發(fā)展動(dòng)向

馬自達(dá)公司的高效內(nèi)燃機(jī)之路

【日】 I.Hirose M.Hitomi

日本制造商堅(jiān)信，內(nèi)燃機(jī)汽車通過(guò)提高系統(tǒng)效率能夠與電動(dòng)車達(dá)到相同的CO2排放水平。馬自達(dá)公司宣布了實(shí)現(xiàn)Skyactiv技術(shù)的2個(gè)計(jì)劃開發(fā)階段。這種被稱為“Monotsukuri”的創(chuàng)新系統(tǒng)有助于盡可能快地將這種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載于整個(gè)車型型譜。

稀薄燃燒 CO2排放 比燃油耗

1 內(nèi)燃機(jī)效率的重大潛力

內(nèi)燃機(jī)作為汽車驅(qū)動(dòng)裝置一直起著重要的作用。即使在汽車工業(yè)繼續(xù)大力推進(jìn)混合動(dòng)力汽車或插電式混合動(dòng)力汽車發(fā)展的情況下,為了使內(nèi)燃機(jī)汽車達(dá)到最大程度的環(huán)保性，內(nèi)燃機(jī)的創(chuàng)新依然是必不可少的。

除此之外，大大提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率仍存在巨大的潛力。一旦這種潛力被充分挖掘，內(nèi)燃機(jī)就非?？赡苓_(dá)到純電動(dòng)車的CO2總體排放平均水平，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)僅需與1臺(tái)蓄電池供電的小電動(dòng)機(jī)相組合[1]。如果馬自達(dá)公司的這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)及時(shí)在其全球的生產(chǎn)線上實(shí)施的話，那么不僅能使內(nèi)燃機(jī)汽車更具有競(jìng)爭(zhēng)力，而且也更環(huán)保。

本文介紹最新技術(shù)創(chuàng)新的狀況，如對(duì)于能有效改善排放的Skyactiv發(fā)動(dòng)機(jī)，將全部精力集中在其第二個(gè)發(fā)展階段，以及馬自達(dá)公司所取得的“Monotsukuri”創(chuàng)新技術(shù)，以便使這種新開發(fā)的技術(shù)能在汽車上實(shí)施。

2 汽車銷售量增長(zhǎng)的預(yù)期

CO2排放法規(guī)要求各國(guó)在全球環(huán)境保護(hù)框架范圍內(nèi)承擔(dān)責(zé)任，極具深遠(yuǎn)影響。作為對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī)的響應(yīng)，汽車制造商已作出了努力，一方面將混合動(dòng)力汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)或純電動(dòng)車(EV)迅速推向市場(chǎng)。另一方面，全球越來(lái)越多的領(lǐng)先的研究院所已預(yù)測(cè)，在不久的未來(lái)，電動(dòng)車的份額將會(huì)受到限制。

除了純電動(dòng)車之外的其他類型汽車，即HEV、PHEV或傳統(tǒng)汽車都需要以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，其中HEV和PHEV還需要昂貴的電氣部件，因而這些車輛未必能受市場(chǎng)廣泛的青睞。特別是在發(fā)展中國(guó)家中，雖然未來(lái)對(duì)轎車的需求量會(huì)不斷增長(zhǎng)，但是上述車型未必會(huì)迅速推廣?；谶@種預(yù)測(cè)，馬自達(dá)公司看到了進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)的重要意義，并成為優(yōu)先開展的首要工作。該計(jì)劃能使大多數(shù)轎車在近期內(nèi)都能從中獲得好處，從而能為環(huán)境保護(hù)作出實(shí)際的貢獻(xiàn)。按照驅(qū)動(dòng)方式(EV、HEV、PHEV及傳統(tǒng)轎車)統(tǒng)計(jì)的年銷售量的預(yù)測(cè)，確認(rèn)內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置到2030年仍會(huì)占全球市場(chǎng)的90%。

預(yù)期汽車年銷售量增長(zhǎng)的地區(qū)主要是亞洲非經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)國(guó)家。純電動(dòng)車所需的電能必須以極小的CO2排放量為代價(jià)，這才可以達(dá)到真正的環(huán)保，但與此同時(shí)，再生能量大批量供應(yīng)是非常困難的。隨著汽車的銷量提高，CO2排放量也會(huì)隨之增加，應(yīng)該通過(guò)大大改善內(nèi)燃機(jī)的燃油效率來(lái)予以平衡，同時(shí)還應(yīng)開辟更清潔的和更持久的能源。馬自達(dá)公司堅(jiān)信多種方式相結(jié)合才是解決目前問(wèn)題的最有效的途徑。

為了迅速推廣并持久，馬自達(dá)公司開發(fā)的這種有助于全球環(huán)境保護(hù)的技術(shù)必須可廣泛使用，并且價(jià)格低廉。除了提升效率之外，還應(yīng)同時(shí)革新該項(xiàng)計(jì)劃的開發(fā)方法，以便能迅速?gòu)V泛地推廣這種創(chuàng)新的內(nèi)燃機(jī)。這項(xiàng)名為“Monotsukuri Innovation”創(chuàng)新技術(shù)是1種全新設(shè)計(jì)的開發(fā)方法。下文介紹馬自達(dá)公司已使用的創(chuàng)新發(fā)動(dòng)機(jī)的方案和“Monotsukuri Innovation”創(chuàng)新技術(shù)，以便能成套地轉(zhuǎn)化開發(fā)成果。

3 提高內(nèi)燃機(jī)效率的目標(biāo)設(shè)定

純電動(dòng)車沒(méi)有CO2排放，屬于環(huán)保型的交通工具，因而全球各國(guó)用各種鼓勵(lì)政策來(lái)進(jìn)行推廣。實(shí)際上，只有電能來(lái)自核能、水力、風(fēng)力和太陽(yáng)能的情況下才屬于真正的無(wú)CO2排放，然而就全球已查明的平均水平而言，70%發(fā)電廠在其運(yùn)行期間都排放CO2。若未來(lái)純電動(dòng)車份額增長(zhǎng)的話，就會(huì)導(dǎo)致電能產(chǎn)量過(guò)高地增加，這就意味著生產(chǎn)電能的CO2排放量就可能進(jìn)一步增多。如果內(nèi)燃機(jī)汽車節(jié)省的CO2排放比生產(chǎn)電能增加的CO2排放量更高，那么實(shí)際全球總的CO2排放量上才能減少。因此，馬自達(dá)公司設(shè)定的目標(biāo)是，用內(nèi)燃機(jī)汽車達(dá)到與純電動(dòng)車相當(dāng)?shù)腃O2總體平衡水平。

4 相對(duì)于電動(dòng)車的燃油耗當(dāng)量

內(nèi)燃機(jī)開發(fā)目標(biāo)的設(shè)定以純電動(dòng)車CO2總體平衡為基礎(chǔ)，并假定采用目前的方法生產(chǎn)電能。圖1示出了參加OECD的幾個(gè)重要國(guó)家生產(chǎn)電能的CO2比排放量。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)開發(fā)目標(biāo)的設(shè)定，決定采用0.5kg/(kW·h)作為電能生產(chǎn)具有代表性的CO2比排放量數(shù)值。

圖1 電能生產(chǎn)的CO2比排放(具有代表性的數(shù)值為0.5kg/(kW·h))

圖2示出了新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)燃油耗與實(shí)際能量消耗之間的比較，圖2(a)為純電動(dòng)車，圖2(b)為內(nèi)燃機(jī)汽車。圖2(a)中X軸表示NEDC行駛循環(huán)中的耗電量，而Y軸則為全德國(guó)汽車俱樂(lè)部-經(jīng)濟(jì)性(ADAC-Eco)試驗(yàn)中的實(shí)際耗電量。圖2(b)示出了汽油機(jī)車的汽油消耗量。純電動(dòng)車在NEDC行駛循環(huán)耗電量與實(shí)際耗電量之間足足相差30%～40%，C級(jí)車實(shí)際百公里平均耗電量為21.2kW·h。

圖2 NEDC行駛循環(huán)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的燃油耗比較(C級(jí)車為百公里21.2kW·h, Mazda 3-2.0L為百公里5.2L)

從汽油機(jī)中選擇Mazda 3轎車的2.0L-Skyactiv汽油機(jī)作為基準(zhǔn)機(jī)型用于試驗(yàn)，這種車型的實(shí)際汽油耗為百公里5.2L。圖3示出了降低汽油車CO2總體平衡的目標(biāo)，它相當(dāng)于純電動(dòng)車的CO2總體平衡水平。因?yàn)楦郊恿巳加蜏?zhǔn)備(油井至燃油箱)的CO2排放量，因此總的水平要高于普通汽車(燃油箱至車輪)的CO2排放量。

C級(jí)純電動(dòng)車的實(shí)際CO2排放量可從耗電量(圖3中的斜線帶)和電能生產(chǎn)中的排放量(見(jiàn)圖3中的深色帶)得到，其汽油耗當(dāng)量為百公里3.8L，但是該值還必須用鋰離子電池生產(chǎn)周期中所產(chǎn)生的CO2排放量進(jìn)行修正，因而汽油耗當(dāng)量總共為百公里4.2L。在考慮到該值的情況下，汽油機(jī)的目標(biāo)燃油耗設(shè)定為百公里4.0L。

對(duì)于目前實(shí)際燃油耗為百公里5.2L的Mazda 3轎車，燃油耗必須降低25%才能達(dá)到目標(biāo)值。

圖3 Mazda 3轎車的目標(biāo)是實(shí)際燃油耗從百公里5.2L降低到4.0L(純電動(dòng)車的汽油燃油耗當(dāng)量為百公里3.8L或4.2L)

5 內(nèi)燃機(jī)效率的改善

提高效率意味著要減少能量損失,包含減少?gòu)U氣、冷卻、換氣，以及機(jī)械等方面的損失，而有效功就相當(dāng)于燃油能量與能量損失之間的差值。圖4說(shuō)明了馬自達(dá)公司達(dá)到理想內(nèi)燃機(jī)的路線圖，圖中的7個(gè)參數(shù)可用于減少能量損失，無(wú)論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)按照此路線圖都能使熱效率得到顯著的提高。能夠減少損失的影響因素示于圖4左側(cè)，最終的目標(biāo)就是要使所有這些因素達(dá)到理想狀態(tài)。

馬自達(dá)公司推出Skyactiv汽油機(jī)就意味著已達(dá)到了該路線圖的第1個(gè)階段，該機(jī)型采用14∶1的高壓縮比使扭矩和比燃油耗都達(dá)到了有別于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型的出眾數(shù)值。

6 Monotsukuri創(chuàng)新系統(tǒng)—?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化

為了對(duì)改善全球環(huán)境作出實(shí)際的貢獻(xiàn)，就必須通過(guò)總的機(jī)型平臺(tái)迅速地推出面向未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)。為此，制造商作為首創(chuàng)者同時(shí)進(jìn)行了量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，其中采取了“通用結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)方案。在該設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，馬自達(dá)公司在第一代Skyactiv汽油機(jī)上已用4種不同排量(分別為1.3L、1.5L、2.0L和2.5L)達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。從2012年投放市場(chǎng)以來(lái)，3年內(nèi)全球已有6種不同車型搭載了該機(jī)型。

這種設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵是減少了標(biāo)定費(fèi)用。眾所周知，在開發(fā)不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)和用于各種不同市場(chǎng)的車型時(shí)標(biāo)定工作占用了最多的資源，考慮到各種不同的邊界條件，以及查明最佳參數(shù)所需的費(fèi)用巨大，通過(guò)開發(fā)均質(zhì)混合氣運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)系列達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)，并且不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列的統(tǒng)一標(biāo)定工作，對(duì)其規(guī)定了重要的標(biāo)準(zhǔn)化性能特點(diǎn)，例如燃燒過(guò)程必須相同，以便統(tǒng)一點(diǎn)火定時(shí)和氣門定時(shí)。為了獲得統(tǒng)一的混合氣準(zhǔn)備，即使在瞬態(tài)條件下?lián)Q氣狀況也必須相同。

以燃燒為例子來(lái)解釋統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案(通用結(jié)構(gòu)方案)(圖5)。燃燒的功能特征是放熱規(guī)律(放熱過(guò)程)和燃燒持續(xù)期，這兩個(gè)參數(shù)允許實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的燃燒過(guò)程。通過(guò)為這些設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合適的量值，例如活塞頂凹坑容積比和渦流比，可使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系列實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的燃燒過(guò)程。為了設(shè)計(jì)出適合于每種排量燃燒室的參數(shù)，例如必須仔細(xì)地選擇缸徑、行程和缸內(nèi)流動(dòng)，從而確保獲得共同的燃燒特征，其關(guān)鍵是在計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型基礎(chǔ)上就最終確定這些參數(shù)(圖5)。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)方法相比，所需的投資和開發(fā)持續(xù)時(shí)間(總平均)減少了一半，因此這種發(fā)動(dòng)機(jī)是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的。

圖4 達(dá)到理想排放的內(nèi)燃機(jī)路線圖

放熱過(guò)程通過(guò)活塞頂凹坑和缸內(nèi)充量流動(dòng)進(jìn)行控制

放熱規(guī)律 燃燒持續(xù)期

項(xiàng)目參數(shù)排量/L1.31.32.02.5缸徑/mm71.074.583.589.0燃燒室容積25.028.838.451.9凹坑容積3.74.35.87.7渦流比1.811.831.881.92凹坑/燃燒室容積比0.150.150.150.15缸徑/(缸徑×渦流比)4.304.013.393.05

(b)

圖5 用于通過(guò)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和燃燒持續(xù)期實(shí)現(xiàn)整個(gè)(發(fā)動(dòng)機(jī))系列統(tǒng)一燃燒特征的參數(shù)

通過(guò)應(yīng)用Skyactiv-G汽油機(jī)系列的“通用結(jié)構(gòu)”方案開發(fā)出了統(tǒng)一的燃燒過(guò)程，從而獲得了很相似的全負(fù)荷功率特性曲線，這也體現(xiàn)在比燃油耗曲線上(圖6)。除此之外，也規(guī)定了例如點(diǎn)火定時(shí)和進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的統(tǒng)一標(biāo)定。這些統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)特性有助于減少為推進(jìn)下一代內(nèi)燃機(jī)改進(jìn)所要進(jìn)行的標(biāo)定工作量。

圖6 整個(gè)(發(fā)動(dòng)機(jī))系列節(jié)氣門全開時(shí)功率和比燃油耗的比較

7 兩個(gè)階段

圖4中的第2步規(guī)定要進(jìn)一步提高壓縮比和應(yīng)用稀薄運(yùn)行，為進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)效率的氣缸壁面絕熱化被放到了第3階段，為了大大提高熱效率，均質(zhì)稀薄運(yùn)行則是不可缺少的。無(wú)論是空燃比還是壓縮比都達(dá)到盡可能最佳的情況，指示熱效率能改善約30%。但是，如此稀薄的混合氣在任何情況下都用1個(gè)火花塞點(diǎn)燃是不可能的，因此唯一的解決辦法是采用壓縮點(diǎn)火(圖7)。

圖7 第2階段汽油機(jī)的目標(biāo)是進(jìn)一步提高壓縮比和采用均質(zhì)稀薄混合氣壓縮點(diǎn)火(HCCI)

圖8中的兩顆星代表第3階段的Skyactiv-G汽油機(jī)的比燃油耗，它們是根據(jù)單缸試驗(yàn)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出來(lái)的，可比第1階段的Skyactiv-G汽油機(jī)的比燃油耗降低30%以上，但是因混合氣形成不夠充分，比燃油耗并未達(dá)到所設(shè)定的開發(fā)目標(biāo)，不過(guò)這些數(shù)值距離開發(fā)目標(biāo)已經(jīng)較為接近。至于Skyactiv-G汽油機(jī)的第2階段尚存在一些問(wèn)題，但是這些問(wèn)題已被克服。正如前面已介紹的那樣，將燃油耗降低25%設(shè)定為目標(biāo)，從而內(nèi)燃機(jī)汽車能夠在實(shí)際行駛條件下達(dá)到與純電動(dòng)車相同的CO2排放總體平衡水平，已證實(shí)了內(nèi)燃機(jī)具有達(dá)到該目標(biāo)的潛力。

圖8 Mazda 3轎車有效燃油耗

8 內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間CO2總體平衡的比較

圖9對(duì)B級(jí)轎車進(jìn)行了CO2排放總體平衡的比較。該項(xiàng)研究是從2011年日本大地震前后采取2種不同方法發(fā)電的情況出發(fā)的。大地震之前37%的電是采用無(wú)CO2發(fā)電方法產(chǎn)生的，而從大地震以來(lái)幾乎所有的電都是由熱電站生產(chǎn)的。馬自達(dá)公司堅(jiān)信，第3階段的最高效率能使內(nèi)燃機(jī)汽車的CO2排放降低到目前純電動(dòng)車的水平。如果內(nèi)燃機(jī)的這種高潛力被充分利用的話，那么推動(dòng)電動(dòng)車化的大規(guī)模措施和資助就為期不遠(yuǎn)了。除此之外，在這里應(yīng)該指出，純電動(dòng)車在全球市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)必須依賴由發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放大幅度降低。

圖9 改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)降低CO2的目標(biāo)(以Mazda 2轎車為例說(shuō)明汽車優(yōu)化步驟)

9 展望和結(jié)論

馬自達(dá)公司致力于提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，并堅(jiān)信這種驅(qū)動(dòng)方式將繼續(xù)對(duì)汽車起到重要的作用，而且具有高的潛力，并對(duì)環(huán)保汽車作出重要的貢獻(xiàn)。

如果汽油機(jī)均質(zhì)稀薄燃燒過(guò)程及合適的絕熱方法和理想的壓縮比能夠?qū)崿F(xiàn)的話，那么完全有可能在實(shí)際行駛條件下降低燃油耗近25%，從而使內(nèi)燃機(jī)汽車在CO2排放總體平衡方面達(dá)到純電動(dòng)車的水平。如果混合動(dòng)力汽車裝備這種進(jìn)一步開發(fā)的內(nèi)燃機(jī)，那么這種汽車甚至有可能達(dá)到比目前純電動(dòng)車更好的CO2排放總體平衡。馬自達(dá)公司以技術(shù)改善效果和“Monotsukuri”創(chuàng)新技術(shù)作為2個(gè)有力的支柱,將實(shí)現(xiàn)其開發(fā)目標(biāo)，使其所生產(chǎn)的每一輛汽車都達(dá)到純電動(dòng)車的CO2排放總體平衡水平。

[1] Hitomi M. Both the gasoline and disel engine will be winner [C]. 26. Internationale AVL-Tagung, “Motor & Umwelt”， Graz, 2014.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2016,77(5)

何丹妮 編輯

2016-07-03)