发动机将消失?丰田宣布“发动机车零销售”的真正含义

2016-11-170阅读0

  目前,发动机领域正在瞄准不久的将来掀起巨大的技术革新,那就是“可变压缩比发动机”和“HCCI(均质预混合压燃)发动机”。另一方面,丰田则公布了将来使发动机车销售“基本减为零”的目标,这让很多部件与材料厂商感到不安。发动机的革新技术是什么,发动机是否会消失?记者就此采访了K&KTechnoResearch代表、WORLDTECH讲师、曾任职于电装的加藤克司。(采访人:近冈裕)

  

K&KTechnoResearch代表、WORLDTECH讲师(曾任职于电装)加藤克司

  什么是可变压缩发动机?

  ——“可变压缩比发动机”是什么样的发动机呢?

  加藤:正如其名称一样,可变压缩比发动机是可以按照工作状态调整压缩比的机发动机。日产汽车公司在巴黎车展上宣布,数年之后将量产可变压缩比发动机。估计时间在2018年。这种发动机的最大特点是,在曲轴和连杆之间设置了多连杆机构。由此,可以根据工作状态调整活塞的上死点位置,在低转速和高转速时改变压缩比。日产的可变压缩比发动机的压缩比可在8~14范围内变动。

  发动机的压缩比提高后,热效率会提升。不过,这样做存在的问题是,压缩比过高则容易发生爆震。如果在残留有未燃烧气体的状态下压力升高,就会因为温度过高而在火花点火之前发生自动点火。这样,就会在正常燃烧之前发生异常燃烧。这种异常燃烧会变成压力波,以音速在汽缸内往返。这会对汽缸壁等造成冲击,产生“咔啦咔啦”的异响,不仅会对发动机带来损害,也会让用户感到不安。

  因此,目前采取的措施是采用爆震控制系统。通过信号判断出要发生爆震时,通过推迟点火时间来避免发生爆震。但是,这样做会导致输出功率和热效率下降。因此,现行发动机使用阿特金森循环等技术来降低实际压缩比。

  可以解决上述课题的,就是可变压缩比发动机。在高转速·高负荷区域降低压缩比(日产将其降低到8)。这样的压缩比可以防止爆震发生。而在不易发生爆震的低转速·中负荷区域,则提高压缩比(日产将其提高至14)。通过这种方法,可以提高热效率并降低燃耗。

  燃效与HEV接近

  可变压缩比发动机的吸引力在于发动机本身就可使燃效接近HEV。日产称这种发动机可使燃效较原来提高27%。

  其实,本田已经开发出了可作为其基础的机械复式连杆机构。该公司开发的是复式连杆型高膨胀比发动机“EXlink”。该产品已在2011年推出的家用燃气发动机与热电联产系统“ECOWILL”的发电用燃气发动机上投入实用。其工作原理是,使用“机械复式连杆机构”来改变吸气时和膨胀时的活塞下死点,从而改变膨胀比。

  阿特金森循环发动机同样是高膨胀比发动机,通过改变发动机的吸排气阀门的配气定时,实现了高膨胀比。因为比较简单,目前这种发动机是主流。而本田则以机械方式实现了高膨胀比发动机。日产以与之类似的机械机构为基础,对发动机进行了大幅改进,使其能够随着工作状态调整压缩比。

  不过,这种技术存在的课题是成本较高。因需要嵌入多连杆机构,发动机的构造也必须较以往作出大幅改变。目前来看估计只会在高档车中采用。

  什么是HCCI发动机?

  ——请介绍一下另一种革新性发动机“HCCI发动机”。

  加藤:HCCI被称为发动机的“终极燃烧”。很多厂商都在开发这项技术,估计2018~2020年前后会实现量产化。

  要了解HCCI发动机,首先要了解柴油发动机的工作原理。因为HCCI发动机与柴油发动机一样,采用使燃料自动点火的方法。与汽油发动机不同,不使用火花点火方式。

  关于柴油发动机,燃烧室的温度升高时,氮氧化物(NOx)会增加,而颗粒状物质(PM)则会减少。相反,燃烧室的温度降低时,NOx会减少,而PM则会增加。也就是说,NOx与PM的排放量是此消彼长的关系。不过,现在的尾气规定要求NOx和PM同时减少。为了达到这种严格的规定,目前很多厂商都依赖于催化剂。使用可去除PM的DPF(柴油颗粒过滤器、柴油颗粒状物质去除装置)和NOx催化剂(NOx存储还原催化剂及尿素选择还原装置)。

  不过,要通过燃烧DPF中积存的PM进行DPF的再生,就要进行与燃烧无关的燃料喷射,因此燃效会降低。催化剂的耐久性也是一大课题。而且,最重要的是成本较高。我认为这是导致德国大众(VW)出现尾气排放作弊问题(2015年曝光)的主要原因之一。

  可解决这种问题的就是HCCI发动机。这种技术的优点是,可以提高发动机的热效率,同时降低NOx和PM。普通柴油发动机在燃烧室内自动点火之后,燃烧不断蔓延,导致燃烧温度上升,因此会造成NOx增加。相反,燃烧温度降低后,NOx会减少,而PM则会增加。

  而HCCI在燃烧室中形成均匀的混合气体之后,会自动点火,并迅速扩大到整个燃烧区域。因此,通过抑制燃烧温度升高,不仅可以减少NOx,还可以减少PM量。柴油发动机和汽油发动机都在朝着HCCI的方向努力。

  不过,这种技术也存在难题,就是HCCI的工作范围有限。因此,各公司都在为扩大HCCI的工作范围推进开发。

  发动机将会消失?

  ——说起发动机,丰田2015年宣布的目标对社会带来了巨大冲击。该公司说,“到2050年,将使发动机车的新车销售基本减为零”。这让很多部件厂商和材料厂商感到担忧。发动机会消失吗?

  加藤:发动机不会消失。丰田宣布的这一目标的意思是,传统型(Conventional)发动机车,也就是与只配备了发动机的现行车相同类型的汽油发动机车和柴油发动机车(纯发动机车)将会大幅减少。我认为并不是说发动机会消失。

  混合动力车(HEV)、插电式混合动力车(PHEV)和天然气车也都配备发动机。有统计数据显示,到2050年,“发动机车”的比例会高达55%左右。而且,发动机车具有价格便宜的吸引力,估计在新兴市场国家等仍会存在根深蒂固的需求。

  至于什么类型的汽车会成为主流,这受到多种因素的影响,各地区的情况也都不同。

  HEV在欧洲十分畅销

  ——与很多产品一样,汽车开发也会受到市场变化的影响。请介绍一下目前应该关注的全球性市场变化。

  加藤:目前HEV在欧洲十分畅销。欧洲的汽车行业蓝图是,暂时发展清洁柴油车,然后在一段时期内推广“弱HEV”.,最后再转向纯电动汽车(EV)。不过,这种蓝图因为刚才提到的大众作弊问题曝光而逐渐崩塌。很难凭借清洁柴油车来达到尾气规定和燃效规定要求的企业不只是大众,依赖于催化剂的所有汽车厂商都很难做到。

  目前欧洲汽车行业正在大力发展的并不是丰田及本田占优势的“强HEV”,而是使用48V电源的“弱HEV”。与使用变压器将12V电源电压提高至200V以上的强HEV相比,弱HEV具有成本低的优点。但这种汽车的输出功率低,无法实现让发动机停止工作而只依靠电力行驶的EV行驶。因此,与能够以纯电动模式行驶的强HEV相比,燃效要差一些。

  在强HEV的开发方面,日本汽车厂商一直处于领先地位。为了与日本厂商抗衡,5家德国汽车厂商联合起来制定了48V电源标准,推进了弱HEV用部件的通用化。这样,5家公司就可以使用通用规格的部件,可以进一步降低成本。这些厂商打算以低成本为武器,推动48V电源弱HEV在欧洲普及。

  这样一来,部件厂商也会受到影响。原因是强HEV用部件和弱HEV用部件很难实现通用化。

  HEV在美国陷入苦战的的理由

  在不久之后EV就会普及的中国市场,目前也是欧洲车较多,48V弱HEV可能会普及。在未来经济有望大幅增长的印度,也可能会因为欧洲部件厂商大力推销而实现48V弱HEV的普及。

  不过,印度的最大问题在于电力短缺造成的停电。尽管目前该国对煤炭火力发电的依赖程度很高,但最近日本等其他国家的核电技术合作援助也是热门话题。如果这种合作援助不断推进,估计核电供应基础设施将会获得完善。这样的话,动力传动系统的电动化也会取得进展。

  虽然眼下东南亚的经济已经停滞,但印度尼西亚人口众多,经济仍有很大的增长余地。越南和缅甸目前也以摩托车为主,但今后汽车会稳步普及。不过,我认为这些国家和地区的主流暂时仍会是传统的汽油车和柴油车。

  而在美国,汽油的价格便宜了很多,因此很多人不再在意燃效,HEV的销售额不断下滑。而且,ZEV(Zero Emission Vehicle,零排放车)规定将在2018年以后发生重大变化,HEV将不再被视为ZEV对象。受此影响,预计HEV会减少,EV及PHEV将会增加。

  汽车业对于各国来说都是非常重要的基础产业。以前汽车的销售动向一直受到政治、经济、燃料动向等的巨大影响。预计今后世界各国仍会继续出现重大变化,动力传动系统的趋势将会因为地区和年代不同而发生明显改变。因此,部件厂商和材料厂商要与汽车厂商一样,时刻关注动力传动系统的动向。

  (全文完)