引擎將消失?豐田宣佈「引擎車零銷售」是什麼意思

作者:近岡裕   |   2016 / 12 / 03

文章來源:日經技術   |   圖片來源:Jayroz


【日經BP社報導】目前,引擎領域正瞄準在不久的將來,即將掀起巨大改變的技術革新,那就是“可變壓縮比引擎”和“HCCI(均質預混合壓燃)引擎”。另一方面,豐田則公佈了將來使引擎車銷售“基本減為零”的目標,這讓很多零件與材料廠商感到不安。引擎的革新技術是什麼,引擎是否會消失?

記者就此採訪了K&KTechnoResearch代表、WORLDTECH講師、曾任職於電裝的加藤克司。(採訪人:近岡裕)

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K&KTechnoResearch代表、WORLDTECH講師(曾任職於電裝)加藤克司

什麼是可變壓縮引擎?

——“可變壓縮比引擎”是什麼樣的引擎呢?

加藤:正如其名,可變壓縮比引擎是可以按照工作狀態調整壓縮比的引擎。日產汽車公司在巴黎車展上宣佈,數年之後將量產可變壓縮比引擎。估計時間在2018年。這種引擎的最大特點是,在曲軸和連桿之間設置了多連桿機構。由此,可以根據工作狀態調整活塞的上死點位置,在低轉速和高轉速時改變壓縮比。日產的可變壓縮比引擎的壓縮比可在8~14範圍內變動。

引擎的壓縮比提高後,熱效率會提升。不過,這樣做存在的問題是,壓縮比過高則容易發生爆震。如果在殘留有未燃燒氣體的狀態下壓力升高,就會因為溫度過高而在火花點火之前發生自動點火,如此,就會在正常燃燒之前發生異常燃燒。這種異常燃燒會變成壓力波,以音速在汽缸內往返。這會對汽缸壁等造成衝擊,產生“咔啦咔啦”的異響,不僅會對引擎帶來損害,也會讓用戶感到不安。

因此,目前採取的措施是採用爆震控制系統。通過信號判斷出要發生爆震時,通過推遲點火時間來避免發生爆震。但是,這樣做會導致輸出功率和熱效率下降。因此,現行引擎使用阿特金森循環等技術來降低實際壓縮比。

可以解決上述課題的,就是可變壓縮比引擎。在高轉速·高負荷區域降低壓縮比(日產將其降低到8)。這樣的壓縮比可以防止爆震發生。而在不易發生爆震的低轉速、中負荷區域,則提高壓縮比(日產將其提高至14)。通過這種方法,可以提高熱效率並降低燃耗。

燃效與HEV接近

可變壓縮比引擎的吸引力在於引擎本身就可使燃效接近HEV。日產稱這種引擎可使燃效較原來提高27%。

其實,本田已經開發出了可作為其基礎的機械複式連桿機構。該公司開發的是複式連桿型高膨脹比引擎“EXlink”。該產品已在2011年推出的家用燃氣引擎與熱電聯產系統“ECOWILL”的發電用燃氣引擎上投入實用。其工作原理是,使用“機械複式連桿機構”來改變吸氣時和膨脹時的活塞下死點,從而改變膨脹比。

阿特金森循環引擎同樣是高膨脹比引擎,通過改變引擎的吸排氣閥門的配氣定時,實現高膨脹比。因為比較簡單,目前這種引擎是主流。而本田則是以機械方式實現高膨脹比引擎。日產以與之類似的機械機構為基礎,對引擎進行了大幅改進,使其能隨著工作狀態調整壓縮比。

不過,這種技術存在的課題是成本較高。因為需要嵌入多連桿機構,引擎的構造也必須較以往作出大幅改變。目前來看估計只會在高檔車中採用。

什麼是HCCI引擎?

——請介紹一下另一種革新性引擎“HCCI引擎”。

加藤:HCCI被稱為引擎的“終極燃燒”。很多廠商都在開發這項技術,估計2018~2020年前後會實現量產化。

要了解HCCI引擎,首先要了解柴油引擎的工作原理。因為HCCI引擎與柴油引擎一樣,採用使燃料自動點火的方法。與汽油引擎不同,不使用火花點火方式。

關於柴油引擎,燃燒室的溫度升高時,氮氧化物(NOx)會增加,而顆粒狀物質(PM)則會減少。反之,燃燒室的溫度降低時,NOx會減少,而PM則會增加。也就是說,NOx與PM的排放量是此消彼長的關係。不過,現在的廢氣規定要求NOx和PM同時減少。為了達到這種嚴格的規定,目前很多廠商都仰賴觸媒轉換器。使用可去除PM的DPF(柴油顆粒過濾器、柴油顆粒狀物質去除裝置)和NOx觸媒轉換器(NOx存儲還原觸媒轉換器及尿素選擇還原裝置)。

不過,要通過燃燒DPF中積存的PM進行DPF的再生,就要進行與燃燒無關的燃料噴射,因此燃效會降低。觸媒轉換器的耐久性也是一大課題。而且,最重要的是成本較高。我認為這是導致德國福斯(VW)出現廢氣排放作弊問題(2015年曝光)的主要原因之一。

可解決這種問題的就是HCCI引擎。這種技術的優點是可以提高引擎的熱效率,同時降低NOx和PM。普通柴油引擎在燃燒室內自動點火之後,燃燒不斷蔓延,導致燃燒溫度上升,因此造成NOx增加。反之,燃燒溫度降低後,NOx會減少,而PM則會增加。

而HCCI在燃燒室中形成均勻的混合氣體之後,會自動點火,並迅速擴大到整個燃燒區域。因此,通過抑制燃燒溫度升高,不僅可以減少NOx,還可以減少PM量。柴油引擎和汽油引擎都正朝著HCCI的方向努力。

不過,這種技術也存在難題,就是HCCI的工作範圍有限。因此,各公司都在為擴大HCCI的工作範圍推進開發。

引擎將會消失?

—說起引擎,豐田2015年宣佈的目標對社會帶來了巨大衝擊。該公司說,“到2050年,將使引擎車的新車銷售基本減為零”。這讓很多零件廠商和材料廠商感到擔憂。引擎會消失嗎?

加藤:引擎不會消失。豐田宣佈的這一目標的意思是,傳統型(Conventional)引擎車,也就是與只配備引擎的現行車相同類型的汽油引擎車和柴油引擎車(純引擎車)將大幅減少。我認為並不是說引擎會消失。

混合動力車(HEV)、插電式混合動力車(PHEV)和天然氣車也都配備引擎。有統計數據顯示,到2050年,“引擎車”的比例會高達55%左右。而且,引擎車具有價格便宜的吸引力,估計在新興市場國家等仍會存在根深蒂固的需求。

至於什麼類型的汽車會成為主流,這受到多種因素的影響,各地區的情況也都不同。

HEV在歐洲十分暢銷

——與很多產品一樣,汽車開發也會受到市場變化的影響。請介紹一下目前應該關注的全球性市場變化。

加藤:目前HEV在歐洲十分暢銷。歐洲的汽車行業藍圖是,暫時發展清潔柴油車,然後在一段時期內推廣“弱HEV”,最後才轉向純電動汽車(EV)。不過,這種藍圖因為剛才提到的大眾作弊問題曝光而逐漸崩塌。很難憑藉清潔柴油車來達到廢氣規定和燃效規定要求的企業不只是福斯(Volkswagen),依賴於觸媒轉換器的所有汽車廠商都很難做到。

目前歐洲汽車行業正在大力發展的並不是豐田及本田佔優勢的“強HEV”,而是使用48V電源的“弱HEV”。與使用變壓器將12V電源電壓提高至200V以上的強HEV相比,弱HEV具有成本低的優點。但是,這種汽車的輸出功率低,無法實現讓引擎停止工作而只依靠電力行駛的EV行駛。因此,與能夠以純電動模式行駛的強HEV相比,燃效要差一些。

在強HEV的開發方面,日本汽車廠商一直處於領先地位。為了與日本廠商抗衡,5家德國汽車廠商聯合起來,制定了48V電源標準,推進了弱HEV用零件的通用化。這樣,5家公司就可以使用通用規格的零件,進一步降低成本。這些廠商打算以低成本為武器,推動48V電源弱HEV在歐洲普及。

這樣一來,零件廠商也會受到影響。原因是強HEV用零件和弱HEV用零件很難實現通用化。

HEV在美國陷入苦戰的的理由

在不久之後EV就會普及的中國市場,目前也是歐洲車較多,48V弱HEV可能會普及。在未來經濟有望大幅增長的印度,也可能會因為歐洲零件廠商大力推銷而實現48V弱HEV的普及。

不過,印度最大的問題在於電力短缺造成的停電。儘管目前該國對煤炭火力發電的依賴程度很高,但最近日本等其他國家的核電技術合作援助也是熱門話題。如果這種合作援助不斷推進,估計核電供應基礎設施將會獲得完善。這樣的話,動力傳動系統的電動化也會取得進展。

雖然眼下東南亞的經濟已經停滯,但印尼人口眾多,經濟仍有很大的增長餘地。越南和緬甸目前也以摩托車為主,但今後汽車會穩步普及。不過,我認為這些國家和地區的主流暫時仍會是傳統的汽油車和柴油車。

而在美國,汽油的價格便宜了很多,因此很多人不再在意燃效,HEV的銷售額不斷下滑。而且,ZEV(Zero Emission Vehicle,零排放車)規定將在2018年以後發生重大變化,HEV將不再被視為ZEV對象。受此影響,預計HEV會減少,EV及PHEV將會增加。

汽車業對於各國來說都是非常重要的基礎產業。以前汽車的銷售動向一直受到政治、經濟、燃料動向等的巨大影響。預計今後世界各國仍會繼續出現重大變化,動力傳動系統的趨勢將會因為地區和年代不同而發生明顯改變。因此,零件廠商和材料廠商要與汽車廠商一樣,時刻關注動力傳動系統的動向。

日經技術》授權轉載

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