马自达公司的高效内燃机之路

发展动向

马自达公司的高效内燃机之路

【日】 I.Hirose M.Hitomi

日本制造商坚信，内燃机汽车通过提高系统效率能够与电动车达到相同的CO2排放水平。马自达公司宣布了实现Skyactiv技术的2个计划开发阶段。这种被称为“Monotsukuri”的创新系统有助于尽可能快地将这种先进发动机搭载于整个车型型谱。

稀薄燃烧 CO2排放 比燃油耗

1 内燃机效率的重大潜力

内燃机作为汽车驱动装置一直起着重要的作用。即使在汽车工业继续大力推进混合动力汽车或插电式混合动力汽车发展的情况下,为了使内燃机汽车达到最大程度的环保性，内燃机的创新依然是必不可少的。

除此之外，大大提高内燃机的热效率仍存在巨大的潜力。一旦这种潜力被充分挖掘，内燃机就非常可能达到纯电动车的CO2总体排放平均水平，此时内燃机仅需与1台蓄电池供电的小电动机相组合[1]。如果马自达公司的这项创新技术及时在其全球的生产线上实施的话，那么不仅能使内燃机汽车更具有竞争力，而且也更环保。

本文介绍最新技术创新的状况，如对于能有效改善排放的Skyactiv发动机，将全部精力集中在其第二个发展阶段，以及马自达公司所取得的“Monotsukuri”创新技术，以便使这种新开发的技术能在汽车上实施。

2 汽车销售量增长的预期

CO2排放法规要求各国在全球环境保护框架范围内承担责任，极具深远影响。作为对越来越严格的废气排放法规的响应，汽车制造商已作出了努力，一方面将混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)或纯电动车(EV)迅速推向市场。另一方面，全球越来越多的领先的研究院所已预测，在不久的未来，电动车的份额将会受到限制。

除了纯电动车之外的其他类型汽车，即HEV、PHEV或传统汽车都需要以内燃机作为动力源，其中HEV和PHEV还需要昂贵的电气部件，因而这些车辆未必能受市场广泛的青睐。特别是在发展中国家中，虽然未来对轿车的需求量会不断增长，但是上述车型未必会迅速推广。基于这种预测，马自达公司看到了进一步改善内燃机的重要意义，并成为优先开展的首要工作。该计划能使大多数轿车在近期内都能从中获得好处，从而能为环境保护作出实际的贡献。按照驱动方式(EV、HEV、PHEV及传统轿车)统计的年销售量的预测，确认内燃机作为驱动装置到2030年仍会占全球市场的90%。

预期汽车年销售量增长的地区主要是亚洲非经济合作与发展组织(OECD)国家。纯电动车所需的电能必须以极小的CO2排放量为代价，这才可以达到真正的环保，但与此同时，再生能量大批量供应是非常困难的。随着汽车的销量提高，CO2排放量也会随之增加，应该通过大大改善内燃机的燃油效率来予以平衡，同时还应开辟更清洁的和更持久的能源。马自达公司坚信多种方式相结合才是解决目前问题的最有效的途径。

为了迅速推广并持久，马自达公司开发的这种有助于全球环境保护的技术必须可广泛使用，并且价格低廉。除了提升效率之外，还应同时革新该项计划的开发方法，以便能迅速广泛地推广这种创新的内燃机。这项名为“Monotsukuri Innovation”创新技术是1种全新设计的开发方法。下文介绍马自达公司已使用的创新发动机的方案和“Monotsukuri Innovation”创新技术，以便能成套地转化开发成果。

3 提高内燃机效率的目标设定

纯电动车没有CO2排放，属于环保型的交通工具，因而全球各国用各种鼓励政策来进行推广。实际上，只有电能来自核能、水力、风力和太阳能的情况下才属于真正的无CO2排放，然而就全球已查明的平均水平而言，70%发电厂在其运行期间都排放CO2。若未来纯电动车份额增长的话，就会导致电能产量过高地增加，这就意味着生产电能的CO2排放量就可能进一步增多。如果内燃机汽车节省的CO2排放比生产电能增加的CO2排放量更高，那么实际全球总的CO2排放量上才能减少。因此，马自达公司设定的目标是，用内燃机汽车达到与纯电动车相当的CO2总体平衡水平。

4 相对于电动车的燃油耗当量

内燃机开发目标的设定以纯电动车CO2总体平衡为基础，并假定采用目前的方法生产电能。图1示出了参加OECD的几个重要国家生产电能的CO2比排放量。对于内燃机开发目标的设定，决定采用0.5kg/(kW·h)作为电能生产具有代表性的CO2比排放量数值。

图1 电能生产的CO2比排放(具有代表性的数值为0.5kg/(kW·h))

图2示出了新欧洲行驶循环(NEDC)燃油耗与实际能量消耗之间的比较，图2(a)为纯电动车，图2(b)为内燃机汽车。图2(a)中X轴表示NEDC行驶循环中的耗电量，而Y轴则为全德国汽车俱乐部-经济性(ADAC-Eco)试验中的实际耗电量。图2(b)示出了汽油机车的汽油消耗量。纯电动车在NEDC行驶循环耗电量与实际耗电量之间足足相差30%～40%，C级车实际百公里平均耗电量为21.2kW·h。

图2 NEDC行驶循环与实际数据之间的燃油耗比较(C级车为百公里21.2kW·h, Mazda 3-2.0L为百公里5.2L)

从汽油机中选择Mazda 3轿车的2.0L-Skyactiv汽油机作为基准机型用于试验，这种车型的实际汽油耗为百公里5.2L。图3示出了降低汽油车CO2总体平衡的目标，它相当于纯电动车的CO2总体平衡水平。因为附加了燃油准备(油井至燃油箱)的CO2排放量，因此总的水平要高于普通汽车(燃油箱至车轮)的CO2排放量。

C级纯电动车的实际CO2排放量可从耗电量(图3中的斜线带)和电能生产中的排放量(见图3中的深色带)得到，其汽油耗当量为百公里3.8L，但是该值还必须用锂离子电池生产周期中所产生的CO2排放量进行修正，因而汽油耗当量总共为百公里4.2L。在考虑到该值的情况下，汽油机的目标燃油耗设定为百公里4.0L。

对于目前实际燃油耗为百公里5.2L的Mazda 3轿车，燃油耗必须降低25%才能达到目标值。

图3 Mazda 3轿车的目标是实际燃油耗从百公里5.2L降低到4.0L(纯电动车的汽油燃油耗当量为百公里3.8L或4.2L)

5 内燃机效率的改善

提高效率意味着要减少能量损失,包含减少废气、冷却、换气，以及机械等方面的损失，而有效功就相当于燃油能量与能量损失之间的差值。图4说明了马自达公司达到理想内燃机的路线图，图中的7个参数可用于减少能量损失，无论是汽油机还是柴油机按照此路线图都能使热效率得到显著的提高。能够减少损失的影响因素示于图4左侧，最终的目标就是要使所有这些因素达到理想状态。

马自达公司推出Skyactiv汽油机就意味着已达到了该路线图的第1个阶段，该机型采用14∶1的高压缩比使扭矩和比燃油耗都达到了有别于竞争机型的出众数值。

6 Monotsukuri创新系统—创新技术的快速转化

为了对改善全球环境作出实际的贡献，就必须通过总的机型平台迅速地推出面向未来的内燃机。为此，制造商作为首创者同时进行了量产发动机的开发，其中采取了“通用结构”设计方案。在该设计方案基础上，马自达公司在第一代Skyactiv汽油机上已用4种不同排量(分别为1.3L、1.5L、2.0L和2.5L)达到了开发目标。从2012年投放市场以来，3年内全球已有6种不同车型搭载了该机型。

这种设计方案的关键是减少了标定费用。众所周知，在开发不同排量的发动机和用于各种不同市场的车型时标定工作占用了最多的资源，考虑到各种不同的边界条件，以及查明最佳参数所需的费用巨大，通过开发均质混合气运行的发动机系列达到了开发目标，并且不会影响发动机的性能。为了能够实现整个发动机系列的统一标定工作，对其规定了重要的标准化性能特点，例如燃烧过程必须相同，以便统一点火定时和气门定时。为了获得统一的混合气准备，即使在瞬态条件下换气状况也必须相同。

以燃烧为例子来解释统一结构设计方案(通用结构方案)(图5)。燃烧的功能特征是放热规律(放热过程)和燃烧持续期，这两个参数允许实现统一的燃烧过程。通过为这些设计参数选择合适的量值，例如活塞顶凹坑容积比和涡流比，可使整个发动机系列实现统一的燃烧过程。为了设计出适合于每种排量燃烧室的参数，例如必须仔细地选择缸径、行程和缸内流动，从而确保获得共同的燃烧特征，其关键是在计算机辅助工程(CAE)模型基础上就最终确定这些参数(图5)。与传统的发动机开发方法相比，所需的投资和开发持续时间(总平均)减少了一半，因此这种发动机是非常有竞争力的。

图4 达到理想排放的内燃机路线图

放热过程通过活塞顶凹坑和缸内充量流动进行控制

放热规律 燃烧持续期

项目参数排量/L1.31.32.02.5缸径/mm71.074.583.589.0燃烧室容积25.028.838.451.9凹坑容积3.74.35.87.7涡流比1.811.831.881.92凹坑/燃烧室容积比0.150.150.150.15缸径/(缸径×涡流比)4.304.013.393.05

(b)

图5 用于通过火焰传播过程和燃烧持续期实现整个(发动机)系列统一燃烧特征的参数

通过应用Skyactiv-G汽油机系列的“通用结构”方案开发出了统一的燃烧过程，从而获得了很相似的全负荷功率特性曲线，这也体现在比燃油耗曲线上(图6)。除此之外，也规定了例如点火定时和进气门关闭时刻的统一标定。这些统一的发动机特性有助于减少为推进下一代内燃机改进所要进行的标定工作量。

图6 整个(发动机)系列节气门全开时功率和比燃油耗的比较

7 两个阶段

图4中的第2步规定要进一步提高压缩比和应用稀薄运行，为进一步改善内燃机效率的气缸壁面绝热化被放到了第3阶段，为了大大提高热效率，均质稀薄运行则是不可缺少的。无论是空燃比还是压缩比都达到尽可能最佳的情况，指示热效率能改善约30%。但是，如此稀薄的混合气在任何情况下都用1个火花塞点燃是不可能的，因此唯一的解决办法是采用压缩点火(图7)。

图7 第2阶段汽油机的目标是进一步提高压缩比和采用均质稀薄混合气压缩点火(HCCI)

图8中的两颗星代表第3阶段的Skyactiv-G汽油机的比燃油耗，它们是根据单缸试验机上的试验结果计算出来的，可比第1阶段的Skyactiv-G汽油机的比燃油耗降低30%以上，但是因混合气形成不够充分，比燃油耗并未达到所设定的开发目标，不过这些数值距离开发目标已经较为接近。至于Skyactiv-G汽油机的第2阶段尚存在一些问题，但是这些问题已被克服。正如前面已介绍的那样，将燃油耗降低25%设定为目标，从而内燃机汽车能够在实际行驶条件下达到与纯电动车相同的CO2排放总体平衡水平，已证实了内燃机具有达到该目标的潜力。

图8 Mazda 3轿车有效燃油耗

8 内燃机与电动机之间CO2总体平衡的比较

图9对B级轿车进行了CO2排放总体平衡的比较。该项研究是从2011年日本大地震前后采取2种不同方法发电的情况出发的。大地震之前37%的电是采用无CO2发电方法产生的，而从大地震以来几乎所有的电都是由热电站生产的。马自达公司坚信，第3阶段的最高效率能使内燃机汽车的CO2排放降低到目前纯电动车的水平。如果内燃机的这种高潜力被充分利用的话，那么推动电动车化的大规模措施和资助就为期不远了。除此之外，在这里应该指出，纯电动车在全球市场上的优势必须依赖由发电产生的CO2排放大幅度降低。

图9 改进内燃机降低CO2的目标(以Mazda 2轿车为例说明汽车优化步骤)

9 展望和结论

马自达公司致力于提高内燃机的热效率，并坚信这种驱动方式将继续对汽车起到重要的作用，而且具有高的潜力，并对环保汽车作出重要的贡献。

如果汽油机均质稀薄燃烧过程及合适的绝热方法和理想的压缩比能够实现的话，那么完全有可能在实际行驶条件下降低燃油耗近25%，从而使内燃机汽车在CO2排放总体平衡方面达到纯电动车的水平。如果混合动力汽车装备这种进一步开发的内燃机，那么这种汽车甚至有可能达到比目前纯电动车更好的CO2排放总体平衡。马自达公司以技术改善效果和“Monotsukuri”创新技术作为2个有力的支柱,将实现其开发目标，使其所生产的每一辆汽车都达到纯电动车的CO2排放总体平衡水平。

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

范明强 译自 MTZ，2016,77(5)

何丹妮 编辑

2016-07-03)