汽油機的市場發展趨勢與技術研發動向

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0 前言

巴黎協定在聯合國氣候變化框架條約第21屆締約國會議(COP21)上得以通過，并于2015年末開始實施。以發達國家為中心，各國制定的改善汽車燃油耗及凈化排放氣體的法規限值在快速地收緊。另一方面，隨著發展中國家的汽車普及化，部分城市區域出現了嚴重的大氣污染問題，中國及印度預計將采用與發達國家嚴格程度大致相同的排放法規。

此外，預計以后要采用以日本、歐洲及新興國家為中心的國際標準化試驗法，即全球統一輕型車試驗規范(WLTP)。相比目前的工況試驗法，由于其拓展了更接近于實際行駛的高負荷區域，這將對于提高汽油機的技術水平產生重大影響。

本文以新型汽油機及最新汽油機研發成果為實例，介紹了汽油機的新技術及其研發新動向，介紹了汽油機的市場發展趨勢。

1 日本汽油機市場

1.1 市場概況

2016年，盡管日本汽車市場受到了熊本地震及部分汽車生產商處理燃油耗問題帶來的負面影響，但是，新車銷售量(輕型汽車注冊車輛合計)相比2014年仍增加了2.8%，總量達508萬輛。其中，注冊車輛銷量連續2年增長，新車銷售量增加了7.5%，即增加了336萬輛[1]。輕型汽車的銷售量雖連續3年減少了5.1%，但仍銷售了172萬輛。混合動力車(HV)的銷售比例還在提高。對自然吸氣汽油機及渦輪增壓汽油機都進行了技術改進，新型汽油機已陸續投入了市場。

1.2 日本各汽車制造商動態

表1列出了2016年日本各汽車制造商銷售及發布的主要新型汽油機。

(1)豐田公司

圖1 豐田公司強勁動力發動機

2016年12月，豐田公司提出了名為“TNGA”的新型動力傳動系統的概念。即推進了發動機的模塊化技術，削減約40%的零件種類。預計到2021年，將向市場投放19款機型及37款改型汽油機。圖1示出了應用于燃油車及HV的強勁動力發動機中的4缸2.5 L汽油機。該汽油機的高速燃燒技術，是采用行程缸徑比(S/D)約為1.2的長行程結構，擴大了氣門夾角，采用了激光包覆氣門座的高效率進氣道。此外，由于應用多噴孔直噴噴油器及連續可變容量機油泵等，最大熱效率可達到41%(HV車和燃油車為40%)，升功率達到60 kW。以面向售往北美市場的Comere車為契機，該機型開始了批量生產。

(2)日產公司

日產公司于2016年發布了Note車，即裝備有新動力傳動系統的e-POWER車，該車采用了與e-POWER車相似的匹配度較高的HR12DE型發動機(圖2)。

表1 2016年日本各汽車制造商銷售及發布的主要新型汽油機

圖2 日產公司HR12DE汽油機

該發動機與傳統機型相比，采用了缸壁鏡面涂覆的機體、缸蓋一體式排氣歧管、EGR冷卻器、雙噴油器和電動水泵等技術，壓縮比由10.2提高到12.0，由于與高功率電機相結合，車輛在JC08工況下的燃油耗為37.2 km/L。

2016年8月日產發布的配裝于Serena車上的MR20DD型汽油機(圖3)，與傳統機型相比，由于采用了缸壁鏡面涂覆機體、3個排氣道缸蓋、廢氣再循環(EGR)裝置、轉板式電子控制滾轉調節和阿特金森循環等技術，壓縮比由11.2提升到12.5。同時，為降低輔機皮帶驅動的整體式起動發電機(ISG)工作時的損失，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 日產公司MR20DD汽油機

此外，在2016年9月巴黎的發動機展覽會上，日產公司發布了一款乘用車發動機，該發動機能夠使壓縮機在8.0～14.0范圍內變化，并使用可變容量渦輪增壓器(VCT)(圖4)[2]。預計2018年將配裝于銷往歐洲市場的Infinity車上。

圖4 日產公司VCT發動機

(3)本田公司

本田公司于2016年8月發布了配裝于NSX車上的JNC型汽油機(圖5)，應用等離子噴鍍缸壁、缸內直噴與進氣道噴射相結合、電動排氣閥等技術，使用V6-3.5 L發動機，其最大扭矩為550 N·m，最高功率可達373 kW。為了提高整車運動性能，需實現發動機低重心化，為此將氣門傾斜角設計為75°，采用壓力循環式供油潤滑法。同時，為了使發動機具備優異的旋轉性能，安裝飛輪及曲軸皮帶輪平衡調整螺栓，對發動機旋轉平衡進行測量。

圖5 本田公司JNC汽油機

(4)斯巴魯公司

斯巴魯公司于2016年9月發布的配裝于Impressa車的FB20型發動機(圖6)，相比于原機型，由于80%的零部件經過了重新設計，質量減輕了約12 kg，實現了發動機機體的高剛度化，增加了發動機固定點以減輕振動噪聲。另外，采用直噴技術，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

(5)大發公司

大發公司2016年4月發布的配裝于Boonpaso車的IKR-FE型汽油機(圖7)，與傳統發動機相比，由于采用了雙進氣道、雙噴油器、阿特金森循環等技術，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，車輛在JC08工況下的燃油耗為28.0 km/L。

圖7 大發公司IKR-FE汽油機

大發公司于2016年11月發布的配裝于T0ll Tank Roomy車上的IKR-VET型汽油機(圖8)，是以IKR-FE型發動機的雙進氣道及兩個噴油器布置等具有良好燃燒特性的基本參數規格為基礎，設計成渦輪增壓發動機，其最高功率可達72 kW，最大扭矩為140 N·m。此外，為了抑制發動機內部的雜質附著現象，采用了配備有噴射泵的曲軸箱主動換氣系統。

圖8 大發公司IKR-VET汽油機

2 北美汽油機市場

2.1 市場概況

由于汽油成本較低，且供給來源穩定，輕型載貨汽車(LDT)的銷售情況良好。盡管人們對低燃油耗技術提出的需求并不多，不過仍在持續進行整車輕量化及發動機的技術改進。

2.2 各汽車生產商動態

表2列出北美廠商的新型汽油機情況。

表2 2016年北美新型汽油機情況

(1)Chrysler公司

在2010年上市的V6 3.21～3.6 L的發動機中，Penta-star 3.6 L發動機是第二代已實施了改良的機型(圖9)。這款配裝于Jeep Grand Cherokee車的發動機，采用了EGR裝置，壓縮比由10.2提高到11.3。由于進氣側使用兩級VVL機構，按照進氣道噴射方式，最高功率可達214 kW，最大扭矩達355 N·m。此外，在2017年初，對該機型加以改造，如采用阿特金森循環、使用高壓縮比(12.5)等技術，作為Pacifica混合動力車中的PHEV車型用發動機。

圖9 Chrysler公司Penta-star 3.6 L汽油機

3 歐洲汽油機市場

3.1 市場概況

由于受2008年美國金融危機及2010年歐洲債務危機的影響，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緩慢恢復的趨勢。

歐洲汽車市場正在倡導基于直噴增壓發動機“縮缸強化”的技術潮流，而在直噴與增壓機型中，利用48 V的混合動力與電動渦輪增壓器的完美結合，可有效推進燃油耗的改善。

表3 2016年歐洲新型汽油機一覽

3.2 各汽車生產商動態

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

(1)Volkswagen公司

Volkswagen公司在2016年4月37次維也納國際發動機研討會上發布1.5 L 4缸EA211型雙渦輪增壓(TSI)evo汽油機(圖10)，相比原汽油機增加了0.1 L排量，成為“按照模塊化進行制造”的發動機。該發動機由于使用了可變截面渦輪增壓器，燃油噴射壓力可達35 MPa，并采用了米勒循環、等離子體噴鍍缸壁技術，機體水冷卻停止控制技術，并引進可變參數機油泵、氣缸停止系統等技術，相比原機型可改善燃油經濟性達10%，有效功率也可達到96 kW。此外，110 kW級發動機也在技術引進的范疇之內。

圖10 Volkswagen公司EA211 1.5 L TSI evo發動機

(2)Porsche公司

Porsche汽車公司于2016年3月日內瓦汽車展會上發布的718Boxter車上，配裝有兩款汽油機，其中一款為新開發的DDP 2.0 L汽油機(圖11)，這是由原水平對置的6缸NA汽油機實施了縮缸強化后的改型機。另一機型為DDN 2.5 L汽油機(圖12)的水平對置4缸直噴渦輪增壓汽油機。該款DDN 2.5 L汽油機由于應用于911 Boxter車上，并采用了可變截面渦輪增壓器等技術，相比原有的3.4 L水平對置6缸發動機的最大功率提高了26 kW，達到257 kW，最大扭矩增加了60 N·m，達到420 N·m，CO2排放量是為167 g/km。

圖11 Porsche公司DDP 2.0 L汽油機

圖12 Porsche公司DDN 2.5 L汽油機

(3)Mercedes-Benz公司

Mercedes-Benz公司于2016年11月發布了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(圖15)。由于這些發動機的缸徑統一采用83 mm的尺寸，缸心距統一采用90 mm的尺寸，有效提高了生產效率。V8 4.0 L的M176型汽油機相比原M278型發動機的排量降低了0.7 L，缸心距縮小了16 mm，并實施了縮缸強化。另一方面，由于使用了Camtronic可變氣門機構的氣缸停止等技術，功率提高達15 kW，并有效改善了燃油耗。從20世紀90年代后半期開始，各汽車生產商將直列6缸發動機置換為總長度更具優勢的V型6缸發動機，由此M256型發動機成為直列6缸新型發動機中的少數。該機型采用48 V ISG系統，低速旋轉時能夠利用電能實現增壓，并采用了一體式渦輪增壓器等技術，預計其最高功率可達300 kW，最大扭矩可達500 N·m。M264型發動機是采用雙渦旋輪增壓器與48 V皮帶驅動式ISG系統，預計其最高功率可達200 kW。

圖13 Mercedes-Benz公司M176汽油機

圖14 Mercedes-Benz公司M256汽油機

圖15 Mercedes-Benz公司M264汽油機

4 汽油機技術研究發展動向

自2014年，由日本9家汽車制造商與兩家研究機構以及贊助單位組成的“車用內燃機技術研究組織(AICE)”已正式投入工作[1]。而且，內閣府綜合科學技術創新會議發揮了指導功能，為實現科學技術創新而設置了“國家戰略級創新及創新設計(SIP)”。作為該計劃的10大課題之一的“燃燒技術革新”計劃也已開始實施[2]。本計劃的實質是旨在將目前的量產發動機的熱效率由40%左右提高到50%，并開始著手建立產業、學校、政府的聯合研究體制。具體而言，要按照汽油機、柴油機、控制、降低熱損失等4個領域，將參與研究的約80所高校劃分為各個研究小組，由擔任領導的高校進行管理，并開展研究。而且，將各個研究小組與AICE的各學科協會聯合，并支援研究、管理知識的國立科學技術研究開發機構(JST)，同時實施進行統一管理的體制。并于2016年6月召開的研討會上說明了汽油機的相關研究內容的概況。

汽油燃燒研究小組以“實現高效率汽油機的超稀薄燃燒的研究開發”的課題進行了工作匯報，目前的研究成果表明，單缸發動機的指示熱效率已經可達45%。控制領域研究小組以“實現革新的燃燒技術的模型試驗與控制”的課題進行了工作匯報，并以此開展了最尖端計測技術的開發，以及進行排放顆粒物(PM)計算的初步研究成果[3]。降低損失研究小組則以“排氣能的有效利用與機械摩擦損失的降低”的課題進行了工作匯報，針對發動機活塞表面的超低摩擦化而開展了研究。此外，控制領域研究小組與汽油燃燒研究小組聯合開發了汽車發動機的三維燃燒分析軟件“HINOCA”，并對此進行了介紹。本軟件由于可分析進氣、燃油噴射、混合氣形成、電火花點火、火焰傳播、熱損失、排氣等領域，涵蓋了4行程發動機的燃燒循環等一系列現象，可大幅度縮短并深入地進行燃燒分析。此外，企業在產品研發中，能將研究成果有效應用于開發中，對于工業、學校雙方而言都是充滿吸引力的，今后仍將繼續引進最前沿的技術，開展軟件技術，以便能夠使研發進程得以高速發展[4]。

汽車市場按動力傳動系統進行分類，可包括有混合動力車、插電式混合動力車等車型。延伸電動車續航里程目前可謂一大研究熱點，電動車的比例將越來越高。為降低CO2排放，期待相關研究成果可盡早轉化。