未来发动机技术的减排与提效

若不考虑石油能源的有限性和减少地球温室化物质二氧化碳（CO₂）排放量的必要性，目前很多汽车制造商预计今后20年继续保持内燃机作为汽车动力源的主流地位。未来发动机的技术开发以减少二氧化碳（CO₂）排放量，及改善燃油消耗量为目标，以降低有害废气排放量和提高动力性能等为努力方向，最终开发出燃料电池汽车。

汽车相关未来技术开发对策如图1-15所示。大体上可以分为，开发低二氧化碳（CO₂）排放汽车（代替能源车辆）、提高发动机效率、提高传动系效率、提高辅助机构效率、实现车辆的轻量化、降低行驶阻力等。

图1-15 汽车改善燃料消耗率的对策

1.提高发动机的效率

提高发动机效率的技术大体可以分为新概念燃烧技术[均质压燃（HCCI）、低温燃烧（LTC）等]、可变机构、电控超精密化、降低摩擦损失的技术等。

（1）新概念燃烧技术 最近，汽车新型发动机的均质压燃技术（HCCI）和低温燃烧技术（LTC）在传感器技术、高度电子化技术和高速传送等技术的引领下，已在快速发展。

均质压燃（HCCI）是集合汽油机和柴油机的优点，即跨过汽油机与柴油机界限的理想发动机，能同时降低柴油机的氮氧化物（NO_x）和炭烟颗粒（PM）生成量的新技术。此发动机具有汽油机的均质预混合特性和柴油机的压缩着火特性，又称为均质预混合-压燃式发动机，有的汽车制造商还称为预混合压燃（PCCI）式发动机或复合燃烧（CCS）式发动机。

均质压燃（HCCI）的概念是20世纪70年代提出的，但以当时的技术很难取得成功。在2005年东京汽车展上，大众汽车公司发表了以涡轮增压直接喷射（TDI）为基础的1.5L柴油机上应用在一定运行范围内工作的HCCI技术的雏形，在2007年法兰克福汽车展上梅赛德斯-奔驰汽车公司展示了在F700概念车上配置的汽柴油混合技术（Diesotto）的均质压燃（HCCI）发动机。目前，本田、宝马（BMW）、通用（GM）、现代等汽车公司都把均质压燃（HCCI）发动机作为开发目标，预计今后30年汽柴油混合技术发动机会逐渐成为主要动力源。

均质压燃（HCCI）发动机没有火花塞，如同柴油机提高压缩比，在燃烧室内把稀薄混合气的温度增高到自发着火的温度，以此诱发均匀的同时多发性燃烧，因此燃烧率高，尤其是随着压缩比的提高，能获得更大的输出功率和更优秀的燃油消耗率，并且通过预混合稀薄燃烧使得燃烧温度降低，以此减少氮氧化物（NO_x）的排放。另外，此发动机以压缩自发着火为基本，因此能使用汽油、柴油、氢气、一般气体燃料、二甲醚（DME）和其他可能压缩自发着火可能的所有类型的燃料。

均质压燃（HCCI）在开发初期仅为实验室的水准，即在一定条件下很窄的运行区域内能获得理想的燃烧，但装配在汽车上从低速到高速全领域内没能实现。因此大众汽车公司开发中的汽油压燃（GCI）发动机仅在负荷不大的40～80km（1500～3500r/min）时速范围内以均质压燃（HCCI）模式运行，在起动、急加速、高速等运行条件下，还是采用火花塞火花点火方式。因此在低负荷和高负荷条件下具有燃烧困难等特点，需要更加精密的燃烧控制技术。

通用汽车公司的均质压燃（HCCI）/火花点火（SI）发动机，均质压燃（HC_- CI）技术在混合气构成、进气温度和燃烧压力的精密控制是必需的，它是直喷式燃料供给系统、燃烧室压力传感器、双级可变气门升程（VVL）系统和应用电控凸轮相位的进气/排气可变气门正时（VVT）系统等尖端技术总动员。尤其要注意的是，ECU直接检测燃烧压力，并以此信息为依据实行可变气门升程（VVL）/可变气门正时（VVT）的精密控制这一点。均质压燃（HCCI）技术的主要目标之一是降低氮氧化物生成量，为防止通过燃烧室内部急剧的燃烧使压力和温度急剧上升，控制废气再循环（EGR）、残留气体量、混合气构成和进气温度，因此调节燃烧室内部发生的化学反应要适当。这要通过检测燃烧压力，反馈控制各运行条件下的燃烧过程。

均质压燃（HCCI）技术方面，如上所述要详细检测发动机燃烧室内温度和压力的变化等细微的燃烧状态，在燃料喷射时刻、可变气门正时、可变气门升程等精密控制技术方面努力钻研，正在一步一步扩大理想的燃烧领域。

（2）可变系统技术 可变系统是能提高燃料效率的技术，目前多采用可变气门系统、可变涡轮增压系统，此外正在开发可变气缸系统、可变压缩比系统等。

可变气门驱动（VVA）技术是本田汽车公司于20世纪80年代末开发的，最初以电控气门正时（VTEC）系统的名称配备在思域（Civic）、CRX、NS-X车型上，随后丰田、宝马（BMW）也生产了配置可变气门正时（VVT）系统的车型。现代汽车公司配备连续可变气门正时（CVVT）系统的β-2.0 VVT发动机装配在2003年酷派和伊兰特XD车型上，在2004年新瑞纳、新伊兰特XD车型上也装配了小排气量α-1.5 VVT发动机。

可变气门系统可以分为相位可变方式和升程-驱动角可变方式。相位可变方式以利用发动机机油压力操控的进气凸轮轴连续可变正时系统为主，为了确保在低速区域充分的响应速度，应用电动制动器的技术也开始出现。另外，为了利用大的气门重叠量获得高性能-低燃料消耗率，与排气凸轮轴连续可变正时系统组合的双可变气门正时系统的应用也正在逐步增加。

可变涡轮增压（VGT）系统与传统涡轮增压相比，能提高最大输出功率约10%、最大转矩约14%，在一般行驶条件下能改善燃油消耗率约8%。另外，精密控制排气通道，在低速、高速全领域增加涡轮的驱动力，以充分的进气量获得最佳燃烧，以减少不完全燃烧，从而降低炭烟等有害废气的生成量。

可变气缸（或可变排气量）发动机是在实际行驶中使用频率较高的低速-低负荷运行区域，切断部分气缸的燃烧过程运行的方式。即，在高负荷区域所有气缸正常运行，以获得高输出功率，在巡航等低负荷区域，仅部分气缸正常运行，以减少燃料消耗量的技术。此项技术大体上能降低约10%的燃料消耗率。

可变压缩比技术是根据运行条件改变燃烧室的容积，以改变压缩比、提高热效率的系统，另外具有能使用代替燃料的特征。此技术对发动机性能的影响约为3%～4%，为了能充分发挥可变压缩比系统的优点，必须减小排气量，保证高的燃烧室压力。

2.提高传动系的效率

提高传动系效率的技术方向有：使用无级变速器、使用多档高效率自动变速器、提高液力变矩器的效率、扩大锁止离合器的锁止领域等。

无级变速器与自动变速器不同，传动比的实现依赖于链条带与带轮或环状凸轮之间的摩擦力，为了保持其摩擦力，使用与自动变速器相比大5倍（5MPa）的油压。为此需要解决效率的降低和漏油等问题。

多档高效率自动变速器需要提高工作油压以减小离合器等元件的尺寸，并且开发油压技术和变速控制系统，在硬件层面上需要通过最佳传动比的行星齿轮组合和摩擦要素的合理配置，以及各种齿轮和轴、轴承等最佳化设计，以减小重量。

液力变矩器锁止离合器啮合领域的技术发展上，有增大缓冲器工作角的长行程缓冲器技术、改善NVH性能的双模式缓冲器技术、利用电控连续离合器控制（EC3）系统的锁止离合器等。长行程缓冲器方面，日本的爱信公司（Aisin-aw）最早开发了最大角度达到30°的长行程缓冲器，配备在丰田的OPA车型上，在韩国国内派沃泰公司（Powertech）生产20°左右的长行程缓冲器。双模式缓冲器技术由德国的鲁克公司开发，配备在奔驰C203车型上，获得了相当好的NVH改善效果。利用电控连续离合器控制（EC3）系统锁止离合器的全滑动控制技术应用在丰田的U660E自动变速器上。它是从车辆起步开始锁止离合器滑动，以此使动力传递效率最大化的系统，它把锁止离合器的接合领域扩大到车辆全部运行区间的系统。丰田应用液力变矩器全滑动控制系统，加速性能提高了4.4%，燃油经济性提高3%～5%。今后预计全滑动控制系统变矩器会成为主流产品。

3.代替燃料

汽车所要求的代替燃料应具备能保持汽车的性能和输出功率、能量损耗小、二氧化碳（CO₂）和有害物质的生成量少并能持续供给的特征。另外，还能与传统的燃料混合使用，以及能使用早期的燃料供给基础设施。根据这些特征，能作为代替燃料的有生物燃料、合成燃料、氢气-天然气混合燃料。

（1）生物燃料 从防地球温暖化（二氧化碳剧增）和一次能源多样化的观点上，生物燃料正受到广泛的关注，并在世界各国使用。早期生物燃料的制造成本较高，但目前原油的价格急增，因此生物燃料极具竞争力，有望扩大使用范围。生物燃料分为汽油机用生物乙醇和柴油机用生物柴油。生物柴油是把菜籽油、大豆油、棕榈油等通过酯化反应制造的。无论在哪个地区生产的生物燃料，均可以与传统燃料混合使用，也可以单独使用。这些燃料在发动机上使用时，应考虑燃料的特性差异和对材料的腐蚀性等。

生物燃料是植物吸收空气中的二氧化碳（CO₂）而获得的，因此具有抑制大气中二氧化碳（CO₂）增加的效果。但是在乙醇制造工艺中会使用各种化石燃料，产生的二氧化碳（CO₂）量会超出植物从大气中吸收的二氧化碳（CO₂）量，因此从天然气、石油等原料中制造乙醇没有意义，仅可以将从植物中提取的生物乙醇和生物柴油作为代替燃料。

（2）合成燃料 合成燃料有把天然气、煤炭、生物等合成制造的甲醇、二甲醚（DME）、费托合成柴油（FTD）、生物合成燃料（BTL）、煤直接液化油。这些燃料单位容积的发热量仅为汽油的1/2左右，因此尽管热效率好，但行驶里程短是最大的问题。此外，排放乙醛，以及对材料的腐蚀性等问题也是需要解决的课题。

甲醇（CH₃OH）是利用天然气改质化、煤炭气化生成的一氧化碳（CO）和氢气（H₂）合成制造的。在使用方式上，甲醇与乙醇相同，可以100%甲醇使用，也可与汽油混合使用，或把甲醇转换为甲基叔丁基醚（MTBE）使用。

二甲醚（DME）是把一氧化碳（CO）和氢气（H₂）合成气体通过脱水反应间接制造，或天然气等通过直接合成过程制造的新燃料。费托合成柴油是把天然气、煤炭、生物等转换为一氧化碳（CO）和氢气（H₂）的合成气体（混合气体）后，通过费托反应（FT法）制造的液体合成燃料。

生物合成燃料（BTL）是把生物转换为合成气体后，以与费托合成柴油（FTD）类似的各种燃料合成制造。以生物制造的费托合成柴油（FTD）作为汽车用燃料其特性很优秀，因此极具发展潜力。目前因制造成本较高，所以还未能成为市场性商品。

煤直接液化油是把煤炭和氢气直接发生反应生成的液体通过与石油精制工艺相同的精制设备制造的燃料，是20世纪80年代后开始研发的。通常，芳烃的含量多，以及烯烃等不稳定物质的含有量大，作为燃料的特性不是很好。但因煤炭资源丰富，世界各国都在继续进行研究。

（3）氢气-天然气混合燃料 氢气-天然气混合燃料（HCNG或氢烷）是在天然气中添加氢气的燃料，可以扩大稀薄运行领域，降低有害废气和二氧化碳（CO₂）排放量，提高燃烧效率，降低循环变化值等。另外，氢气和天然气的辛烷值高，因此添加氢气可以在稀薄运行区域提高压缩比的可能性增大，因而有望提高热效率。

天然气目前以高压气体（CNG）装载的形式，多使用在市内公共汽车上。天然气车辆即使在燃料箱中以170倍大气压的高压充气，1次充满气行驶里程仅为汽油车的20%～30%，这成为很大的问题。如果要以液体（LNG）状态储存，就必须把容器的温度保持在超低温（110K）状态，因此液体状态（LNG）也在运输、储存等方面成为课题。但是，鉴于天然气优秀的清洁性，开发高效率、高性能天然气发动机也极具意义。为了稀薄燃烧发动机和直接喷射发动机的开发，燃烧室、活塞、喷油器等设计和耐久性测试正紧锣密鼓地进行着。

4.替代能源车辆

替代能源车辆有电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。

（1）电动汽车 电动汽车（EV）是利用蓄电池驱动电动机进而驱动车辆行驶，在减速控制时把电动机作为发电机（再生制动系统）使用，把动能转换为电能并向蓄电池充电。电动汽车由电池系统、电机及其控制技术、再生制动系统、动力传递装置等组成。

电动汽车在行驶里程、充电时间、销售价格等方面存在很多问题。因此，电动汽车仅开发作为近距离通勤用。最近轮毂电动机（直接在车轮内部安装电动机的结构）有所发展，已经在部分小型电动汽车上进行了应用。

（2）混合动力汽车 混合动力汽车（HEV）是发动机和电动机并用行驶的汽车。日本丰田汽车公司于1997年在世界上最早成功生产了汽油机+驱动电动机并用驱动的普锐斯。随后，很多汽车制造商开发生产了多种多样的混合动力汽车。

混合动力汽车根据发动机和驱动电机的组合方式分为串联式、并联式和混联式。串联式混合动力汽车是在电动汽车上装载发动机和发电机，发动机、发电机和电动机串联连接，以此利用发动机所发的电能带动驱动电动机，并驱动电动机把驱动力传递到车轮行驶的方式。

并联式混合动力方式是发动机的驱动力直接传递到车轮的动力传递路径和驱动电机的驱动力传递到车轮的动力传递路径相对于驱动轴并联，或者是一体型的方式。此类型的行驶里程较短，因此在不需要大输出功率的市内道路上仅用驱动电机驱动行驶，需要长途高速行驶时，利用发动机驱动行驶。代表车型有奥迪的duo、大众的高尔夫Hybrid-TDI、本田的Insight。

典型的混联式系统是丰田的THS，它是把串联和并联组合应用、取长补短的系统。发动机的输出功率分为两个部分：一部分是通过发电机所发的电能带动驱动电机驱动车轮；另一部分是直接驱动车轮。

目前，混合动力电动汽车量产车型的趋势是插电式混合动力汽车（PHEV）。插电式混合动力汽车是增大混合动力电动汽车的能量储备，可以利用外部电源充电，以此增大行驶里程的电动汽车。插电式混合动力汽车除了能量储备系统和车辆运行控制逻辑不同外，与传统混合动力汽车的系统构成相似。HEV与PHEV的构成比较如图1-16所示。

图1-16 HEV与PHEV构成比较

插电式混合动力汽车的缺点：与传统混合动力汽车不同，它需要外部电能充电，因此需要优秀的充电特性。另外，在一定的充电状态（SOC）下，虽然能与传统混合动力汽车一样跑起来，但会处于相对较低的充电状态（SOC）运行，因此需要能确保性能和寿命的卓越输出功率特性。目前生产并试销的在传统混合动力汽车上配置的能量储备装置为镍氢蓄电池，在低速状态下利用纯电能驱动可行驶里程仅为2～3km，因此插电式混合动力汽车为了确保所要求的16～50km及以上水准纯电能驱动可行驶里程，还需要提高二次电池性能，并降低成本。

（3）燃料电池汽车 燃料电池汽车（FCEV）是配备燃料电池代替蓄电池，以氧气和氢气的电化学反应产生电能带动驱动电机驱动车辆行驶的一种电动汽车。

燃料电池汽车既可以单独使用燃料电池，也可以燃料电池+二次电池或燃料改质系统等辅助装置使用。单独使用燃料电池的方式虽然系统构成简单，但不能利用再生系统进行回收和再利用，尤其是存在低温起动性不良和采用改质方式时负荷响应慢的缺点。混合动力方式能回收和再利用能量，并且燃料电池能在效率较好的范围内运行，因此能大大提高能量使用效率。另外，在起动或紧急状态下，通过辅助充电、放电系统供给电能，以此能保证输出功率，因而具有良好的响应性，但系统构成较复杂。目前，燃料电池汽车在氢气装载方式结合二次电池或电容器等蓄电装置的混合动力方式成为主流。

燃料电池是把氢气和氧气所具有的化学能直接转换为电能的装置。燃料电池的分类见表1-5，根据电解质或燃料的不同分为碱性（AFC）、固体高分子型（PEFC）、磷酸型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）和固体氧化物型（SOFC）等。对于汽车用电池来说，主要使用常温下易起动、运行温度与内燃机汽车相似，并且对振动和冲击耐久力强的聚合物电解质膜的固体高分子型燃料电池（PEFC）。

表1-5 燃料电池的分类

燃料电池汽车最早于2002年12月开始销售，要普及必须解决包括氢气供给基础设施在内的不解决不行的很多课题。但是，石油时代后氢气时代必将到来，因此燃料电池技术必将得到迅猛发展。