馬自達公司的高效內燃機之路

發展動向

馬自達公司的高效內燃機之路

【日】 I.Hirose M.Hitomi

日本制造商堅信，內燃機汽車通過提高系統效率能夠與電動車達到相同的CO2排放水平。馬自達公司宣布了實現Skyactiv技術的2個計劃開發階段。這種被稱為“Monotsukuri”的創新系統有助于盡可能快地將這種先進發動機搭載于整個車型型譜。

稀薄燃燒 CO2排放 比燃油耗

1 內燃機效率的重大潛力

內燃機作為汽車驅動裝置一直起著重要的作用。即使在汽車工業繼續大力推進混合動力汽車或插電式混合動力汽車發展的情況下,為了使內燃機汽車達到最大程度的環保性，內燃機的創新依然是必不可少的。

除此之外，大大提高內燃機的熱效率仍存在巨大的潛力。一旦這種潛力被充分挖掘，內燃機就非常可能達到純電動車的CO2總體排放平均水平，此時內燃機僅需與1臺蓄電池供電的小電動機相組合[1]。如果馬自達公司的這項創新技術及時在其全球的生產線上實施的話，那么不僅能使內燃機汽車更具有競爭力，而且也更環保。

本文介紹最新技術創新的狀況，如對于能有效改善排放的Skyactiv發動機，將全部精力集中在其第二個發展階段，以及馬自達公司所取得的“Monotsukuri”創新技術，以便使這種新開發的技術能在汽車上實施。

2 汽車銷售量增長的預期

CO2排放法規要求各國在全球環境保護框架范圍內承擔責任，極具深遠影響。作為對越來越嚴格的廢氣排放法規的響應，汽車制造商已作出了努力，一方面將混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)或純電動車(EV)迅速推向市場。另一方面，全球越來越多的領先的研究院所已預測，在不久的未來，電動車的份額將會受到限制。

除了純電動車之外的其他類型汽車，即HEV、PHEV或傳統汽車都需要以內燃機作為動力源，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廣泛的青睞。特別是在發展中國家中，雖然未來對轎車的需求量會不斷增長，但是上述車型未必會迅速推廣。基于這種預測，馬自達公司看到了進一步改善內燃機的重要意義，并成為優先開展的首要工作。該計劃能使大多數轎車在近期內都能從中獲得好處，從而能為環境保護作出實際的貢獻。按照驅動方式(EV、HEV、PHEV及傳統轎車)統計的年銷售量的預測，確認內燃機作為驅動裝置到2030年仍會占全球市場的90%。

預期汽車年銷售量增長的地區主要是亞洲非經濟合作與發展組織(OECD)國家。純電動車所需的電能必須以極小的CO2排放量為代價，這才可以達到真正的環保，但與此同時，再生能量大批量供應是非常困難的。隨著汽車的銷量提高，CO2排放量也會隨之增加，應該通過大大改善內燃機的燃油效率來予以平衡，同時還應開辟更清潔的和更持久的能源。馬自達公司堅信多種方式相結合才是解決目前問題的最有效的途徑。

為了迅速推廣并持久，馬自達公司開發的這種有助于全球環境保護的技術必須可廣泛使用，并且價格低廉。除了提升效率之外，還應同時革新該項計劃的開發方法，以便能迅速廣泛地推廣這種創新的內燃機。這項名為“Monotsukuri Innovation”創新技術是1種全新設計的開發方法。下文介紹馬自達公司已使用的創新發動機的方案和“Monotsukuri Innovation”創新技術，以便能成套地轉化開發成果。

3 提高內燃機效率的目標設定

純電動車沒有CO2排放，屬于環保型的交通工具，因而全球各國用各種鼓勵政策來進行推廣。實際上，只有電能來自核能、水力、風力和太陽能的情況下才屬于真正的無CO2排放，然而就全球已查明的平均水平而言，70%發電廠在其運行期間都排放CO2。若未來純電動車份額增長的話，就會導致電能產量過高地增加，這就意味著生產電能的CO2排放量就可能進一步增多。如果內燃機汽車節省的CO2排放比生產電能增加的CO2排放量更高，那么實際全球總的CO2排放量上才能減少。因此，馬自達公司設定的目標是，用內燃機汽車達到與純電動車相當的CO2總體平衡水平。

4 相對于電動車的燃油耗當量

內燃機開發目標的設定以純電動車CO2總體平衡為基礎，并假定采用目前的方法生產電能。圖1示出了參加OECD的幾個重要國家生產電能的CO2比排放量。對于內燃機開發目標的設定，決定采用0.5kg/(kW·h)作為電能生產具有代表性的CO2比排放量數值。

圖1 電能生產的CO2比排放(具有代表性的數值為0.5kg/(kW·h))

圖2示出了新歐洲行駛循環(NEDC)燃油耗與實際能量消耗之間的比較，圖2(a)為純電動車，圖2(b)為內燃機汽車。圖2(a)中X軸表示NEDC行駛循環中的耗電量，而Y軸則為全德國汽車俱樂部-經濟性(ADAC-Eco)試驗中的實際耗電量。圖2(b)示出了汽油機車的汽油消耗量。純電動車在NEDC行駛循環耗電量與實際耗電量之間足足相差30%～40%，C級車實際百公里平均耗電量為21.2kW·h。

圖2 NEDC行駛循環與實際數據之間的燃油耗比較(C級車為百公里21.2kW·h, Mazda 3-2.0L為百公里5.2L)

從汽油機中選擇Mazda 3轎車的2.0L-Skyactiv汽油機作為基準機型用于試驗，這種車型的實際汽油耗為百公里5.2L。圖3示出了降低汽油車CO2總體平衡的目標，它相當于純電動車的CO2總體平衡水平。因為附加了燃油準備(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級純電動車的實際CO2排放量可從耗電量(圖3中的斜線帶)和電能生產中的排放量(見圖3中的深色帶)得到，其汽油耗當量為百公里3.8L，但是該值還必須用鋰離子電池生產周期中所產生的CO2排放量進行修正，因而汽油耗當量總共為百公里4.2L。在考慮到該值的情況下，汽油機的目標燃油耗設定為百公里4.0L。

對于目前實際燃油耗為百公里5.2L的Mazda 3轎車，燃油耗必須降低25%才能達到目標值。

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

5 內燃機效率的改善

提高效率意味著要減少能量損失,包含減少廢氣、冷卻、換氣，以及機械等方面的損失，而有效功就相當于燃油能量與能量損失之間的差值。圖4說明了馬自達公司達到理想內燃機的路線圖，圖中的7個參數可用于減少能量損失，無論是汽油機還是柴油機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，最終的目標就是要使所有這些因素達到理想狀態。

馬自達公司推出Skyactiv汽油機就意味著已達到了該路線圖的第1個階段，該機型采用14∶1的高壓縮比使扭矩和比燃油耗都達到了有別于競爭機型的出眾數值。

6 Monotsukuri創新系統—創新技術的快速轉化

為了對改善全球環境作出實際的貢獻，就必須通過總的機型平臺迅速地推出面向未來的內燃機。為此，制造商作為首創者同時進行了量產發動機的開發，其中采取了“通用結構”設計方案。在該設計方案基礎上，馬自達公司在第一代Skyactiv汽油機上已用4種不同排量(分別為1.3L、1.5L、2.0L和2.5L)達到了開發目標。從2012年投放市場以來，3年內全球已有6種不同車型搭載了該機型。

這種設計方案的關鍵是減少了標定費用。眾所周知，在開發不同排量的發動機和用于各種不同市場的車型時標定工作占用了最多的資源，考慮到各種不同的邊界條件，以及查明最佳參數所需的費用巨大，通過開發均質混合氣運行的發動機系列達到了開發目標，并且不會影響發動機的性能。為了能夠實現整個發動機系列的統一標定工作，對其規定了重要的標準化性能特點，例如燃燒過程必須相同，以便統一點火定時和氣門定時。為了獲得統一的混合氣準備，即使在瞬態條件下換氣狀況也必須相同。

以燃燒為例子來解釋統一結構設計方案(通用結構方案)(圖5)。燃燒的功能特征是放熱規律(放熱過程)和燃燒持續期，這兩個參數允許實現統一的燃燒過程。通過為這些設計參數選擇合適的量值，例如活塞頂凹坑容積比和渦流比，可使整個發動機系列實現統一的燃燒過程。為了設計出適合于每種排量燃燒室的參數，例如必須仔細地選擇缸徑、行程和缸內流動，從而確保獲得共同的燃燒特征，其關鍵是在計算機輔助工程(CAE)模型基礎上就最終確定這些參數(圖5)。與傳統的發動機開發方法相比，所需的投資和開發持續時間(總平均)減少了一半，因此這種發動機是非常有競爭力的。

圖4 達到理想排放的內燃機路線圖

放熱過程通過活塞頂凹坑和缸內充量流動進行控制

放熱規律 燃燒持續期

項目參數排量/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 用于通過火焰傳播過程和燃燒持續期實現整個(發動機)系列統一燃燒特征的參數

通過應用Skyactiv-G汽油機系列的“通用結構”方案開發出了統一的燃燒過程，從而獲得了很相似的全負荷功率特性曲線，這也體現在比燃油耗曲線上(圖6)。除此之外，也規定了例如點火定時和進氣門關閉時刻的統一標定。這些統一的發動機特性有助于減少為推進下一代內燃機改進所要進行的標定工作量。

圖6 整個(發動機)系列節氣門全開時功率和比燃油耗的比較

7 兩個階段

圖4中的第2步規定要進一步提高壓縮比和應用稀薄運行，為進一步改善內燃機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，均質稀薄運行則是不可缺少的。無論是空燃比還是壓縮比都達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個火花塞點燃是不可能的，因此唯一的解決辦法是采用壓縮點火(圖7)。

圖7 第2階段汽油機的目標是進一步提高壓縮比和采用均質稀薄混合氣壓縮點火(HCCI)

圖8中的兩顆星代表第3階段的Skyactiv-G汽油機的比燃油耗，它們是根據單缸試驗機上的試驗結果計算出來的，可比第1階段的Skyactiv-G汽油機的比燃油耗降低30%以上，但是因混合氣形成不夠充分，比燃油耗并未達到所設定的開發目標，不過這些數值距離開發目標已經較為接近。至于Skyactiv-G汽油機的第2階段尚存在一些問題，但是這些問題已被克服。正如前面已介紹的那樣，將燃油耗降低25%設定為目標，從而內燃機汽車能夠在實際行駛條件下達到與純電動車相同的CO2排放總體平衡水平，已證實了內燃機具有達到該目標的潛力。

圖8 Mazda 3轎車有效燃油耗

8 內燃機與電動機之間CO2總體平衡的比較

圖9對B級轎車進行了CO2排放總體平衡的比較。該項研究是從2011年日本大地震前后采取2種不同方法發電的情況出發的。大地震之前37%的電是采用無CO2發電方法產生的，而從大地震以來幾乎所有的電都是由熱電站生產的。馬自達公司堅信，第3階段的最高效率能使內燃機汽車的CO2排放降低到目前純電動車的水平。如果內燃機的這種高潛力被充分利用的話，那么推動電動車化的大規模措施和資助就為期不遠了。除此之外，在這里應該指出，純電動車在全球市場上的優勢必須依賴由發電產生的CO2排放大幅度降低。

圖9 改進內燃機降低CO2的目標(以Mazda 2轎車為例說明汽車優化步驟)

9 展望和結論

馬自達公司致力于提高內燃機的熱效率，并堅信這種驅動方式將繼續對汽車起到重要的作用，而且具有高的潛力，并對環保汽車作出重要的貢獻。

如果汽油機均質稀薄燃燒過程及合適的絕熱方法和理想的壓縮比能夠實現的話，那么完全有可能在實際行駛條件下降低燃油耗近25%，從而使內燃機汽車在CO2排放總體平衡方面達到純電動車的水平。如果混合動力汽車裝備這種進一步開發的內燃機，那么這種汽車甚至有可能達到比目前純電動車更好的CO2排放總體平衡。馬自達公司以技術改善效果和“Monotsukuri”創新技術作為2個有力的支柱,將實現其開發目標，使其所生產的每一輛汽車都達到純電動車的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 譯自 MTZ，2016,77(5)

何丹妮 編輯

2016-07-03)