好文推荐|2030年乘用车动力总成的主流技术趋势

摘要：从低碳角度出发，纯电动车正得到迅速发展。另一方面，传统内燃机仍将是降低二氧化碳排放的实际解决方案，因为研究人员一直致力于提高其热效率，并已取得了可观的成果。因此，在日本汽车工程学会春季学术会议期间，围绕“2030年乘用车动力总成的主流技术”这一主题，举办了相关论坛，以期在日本政府、学术界，以及日本与欧洲的汽车行业之间，就环境、汽车动态性能、市场适应性及基础设施建设等问题进行探讨。

关键词：排放 热效率 发展趋势 汽油机 柴油机 混合动力

0 前言

纵览车用动力总成的发展史可知，1769年，法国人Cugnot发明了用于牵引大炮的蒸汽汽车，约1个世纪后的1861年，法国人Renoir发明了使用燃气内燃机的汽车，12年后的1873年，英国人Davidsson发明了最初的电动车。而汽油机作为现代汽车的主要动力源，在1886年作为动力装置被用于德国人Benz发明的汽车。

1908年，美国人Ford发明了T型Ford车，并通过大规模生产实现了廉价销售，从此，汽油机进入批量生产阶段。但汽油机的普及并不是偶然的，液体燃料的能量密度高（图1），续航里程长，其开采及生产过程相对简单，石油公司只需完备相应的基础设施，就可以实现快速供油，这些优势都使汽油机的普及成为必然趋势，欧洲柴油机的普及发展也是如此。

图1 燃料的能量密度比较

但近年来，一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物（NOx）等有害气体，以及导致地球变暖的二氧化碳（CO₂）排放，再加之“石油峰值论”等化石燃料枯竭的说法，都使内燃机受到质疑，而电动车和燃料电池车逐渐引起广泛关注。

然而，从长期从事内燃机开发工作的立场来看，事实却并非如此。电动车和燃料电池车本身虽不排放CO₂，但在制造电力和氢的过程中，却会排出大量CO₂（图2）。另外，2011年3月11日发生的东日本大地震，也促使政府和民众开始反思核动力发电的利弊。在全球431座核反应堆中，日本曾经拥有54座，超过俄罗斯并占世界第3位，但目前已几乎全部停止运行。

图2 各种车辆从油井到车轮的CO2排放

另一方面，内燃机的热效率逐年提升，并且通过混合动力化，可以实现更高的效率。此外，燃料枯竭的危机也得到缓解，现已发现油砂、油页岩等多种非传统燃料，并已探明其储量可以使用数百年。因此，内燃机研发人员认为，在不久的将来，内燃机仍将是主流的汽车动力源，而且今后仍要继续对其实施改良。

为了准确预测未来车用动力在环境性、动力性、商品性、基础设施等方面的发展趋势，并向日本汽车工程学会会员及市民提供正确的信息，在2011年日本汽车工程学会春季学术会议期间，召开了名为“2030年乘用车动力总成的主流技术是什么？”的主题论坛，邀请日本，以及欧洲的各大汽车制造商、大学学者和政府官员作为演讲嘉宾，探讨了低碳时代的发动机生存之路。本文将对此次论坛的研讨结果进行总结。

1 汽车发展的总体趋势

1.1 市场扩大和多样化

从20世纪30年代起，美国，以及欧洲地区开始进入机动车时代，日本则凭借第二次世界大战后国民收入的增加，以及因东京奥运会而进行的道路扩建，从1964年开始进入汽车时代，汽车市场也随之迅速扩大。近年来，新兴国家的汽车销量显著增加，2008年全球汽车销量约6 800万辆（图3）。另外，就2008年乘用车普及率（每辆车相对应的人数）来中国看，是41.6人，印度是92.0人，这些数字相比美国、日本及德国的普及率（2人）还有很大的发展空间，所以可以预计，随着今后新兴国家国民收入的增加，市场还将不断扩大。预计到2035年，全球的汽车保有量将从2008年的8亿辆增至15.5亿辆（图4）。然而，新兴国家与发达国家对汽车的需求有所不同，前者主要追求低价格的车辆，而后者则追求低CO₂排放及个性，因此，全球市场将呈现出多样化的发展趋势。

图3 全球汽车市场的变化

图4 未来汽车保有量的预测

1.2 面临的研究课题

1.2.1 大气污染

在不断扩大的汽车市场中存在3个重要的课题，对汽车制造商和政府来说，这已成为研究和制定战略的重要依据（图5）。

图5 汽车的三大课题

按时间顺序来讲，最初显现出的是汽车尾气引起的大气污染问题。20世纪30年代，美国的汽车产业和汽车数量激增，大气环境持续恶化，光化学烟雾笼罩城市。20世纪70年代，日本发生了因光化学烟雾致小学生昏倒的事故，所以，时至今日全社会都在关注这一问题。美国在1970年制定了净化空气法，日本也实施了在当时号称世界最严格的1978年排放法规。针对尾气排放的净化技术在不断进步，目前，除直接喷射汽油机的颗粒数排放和稀燃汽油机的NOx排放外，汽油机的其他有害物排放问题已基本得到解决。

1.2.2 全球暖化

接着出现的课题是全球暖化，CO₂在30年前还被认为是无害的，但现在却作为温室气体而被广泛诟病（图6）。在1992年联合国气候变化框架条约中，决定召开商讨具体解决对策的缔约国会议（COP），并在COP 3上提议通过了“京都议定书”。同样的，在第1次石油危机后的1974年，美国国务卿基辛格发起在经济合作与发展组织之下设立国际能源机构。该机构制定了将CO₂排放量降至450×10^-6的《世界能源展望2009》，以及普及新一代汽车的《能源科技展望2010》，决定了各国的汽车CO₂排放限值（图7）。受此影响，汽车制造商需要开发全新的技术，力求在发动机热效率和车辆燃油耗方面获得革命性的进展。

图6 全球暖化趋势

图7 各国的CO₂排放限值

1.2.3 能源安全

第3项课题是能源安全，即如何确保燃料的持续供应。有报告认为，石油等一次能源将在40年后迎来消耗量的峰值。受中东政局动乱的影响，实际的原油价格也在不断上涨，另外，如前文所述，新兴国家的汽车需求量越来越高，燃料需求也必然增加，因此能源危机的影响是确实存在的。

在这样的背景下，燃料种类逐渐多样化，多种替代燃料被开发并使用，如有利于减少CO₂排放的生物质燃料、天然气、氢燃料，以及由气制油、媒合成燃料、生物制油等经费托合成的液体燃料等（图8）。

图8 未来燃料的生成途径

本文虽然为了便于说明，将汽车行业面临的问题分成三大课题，但减少CO₂排放和应对能源危机的对策基本是相同的，即需要减少能源消耗，改善车辆的燃油经济性，或是通过生物质燃料吸收CO₂，利用非传统燃料制成费托合成燃料，以及高效使用气体燃料等，这都是研究人员正在探讨的技术方案。

图9 新一代汽车的发展趋势

2 CO₂减排的技术方案

2.1 新一代汽车的发展趋势

针对前文所述各项课题，汽车制造商需要从发动机改良、燃料多样化、包括混合动力在内的电气化、动力总成，以及车身进化等方面采取综合措施，以降低CO₂排放，近年来，这些工作取得了很大的成果。下文将介绍其中的代表性技术（图9）。

2.2 提高内燃机的热效率

2.2.1 发动机型式和CO₂排放量

将现在常见的车用动力总成按CO₂排放量由高至低排序，依次应为汽油机、缩缸强化汽油机、柴油机、汽油混合动力和柴油混合动力。可按发动机的不同型式施以相应的改进措施，以提高热效率。以丰田公司Prius车搭载的发动机举例，其最高热效率为38.5%，在2020年将达到45.0%左右，预计其柴油混合动力将达到50.0%的热效率。下文将介绍为提高热效率而采取的多种技术方案中较为典型的案例（图10，图11）。

图10 提高发动机热效率的方法（汽油机的发展方向）

图11 改善发动机热平衡和提高热效率的方案

2.2.2 降低泵气损失

汽油机进气和排气行程的泵气损失是其效率恶化的重要原因，近年来广泛采用可变机构的高膨胀比循环（即阿特金森循环或米勒循环），已取得一定成效（图12）。另外，由于缸内直喷发动机和缩缸强化发动机对降低泵气损失的效果也很大，因而逐渐被普及应用。

图12 通过高膨胀比循环减少泵气损失

2.2.3 提高循环效率

作为提高循环效率或理论热效率的方法，可通过提高压缩比和稀薄燃烧来增加比热比，研究人员正在开发相关的技术，而高压缩比技术一般会采用多连杆机构。另外，目前已部分实现量产的稀燃发动机由于无法使用三效催化转化器，所以为了降低NOx排放，必须采用昂贵的后处理装置，这是需要予以改进的。近年来，关于预混合压缩着火燃烧方式的研究已取得一定效果，但其最大的问题是着火时间的控制，由于不能像传统发动机那样将火花塞点火时间或柴油机喷油时间作为触发点，因而随着燃料特性或进气状态的变化，会出现着火不稳定的现象，并由此发生失火或爆燃，这也是需要尽快予以解决的问题（图13）。

图13 日产汽车公司的可变压缩比机构、稀燃及预混合压缩着火燃烧

2.2.4 降低摩擦损失

降低摩擦损失是提高有效热效率的最有效方法，最近因材料的进化和摩擦学研究的深入而有望实现彻底改良，如润滑表面的镜面加工处理工艺及类金刚石碳涂层的表面加工工艺等。另外，为了抑制因活塞摆动而产生的缸孔变形，可采取内径真圆加工工艺，以及降低发动机和变速器的润滑油黏度。进而，研究人员也加快了降低机油泵和水泵摩擦损失的研究，并正在致力于动力转向泵等装置的电气化进展（图14）。

图14 降低摩擦损失的实例

2.3 发动机的能量（热）管理

发动机排气、冷却液、从发动机表面辐射出的热量，以及冷机状态下暖机所消耗的热等被浪费的热能要比想象的更多，新欧洲行驶循环冷起动模式下计算出的D级车CO₂排放量中，超过1/3是作为废热被排掉的。另外，车辆在怠速时的无效做功约为4%，减速时制动产生的废热超过15%，而怠速停止系统及混合动力车则可以通过能量再生装置，将废热转化为电力并加以有效利用（图15）。不过，再生能量中总量最大的热能虽潜力较高，其再生（转化）效率却很低，利用难度也较高，因此现在比较普及的是利用转换效率较高的动能，即采用怠速停止系统和制动能量再生系统。

图15 能量（热）管理的实例

2.4 混合动力系统

混合动力系统能有效改善发动机在低负荷时热效率低的缺点，提高再生能量效率，因而在近年得到长足发展。另外，插电式混合动力车利用提前充电的电力，在市区道路以电动车〖JP+1〗模式行驶，在郊外则以通常的混合动力车模式行驶，既解决了纯电动车续航里程短的问题，又能与电动车一样，利用高效率发电所得的电力，大幅降低CO₂排放（其排放量为传统车辆的74%，混合动力车的50%），从而有望得到进一步的普及推广（图16）。

图16 插电式混合动力车的燃油耗降低效果

3 结语

日本的铁道交通极为发达，近年来，城市之间的长距离移动已不再完全依赖汽车。尽管如此，仍有67%的运输需要利用汽车，美国的这一数据是88%。因此，在2011年日本汽车工程学会春季学术会议期间，针对“2030年车用动力总成的主流技术是什么？”，以及“低碳时代内燃机的生存空间”等问题，多数演讲者都持相同意见，即内燃机仍将是主要的动力源。另一方面，电动车及燃料电池车也将随着蓄电池等电子技术的革新而被逐渐普及。

作为CO₂减排政策，日本的经济产业部以电动车、插电式混合动力车、清洁柴油车、天然气车等新一代汽车的普及为目标，发布了一系列政策，并积极推进相关的基础设施建设，今后有望进一步推进这些项目的开发和普及。

综上所述，归纳未来移动社会的技术发展趋势可知，内燃机效率的提升、燃料多样化、电气化推广，以及电动车的普及等都将成为主要的发展方向。

苏正杲、方海龙、何郭靖、曹智焜、万志刚、李世玉、马德丰、曹纯飞、于树广
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