汽油機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)研發(fā)動(dòng)向

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0 前言

巴黎協(xié)定在聯(lián)合國(guó)氣候變化框架條約第21屆締約國(guó)會(huì)議(COP21)上得以通過(guò)，并于2015年末開始實(shí)施。以發(fā)達(dá)國(guó)家為中心，各國(guó)制定的改善汽車燃油耗及凈化排放氣體的法規(guī)限值在快速地收緊。另一方面，隨著發(fā)展中國(guó)家的汽車普及化，部分城市區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題，中國(guó)及印度預(yù)計(jì)將采用與發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)格程度大致相同的排放法規(guī)。

此外，預(yù)計(jì)以后要采用以日本、歐洲及新興國(guó)家為中心的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)法，即全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)規(guī)范(WLTP)。相比目前的工況試驗(yàn)法，由于其拓展了更接近于實(shí)際行駛的高負(fù)荷區(qū)域，這將對(duì)于提高汽油機(jī)的技術(shù)水平產(chǎn)生重大影響。

本文以新型汽油機(jī)及最新汽油機(jī)研發(fā)成果為實(shí)例，介紹了汽油機(jī)的新技術(shù)及其研發(fā)新動(dòng)向，介紹了汽油機(jī)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

1 日本汽油機(jī)市場(chǎng)

1.1 市場(chǎng)概況

2016年，盡管日本汽車市場(chǎng)受到了熊本地震及部分汽車生產(chǎn)商處理燃油耗問(wèn)題帶來(lái)的負(fù)面影響，但是，新車銷售量(輕型汽車注冊(cè)車輛合計(jì))相比2014年仍增加了2.8%，總量達(dá)508萬(wàn)輛。其中，注冊(cè)車輛銷量連續(xù)2年增長(zhǎng)，新車銷售量增加了7.5%，即增加了336萬(wàn)輛[1]。輕型汽車的銷售量雖連續(xù)3年減少了5.1%，但仍銷售了172萬(wàn)輛。混合動(dòng)力車(HV)的銷售比例還在提高。對(duì)自然吸氣汽油機(jī)及渦輪增壓汽油機(jī)都進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，新型汽油機(jī)已陸續(xù)投入了市場(chǎng)。

1.2 日本各汽車制造商動(dòng)態(tài)

表1列出了2016年日本各汽車制造商銷售及發(fā)布的主要新型汽油機(jī)。

(1)豐田公司

圖1 豐田公司強(qiáng)勁動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

2016年12月，豐田公司提出了名為“TNGA”的新型動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的概念。即推進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的模塊化技術(shù)，削減約40%的零件種類。預(yù)計(jì)到2021年，將向市場(chǎng)投放19款機(jī)型及37款改型汽油機(jī)。圖1示出了應(yīng)用于燃油車及HV的強(qiáng)勁動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中的4缸2.5 L汽油機(jī)。該汽油機(jī)的高速燃燒技術(shù)，是采用行程缸徑比(S/D)約為1.2的長(zhǎng)行程結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了氣門夾角，采用了激光包覆氣門座的高效率進(jìn)氣道。此外，由于應(yīng)用多噴孔直噴噴油器及連續(xù)可變?nèi)萘繖C(jī)油泵等，最大熱效率可達(dá)到41%(HV車和燃油車為40%)，升功率達(dá)到60 kW。以面向售往北美市場(chǎng)的Comere車為契機(jī)，該機(jī)型開始了批量生產(chǎn)。

(2)日產(chǎn)公司

日產(chǎn)公司于2016年發(fā)布了Note車，即裝備有新動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的e-POWER車，該車采用了與e-POWER車相似的匹配度較高的HR12DE型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖2)。

表1 2016年日本各汽車制造商銷售及發(fā)布的主要新型汽油機(jī)

圖2 日產(chǎn)公司HR12DE汽油機(jī)

該發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)型相比，采用了缸壁鏡面涂覆的機(jī)體、缸蓋一體式排氣歧管、EGR冷卻器、雙噴油器和電動(dòng)水泵等技術(shù)，壓縮比由10.2提高到12.0，由于與高功率電機(jī)相結(jié)合，車輛在JC08工況下的燃油耗為37.2 km/L。

2016年8月日產(chǎn)發(fā)布的配裝于Serena車上的MR20DD型汽油機(jī)(圖3)，與傳統(tǒng)機(jī)型相比，由于采用了缸壁鏡面涂覆機(jī)體、3個(gè)排氣道缸蓋、廢氣再循環(huán)(EGR)裝置、轉(zhuǎn)板式電子控制滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和阿特金森循環(huán)等技術(shù)，壓縮比由11.2提升到12.5。同時(shí)，為降低輔機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)的整體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)(ISG)工作時(shí)的損失，采用了擺式張緊器。該車在JC08工況下的燃油耗為17.2 km/L。

圖3 日產(chǎn)公司MR20DD汽油機(jī)

此外，在2016年9月巴黎的發(fā)動(dòng)機(jī)展覽會(huì)上，日產(chǎn)公司發(fā)布了一款乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠使壓縮機(jī)在8.0～14.0范圍內(nèi)變化，并使用可變?nèi)萘繙u輪增壓器(VCT)(圖4)[2]。預(yù)計(jì)2018年將配裝于銷往歐洲市場(chǎng)的Infinity車上。

圖4 日產(chǎn)公司VCT發(fā)動(dòng)機(jī)

(3)本田公司

本田公司于2016年8月發(fā)布了配裝于NSX車上的JNC型汽油機(jī)(圖5)，應(yīng)用等離子噴鍍缸壁、缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射相結(jié)合、電動(dòng)排氣閥等技術(shù)，使用V6-3.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大扭矩為550 N·m，最高功率可達(dá)373 kW。為了提高整車運(yùn)動(dòng)性能，需實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低重心化，為此將氣門傾斜角設(shè)計(jì)為75°，采用壓力循環(huán)式供油潤(rùn)滑法。同時(shí)，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)具備優(yōu)異的旋轉(zhuǎn)性能，安裝飛輪及曲軸皮帶輪平衡調(diào)整螺栓，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)平衡進(jìn)行測(cè)量。

圖5 本田公司JNC汽油機(jī)

(4)斯巴魯公司

斯巴魯公司于2016年9月發(fā)布的配裝于Impressa車的FB20型發(fā)動(dòng)機(jī)(圖6)，相比于原機(jī)型，由于80%的零部件經(jīng)過(guò)了重新設(shè)計(jì)，質(zhì)量減輕了約12 kg，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的高剛度化，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)固定點(diǎn)以減輕振動(dòng)噪聲。另外，采用直噴技術(shù)，將壓縮比由10.5提高到12.5，車輛在JC08工況下的燃油耗為17.0 km/L。

圖6 斯巴魯公司FB20汽油機(jī)

(5)大發(fā)公司

大發(fā)公司2016年4月發(fā)布的配裝于Boonpaso車的IKR-FE型汽油機(jī)(圖7)，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于采用了雙進(jìn)氣道、雙噴油器、阿特金森循環(huán)等技術(shù)，壓縮比由11.5提升到12.5，為減少摩擦，在活塞裙面采用樹脂涂層等新技術(shù)，車輛在JC08工況下的燃油耗為28.0 km/L。

圖7 大發(fā)公司IKR-FE汽油機(jī)

大發(fā)公司于2016年11月發(fā)布的配裝于T0ll Tank Roomy車上的IKR-VET型汽油機(jī)(圖8)，是以IKR-FE型發(fā)動(dòng)機(jī)的雙進(jìn)氣道及兩個(gè)噴油器布置等具有良好燃燒特性的基本參數(shù)規(guī)格為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)成渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其最高功率可達(dá)72 kW，最大扭矩為140 N·m。此外，為了抑制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的雜質(zhì)附著現(xiàn)象，采用了配備有噴射泵的曲軸箱主動(dòng)換氣系統(tǒng)。

圖8 大發(fā)公司IKR-VET汽油機(jī)

2 北美汽油機(jī)市場(chǎng)

2.1 市場(chǎng)概況

由于汽油成本較低，且供給來(lái)源穩(wěn)定，輕型載貨汽車(LDT)的銷售情況良好。盡管人們對(duì)低燃油耗技術(shù)提出的需求并不多，不過(guò)仍在持續(xù)進(jìn)行整車輕量化及發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)改進(jìn)。

2.2 各汽車生產(chǎn)商動(dòng)態(tài)

表2列出北美廠商的新型汽油機(jī)情況。

表2 2016年北美新型汽油機(jī)情況

(1)Chrysler公司

在2010年上市的V6 3.21～3.6 L的發(fā)動(dòng)機(jī)中，Penta-star 3.6 L發(fā)動(dòng)機(jī)是第二代已實(shí)施了改良的機(jī)型(圖9)。這款配裝于Jeep Grand Cherokee車的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了EGR裝置，壓縮比由10.2提高到11.3。由于進(jìn)氣側(cè)使用兩級(jí)VVL機(jī)構(gòu)，按照進(jìn)氣道噴射方式，最高功率可達(dá)214 kW，最大扭矩達(dá)355 N·m。此外，在2017年初，對(duì)該機(jī)型加以改造，如采用阿特金森循環(huán)、使用高壓縮比(12.5)等技術(shù)，作為Pacifica混合動(dòng)力車中的PHEV車型用發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖9 Chrysler公司Penta-star 3.6 L汽油機(jī)

3 歐洲汽油機(jī)市場(chǎng)

3.1 市場(chǎng)概況

由于受2008年美國(guó)金融危機(jī)及2010年歐洲債務(wù)危機(jī)的影響，歐洲汽車銷售量有所減少，但從2014年起，汽車銷售情況已出現(xiàn)緩慢恢復(fù)的趨勢(shì)。

歐洲汽車市場(chǎng)正在倡導(dǎo)基于直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)“縮缸強(qiáng)化”的技術(shù)潮流，而在直噴與增壓機(jī)型中，利用48 V的混合動(dòng)力與電動(dòng)渦輪增壓器的完美結(jié)合，可有效推進(jìn)燃油耗的改善。

表3 2016年歐洲新型汽油機(jī)一覽

3.2 各汽車生產(chǎn)商動(dòng)態(tài)

2016年上市銷售或發(fā)布的汽油機(jī)，均為渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)(表3)。其中Volkswagen汽車公司于2015年發(fā)布的EA888-Gen.3B型汽油機(jī)以改善高負(fù)荷區(qū)域的燃油耗為目的，排量適中，按照模塊化進(jìn)行制造。

(1)Volkswagen公司

Volkswagen公司在2016年4月37次維也納國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)研討會(huì)上發(fā)布1.5 L 4缸EA211型雙渦輪增壓(TSI)evo汽油機(jī)(圖10)，相比原汽油機(jī)增加了0.1 L排量，成為“按照模塊化進(jìn)行制造”的發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)由于使用了可變截面渦輪增壓器，燃油噴射壓力可達(dá)35 MPa，并采用了米勒循環(huán)、等離子體噴鍍缸壁技術(shù)，機(jī)體水冷卻停止控制技術(shù)，并引進(jìn)可變參數(shù)機(jī)油泵、氣缸停止系統(tǒng)等技術(shù)，相比原機(jī)型可改善燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)10%，有效功率也可達(dá)到96 kW。此外，110 kW級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)也在技術(shù)引進(jìn)的范疇之內(nèi)。

圖10 Volkswagen公司EA211 1.5 L TSI evo發(fā)動(dòng)機(jī)

(2)Porsche公司

Porsche汽車公司于2016年3月日內(nèi)瓦汽車展會(huì)上發(fā)布的718Boxter車上，配裝有兩款汽油機(jī)，其中一款為新開發(fā)的DDP 2.0 L汽油機(jī)(圖11)，這是由原水平對(duì)置的6缸NA汽油機(jī)實(shí)施了縮缸強(qiáng)化后的改型機(jī)。另一機(jī)型為DDN 2.5 L汽油機(jī)(圖12)的水平對(duì)置4缸直噴渦輪增壓汽油機(jī)。該款DDN 2.5 L汽油機(jī)由于應(yīng)用于911 Boxter車上，并采用了可變截面渦輪增壓器等技術(shù)，相比原有的3.4 L水平對(duì)置6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率提高了26 kW，達(dá)到257 kW，最大扭矩增加了60 N·m，達(dá)到420 N·m，CO2排放量是為167 g/km。

圖11 Porsche公司DDP 2.0 L汽油機(jī)

圖12 Porsche公司DDN 2.5 L汽油機(jī)

(3)Mercedes-Benz公司

Mercedes-Benz公司于2016年11月發(fā)布了V8 4.0 L的M176型(圖13)、直列6缸3.0 L的M256型(圖14)和直列4缸2.0 L的M264型3款汽油機(jī)(圖15)。由于這些發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑統(tǒng)一采用83 mm的尺寸，缸心距統(tǒng)一采用90 mm的尺寸，有效提高了生產(chǎn)效率。V8 4.0 L的M176型汽油機(jī)相比原M278型發(fā)動(dòng)機(jī)的排量降低了0.7 L，缸心距縮小了16 mm，并實(shí)施了縮缸強(qiáng)化。另一方面，由于使用了Camtronic可變氣門機(jī)構(gòu)的氣缸停止等技術(shù)，功率提高達(dá)15 kW，并有效改善了燃油耗。從20世紀(jì)90年代后半期開始，各汽車生產(chǎn)商將直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)置換為總長(zhǎng)度更具優(yōu)勢(shì)的V型6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，由此M256型發(fā)動(dòng)機(jī)成為直列6缸新型發(fā)動(dòng)機(jī)中的少數(shù)。該機(jī)型采用48 V ISG系統(tǒng)，低速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠利用電能實(shí)現(xiàn)增壓，并采用了一體式渦輪增壓器等技術(shù)，預(yù)計(jì)其最高功率可達(dá)300 kW，最大扭矩可達(dá)500 N·m。M264型發(fā)動(dòng)機(jī)是采用雙渦旋輪增壓器與48 V皮帶驅(qū)動(dòng)式ISG系統(tǒng)，預(yù)計(jì)其最高功率可達(dá)200 kW。

圖13 Mercedes-Benz公司M176汽油機(jī)

圖14 Mercedes-Benz公司M256汽油機(jī)

圖15 Mercedes-Benz公司M264汽油機(jī)

4 汽油機(jī)技術(shù)研究發(fā)展動(dòng)向

自2014年，由日本9家汽車制造商與兩家研究機(jī)構(gòu)以及贊助單位組成的“車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)研究組織(AICE)”已正式投入工作[1]。而且，內(nèi)閣府綜合科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新會(huì)議發(fā)揮了指導(dǎo)功能，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新而設(shè)置了“國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)創(chuàng)新及創(chuàng)新設(shè)計(jì)(SIP)”。作為該計(jì)劃的10大課題之一的“燃燒技術(shù)革新”計(jì)劃也已開始實(shí)施[2]。本計(jì)劃的實(shí)質(zhì)是旨在將目前的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率由40%左右提高到50%，并開始著手建立產(chǎn)業(yè)、學(xué)校、政府的聯(lián)合研究體制。具體而言，要按照汽油機(jī)、柴油機(jī)、控制、降低熱損失等4個(gè)領(lǐng)域，將參與研究的約80所高校劃分為各個(gè)研究小組，由擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)的高校進(jìn)行管理，并開展研究。而且，將各個(gè)研究小組與AICE的各學(xué)科協(xié)會(huì)聯(lián)合，并支援研究、管理知識(shí)的國(guó)立科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JST)，同時(shí)實(shí)施進(jìn)行統(tǒng)一管理的體制。并于2016年6月召開的研討會(huì)上說(shuō)明了汽油機(jī)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容的概況。

汽油燃燒研究小組以“實(shí)現(xiàn)高效率汽油機(jī)的超稀薄燃燒的研究開發(fā)”的課題進(jìn)行了工作匯報(bào)，目前的研究成果表明，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率已經(jīng)可達(dá)45%?？刂祁I(lǐng)域研究小組以“實(shí)現(xiàn)革新的燃燒技術(shù)的模型試驗(yàn)與控制”的課題進(jìn)行了工作匯報(bào)，并以此開展了最尖端計(jì)測(cè)技術(shù)的開發(fā)，以及進(jìn)行排放顆粒物(PM)計(jì)算的初步研究成果[3]。降低損失研究小組則以“排氣能的有效利用與機(jī)械摩擦損失的降低”的課題進(jìn)行了工作匯報(bào)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面的超低摩擦化而開展了研究。此外，控制領(lǐng)域研究小組與汽油燃燒研究小組聯(lián)合開發(fā)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的三維燃燒分析軟件“HINOCA”，并對(duì)此進(jìn)行了介紹。本軟件由于可分析進(jìn)氣、燃油噴射、混合氣形成、電火花點(diǎn)火、火焰?zhèn)鞑?、熱損失、排氣等領(lǐng)域，涵蓋了4行程發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)等一系列現(xiàn)象，可大幅度縮短并深入地進(jìn)行燃燒分析。此外，企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)中，能將研究成果有效應(yīng)用于開發(fā)中，對(duì)于工業(yè)、學(xué)校雙方而言都是充滿吸引力的，今后仍將繼續(xù)引進(jìn)最前沿的技術(shù)，開展軟件技術(shù)，以便能夠使研發(fā)進(jìn)程得以高速發(fā)展[4]。

汽車市場(chǎng)按動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分類，可包括有混合動(dòng)力車、插電式混合動(dòng)力車等車型。延伸電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程目前可謂一大研究熱點(diǎn)，電動(dòng)車的比例將越來(lái)越高。為降低CO2排放，期待相關(guān)研究成果可盡早轉(zhuǎn)化。