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。

新型Prius PHVのカットボディ、左側が車両前部、中央の床に置いてあるものが、世界初のソーラー充電システム・ソーラーパネル。最大6.1km/日、平均2.9km/日のEV走行が可能な電力を供給する。
トランスアクスル、ジェネレータを駆動用にも使用するため、エンジンの逆回転を防止するワンウェイクラッチを装備した(動力分割機構の仕組みから必要になる。写真中央部に表示されているが、実際にはフライホイールの内側に配置されている。)。他の部分は、Priusハイブリッド車と同じとのこと。
“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)

相关报告:
“革新燃烧技术”(2):内燃发动机的革新道路将走向何方? (2016年12月)
“革新燃烧技术”的研究:内燃发动机的革新道路将走向何方? (2016年11月)
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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) (2015年6月)
2015日本汽车工程学会:Post 2025年乘用车动力总成的主流? (欧洲动向篇) (2015年6月)



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。
(トヨタ資料からMarkLines作成) (トヨタ資料からMarkLines作成)
(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:
  1. 冷却水温上升慢 (高效燃烧模式转变时间:205秒)
  2. 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)
  3. 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
  4.                                  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。

(トヨタ資料からMarkLines作成) (トヨタ資料からMarkLines作成)
(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)
日产汽车 e-POWER
  日产 e-Power (参考) 宝马i3
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
(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)

 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。

 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)。

(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)

 早稻田大学从日本截至目前的汽车燃效改善技术的历史进行判断,以“到2030年CO2排放量能否再降30%?”为题进行了演讲。

  • 汽油发动机热效率:从35-40%提高至45-50% (柴油从35-45%提高至50-55%)
  • 改善部分负荷燃效
  • 利用排放废热
  • SIP“创新性燃烧技术”收获成果

(注):SIP是指由日本内阁主导的战略性创新创造项目
(Strategic Innovation Promotion Program)

等将在未来10年取得发展,到2030年代,高效发动机将占据全球汽车销量的90%,起到重要的作用。

(出展:大聖先生講演資料)
(IEA/ETP的乘用车销量预测 (2012):MarkLines根据大圣教授资料制作)
注) IEA/ETP=International Energy Agency/Energy Technology Perspectives

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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

<全球汽车信息平台 MarkLines>