汽車用動力傳動系統高效化的技術動向與展望

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0 前言

承擔載客及貨物運輸任務的汽車消耗大量石油，是形成大氣污染及地球溫室氣體CO2的主要排放源。因此，發達國家今后10年內從轎車到重型汽車均會執行最嚴格的排放法規。可以預計，大氣污染問題將得到初步解決[1]。另一方面，在汽車普及化進展顯著的發展中國家，石油的需求快速增長，導致大城市的污染問題日益嚴重，因此采取相應對策成了當務之急。

圖1 2011年度日本運輸部門的CO2排放量

在日本，每年有46%的石油(約900億L)作為汽車用燃料使用[2]。如圖1所示，交通運輸所排放的CO2占總體的18.5%，其中，由汽車排放的CO2達到近9成[3]。根據《京都議定書》的5年期目標，與1990年相比削減溫室效應氣體排放6%，已于2012年實現了。作為今后的努力方向，2015年年末，在巴黎召開的第21屆聯合國氣候變化大會(COP21)上日本提出了2030年的目標：與2013年相比，削減26%的溫室氣體排放。同時，這一目標已由政府明確備案。為實現該目標，需要運輸部門削減近30%的CO2排放量。另外，到2050年發達國家要使溫室氣體降低至目前水平的80%，同時要求交通運輸降低80%的溫室氣體排放。

因此，以傳統的汽油車及柴油車為中心，改善燃油耗被列為重要課題，要求汽車生產商考慮面向日本國內、國外市場的需求，開展戰略性的技術開發。除此之外，從長遠發展來看，還需要通過插電式混合動力車(PHEV)、電動汽車(EV)，以及燃料電池汽車(FCV)等下一代新型汽車在市場上的普及，以更好地改善燃油經濟性與降低CO2排放。因此，根據以上觀點，展望了汽車動力傳動系統的環境、能源領域的課題和解決對策。

1 汽油車的對策與技術

1.1 排放對策與技術

裝有精確先進的電子控制燃油噴射系統和三效催化轉化器裝置的汽油車，對氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)、CO等3種排放成分設定了新的排放法規限值，正大幅度地降低其排放值。日本自2009年開始執行后新長期排放法規后，根據JC08工況設定了排放限值[1]。同時，環保車輛減稅制度也發揮其作用，通過設定NOx及HC排放量為原限值的四分之一，完成了超低排放特性的汽油車超過一半市場份額的目標。為此，在冷起動的暖機過程中促進催化器升溫等措施均被加強。在低燃油耗技術中，實現稀薄燃燒是核心目標，除此之外，對配裝直噴發動機的車輛開發和應用與三效催化轉化器效果相同的新型催化器系統也是減少NOx排放的必要措施。上述策略是發達國家共同的技術方向，將以歐洲、日本和發展中國家為中心，以輕型車(圖2)為研究對象，根據世界統一輕型車驅動試驗循環(WLTC)，日本將從2018年開始采用全球統一輕型車試驗方法(WLTP)對以下所示成份規定了新的排放法規限值[1]：

(1)燃用汽油、液化石油氣(LPG)車輛非甲烷碳氫化合物(NMHC)：從0.05 g/km降至0.10 g/km。

(2)柴油車NOx：從0.08 g/km降至0.15 g/km。

另一方面，在美國加利福尼亞州，為進一步改善大氣環境，以輕型車為對象的LEV Ⅲ相關法規中，規定到2025年，車隊平均非甲烷有機氣體成分(NMOG)與NOx的總排放限值為0.019 8 g/km，規定顆粒物(PM)排放為0.7 mg/km，要求比目前水平分別降低75%與90%，可以說是達到極限的法規限值[4]。美國環境保護局三階段標準(EPA Tier3)[5]與上述法規類似。

在歐盟國家(EU)，自2014年起開始從法規歐5向歐6過渡。同時，對于直噴汽油機，根據2011年的規定，PM限值逐漸增加到6×1011/km，因此部分車輛上需要通過配裝過濾器(GPF)以實現相應目標。

圖2 全球統一輕型車排放試驗循環

1.2 燃油耗基準的收緊、對策與技術

對于汽油車而言，實現低排放特性之后，對燃油耗改善技術的開發與普及正在成為核心課題。在日本，大部分車型均提前達成了2015年度的燃油耗標準，并根據企業平均水平，設定了從2020年度開始執行的燃油耗基準(20.3 km/L)[6]。同樣，對于輕型、中型貨車也提出了從2022年起執行的基準值[7]。

歐盟針對CO2排放量制定了燃油耗基準，提出從2012年執行130 g/km的基準值，并給出了將從2021年執行的95 g/km的基準值，美國跟隨歐洲國家、日本的步伐，也推進了燃油耗基準值的收緊目標。圖3表示根據新歐洲行駛循環(NEDC)換算出的上述各國燃油耗基準值并進行比較后的結果[8]。在發展中國家，改善燃油耗的意識也正在進一步提高，與下一代汽車的開發方向相比，其成本較低，因此對汽油車燃油耗進行改善的措施顯得更為重要。

圖3 各國乘用車燃油耗基準的CO2排放量比較

如表1所示，改善燃油耗的技術是對發動機的多種可變機構(如可變氣門機構等)進行優化和利用，確保燃油供給系統控制的精準化，降低各部件及輔機類的摩擦損失。此外，也要實現自動變速(AT)系統的高效化、車體的輕量化，以及低阻力輪胎的應用等。

表1 汽車的燃油耗改善技術

燃油耗改善率：◎ 10%以上，○ 5%～10%，□ 5%以下

近幾年來，汽油機運用增壓與直噴系統以實現發動機的小型化。當單位氣缸的負荷增大，機械損失及熱損失會相對減少，德國汽車生產商已率先對該技術進行了升級與應用。近期日本汽車生產商也在陸續采用該項技術。為進一步提高發動機性能，實現高增壓化與高壓縮比化是開發的必要因素，不過實現該目標會帶來爆燃等負面影響，因而受到一定限制。因為提前點火容易導致發動機發生爆燃，并帶來嚴重的后果。附著在氣缸壁面上的汽油與潤滑油混合成分及缸內易于形成著火源的沉積物也是誘因之一。雖然還沒有明確的答案，但對該現象的分析及對策也是重要的研究課題[9]。

近十幾年來，預混合壓縮點火(PCCI)和HCCI燃燒技術引起了廣泛關注，市場也期待該技術實用化。在汽油機方面，在大流量廢氣再循環(EGR)及稀薄混合氣的條件下，由于利用高壓縮比結構進行壓縮點火，使得降低NOx及達到高效化成為可能。由于急劇燃燒形成發生在低負荷低轉速的工況條件下，導致控制較為困難，目前實現這些技術仍具有一定挑戰性。

以1973年的石油危機為起點，自從設定燃油耗基準以來，需要達成燃油耗每10年有所改善的目標。而且，通過2020年的燃油耗基準的收緊，燃油耗改善目標逐步接近于20%～30%的數值。預計未來利用發動機燃燒技術本身改善燃油耗將達到上限。汽油車燃油耗改善的最有效手段之一是實現混合動力化。不過，任何情況都必須以實現發動機的高效化為前提。

2 柴油車的對策與技術

2.1 排放對策

對于要求實現低燃油耗、高功率目標的載貨車、公共客車而言，柴油機還將繼續作為未來主流發動機占據重型車輛的市場。即使在乘用車領域，柴油機相比汽油機，熱效率高出約20%，能有效抑制CO2排放。另一方面，由于不均勻噴霧燃燒會導致NOx、黑煙及PM，要實現與汽油車同樣的環保指標仍具有一定挑戰性。

圖4示出了歐洲、美國、日本柴油車重型車排放法規的動向。在日本，關于2016年以后NOx與PM的法規限值，通過基于國際統一的試驗法(WHDC)進行設定，將包括冷起動過程在內的限值分別設定為由0.40 g/(kW·h)降至0.01 g/(kW·h)[1]。在美國加利福尼亞州，為改善地區的大氣環境，對于重型車的法規控制更為嚴格，要求NOx排放比2010年的限值減少75%～90%，數值設定由0.07 g/(kW·h)降至0.03 g/(kW·h)[10]。

圖4 日本、美國、歐盟國家柴油重型車的NOx與PM排放法規

為了降低NOx排放，廣泛采用EGR及噴射定時控制。作為燃油耗及PM的改善措施，廣泛采用帶可變機構及多級化的渦輪增壓系統，通過電子控制，共軌式系統能夠在高壓下實現靈活的多次噴射。為實現發動機的小型化，高增壓技術會得到進一步的發展。按照這一方案，噴射壓力要求從目前的200 MPa提升至300 MPa，另外關于噴射系統的可靠性、耐久性，以及噴霧特性的課題還有待研究。

在排氣后處理技術中，柴油機顆粒過濾器(DPF)是不可或缺的。日本從2009年開始執行新長期排放法規。圖5示出了帶尿素噴射的選擇性催化還原(SCR)系統，同時吸收型NOx還原催化器的利用也是必不可少的。其中，有待解決的課題包括：燃燒技術的作用與分配；溫室氣體對N2O的抑制；系統的可靠性與耐久性；系統的整體化與緊湊化；總體的成本削減等。未來10年，將按照發動機尺寸進行最佳的方案選擇。

圖5 柴油車中的氧化催化器、DPF、帶尿素噴射的SCR系統

在歐盟市場，由于柴油機的大扭矩與低燃油耗特性，搭載柴油機的小型轎車約占總量的50%。然而在日本，由于柴油機會產生黑煙，以及噪聲-振動-平順性(NVH)等問題，柴油機用于乘用車的并不多，減排措施的高成本也是一項原因，導致了柴油機乘用車曾一度退出市場。近期，馬自達公司將滿足后新長期排放法規的清潔柴油機乘用車進行市場投放，做到能滿足歐6及美國Tier2 Bin5排放法規要求。日本從石油產品均衡發展和抑制CO2方面來說，期待柴油機乘用車占有一定比例的市場份額，但是為了未來產品的普及化，更高性能的廢氣凈化系統的實用化及成本降低將成為技術關鍵點。表2示出了上述的乘用車用汽油機和柴油機的比較。

表2 乘用車用汽油機與柴油機的比較

注：“+”指優勢，“-”指劣勢，“0”指基準。

2.2 偏離試驗循環與實際行駛中的排放對策

2011年，在日本一部分滿足后新長期排放法規要求的重型車，在法定循環試驗以外的運轉條件下，發現了由于不當控制使得排氣后處理系統無效的實例，之后由國家進行了調查研究，制定了相關禁止操作的措施[1]。

在歐盟，雖然排放法規已收緊，可是大城市出現黑煙，PM濃度超過環境標準的狀況仍頻繁發生。因此，作為影響環境的重要因素之一，對引進柴油機乘用車的法規及限值進行了重新研究。由于實際行駛排放試驗(RDE)與認證值并不符合，因此需要對RDE排放的輕型排放測量裝置(PEMS)進行評價與限值規定。采用這種方法仍然有待解決試驗方式和條件，包括RDE限值的設定，系統的測量誤差及校正等課題。在日本，也需遵守在多數穩定條件下不超過恒定值的國際標準化的偏離循環試驗法(WNTE)，目前正在研究PEMS的引進。

對于重型車，有必要研究排放與燃油耗試驗法的整合性。此外，也將利用校驗廢氣凈化性能的高級車載診斷系統(OBD)，同時為實現NOx傳感器的實用化，也在進行PM傳感器的開發。另外，在歐盟，PM限值的法規已開始執行，而日本也需要開展其必要性的討論，進而調查柴油車對PM 2.5的影響[1]。

2.3 重型車的燃油耗改善

在日本，乘用車的燃油耗改善最受大眾關注，不過，總質量超過3.5 t的卡車及公共客車等配裝柴油機的重型車燃油耗改善，也是極為重要的課題。日本以削減CO2為目標，設定了2015年度燃油耗標準，要求比2002年改善12.2%。這是世界首個重型車燃油耗基準，燃油耗的測量方法是以穩定運轉的發動機燃油耗特性為基礎，計算過渡行駛工況下的燃油耗的方式，對于城市內行駛工況(JE05工況)及城市間行駛工況，按照車種的使用系數取加權平均值。

美國參考日本的研究，首先由美國運輸署高速公路交通安全局(NHTSA)及EPA，制定了商用車燃油耗標準。該標準以2014-2018年的車型為對象，要求與2010年相比，燃油耗改善6%～23%，該基準為美國首次對商用車執行的燃油耗基準。目前美國正在進行進一步改善燃油耗的第二階段(2020-2025年)研究。

EPA主導實施的研究開發計劃，以面向執行下一階段燃油耗法規的8級超重型車的燃油耗改善為目標，著手制定關于Cummins、Navistar、Daimler和Volvo 4家公司的法規，自2010-2014年EPA提供100億日元的半額研發補助金用于改善運輸效率，力求達到總體效率提升50%，車輛技術提升30%，柴油機技術提升20%的目標。因此，總體目標是使發動機的有效熱效率提高42%～50%，而實際上根據情況預測可以將有效熱效率改善至55%。作為發動機技術的研發，除了實現渦輪增壓器的高效化外，還致力于對渦輪復合系統的開發。另外，對排氣余熱進行能量回收，利用朗肯循環以獲得動力，該措施可以改善2%～6%的燃油耗，對混合動力系統的開發也在同時進行。確保性價比及穩定性，兼顧車輛整體的輕量化，降低排放被列為待解決課題。歐盟也在研究重型車的燃油耗標準的設定工作。

3 非競爭領域的研究開發

在上述發動機的研究課題中，可看到日本各公司間都在互相借鑒。在該領域，企業、學校協作研究，各企業共享研究成果，并應用于產業化，可謀求共同提高開發效率。在歐盟，發動機研究組織以德國發動機研究協會(FVV)為首，不僅在發動機領域，而且在廣泛的汽車技術領域都開展了相關研究，包括人才的交流及培養，均取得了出色的成績。

在日本，以相關企業、學校、政府為聯合，從2014年起的5年內，由內閣政府主導提出“革新的燃燒技術”課題，這是戰略創新計劃的10個課題之一。該課題計劃從科學技術振興機構(JST)所管理的大學、企業等組織獲得技術支持(圖6)，以乘用車用汽油機與柴油機兩種發動機為研究對象，力爭實現燃燒的改善及控制，利用排氣能，降低機械摩擦，實現有效熱效率至50%的目標。圖7表示對應于該計劃，考慮了燃燒室壁面溫度及因此而產生的爆燃，以熱損失及進、排氣過程的燃燒模型應用于汽油機，幫助完成未來熱效率改善至50%的目標，數值預測采用了各種技術以獲得結果。

圖6 新燃燒技術的開發

圖7 汽油機實現50%熱效率的情況

由經濟產業省牽頭組成的汽車用內燃機技術研究組織(AICE)于2014年開始開展工作。由國家與9家乘用車發動機生產商投入研究經費，由大學及中立的研究機構參與，對清潔柴油機排放處理策略進行相關研究。根據上述情況，構建了非競爭領域的企業、學校的聯合研發體制，幫助促進新技術的創造及人才的培養與交流。新一代汽車研發領域也要廣泛構建此類聯合體制，以促進企業、學校間的交流成果。

在為適應更嚴格的環境法規而進行的發動機系統開發過程中，反復進行試制與試驗導致投入的時間與人力成本過高，同時面向多機型迅速開展研發也有困難。作為其解決對策，數值仿真模型的運用是不可或缺的。驗證了各子模型后，完成新的燃燒系統的開發設計、制造，并擴大其應用領域。另外，在發動機控制領域，設定相應運轉條件的以操作因子的圖像為基礎的控制方式。但是，為滿足復雜性能要求與法規擴展延伸，需要尋找滿足過渡運轉條件的發動機的適合工況。

對此，今后要求運用以高通用性的數值模型為基礎的模型庫控制方法，包括以精準的數值仿真模型為基礎的簡單化數值模型。該方法使得各種傳感器使用限制降至最低，從而易于滿足發動機的法規要求。今后系統開發的必要性將會繼續提升。

4 下一代汽車的開發與普及

1973年爆發石油危機后，EV呈現迅速增長的趨勢，同時上世紀90年代美國加利福尼亞州政府頒布了法律，規定有義務引進零排放車輛。自2009年以來，世界首臺批量生產型的EV在日本上市。在這一背景下，蓄電池、電動機，以及電子控制系統得以大幅度地發展。

另一方面，日本在混合動力技術領域取得了較大的進展。1992年，世界首批混合動力車“Prius”上市，其他公司的混合動力車型(HEV)隨之陸續投放市場，并延續至今。

對EV、HEV、PHEV的實用化，以及最近已量產化的FCV的開發要點，是使相關的主要組件實現實用化。今后也會以發動機為首要研究對象，通過蓄電池及電力電子學等實現更高性能。

在歐洲，近十幾年來以燃油經濟性較好的柴油機轎車為中心擴大市場份額，燃油耗的改善也取得了進展，但是，如之前圖3所示，為了滿足CO2排放要求，法規仍然存在不足之處。幾年來，除了提倡汽油車的小型化外，使領先的混合動力產品的輸出電壓也達到48 V，通過怠速停止技術及簡易的柔性混合動力化，在寬廣的運行范圍內以較低的成本改善燃油耗10%～15%，并引進PHEV作為更高級的燃油耗對策。

圖8 下一代汽車的種類及普及情況的預測

圖8表示國際能源機構(IEA)開展的從2000年至2050年間各種乘用車保有份額的預測結果，表3則歸納了各種車型的性能特點與研究課題。以上數據顯示，為實現低碳化，EV及FCV的普及是必不可少的。同時蓄電池性能需要大幅提高，利用可再生能源發電，以及能夠制取氫的設備也是不可或缺的。即便在2050年，配裝發動機的車輛仍占55%的份額，因此，預計發動機的高效化還將繼續。

表3 新一代汽車的特征與課題

▲最差；◎最優；○優；△差；□中間

5 結語

在日本、美國、歐洲各國的汽油車與柴油車滿足從2010年到2020年前半期的相關排放法規要求后，在中長期階段，還需進一步提高性能，以改善燃油經濟性為目標繼續發展。在今后至少20年內，包括混合動力車在內的汽油車、柴油車仍保有市場主要地位。屆時，支持發動機數值仿真的技術將得到發展，并加以應用。另外，通過積極推進試驗方法與統一排放法規的全球標準，以削減開發時間與人力，進而降低成本，迅速適應國際市場需求。

預計今后高速道路交通系統(ITS)及信息通信技術(ICT)將得以發展，以提高交通的便捷性，以及促進交通的順暢化、貨物運輸的高效化、公共交通設備的充分利用等。而且，過度地依賴于汽車的商貿習慣及生活方式也會改變。

以削減汽車交通領域的CO2為目標，預計從目前到2030年可以達到削減30%以上的目標，到2050年可實現削減80%排放總量的目標。另外，有必要構建企業、學校、政府的聯合運作體制，共同按照有關政策確保資源，及節能措施，對削減CO2排放的中長期目標與前景進行研究開發，并推進研發成果的具體應用。

對于汽車快速普及化的新興國家而言，克服大氣污染問題之后，應對燃油需求量的不斷擴大，與擺脫對石油資源的依賴已被列為重要的課題。由此迫切需要對這些新興國家提供包括歐洲各國、日本、美國等發達國家的先進技術及制定政策、法規的方法。日本汽車的CO2排放不到世界總體CO2排放量的1%，但也需要進一步抑制CO2排放，并且通過對發展中國家提供支援，進而為全球的節能減排工作作出貢獻。