车用发动机技术研发现状及其未来发展趋势

【日】 大聖泰弘

0 前言

汽车是现代生活中不可缺少的交通工具，与其相关的产业，除整车制造外，还包括毛坯、材料、零部件、燃料等多个行业，其涵盖范围极广。但另一方面，汽车也已成为交通拥堵、大气污染的诱因之一，不仅消耗大量燃油，引发石油危机，而且推动了全球气候变暖的进程。根据国际能源机构的年度报告《World Energy Outlook 2010》的统计，目前有60%的石油被用作汽车燃料，而在全球二氧化碳（CO2）排放总量中，以汽车为主的运输行业占了23%。随着新兴国家的经济增长和交通工具机动化的发展，以现有的对策来看，与2008年相比，2030年对一次能源的需求量将会增加约40%[1]。

在这一背景下，近十几年来，控制汽车排放的技术得到了较大发展[2，3]。与此同时，以大幅节约能源和利用新能源为目的，混合动力车、电动车及燃料电池车等所谓的“新一代汽车”开始受到关注。但是，对于汽车制造商来说，改善发动机性能，净化废气和改善燃油经济性仍然是最重要的课题，即使是应用混合动力系统，也需要提高发动机自身的效率。

本文介绍了今后10～20年内将继续占据原动机领域主导地位的车用发动机的现状和未来发展趋势，内容涉及提高发动机性能、废气净化，以及提高效率等相关技术。

1 汽油机

1.1 降低排放技术的精细化

汽油车已经普遍采用了降低排放的系统（图1）。以理论空燃比燃烧为前提，通过将进一步精细化的电控燃油喷射系统与三效催化转化系统相结合，使同时降低氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放的技术获得了较大进展[3]。随着排放法规的强化，目前的技术研发已开始注重降低占排气总量比例较大的冷起动至暖机状态期间的废气排放。日本政府通过实施标识制度和环保税制，已取得了一定的成效，NOx和HC排放量达到规定值1/4左右的超低排放车占据了较大市场份额，这在很大程度上减轻了汽车对环境的影响。同样，在美国，以及欧盟各国也能看到这种发展趋势。

1.2 燃油耗法规强化及相关改进技术

1.2.1 备国燃油耗法规的强化

对未来的汽油车，要求在维持原有低排放特性的基础上，将改善燃油经济性列为重要课题。日本由于石油短缺而率先制定了燃油耗相关法规，并根据不同的车辆质量等级进行了多次强化。2010年度的燃油耗标准[4]目前已基本达成，与2004年标准相比改善23.5%的2015年燃油耗标准也已被提出[5]。以后，在与汽油进行热量换算的基础上，柴油车也将使用同一标准值。目前，已开始讨论2020年的强化标准，考虑到混合动力车的普及，计划将整体燃油经济性比2008年再改善20%以上。今后，预计发动机自身的热效率将从10%上升到20%以上，这已几乎接近技术发展的饱和水平。

欧盟在CO2排放量的基础上制定了燃油耗标准。2020年的公司平均燃油耗将从现在的130 g/km降为95 g/km，这是世界上最严格的标准。尽管外界都猜测其早晚会颁布一些缓和措施，但欧洲交通环境联合会仍提出在2025年需达到公司平均燃油耗60 g/km的极高目标。

美国决定在2012-2016年期间，分阶段降低42%的CO2排放量，公司平均燃油耗将从现在的27.5 mile/gal①为了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。上升到35.5 mile/gal（约15 km/L，CO2排放量155 g/km）。进而，根据讨论方案，在2017-2025年期间，将使CO2排放量逐年递减3%～6%，最严格的需降低6%，CO2排放量将降至90 g/km以下。

目前，中国的汽车销售量已居世界第一，为降低燃油耗，也在讨论采用与发达国家同样严格的燃油耗标准（图2）。

1.2.2 提高发动机性能及改善燃油经济性的技术

图3示出了汽油机、柴油机和燃料电池系统的热效率主要特性，图中也标出了将来要实现的目标值。一般情况下，发动机在部分负荷时机械损失会较大，而汽油机的损失还会因为进气节流的缘故而进一步增加，导致热效率不可避免地发生恶化。要改善这种现象，一方面要降低机械损失，改善低负荷工况下的燃烧；另一方面，还需针对要求功率，开发出一种在高负荷、低转速工况下运行的变速方法。

具体的技术对策如表1所列，包括利用各种可变机构，进一步改进包括直接喷射系统在内的供油系统控制，提高变速系统效率，通过采用增压系统实现缩缸强化，降低各运动系统零部件的摩擦及辅机摩擦损失等发动机相关技术。这些技术同时也能满足提高发动机性能的要求。

表1 改善汽车燃油经济性的技术

在提高发动机扭矩和热效率方面，虽然基于热力学原理，压缩比越高越好，但却受到爆燃的限制。为解决这一矛盾，在使用高十六烷值燃料的基础上，采用燃油直接喷射系统是有效的方法。通过对喷油定时和多次喷射实施电子控制，使混合气形成具有更大的自由度，并实现EGR和可变气门机构的组合应用。同时，以发动机小型化为前提利用增压系统，并使轻量化特性和匹配性得到改善的应用案例也在不断增加。另外，针对直接喷射汽油机，与下文所述柴油机一样，开始要求限制其颗粒（PM）排放（JC08工况下为5 mg/km），而冷起动时的未蒸发燃油及燃油喷雾与气缸壁的冲撞是汽油机PM排放增加的主要因素，所以必须采取相应的对策加以控制。

稀燃技术也是改善燃油经济性的有效手段，可以采用具有高净化效率的NOx催化还原装置取代三效催化转化器，为保证其性能，还需采用硫含量低于10×10-6的汽油。但是，要达到前文所述超低排放水平依然很困难，成本也较高，因此目前只能暂时放弃这一方法。为了使这种技术能够再次得到应用，首先要解决的问题是普及以利用三效催化转化器为前提的理论空燃比燃烧直接喷射汽油机。表2对上述燃烧技术进行了总结。

表2 改善汽油机部分负荷工况燃油经济性的方法

作为改善部分负荷工况燃油经济性的方法，各地区正在开展应用直喷技术和可变气门机构，在高压缩比条件下实现HCCI燃烧的新技术研究。虽然这是一种值得期待的技术，但它具有快速燃烧的倾向，并且对混合气温度极为敏感，容易出现循环波动，因而难以控制，目前只限于应用在低负荷、中低速运转区域，而无法在发动机整个运转范围内实用。相应的对策是通过形成不均匀混合气，并利用进、排气门控制，改变压缩比，同时利用残留废气，或是通过火花点火使部分分层的混合气燃烧。

2 柴油机

2.1 排放法规的强化及相应对策

柴油机具有燃油经济性好、输出功率高的优势，对于耐久性要求较高的卡车和公共汽车来说，柴油机仍将是主要的动力装置。即使作为乘用车发动机，柴油机在中低转速区域的扭矩较大，热效率也比汽油机高20%～30%，在降低CO2排放方面非常有效。另一方面，由于缸内不均匀喷雾燃烧而导致柴油机的NOx、碳烟和PM排放量较高，同时却要求其具有与汽油机比肩的净化程度。图4是日本、美国，以及欧洲的柴油车排放法规动向，这被认为是最终要达到的目标。日本自2016年以后，在与国际标准相协调的基础上，利用试验方法将全球统一瞬态循环的NOx排放限值定为0.40 g/（k W·h），将PM排放限值定为0.01 g/（k W·h），为此，需要引人车载诊断系统和非循环排放标准。

如图5所示，为满足排放法规要求，柴油车采取了以下措施：（1）利用EGR及喷油控制降低NOx排放；（2）利用可变机构、多级涡轮增压系统及高压喷油改善性能和燃油经济性，并利用柴油颗粒滤清器（DPF）等后处理技术降低PM排放。在喷油系统中，采用电控柔性多级高压喷射的共轨系统得到了广泛应用。今后，可实现发动机缩缸强化的高增压技术尚有很大的运用空间，而喷油系统的喷油压力将从现在的200 MPa提高到约300 MPa，这也相应对部件的可靠性和耐久性提出了更高要求。

为大幅减轻NOx和PM后处理系统的负担，在中低负荷工况下普遍尝试通过多次喷射和EGR实现HCCI燃烧。这种技术虽在汽油机中已有应用先例，但要投人实际应用，还需解决控制技术方面的难题。

在排气后处理技术方面，采用在DPF的基础上再增加尿素选择性催化还原（SCR）装置的方法，或是利用吸附型NOx催化还原装置，较具代表性的实例示于图6。虽然还存在要保证可靠性和耐久性，以及降低控制系统整体成本等问题，但是可以预见，技术人员最终会克服这些难题，并将这些复杂的技术应用于最合适的系统。

在欧盟国家，通过增压和高压喷油技术改善性能的柴油车份额已超过轿车总量的50%。而在日本，柴油车由于排放黑烟及振动、噪声大等问题被敬而远之，同时由于柴油车需要应用排放控制技术，导致成本较高，因此在市场上难觅踪影。但近来，日产汽车公司和三菱汽车公司分别推出了可满足日本2009年排放法规的清洁柴油轿车。因此，从平衡石油产品和控制CO2排放的观点出发，希望能在日本普及推广柴油车，关键是要开发出具有高净化性能的NOx催化还原装置，同时降低整个系统的成本[6]。

2.2 改善重型车的燃油经济性

日本于2006年，以车辆总质量超过3.5 t的柴油车为对象，制定了要求比2002年平均改善12.2%的2015年燃油耗标准[7]。该标准是根据柴油卡车及公共汽车进一步改善燃油经济性和降低CO2排放的要求而制定的。燃油耗的测定方法以稳态运行工况下的发动机燃油经济性为基础计算所得，按市区运行模式（JE05工况）和城市间运行模式（带纵向梯度的80 km/h等速模式），利用不同车型的相应系数，加权平均所得的值即为燃油耗值。由于车型较多，因此着眼于标准车型的相关技术规格改善发动机的燃油经济性。要满足2015年燃油耗标准的要求，必须在满足前文所述2016年排放法规的前提下进行适当折中。以此为契机，欧美地区也正在探讨设立类似的燃油耗标准。

在改善燃油经济性的技术中，除了利用多级涡轮增压技术外，还有将涡轮排出的废气进一步膨胀时的动力返回到输出轴的机械涡轮复合增压系统，以及将该动力用于发电的电控涡轮复合增压系统。此外，在利用排气废热方面，有利用朗肯循环获得动力，以及利用热电偶发电等方法，这些方法可使燃油经济性改善约2%～10%，所以非常适合应用于高速行驶的大型车辆。目前的研究课题是要克服系统体积和质量的增加，并在降低成本的同时，实现燃油经济性的改善。

3 混合动力技术[8，9]

在超越乘用车发动机自身而大幅改善燃油经济性的技术中，混合动力技术[9]当属第一。混合动力可以有以下几种方式。

（1）轻度混合动力：利用电机，在发动机起动、停止（怠速停止）和减速时进行再生制动，并具有充电功能，燃油经济性改善率可达5%～15%。

（2）中度混合动力：在轻度混合动力的基础上又增加了动力辅助功能（并联式）。燃油经济性改善率可达到20%～50%。代表性的实例有本田汽车公司的Insight和Fit混合动力车，以及日产公司的Fuga混合动力车。

（3）全混合动力：这是一种同时具备电动机和发电机的混合动力系统，可分为发动机仅用于发电的串联式混合动力，以及同时具备串联、并联2种功能的混合动力方式。燃油经济性改善率可达50%～100%。串联式混合动力需要与在一定负荷及转速下具有高热效率的发动机相匹配，代表性的例子有GM公司的Chevrolet Volt车。串联/并联式混合动力的实例有丰田汽车公司的Prius混合动力车。

图7示出了中度混合动力和全混合动力的结构示思图。不论是哪种方式，都应尽量避开燃油经济性较差的低负荷工况，包括发电功率在内，均被控制在中高负荷区域运转，以改善燃油经济性。另外，利用电机的动力辅助系统不仅可以改善动力性能，而且在减速时，还可将其用作再生制动的发电机，将其产生的电能储存在电池中，大幅改善燃油经济性。

无论是哪种混合动力发动机，在应用频率较高的运行范围内都追求进一步提高效率。因此，全混合动力车的燃油经济性与同等车辆相比，最多可改善1倍以上，超过了同等规格柴油车的水平，而要进一步提高燃油经济性，则必须实现柴油车的混合动力化。但如果在柴油乘用车上应用混合动力技术，会导致包括排放控制技术在内的系统成本增加过大，从而难以满足实用化的要求。另一方面，为应对今后更严格的CO2排放法规，欧盟国家已经尝试在中高级柴油车中应用混合动力技术。

另外，研制了安装扩容电池并可利用外部电源充电的插电式混合动力车，这种混合动力车可以只依靠电机行驶。这种车辆不仅利用了电源CO2排放低的特性，而且在利用混合动力行驶时具有充足的续航里程，有望比纯电动车更快得到普及。而目前需研究的是，要根据日常行驶里程决定安装电池的数量，并据此控制车辆质量的增加和成本的升高[10]。

在日本，各公司都推出了用于区域性物流交通的并联式混合动力柴油卡车和公共汽车，燃油经济性可改善20%～30%。不论是哪种混合动力车，目前都在以先进国家为中心的地区推广应用，而如何利用在燃油经济性方面的获益，以补偿因混合动力而导致的成本上升，将是今后真正普及该项技术的关键。

4 新燃料、新能源的利用

补充石油短缺的新燃料和新能源的利用，在能源多样化及防止全球气候变暖方面也是有效的对策。作为候补方案，图8列出了多种选择，在中长期选项中包括了电力和氢能源。

可再生燃料包括以生物质为原料的生物乙醇和生物柴油。生物乙醇由淀粉、糖或纤维质等原料经过各种处理并发酵制成。生物柴油是将植物油及其废弃油转化为脂肪酸甲酯后的产物。在日本，根据质量保护法的要求，在用车燃料中生物柴油的允许混合比例分别是：汽油中允许混合体积分数为3%（E3）的生物乙醇，轻油中允许混合质量分数为5%（B5）的生物柴油，而在不久的将来，汽油中生物乙醇的混合比例或许将允许达到10%。最近还提出可将各种生物资源气化，并利用贾-托合成法将其合成为与石油特性类似的生物制油。无论是哪种燃料，都是以液体燃料的形式与传统燃料混合使用，只需在材质等方面对燃油系统进行较小的改动，对性能和排放几乎没有不良影响。

另外，为避免生物燃料的使用加剧粮食危机，根据2013年以后的后京都议定书的宗旨，应正确评价从土地利用到制造、运输的整个过程中降低CO2排放的效果，在此基础上，日本也对此进行了相关研究。无论如何，日本国内的生物质资源并不丰富，不能无限制地进行开发，因而，期待能通过开发新的生物燃料制造方法对汽车行业作出贡献。

5 车辆的轻量化技术

减轻车辆质量也是一项改善性能和提高燃油经济性的重要技术手段。将车辆在市区行驶时因加速阻力、轮胎滚动阻力和空气阻力而消耗的能量与标准车型相比，加速阻力所消耗的能量占整体的50%。根据这一点可以看出，轻量化对改善燃油经济性非常有效，对混合动力车和电动车来说将是极为有效的技术措施。如图9所示，通过减轻车辆质量，不仅能改善车辆的行驶性能，还能减轻动力系统的质量，实现结构紧凑，同时减轻废气净化的负担，以此形成良好的循环。

为了实现上述目标，全球16家主要钢铁制造商从2008年起共同设立了1个名为“World AutoSteel”的项目。该项目的目标是研发出强度比传统钢铁高出2～4倍的高张力钢或超高张力钢，而利用这种新型钢，可在保证车辆安全性的同时，将车辆质量减轻约30%，从而使燃油经济性改善20%以上。日本钢铁制造商已在这一领域中研发出先进的技术，并将其应用范围逐步扩大。另外，也在推广铝合金等轻金属，以及包括碳纤维增强复合材料在内的塑料材质的应用。充分利用各种材料的特性，改善成型、加工方法，以及与异种材料的接合方法，降低成本，实现全球生产，在克服上述难题的基础上，实现轻量材料的推广应用。

从兼容性的观点来看，目前正在寻求一种在轻型车与重型车相碰撞时，能够将轻型车的损坏程度降至最低的结构。在开发轻量化技术的同时，还必须促进先进安全技术的研发。

6 数值仿真技术和控制技术

在开发能满足今后更严格排放法规的发动机系统时，如果采用以往通过不断的试制和试验来验证方案的方法，会耗贾大量的时间和人力，导致成本过大，并且难以匹配多种机型。为此，运用了灵活的数值仿真模型。图10为燃烧的数值模型示例。在验证各种子模型的基础上，从了解燃烧现象开始，到开发、设计和制造新的燃烧系统，其应用前景令人期待。

通常，发动机所采用的控制方式是在指示运行工况的各种操作系数特性图基础上，选择各项控制系数进行控制。但是，随着发动机的性能要求日趋提高，同时还要满足排放法规的要求，其特性图数量大量增加，导致包括瞬态运行工况在内的发动机调节所需的人力和时间不断增加。面对这一问题，今后需要在应用广泛的数值模型基础上，灵活应用各种控制方法。其中也包含以上述数值仿真模型为基础的简化模型。采用这种方法，不仅可减少对各类传感器的依赖程度，而且能应用于各种类型的发动机，今后应对其进行深人的开发。

7 结语

在日本、美国，以及欧洲国家，汽油车和柴油车在满足21世纪10年代中期排放法规的基础上，未来还将进一步提高性能，改善燃油经济性，并至少在未来20年内，仍占据交通物流的主导地位。在开发车用发动机时，必须在改善和维持燃油特性的前提下，组合并优化与燃烧及后处理相关的关键技术。此时，评价产品研制情况的数值仿真技术是不可或缺的。

目前，已针对两轮车和特殊车辆，开始就试验方法及排放法规与国际标准之间的协调进行探讨，接下来将讨论并推进重型车及乘用车的相关工作，旨在减少开发时间和人力，降低成本，力求在面对国际市场需求的情况下做到快速响应。除发动机技术外，还要同时推进电动化、车辆轻量化和生物燃料的应用等研究工作。通过应用以上技术，预计未来CO2排放将得到较大改善，其预测结果示于图11。

本文虽未提到，但在今后的发展中，还应灵活应用高速公路交通系统和信息通信技术，实现交通顺畅，提高货物运输的效率，促进公共交通工具的利用，并适当地重视铁路运输，改变过份依赖于汽车的商业习惯和生活方式。如果综合推进以上各项措施，那么，汽车领域减少CO2排放的潜力在2030年预计可达到50%，到2050年则可达到80%左右。为此，必须构建产学政协作体制，保护资源，节约能源，共同设定减少CO2排放的中长期目标，开展研发工作，并促进相关政策的实施。汽车行业更应在关注国际市场的同时，遵循上述技术战略展开研发工作。