汽车用动力传动系统高效化的技术动向与展望

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0 前言

承担载客及货物运输任务的汽车消耗大量石油，是形成大气污染及地球温室气体CO2的主要排放源。因此，发达国家今后10年内从轿车到重型汽车均会执行最严格的排放法规。可以预计，大气污染问题将得到初步解决[1]。另一方面，在汽车普及化进展显著的发展中国家，石油的需求快速增长，导致大城市的污染问题日益严重，因此采取相应对策成了当务之急。

图1 2011年度日本运输部门的CO2排放量

在日本，每年有46%的石油(约900亿L)作为汽车用燃料使用[2]。如图1所示，交通运输所排放的CO2占总体的18.5%，其中，由汽车排放的CO2达到近9成[3]。根据《京都议定书》的5年期目标，与1990年相比削减温室效应气体排放6%，已于2012年实现了。作为今后的努力方向，2015年年末，在巴黎召开的第21届联合国气候变化大会(COP21)上日本提出了2030年的目标：与2013年相比，削减26%的温室气体排放。同时，这一目标已由政府明确备案。为实现该目标，需要运输部门削减近30%的CO2排放量。另外，到2050年发达国家要使温室气体降低至目前水平的80%，同时要求交通运输降低80%的温室气体排放。

因此，以传统的汽油车及柴油车为中心，改善燃油耗被列为重要课题，要求汽车生产商考虑面向日本国内、国外市场的需求，开展战略性的技术开发。除此之外，从长远发展来看，还需要通过插电式混合动力车(PHEV)、电动汽车(EV)，以及燃料电池汽车(FCV)等下一代新型汽车在市场上的普及，以更好地改善燃油经济性与降低CO2排放。因此，根据以上观点，展望了汽车动力传动系统的环境、能源领域的课题和解决对策。

1 汽油车的对策与技术

1.1 排放对策与技术

装有精确先进的电子控制燃油喷射系统和三效催化转化器装置的汽油车，对氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、CO等3种排放成分设定了新的排放法规限值，正大幅度地降低其排放值。日本自2009年开始执行后新长期排放法规后，根据JC08工况设定了排放限值[1]。同时，环保车辆减税制度也发挥其作用，通过设定NOx及HC排放量为原限值的四分之一，完成了超低排放特性的汽油车超过一半市场份额的目标。为此，在冷起动的暖机过程中促进催化器升温等措施均被加强。在低燃油耗技术中，实现稀薄燃烧是核心目标，除此之外，对配装直喷发动机的车辆开发和应用与三效催化转化器效果相同的新型催化器系统也是减少NOx排放的必要措施。上述策略是发达国家共同的技术方向，将以欧洲、日本和发展中国家为中心，以轻型车(图2)为研究对象，根据世界统一轻型车驱动试验循环(WLTC)，日本将从2018年开始采用全球统一轻型车试验方法(WLTP)对以下所示成份规定了新的排放法规限值[1]：

(1)燃用汽油、液化石油气(LPG)车辆非甲烷碳氢化合物(NMHC)：从0.05 g/km降至0.10 g/km。

(2)柴油车NOx：从0.08 g/km降至0.15 g/km。

另一方面，在美国加利福尼亚州，为进一步改善大气环境，以轻型车为对象的LEV Ⅲ相关法规中，规定到2025年，车队平均非甲烷有机气体成分(NMOG)与NOx的总排放限值为0.019 8 g/km，规定颗粒物(PM)排放为0.7 mg/km，要求比目前水平分别降低75%与90%，可以说是达到极限的法规限值[4]。美国环境保护局三阶段标准(EPA Tier3)[5]与上述法规类似。

在欧盟国家(EU)，自2014年起开始从法规欧5向欧6过渡。同时，对于直喷汽油机，根据2011年的规定，PM限值逐渐增加到6×1011/km，因此部分车辆上需要通过配装过滤器(GPF)以实现相应目标。

图2 全球统一轻型车排放试验循环

1.2 燃油耗基准的收紧、对策与技术

对于汽油车而言，实现低排放特性之后，对燃油耗改善技术的开发与普及正在成为核心课题。在日本，大部分车型均提前达成了2015年度的燃油耗标准，并根据企业平均水平，设定了从2020年度开始执行的燃油耗基准(20.3 km/L)[6]。同样，对于轻型、中型货车也提出了从2022年起执行的基准值[7]。

欧盟针对CO2排放量制定了燃油耗基准，提出从2012年执行130 g/km的基准值，并给出了将从2021年执行的95 g/km的基准值，美国跟随欧洲国家、日本的步伐，也推进了燃油耗基准值的收紧目标。图3表示根据新欧洲行驶循环(NEDC)换算出的上述各国燃油耗基准值并进行比较后的结果[8]。在发展中国家，改善燃油耗的意识也正在进一步提高，与下一代汽车的开发方向相比，其成本较低，因此对汽油车燃油耗进行改善的措施显得更为重要。

图3 各国乘用车燃油耗基准的CO2排放量比较

如表1所示，改善燃油耗的技术是对发动机的多种可变机构(如可变气门机构等)进行优化和利用，确保燃油供给系统控制的精准化，降低各部件及辅机类的摩擦损失。此外，也要实现自动变速(AT)系统的高效化、车体的轻量化，以及低阻力轮胎的应用等。

表1 汽车的燃油耗改善技术

燃油耗改善率：◎ 10%以上，○ 5%～10%，□ 5%以下

近几年来，汽油机运用增压与直喷系统以实现发动机的小型化。当单位气缸的负荷增大，机械损失及热损失会相对减少，德国汽车生产商已率先对该技术进行了升级与应用。近期日本汽车生产商也在陆续采用该项技术。为进一步提高发动机性能，实现高增压化与高压缩比化是开发的必要因素，不过实现该目标会带来爆燃等负面影响，因而受到一定限制。因为提前点火容易导致发动机发生爆燃，并带来严重的后果。附着在气缸壁面上的汽油与润滑油混合成分及缸内易于形成着火源的沉积物也是诱因之一。虽然还没有明确的答案，但对该现象的分析及对策也是重要的研究课题[9]。

近十几年来，预混合压缩点火(PCCI)和HCCI燃烧技术引起了广泛关注，市场也期待该技术实用化。在汽油机方面，在大流量废气再循环(EGR)及稀薄混合气的条件下，由于利用高压缩比结构进行压缩点火，使得降低NOx及达到高效化成为可能。由于急剧燃烧形成发生在低负荷低转速的工况条件下，导致控制较为困难，目前实现这些技术仍具有一定挑战性。

以1973年的石油危机为起点，自从设定燃油耗基准以来，需要达成燃油耗每10年有所改善的目标。而且，通过2020年的燃油耗基准的收紧，燃油耗改善目标逐步接近于20%～30%的数值。预计未来利用发动机燃烧技术本身改善燃油耗将达到上限。汽油车燃油耗改善的最有效手段之一是实现混合动力化。不过，任何情况都必须以实现发动机的高效化为前提。

2 柴油车的对策与技术

2.1 排放对策

对于要求实现低燃油耗、高功率目标的载货车、公共客车而言，柴油机还将继续作为未来主流发动机占据重型车辆的市场。即使在乘用车领域，柴油机相比汽油机，热效率高出约20%，能有效抑制CO2排放。另一方面，由于不均匀喷雾燃烧会导致NOx、黑烟及PM，要实现与汽油车同样的环保指标仍具有一定挑战性。

图4示出了欧洲、美国、日本柴油车重型车排放法规的动向。在日本，关于2016年以后NOx与PM的法规限值，通过基于国际统一的试验法(WHDC)进行设定，将包括冷起动过程在内的限值分别设定为由0.40 g/(kW·h)降至0.01 g/(kW·h)[1]。在美国加利福尼亚州，为改善地区的大气环境，对于重型车的法规控制更为严格，要求NOx排放比2010年的限值减少75%～90%，数值设定由0.07 g/(kW·h)降至0.03 g/(kW·h)[10]。

图4 日本、美国、欧盟国家柴油重型车的NOx与PM排放法规

为了降低NOx排放，广泛采用EGR及喷射定时控制。作为燃油耗及PM的改善措施，广泛采用带可变机构及多级化的涡轮增压系统，通过电子控制，共轨式系统能够在高压下实现灵活的多次喷射。为实现发动机的小型化，高增压技术会得到进一步的发展。按照这一方案，喷射压力要求从目前的200 MPa提升至300 MPa，另外关于喷射系统的可靠性、耐久性，以及喷雾特性的课题还有待研究。

在排气后处理技术中，柴油机颗粒过滤器(DPF)是不可或缺的。日本从2009年开始执行新长期排放法规。图5示出了带尿素喷射的选择性催化还原(SCR)系统，同时吸收型NOx还原催化器的利用也是必不可少的。其中，有待解决的课题包括：燃烧技术的作用与分配；温室气体对N2O的抑制；系统的可靠性与耐久性；系统的整体化与紧凑化；总体的成本削减等。未来10年，将按照发动机尺寸进行最佳的方案选择。

图5 柴油车中的氧化催化器、DPF、带尿素喷射的SCR系统

在欧盟市场，由于柴油机的大扭矩与低燃油耗特性，搭载柴油机的小型轿车约占总量的50%。然而在日本，由于柴油机会产生黑烟，以及噪声-振动-平顺性(NVH)等问题，柴油机用于乘用车的并不多，减排措施的高成本也是一项原因，导致了柴油机乘用车曾一度退出市场。近期，马自达公司将满足后新长期排放法规的清洁柴油机乘用车进行市场投放，做到能满足欧6及美国Tier2 Bin5排放法规要求。日本从石油产品均衡发展和抑制CO2方面来说，期待柴油机乘用车占有一定比例的市场份额，但是为了未来产品的普及化，更高性能的废气净化系统的实用化及成本降低将成为技术关键点。表2示出了上述的乘用车用汽油机和柴油机的比较。

表2 乘用车用汽油机与柴油机的比较

注：“+”指优势，“-”指劣势，“0”指基准。

2.2 偏离试验循环与实际行驶中的排放对策

2011年，在日本一部分满足后新长期排放法规要求的重型车，在法定循环试验以外的运转条件下，发现了由于不当控制使得排气后处理系统无效的实例，之后由国家进行了调查研究，制定了相关禁止操作的措施[1]。

在欧盟，虽然排放法规已收紧，可是大城市出现黑烟，PM浓度超过环境标准的状况仍频繁发生。因此，作为影响环境的重要因素之一，对引进柴油机乘用车的法规及限值进行了重新研究。由于实际行驶排放试验(RDE)与认证值并不符合，因此需要对RDE排放的轻型排放测量装置(PEMS)进行评价与限值规定。采用这种方法仍然有待解决试验方式和条件，包括RDE限值的设定，系统的测量误差及校正等课题。在日本，也需遵守在多数稳定条件下不超过恒定值的国际标准化的偏离循环试验法(WNTE)，目前正在研究PEMS的引进。

对于重型车，有必要研究排放与燃油耗试验法的整合性。此外，也将利用校验废气净化性能的高级车载诊断系统(OBD)，同时为实现NOx传感器的实用化，也在进行PM传感器的开发。另外，在欧盟，PM限值的法规已开始执行，而日本也需要开展其必要性的讨论，进而调查柴油车对PM 2.5的影响[1]。

2.3 重型车的燃油耗改善

在日本，乘用车的燃油耗改善最受大众关注，不过，总质量超过3.5 t的卡车及公共客车等配装柴油机的重型车燃油耗改善，也是极为重要的课题。日本以削减CO2为目标，设定了2015年度燃油耗标准，要求比2002年改善12.2%。这是世界首个重型车燃油耗基准，燃油耗的测量方法是以稳定运转的发动机燃油耗特性为基础，计算过渡行驶工况下的燃油耗的方式，对于城市内行驶工况(JE05工况)及城市间行驶工况，按照车种的使用系数取加权平均值。

美国参考日本的研究，首先由美国运输署高速公路交通安全局(NHTSA)及EPA，制定了商用车燃油耗标准。该标准以2014-2018年的车型为对象，要求与2010年相比，燃油耗改善6%～23%，该基准为美国首次对商用车执行的燃油耗基准。目前美国正在进行进一步改善燃油耗的第二阶段(2020-2025年)研究。

EPA主导实施的研究开发计划，以面向执行下一阶段燃油耗法规的8级超重型车的燃油耗改善为目标，着手制定关于Cummins、Navistar、Daimler和Volvo 4家公司的法规，自2010-2014年EPA提供100亿日元的半额研发补助金用于改善运输效率，力求达到总体效率提升50%，车辆技术提升30%，柴油机技术提升20%的目标。因此，总体目标是使发动机的有效热效率提高42%～50%，而实际上根据情况预测可以将有效热效率改善至55%。作为发动机技术的研发，除了实现涡轮增压器的高效化外，还致力于对涡轮复合系统的开发。另外，对排气余热进行能量回收，利用朗肯循环以获得动力，该措施可以改善2%～6%的燃油耗，对混合动力系统的开发也在同时进行。确保性价比及稳定性，兼顾车辆整体的轻量化，降低排放被列为待解决课题。欧盟也在研究重型车的燃油耗标准的设定工作。

3 非竞争领域的研究开发

在上述发动机的研究课题中，可看到日本各公司间都在互相借鉴。在该领域，企业、学校协作研究，各企业共享研究成果，并应用于产业化，可谋求共同提高开发效率。在欧盟，发动机研究组织以德国发动机研究协会(FVV)为首，不仅在发动机领域，而且在广泛的汽车技术领域都开展了相关研究，包括人才的交流及培养，均取得了出色的成绩。

在日本，以相关企业、学校、政府为联合，从2014年起的5年内，由内阁政府主导提出“革新的燃烧技术”课题，这是战略创新计划的10个课题之一。该课题计划从科学技术振兴机构(JST)所管理的大学、企业等组织获得技术支持(图6)，以乘用车用汽油机与柴油机两种发动机为研究对象，力争实现燃烧的改善及控制，利用排气能，降低机械摩擦，实现有效热效率至50%的目标。图7表示对应于该计划，考虑了燃烧室壁面温度及因此而产生的爆燃，以热损失及进、排气过程的燃烧模型应用于汽油机，帮助完成未来热效率改善至50%的目标，数值预测采用了各种技术以获得结果。

图6 新燃烧技术的开发

图7 汽油机实现50%热效率的情况

由经济产业省牵头组成的汽车用内燃机技术研究组织(AICE)于2014年开始开展工作。由国家与9家乘用车发动机生产商投入研究经费，由大学及中立的研究机构参与，对清洁柴油机排放处理策略进行相关研究。根据上述情况，构建了非竞争领域的企业、学校的联合研发体制，帮助促进新技术的创造及人才的培养与交流。新一代汽车研发领域也要广泛构建此类联合体制，以促进企业、学校间的交流成果。

在为适应更严格的环境法规而进行的发动机系统开发过程中，反复进行试制与试验导致投入的时间与人力成本过高，同时面向多机型迅速开展研发也有困难。作为其解决对策，数值仿真模型的运用是不可或缺的。验证了各子模型后，完成新的燃烧系统的开发设计、制造，并扩大其应用领域。另外，在发动机控制领域，设定相应运转条件的以操作因子的图像为基础的控制方式。但是，为满足复杂性能要求与法规扩展延伸，需要寻找满足过渡运转条件的发动机的适合工况。

对此，今后要求运用以高通用性的数值模型为基础的模型库控制方法，包括以精准的数值仿真模型为基础的简单化数值模型。该方法使得各种传感器使用限制降至最低，从而易于满足发动机的法规要求。今后系统开发的必要性将会继续提升。

4 下一代汽车的开发与普及

1973年爆发石油危机后，EV呈现迅速增长的趋势，同时上世纪90年代美国加利福尼亚州政府颁布了法律，规定有义务引进零排放车辆。自2009年以来，世界首台批量生产型的EV在日本上市。在这一背景下，蓄电池、电动机，以及电子控制系统得以大幅度地发展。

另一方面，日本在混合动力技术领域取得了较大的进展。1992年，世界首批混合动力车“Prius”上市，其他公司的混合动力车型(HEV)随之陆续投放市场，并延续至今。

对EV、HEV、PHEV的实用化，以及最近已量产化的FCV的开发要点，是使相关的主要组件实现实用化。今后也会以发动机为首要研究对象，通过蓄电池及电力电子学等实现更高性能。

在欧洲，近十几年来以燃油经济性较好的柴油机轿车为中心扩大市场份额，燃油耗的改善也取得了进展，但是，如之前图3所示，为了满足CO2排放要求，法规仍然存在不足之处。几年来，除了提倡汽油车的小型化外，使领先的混合动力产品的输出电压也达到48 V，通过怠速停止技术及简易的柔性混合动力化，在宽广的运行范围内以较低的成本改善燃油耗10%～15%，并引进PHEV作为更高级的燃油耗对策。

图8 下一代汽车的种类及普及情况的预测

图8表示国际能源机构(IEA)开展的从2000年至2050年间各种乘用车保有份额的预测结果，表3则归纳了各种车型的性能特点与研究课题。以上数据显示，为实现低碳化，EV及FCV的普及是必不可少的。同时蓄电池性能需要大幅提高，利用可再生能源发电，以及能够制取氢的设备也是不可或缺的。即便在2050年，配装发动机的车辆仍占55%的份额，因此，预计发动机的高效化还将继续。

表3 新一代汽车的特征与课题

▲最差；◎最优；○优；△差；□中间

5 结语

在日本、美国、欧洲各国的汽油车与柴油车满足从2010年到2020年前半期的相关排放法规要求后，在中长期阶段，还需进一步提高性能，以改善燃油经济性为目标继续发展。在今后至少20年内，包括混合动力车在内的汽油车、柴油车仍保有市场主要地位。届时，支持发动机数值仿真的技术将得到发展，并加以应用。另外，通过积极推进试验方法与统一排放法规的全球标准，以削减开发时间与人力，进而降低成本，迅速适应国际市场需求。

预计今后高速道路交通系统(ITS)及信息通信技术(ICT)将得以发展，以提高交通的便捷性，以及促进交通的顺畅化、货物运输的高效化、公共交通设备的充分利用等。而且，过度地依赖于汽车的商贸习惯及生活方式也会改变。

以削减汽车交通领域的CO2为目标，预计从目前到2030年可以达到削减30%以上的目标，到2050年可实现削减80%排放总量的目标。另外，有必要构建企业、学校、政府的联合运作体制，共同按照有关政策确保资源，及节能措施，对削减CO2排放的中长期目标与前景进行研究开发，并推进研发成果的具体应用。

对于汽车快速普及化的新兴国家而言，克服大气污染问题之后，应对燃油需求量的不断扩大，与摆脱对石油资源的依赖已被列为重要的课题。由此迫切需要对这些新兴国家提供包括欧洲各国、日本、美国等发达国家的先进技术及制定政策、法规的方法。日本汽车的CO2排放不到世界总体CO2排放量的1%，但也需要进一步抑制CO2排放，并且通过对发展中国家提供支援，进而为全球的节能减排工作作出贡献。