实现45.2%的有效热效率。日产汽车通过采用VC-Turbo,实现高压缩比18.0,毫无压力地实现长冲程。马自达介绍了创驰蓝天的Step-3通过隔热降低冷却损耗的研究情况。早稻田大学的报告称,日本国土交通省将2020年度JC08标准下企业平均燃效目标定在20.3 km/L,但汽油内燃机的有效热效率有望提高至50.35%,还有改善的余地。本报告将介绍丰田、本田、日产、马自达的内燃机的创新情况。
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“2030年乘用车动力总成的世界”专题讨论会 | 为NSX配套,实现66Hz固有频率的铝焊接骨架 |
(MarkLines拍摄于日本汽车工程学会) |
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迎来电动化时代的动力总成开发未来方向:(丰田汽车 友田晃利)
丰田为普锐斯、C-HR、凯美瑞等车型的HEV版配套热效率达41%以上的汽油发动机,随着TNGA平台应用至全球,扩大了新动力总成的应用。利用油井到车轮 (Well-to-Wheel) 评估,计划到2030年为止的中短期,着重提高HEV的发动机热效率和动力总成效率。这是由于在日本、美国、欧洲等发达国家,通过HEV以及提高动力总成效率,CO2的排放量基本接近发电所产生的CO2。具体来说,①将发动机热效率提高至50% (开发SIP项目创新的燃烧技术) ②使用生物燃料等,在制造燃料时,使用零CO2的燃料。
- 参见左下图,PHEV、EV受到发电站发电来源 (烧煤、水力、核电等) 的不同影响,油井到车轮评估的CO2排放量也会有所不同。在发达国家,PHEV、EV的CO2排放量较低,而在发展中国家,HEV (燃效40km/L) 的CO2排放量则更低。
- 参见右下图,中短期 (~2030年左右) ①提高动力总成的效率;②如果HEV获得改良,在发达国家的CO2排放量能达成与EV相同水平。长期来看,如果采用生物燃料等,能实现超越EV的CO2性能。
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(MarkLines根据丰田资料制作) | (MarkLines根据丰田资料制作) |
本田面向电动化时代的发动机技术:(本田技术研究所 新里智则)
本田正加快投放减少CO2排放的电动车。计划到2030年电动车占总销量的2/3,目前正在抓紧开发电动车。但是,电动车的85%将搭载发动机。也就是说,将增加HEV发动机的配套。在实际车辆的行驶模式下,电动车的发动机启动点范围之广远超出想像。
- HEV发动机:
- 冷却水温上升慢 (高效燃烧模式转变时间:205秒)
- 重新启动的次数多 (低水温重新启动时的排放问题有待解决)
- 由于NV (噪音振动) 的要求,无法在低负荷区利用效率最高点,会产生燃效损耗 等
- 与一般的内燃机车发动机不同,电动车发动机需要进行特殊调校。
i-CVCC发动机的研究
本田着重研究i-CVCC发动机。该发动机是本田在1970年代首次研发的CVCC发动机的现代版,将副燃烧室内点着的火焰高速吹入主燃烧室。相比原有的稀薄燃烧发动机,燃烧快40%。
本田报告称,燃烧时的空燃比 ( A/F) 最高达35,最大有效热效率达到47%之高。
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(MarkLines根据本田资料制作) | (MarkLines根据本田资料制作) |
内燃机下一步进化的第1步:(日产汽车 平工良三)
日产2018年将全球首次量产可变压缩比发动机VC-Turbo,为北美市场英菲尼迪车配套。VC-Turbo发动机利用其曲柄的连杆机构,可按需要将压缩比连续从8.5扩大至14。(参看已刊登报告《革新燃烧技术的研究》)
热效率如图所示,不到40%。此外,可以在不增加发动机高度的情况下,实现长冲程,以提高燃效。
为日产Note配套的e-POWER单元由于内燃发动机的运行条件 (大量利用燃效最优点,多进行稳定驾驶),热效率提高5%左右。
未来,VC-Turbo发动机与e-Power将成为改善热效率的重要单元。
日产汽车 VC-Turbo发动机 (出处:英菲尼迪公开资料) |
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日产汽车 e-POWER |
日产 e-Power | (参考) 宝马i3 | |
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发动机 | 1.2L 3缸汽油 (HR12DE) 爱知机械制造 |
0.65L 2缸汽油 (W20K06A) 宝马小轮摩托车发动机 |
压缩比12.0 米勒循环功率58kW | 压缩比10.6 功率28kW | |
电机额定功率 | 70kW | 75kW |
电池 | 锂离子 1.47kWh | 锂离子 33kWh |
燃油箱 | 41L (无铅普通) | 9L (无铅高级) |
混合动力系统 | HEV | PHEV |
燃效 | 37.2km/L (S款) JC08标准 | 24.7km/L JC08标准 |
车全重 | 1445~1505kg 荷载人数5人 | 1640kg 荷载人数4人 |
售价区间 | 200~300万日元 | 500万日元起 |
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(MarkLines根据日产、宝马公开资料制作) |
不断改进的内燃机:(马自达 山本博之)
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尚未开发电动车的只有马自达一家了。对油井到车轮 (Well-to-Wheel) 进行评估,如丰田友田博之说明的那样,可有效减少发电站的电源结构中煤炭等火力发电,而且创驰蓝天Step-3所产生的汽车CO2排放量基本接近纯电动车的油井到车轮水平。
这就是马自达始终坚持的内燃机方针。
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创驰蓝天Step-3将冷却损耗降低至极限,相比Step-1减少了70%的冷却损耗 (右上图),图示热效率总值从百分之四十几提高至56% (右上图红色)。
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(MarkLines根据马自达资料制作) |
BSFC (Break Specific Fuel Consumption=有效油耗率) 在1500rpm时,G1 (Step-1 2.0L汽油创驰蓝天) 至G3 (Step-3 2.0L汽油创驰蓝天) 的发动机负荷从53%降低至34%。
发动机系统高效率化的可能性与终点:(早稻田大学研究院 大圣泰弘教授)
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关键词
IC、ICE、内燃机、热效率、e-Power、VC-Turbo 电动化、电动车、PHEV、HEV、FCV、BEV、EV、丰田、本田、日产、马自达
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