日本汽油机市场发展趋势与技术研究动向

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以发达国家为中心，各国制定了改善汽车燃油耗及净化排放尾气的法规，同时其限值也在快速地收紧。低燃油耗汽车目前受到了广泛关注。汽油机技术研发也将重点放在燃油耗的降低上。采用冷却废气再循环、高压缩比、涡轮增压及缸内直喷等新技术的汽油机已陆续投放市场。以各类新型汽油机及其最新研发成果作为实例，介绍了汽油机的市场发展趋势及技术研发动向。

0 前言

巴黎协定在联合国气候变化框架条约第21届缔约国会议（COP21）上得以通过，并于2015年末开始实施。以发达国家为中心，各国制定的改善汽车燃油耗及净化排放气体的法规限值在快速地收紧。另一方面，随着发展中国家的汽车普及化，部分城市区域出现了严重的大气污染问题，中国及印度预计将采用与发达国家严格程度大致相同的排放法规。

此外，预计以后要采用以日本、欧洲及新兴国家为中心的国际标准化试验法，即全球统一轻型车试验规范（WLTP）。相比目前的工况试验法，由于其拓展了更接近于实际行驶的高负荷区域，这将对于提高汽油机的技术水平产生重大影响。

本文以新型汽油机及最新汽油机研发成果为实例，介绍了汽油机的新技术及其研发新动向，介绍了汽油机的市场发展趋势。

1 日本汽油机市场

1.1 市场概况

2016年，尽管日本汽车市场受到了熊本地震及部分汽车生产商处理燃油耗问题带来的负面影响，但是，新车销售量（轻型汽车注册车辆合计）相比2014年仍增加了2.8%，总量达508万辆。其中，注册车辆销量连续2年增长，新车销售量增加了7.5%，即增加了336万辆。轻型汽车的销售量虽连续3年减少了51%，但仍销售了172万辆。混合动力车（HV）的销售比例还在提高。对自然吸气汽油机及涡轮增压汽油机都进行了技术改进，新型汽油机已陆续投入了市场。

1.2 日本各汽车制造商动态

表1列出了2016年日本各汽车制造商销售及发布的主要新型汽油机。

表1 2016年日本各汽车制造商销售及发布的主要新型汽油机

 

（1） 丰田公司

2016年12月，丰田公司提出了名为“TNGA”的新型动力传动系统的概念。即推进了发动机的模块化技术，削减约40%的零件种类。预计到2021年，将向市场投放19款机型及37款改型汽油机。图1示出了应用于燃油车及HV的强劲动力发动机中的4缸2.5 L汽油机。该汽油机的高速燃烧技术，是采用行程缸径比（S/D）约为1.2的长行程结构，扩大了气门夹角，采用了激光包覆气门座的高效率进气道。此外，由于应用多喷孔直喷喷油器及连续可变容量机油泵等，最大热效率可达到41%（HV车和燃油车为40%），升功率达到60 kW。以面向售往北美市场的Comere车为契机，该机型开始了批量生产。

 

（2）日产公司

日产公司于2016年发布了Note车，即装备有新动力传动系统的ePOWER车，该车采用了与ePOWER车相似的匹配度较高的HR12DE型发动机（图2）。

 

该发动机与传统机型相比，采用了缸壁镜面涂覆的机体、缸盖一体式排气歧管、EGR冷却器、双喷油器和电动水泵等技术，压缩比由10.2提高到12.0，由于与高功率电机相结合，车辆在JC08工况下的燃油耗为37.2 km/L。

2016年8月日产发布的配装于Serena车上的MR20DD型汽油机（图3），与传统机型相比，由于采用了缸壁镜面涂覆机体、3个排气道缸盖、废气再循环（EGR）装置、转板式电子控制滚转调节和阿特金森循环等技术，压缩比由11.2提升到12.5。同时，为降低辅机皮带驱动的整体式起动发电机（ISG）工作时的损失，采用了摆式张紧器。该车在JC08工况下的燃油耗为17.2 km/L。

 

此外，在2016年9月巴黎的发动机展览会上，日产公司发布了一款乘用车发动机，该发动机能够使压缩机在8.0~14.0范围内变化，并使用可变容量涡轮增压器（VCT）（图4）。预计2018年将配装于销往欧洲市场的Infinity车上。

 

（3）本田公司

本田公司于2016年8月发布了配装于NSX车上的JNC型汽油机（图5），应用等离子喷镀缸壁、缸内直喷与进气道喷射相结合、电动排气阀等技术，使用V635 L发动机，其最大扭矩为550 N·m，最高功率可达373 kW。为了提高整车运动性能，需实现发动机低重心化，为此将气门倾斜角设计为75°，采用压力循环式供油润滑法。同时，为了使发动机具备优异的旋转性能，安装飞轮及曲轴皮带轮平衡调整螺栓，对发动机旋转平衡进行测量。

 

（4）斯巴鲁公司

斯巴鲁公司于2016年9月发布的配装于Impressa车的FB20型发动机（图6），相比于原机型，由于80%的零部件经过了重新设计，质量减轻了约12 kg，实现了发动机机体的高刚度化，增加了发动机固定点以减轻振动噪声。另外，采用直喷技术，将压缩比由10.5提高到12.5，车辆在JC08工况下的燃油耗为17.0 km/L。

 

（5）大发公司

大发公司2016年4月发布的配装于Boonpaso车的IKRFE型汽油机（图7），与传统发动机相比，由于采用了双进气道、双喷油器、阿特金森循环等技术，压缩比由11.5提升到12.5，为减少摩擦，在活塞裙面采用树脂涂层等新技术，车辆在JC08工况下的燃油耗为28.0 km/L。

 

大发公司于2016年11月发布的配装于T0ll Tank Roomy车上的IKRVET型汽油机（图8），是以IKRFE型发动机的双进气道及两个喷油器布置等具有良好燃烧特性的基本参数规格为基础，设计成涡轮增压发动机，其最高功率可达72 kW，最大扭矩为140 N·m。此外，为了抑制发动机内部的杂质附着现象，采用了配备有喷射泵的曲轴箱主动换气系统。

 

2 北美汽油机市场

2.1 市场概况

由于汽油成本较低，且供给来源稳定，轻型载货汽车（LDT）的销售情况良好。尽管人们对低燃油耗技术提出的需求并不多，不过仍在持续进行整车轻量化及发动机的技术改进。2.2 各汽车生产商动态

表2列出北美厂商的新型汽油机情况。

 

（1）Chrysler公司

在2010年上市的V6 3.21~3.6 L的发动机中，Penta-star 3.6 L发动机是第二代已实施了改良的机型（图9）。这款配装于Jeep Grand Cherokee车的发动机，采用了EGR装置，压缩比由10.2提高到11.3。由于进气侧使用两级VVL机构，按照进气道喷射方式，最高功率可达214 kW，最大扭矩达355 N·m。此外，在2017年初，对该机型加以改造，如采用阿特金森循环、使用高压缩比（12.5）等技术，作为Pacifica混合动力车中的PHEV车型用发动机。

 

3 欧洲汽油机市场

3.1 市场概况

由于受2008年美国金融危机及2010年欧洲债务危机的影响，欧洲汽车销售量有所减少，但从2014年起，汽车销售情况已出现缓慢恢复的趋势。

欧洲汽车市场正在倡导基于直喷增压发动机“缩缸强化”的技术潮流，而在直喷与增压机型中，利用48 V的混合动力与电动涡轮增压器的完美结合，可有效推进燃油耗的改善。

表3 2016年欧洲新型汽油机一览

 

3.2 各汽车生产商动态

2016年上市销售或发布的汽油机，均为涡轮增压直喷发动机（表3）。其中Volkswagen汽车公司于2015年发布的EA888 Gen.3B型汽油机以改善高负荷区域的燃油耗为目的，排量适中，按照模块化进行制造。

（1）Volkswagen公司

Volkswagen公司在2016年4月37次维也纳国际发动机研讨会上发布1.5 L 4缸EA211型双涡轮增压（TSI）evo汽油机（图10），相比原汽油机增加了0.1 L排量，成为“按照模块化进行制造”的发动机。该发动机由于使用了可变截面涡轮增压器，燃油喷射压力可达35 MPa，并采用了米勒循环、等离子体喷镀缸壁技术，机体水冷却停止控制技术，并引进可变参数机油泵、气缸停止系统等技术，相比原机型可改善燃油经济性达10%，有效功率也可达到96 kW。此外，110 kW级发动机也在技术引进的范畴之内。

 

（2）Porsche公司

Porsche汽车公司于2016年3月日内瓦汽车展会上发布的718Boxter车上，配装有两款汽油机，其中一款为新开发的DDP 2.0 L汽油机（图11），这是由原水平对置的6缸NA汽油机实施了缩缸强化后的改型机。另一机型为DDN 2.5 L汽油机（图12）的水平对置4缸直喷涡轮增压汽油机。该款DDN 2.5 L汽油机由于应用于911 Boxter车上，并采用了可变截面涡轮增压器等技术，相比原有的3.4 L水平对置6缸发动机的最大功率提高了26 kW，达到257 kW，最大扭矩增加了60 N·m，达到420 N·m，CO₂排放量是为167 g/km。

 

 

（3）Mercedes-Benz公司

Mercedes-Benz公司于2016年11月发布了V8 4.0 L的M176型（图13）、直列6缸3.0 L的M256型（图14）和直列4缸2.0 L的M264型3款汽油机（图15）。由于这些发动机的缸径统一采用83 mm的尺寸，缸心距统一采用90 mm的尺寸，有效提高了生产效率。V8 4.0 L的M176型汽油机相比原M278型发动机的排量降低了0.7 L，缸心距缩小了16 mm，并实施了缩缸强化。另一方面，由于使用了Camtronic可变气门机构的气缸停止等技术，功率提高达15 kW，并有效改善了燃油耗。从20世纪90年代后半期开始，各汽车生产商将直列6缸发动机置换为总长度更具优势的V型6缸发动机，由此M256型发动机成为直列6缸新型发动机中的少数。该机型采用48 V ISG系统，低速旋转时能够利用电能实现增压，并采用了一体式涡轮增压器等技术，预计其最高功率可达300 kW，最大扭矩可达500 N·m。M264型发动机是采用双涡旋轮增压器与48 V皮带驱动式ISG系统，预计其最高功率可达200 kW。

 

 

 

4 汽油机技术研究发展动向

自2014年，由日本9家汽车制造商与两家研究机构以及赞助单位组成的“车用内燃机技术研究组织（AICE）”已正式投入工作。而且，内阁府综合科学技术创新会议发挥了指导功能，为实现科学技术创新而设置了“国家战略级创新及创新设计（SIP）”。作为该计划的10大课题之一的“燃烧技术革新”计划也已开始实施^[2]。本计划的实质是旨在将目前的量产发动机的热效率由40%左右提高到50%，并开始着手建立产业、学校、政府的联合研究体制。具体而言，要按照汽油机、柴油机、控制、降低热损失等4个领域，将参与研究的约80所高校划分为各个研究小组，由担任领导的高校进行管理，并开展研究。而且，将各个研究小组与AICE的各学科协会联合，并支援研究、管理知识的国立科学技术研究开发机构（JST），同时实施进行统一管理的体制。并于2016年6月召开的研讨会上说明了汽油机的相关研究内容的概况。

汽油燃烧研究小组以“实现高效率汽油机的超稀薄燃烧的研究开发”的课题进行了工作汇报，目前的研究成果表明，单缸发动机的指示热效率已经可达45%。控制领域研究小组以“实现革新的燃烧技术的模型试验与控制”的课题进行了工作汇报，并以此开展了最尖端计测技术的开发，以及进行排放颗粒物（PM）计算的初步研究成果。降低损失研究小组则以“排气能的有效利用与机械摩擦损失的降低”的课题进行了工作汇报，针对发动机活塞表面的超低摩擦化而开展了研究。此外，控制领域研究小组与汽油燃烧研究小组联合开发了汽车发动机的三维燃烧分析软件“HINOCA”，并对此进行了介绍。本软件由于可分析进气、燃油喷射、混合气形成、电火花点火、火焰传播、热损失、排气等领域，涵盖了4行程发动机的燃烧循环等一系列现象，可大幅度缩短并深入地进行燃烧分析。此外，企业在产品研发中，能将研究成果有效应用于开发中，对于工业、学校双方而言都是充满吸引力的，今后仍将继续引进最前沿的技术，开展软件技术，以便能够使研发进程得以高速发展。

汽车市场按动力传动系统进行分类，可包括有混合动力车、插电式混合动力车等车型。延伸电动车续航里程目前可谓一大研究热点，电动车的比例将越来越高。为降低CO₂排放，期待相关研究成果可尽早转化。