摘要：從低碳角度出發(fā)，純電動(dòng)車正得到迅速發(fā)展。另一方面，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)仍將是降低二氧化碳排放的實(shí)際解決方案，因?yàn)檠芯咳藛T一直致力于提高其熱效率，并已取得了可觀的成果。因此，在日本汽車工程學(xué)會(huì)春季學(xué)術(shù)會(huì)議期間，圍繞“2030年乘用車動(dòng)力總成的主流技術(shù)”這一主題，舉辦了相關(guān)論壇，以期在日本政府、學(xué)術(shù)界，以及日本與歐洲的汽車行業(yè)之間，就環(huán)境、汽車動(dòng)態(tài)性能、市場適應(yīng)性及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等問題進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：排放 熱效率 發(fā)展趨勢 汽油機(jī) 柴油機(jī) 混合動(dòng)力
0 前言
縱覽車用動(dòng)力總成的發(fā)展史可知，1769年，法國人Cugnot發(fā)明了用于牽引大炮的蒸汽汽車，約1個(gè)世紀(jì)后的1861年，法國人Renoir發(fā)明了使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的汽車，12年后的1873年，英國人Davidsson發(fā)明了最初的電動(dòng)車。而汽油機(jī)作為現(xiàn)代汽車的主要?jiǎng)恿υ矗?/span>1886年作為動(dòng)力裝置被用于德國人Benz發(fā)明的汽車。
1908年，美國人Ford發(fā)明了T型Ford車，并通過大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)銷售，從此，汽油機(jī)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。但汽油機(jī)的普及并不是偶然的，液體燃料的能量密度高（圖1），續(xù)航里程長，其開采及生產(chǎn)過程相對簡單，石油公司只需完備相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，就可以實(shí)現(xiàn)快速供油，這些優(yōu)勢都使汽油機(jī)的普及成為必然趨勢，歐洲柴油機(jī)的普及發(fā)展也是如此。
圖1 燃料的能量密度比較
但近年來，一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物?/span>NOx）等有害氣體，以及導(dǎo)致地球變暖的二氧化碳（CO2）排放，再加之“石油峰值論”等化石燃料枯竭的說法，都使內(nèi)燃機(jī)受到質(zhì)疑，而電動(dòng)車和燃料電池車逐漸引起廣泛關(guān)注。
然而，從長期從事內(nèi)燃機(jī)開發(fā)工作的立場來看，事實(shí)卻并非如此。電動(dòng)車和燃料電池車本身雖不排放CO2，但在制造電力和氫的過程中，卻會(huì)排出大量CO2（圖2）。另外，2011年3月11日發(fā)生的東日本大地震，也促使政府和民眾開始反思核動(dòng)力發(fā)電的利弊。在全球431座核反應(yīng)堆中，日本曾經(jīng)擁有54座，超過俄羅斯并占世界第3位，但目前已幾乎全部停止運(yùn)行。
圖2 各種車輛從油井到車輪的CO2排放
另一方面，內(nèi)燃機(jī)的熱效率逐年提升，并且通過混合動(dòng)力化，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。此外，燃料枯竭的危機(jī)也得到緩解，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)油砂、油頁巖等多種非傳統(tǒng)燃料，并已探明其儲量可以使用數(shù)百年。因此，內(nèi)燃機(jī)研發(fā)人員認(rèn)為，在不久的將來，內(nèi)燃機(jī)仍將是主流的汽車動(dòng)力源，而且今后仍要繼續(xù)對其實(shí)施改良。
為了準(zhǔn)確預(yù)測未來車用動(dòng)力在環(huán)境性、動(dòng)力性、商品性、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的發(fā)展趨勢，并向日本汽車工程學(xué)會(huì)會(huì)員及市民提供正確的信息，在2011年日本汽車工程學(xué)會(huì)春季學(xué)術(shù)會(huì)議期間，召開了名為“2030年乘用車動(dòng)力總成的主流技術(shù)是什么？”的主題論壇，邀請日本，以及歐洲的各大汽車制造商、大學(xué)學(xué)者和政府官員作為演講嘉賓，探討了低碳時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)生存之路。本文將對此次論壇的研討結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。
1 汽車發(fā)展的總體趨勢
1.1 市場擴(kuò)大和多樣化
從20世紀(jì)30年代起，美國，以及歐洲地區(qū)開始進(jìn)入機(jī)動(dòng)車時(shí)代，日本則憑借第二次世界大戰(zhàn)后國民收入的增加，以及因東京奧運(yùn)會(huì)而進(jìn)行的道路擴(kuò)建，從1964年開始進(jìn)入汽車時(shí)代，汽車市場也隨之迅速擴(kuò)大。近年來，新興國家的汽車銷量顯著增加，2008年全球汽車銷量約6 800萬輛（圖3）。另外，就2008年乘用車普及率（每輛車相對應(yīng)的人數(shù)）來中國看，是41.6人，印度是92.0人，這些數(shù)字相比美國、日本及德國的普及率（2人）還有很大的發(fā)展空間，所以可以預(yù)計(jì)，隨著今后新興國家國民收入的增加，市場還將不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2035年，全球的汽車保有量將從2008年的8億輛增至15.5億輛（圖4）。然而，新興國家與發(fā)達(dá)國家對汽車的需求有所不同，前者主要追求低價(jià)格的車輛，而后者則追求低CO2排放及個(gè)性，因此，全球市場將呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。
圖3 全球汽車市場的變化
圖4 未來汽車保有量的預(yù)測
1.2 面臨的研究課題
1.2.1 大氣污染
在不斷擴(kuò)大的汽車市場中存在3個(gè)重要的課題，對汽車制造商和政府來說，這已成為研究和制定戰(zhàn)略的重要依據(jù)（圖5）。
圖5 汽車的三大課題
按時(shí)間順序來講，最初顯現(xiàn)出的是汽車尾氣引起的大氣污染問題。20世紀(jì)30年代，美國的汽車產(chǎn)業(yè)和汽車數(shù)量激增，大氣環(huán)境持續(xù)惡化，光化學(xué)煙霧籠罩城市。20世紀(jì)70年代，日本發(fā)生了因光化學(xué)煙霧致小學(xué)生昏倒的事故，所以，時(shí)至今日全社會(huì)都在關(guān)注這一問題。美國在1970年制定了凈化空氣法，日本也實(shí)施了在當(dāng)時(shí)號稱世界最嚴(yán)格的1978年排放法規(guī)。針對尾氣排放的凈化技術(shù)在不斷進(jìn)步，目前，除直接噴射汽油機(jī)的顆粒數(shù)排放和稀燃汽油機(jī)的NOx排放外，汽油機(jī)的其他有害物排放問題已基本得到解決。
1.2.2 全球暖化
接著出現(xiàn)的課題是全球暖化，CO2在30年前還被認(rèn)為是無害的，但現(xiàn)在卻作為溫室氣體而被廣泛詬?。▓D6）。在1992年聯(lián)合國氣候變化框架條約中，決定召開商討具體解決對策的締約國會(huì)議（COP），并在COP 3上提議通過了“京都議定書”。同樣的，在第1次石油危機(jī)后的1974年，美國國務(wù)卿基辛格發(fā)起在經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織之下設(shè)立國際能源機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)制定了將CO2排放量降至450×10-6的《世界能源展望2009》，以及普及新一代汽車的《能源科技展望2010》，決定了各國的汽車CO2排放限值（圖7）。受此影響，汽車制造商需要開發(fā)全新的技術(shù)，力求在發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和車輛燃油耗方面獲得革命性的進(jìn)展。
圖6 全球暖化趨勢
圖7 各國的CO2排放限值
1.2.3 能源安全
第3項(xiàng)課題是能源安全，即如何確保燃料的持續(xù)供應(yīng)。有報(bào)告認(rèn)為，石油等一次能源將在40年后迎來消耗量的峰值。受中東政局動(dòng)亂的影響，實(shí)際的原油價(jià)格也在不斷上漲，另外，如前文所述，新興國家的汽車需求量越來越高，燃料需求也必然增加，因此能源危機(jī)的影響是確實(shí)存在的。
在這樣的背景下，燃料種類逐漸多樣化，多種替代燃料被開發(fā)并使用，如有利于減少CO2排放的生物質(zhì)燃料、天然氣、氫燃料，以及由氣制油、媒合成燃料、生物制油等經(jīng)費(fèi)托合成的液體燃料等（圖8）。
圖8 未來燃料的生成途徑
本文雖然為了便于說明，將汽車行業(yè)面臨的問題分成三大課題，但減少CO2排放和應(yīng)對能源危機(jī)的對策基本是相同的，即需要減少能源消耗，改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，或是通過生物質(zhì)燃料吸收CO2，利用非傳統(tǒng)燃料制成費(fèi)托合成燃料，以及高效使用氣體燃料等，這都是研究人員正在探討的技術(shù)方案。
圖9 新一代汽車的發(fā)展趨勢
2 CO2減排的技術(shù)方案
2.1 新一代汽車的發(fā)展趨勢
針對前文所述各項(xiàng)課題，汽車制造商需要從發(fā)動(dòng)機(jī)改良、燃料多樣化、包括混合動(dòng)力在內(nèi)的電氣化、動(dòng)力總成，以及車身進(jìn)化等方面采取綜合措施，以降低CO2排放，近年來，這些工作取得了很大的成果。下文將介紹其中的代表性技術(shù)（圖9）。
2.2 提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率
2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)型式和CO2排放量
將現(xiàn)在常見的車用動(dòng)力總成按CO2排放量由高至低排序，依次應(yīng)為汽油機(jī)、縮缸強(qiáng)化汽油機(jī)、柴油機(jī)、汽油混合動(dòng)力和柴油混合動(dòng)力。可按發(fā)動(dòng)機(jī)的不同型式施以相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高熱效率。以豐田公司Prius車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)舉例，其最高熱效率為38.5%，在2020年將達(dá)到45.0%左右，預(yù)計(jì)其柴油混合動(dòng)力將達(dá)到50.0%的熱效率。下文將介紹為提高熱效率而采取的多種技術(shù)方案中較為典型的案例（圖10，圖11）。
圖10 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的方法（汽油機(jī)的發(fā)展方向）
圖11 改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和提高熱效率的方案
2.2.2 降低泵氣損失
汽油機(jī)進(jìn)氣和排氣行程的泵氣損失是其效率惡化的重要原因，近年來廣泛采用可變機(jī)構(gòu)的高膨脹比循環(huán)（即阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)），已取得一定成效（圖12）。另外，由于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和縮缸強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)對降低泵氣損失的效果也很大，因而逐漸被普及應(yīng)用。
圖12 通過高膨脹比循環(huán)減少泵氣損失
2.2.3 提高循環(huán)效率
作為提高循環(huán)效率或理論熱效率的方法，可通過提高壓縮比和稀薄燃燒來增加比熱比，研究人員正在開發(fā)相關(guān)的技術(shù)，而高壓縮比技術(shù)一般會(huì)采用多連桿機(jī)構(gòu)。另外，目前已部分實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)由于無法使用三效催化轉(zhuǎn)化器，所以為了降低NOx排放，必須采用昂貴的后處理裝置，這是需要予以改進(jìn)的。近年來，關(guān)于預(yù)混合壓縮著火燃燒方式的研究已取得一定效果，但其最大的問題是著火時(shí)間的控制，由于不能像傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣將火花塞點(diǎn)火時(shí)間或柴油機(jī)噴油時(shí)間作為觸發(fā)點(diǎn)，因而隨著燃料特性或進(jìn)氣狀態(tài)的變化，會(huì)出現(xiàn)著火不穩(wěn)定的現(xiàn)象，并由此發(fā)生失火或爆燃，這也是需要盡快予以解決的問題（圖13）。
圖13 日產(chǎn)汽車公司的可變壓縮比機(jī)構(gòu)、稀燃及預(yù)混合壓縮著火燃燒
2.2.4 降低摩擦損失
降低摩擦損失是提高有效熱效率的最有效方法，最近因材料的進(jìn)化和摩擦學(xué)研究的深入而有望實(shí)現(xiàn)徹底改良，如潤滑表面的鏡面加工處理工藝及類金剛石碳涂層的表面加工工藝等。另外，為了抑制因活塞擺動(dòng)而產(chǎn)生的缸孔變形，可采取內(nèi)徑真圓加工工藝，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的潤滑油黏度。進(jìn)而，研究人員也加快了降低機(jī)油泵和水泵摩擦損失的研究，并正在致力于動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等裝置的電氣化進(jìn)展（圖14）。
圖14 降低摩擦損失的實(shí)例
2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的能量（熱）管理
發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、冷卻液、從發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射出的熱量，以及冷機(jī)狀態(tài)下暖機(jī)所消耗的熱等被浪費(fèi)的熱能要比想象的更多，新歐洲行駛循環(huán)冷起動(dòng)模式下計(jì)算出的D級車CO2排放量中，超過1/3是作為廢熱被排掉的。另外，車輛在怠速時(shí)的無效做功約為4%，減速時(shí)制動(dòng)產(chǎn)生的廢熱超過15%，而怠速停止系統(tǒng)及混合動(dòng)力車則可以通過能量再生裝置，將廢熱轉(zhuǎn)化為電力并加以有效利用（圖15）。不過，再生能量中總量最大的熱能雖潛力較高，其再生（轉(zhuǎn)化）效率卻很低，利用難度也較高，因此現(xiàn)在比較普及的是利用轉(zhuǎn)換效率較高的動(dòng)能，即采用怠速停止系統(tǒng)和制動(dòng)能量再生系統(tǒng)。
圖15 能量（熱）管理的實(shí)例
2.4 混合動(dòng)力系統(tǒng)
混合動(dòng)力系統(tǒng)能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)熱效率低的缺點(diǎn)，提高再生能量效率，因而在近年得到長足發(fā)展。另外，插電式混合動(dòng)力車?yán)锰崆俺潆姷碾娏?，在市區(qū)道路以電動(dòng)車〖JP+1〗模式行駛，在郊外則以通常的混合動(dòng)力車模式行駛，既解決了純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短的問題，又能與電動(dòng)車一樣，利用高效率發(fā)電所得的電力，大幅降低CO2排放（其排放量為傳統(tǒng)車輛的74%，混合動(dòng)力車的50%），從而有望得到進(jìn)一步的普及推廣（圖16）。
圖16 插電式混合動(dòng)力車的燃油耗降低效果
3 結(jié)語
日本的鐵道交通極為發(fā)達(dá)，近年來，城市之間的長距離移動(dòng)已不再完全依賴汽車。盡管如此，仍有67%的運(yùn)輸需要利用汽車，美國的這一數(shù)據(jù)是88%。因此，在2011年日本汽車工程學(xué)會(huì)春季學(xué)術(shù)會(huì)議期間，針對“2030年車用動(dòng)力總成的主流技術(shù)是什么？”，以及“低碳時(shí)代內(nèi)燃機(jī)的生存空間”等問題，多數(shù)演講者都持相同意見，即內(nèi)燃機(jī)仍將是主要的動(dòng)力源。另一方面，電動(dòng)車及燃料電池車也將隨著蓄電池等電子技術(shù)的革新而被逐漸普及。
作為CO2減排政策，日本的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部以電動(dòng)車、插電式混合動(dòng)力車、清潔柴油車、天然氣車等新一代汽車的普及為目標(biāo)，發(fā)布了一系列政策，并積極推進(jìn)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，今后有望進(jìn)一步推進(jìn)這些項(xiàng)目的開發(fā)和普及。
綜上所述，歸納未來移動(dòng)社會(huì)的技術(shù)發(fā)展趨勢可知，內(nèi)燃機(jī)效率的提升、燃料多樣化、電氣化推廣，以及電動(dòng)車的普及等都將成為主要的發(fā)展方向。
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