【日】 大聖泰弘

0 前言

汽車(chē)是現(xiàn)代生活中不可缺少的交通工具，與其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，除整車(chē)制造外，還包括毛坯、材料、零部件、燃料等多個(gè)行業(yè)，其涵蓋范圍極廣。但另一方面，汽車(chē)也已成為交通擁堵、大氣污染的誘因之一，不僅消耗大量燃油，引發(fā)石油危機(jī)，而且推動(dòng)了全球氣候變暖的進(jìn)程。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的年度報(bào)告《World Energy Outlook 2010》的統(tǒng)計(jì)，目前有60%的石油被用作汽車(chē)燃料，而在全球二氧化碳（CO2）排放總量中，以汽車(chē)為主的運(yùn)輸行業(yè)占了23%。隨著新興國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和交通工具機(jī)動(dòng)化的發(fā)展，以現(xiàn)有的對(duì)策來(lái)看，與2008年相比，2030年對(duì)一次能源的需求量將會(huì)增加約40%[1]。

在這一背景下，近十幾年來(lái)，控制汽車(chē)排放的技術(shù)得到了較大發(fā)展[2，3]。與此同時(shí)，以大幅節(jié)約能源和利用新能源為目的，混合動(dòng)力車(chē)、電動(dòng)車(chē)及燃料電池車(chē)等所謂的“新一代汽車(chē)”開(kāi)始受到關(guān)注。但是，對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，凈化廢氣和改善燃油經(jīng)濟(jì)性仍然是最重要的課題，即使是應(yīng)用混合動(dòng)力系統(tǒng)，也需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身的效率。

本文介紹了今后10～20年內(nèi)將繼續(xù)占據(jù)原動(dòng)機(jī)領(lǐng)域主導(dǎo)地位的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，內(nèi)容涉及提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、廢氣凈化，以及提高效率等相關(guān)技術(shù)。

1 汽油機(jī)

1.1 降低排放技術(shù)的精細(xì)化

汽油車(chē)已經(jīng)普遍采用了降低排放的系統(tǒng)（圖1）。以理論空燃比燃燒為前提，通過(guò)將進(jìn)一步精細(xì)化的電控燃油噴射系統(tǒng)與三效催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相結(jié)合，使同時(shí)降低氮氧化物（NOx）、碳?xì)浠衔铮℉C）和一氧化碳（CO）排放的技術(shù)獲得了較大進(jìn)展[3]。隨著排放法規(guī)的強(qiáng)化，目前的技術(shù)研發(fā)已開(kāi)始注重降低占排氣總量比例較大的冷起動(dòng)至暖機(jī)狀態(tài)期間的廢氣排放。日本政府通過(guò)實(shí)施標(biāo)識(shí)制度和環(huán)保稅制，已取得了一定的成效，NOx和HC排放量達(dá)到規(guī)定值1/4左右的超低排放車(chē)占據(jù)了較大市場(chǎng)份額，這在很大程度上減輕了汽車(chē)對(duì)環(huán)境的影響。同樣，在美國(guó)，以及歐盟各國(guó)也能看到這種發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 燃油耗法規(guī)強(qiáng)化及相關(guān)改進(jìn)技術(shù)

1.2.1 備國(guó)燃油耗法規(guī)的強(qiáng)化

對(duì)未來(lái)的汽油車(chē)，要求在維持原有低排放特性的基礎(chǔ)上，將改善燃油經(jīng)濟(jì)性列為重要課題。日本由于石油短缺而率先制定了燃油耗相關(guān)法規(guī)，并根據(jù)不同的車(chē)輛質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行了多次強(qiáng)化。2010年度的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)[4]目前已基本達(dá)成，與2004年標(biāo)準(zhǔn)相比改善23.5%的2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)也已被提出[5]。以后，在與汽油進(jìn)行熱量換算的基礎(chǔ)上，柴油車(chē)也將使用同一標(biāo)準(zhǔn)值。目前，已開(kāi)始討論2020年的強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)，考慮到混合動(dòng)力車(chē)的普及，計(jì)劃將整體燃油經(jīng)濟(jì)性比2008年再改善20%以上。今后，預(yù)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的熱效率將從10%上升到20%以上，這已幾乎接近技術(shù)發(fā)展的飽和水平。

歐盟在CO2排放量的基礎(chǔ)上制定了燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。2020年的公司平均燃油耗將從現(xiàn)在的130 g/km降為95 g/km，這是世界上最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。盡管外界都猜測(cè)其早晚會(huì)頒布一些緩和措施，但歐洲交通環(huán)境聯(lián)合會(huì)仍提出在2025年需達(dá)到公司平均燃油耗60 g/km的極高目標(biāo)。

美國(guó)決定在2012-2016年期間，分階段降低42%的CO2排放量，公司平均燃油耗將從現(xiàn)在的27.5 mile/gal①為了符合原著本思，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。上升到35.5 mile/gal（約15 km/L，CO2排放量155 g/km）。進(jìn)而，根據(jù)討論方案，在2017-2025年期間，將使CO2排放量逐年遞減3%～6%，最嚴(yán)格的需降低6%，CO2排放量將降至90 g/km以下。

目前，中國(guó)的汽車(chē)銷(xiāo)售量已居世界第一，為降低燃油耗，也在討論采用與發(fā)達(dá)國(guó)家同樣嚴(yán)格的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。

1.2.2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能及改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)

圖3示出了汽油機(jī)、柴油機(jī)和燃料電池系統(tǒng)的熱效率主要特性，圖中也標(biāo)出了將來(lái)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)值。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)機(jī)械損失會(huì)較大，而汽油機(jī)的損失還會(huì)因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流的緣故而進(jìn)一步增加，導(dǎo)致熱效率不可避免地發(fā)生惡化。要改善這種現(xiàn)象，一方面要降低機(jī)械損失，改善低負(fù)荷工況下的燃燒；另一方面，還需針對(duì)要求功率，開(kāi)發(fā)出一種在高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行的變速方法。

具體的技術(shù)對(duì)策如表1所列，包括利用各種可變機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步改進(jìn)包括直接噴射系統(tǒng)在內(nèi)的供油系統(tǒng)控制，提高變速系統(tǒng)效率，通過(guò)采用增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縮缸強(qiáng)化，降低各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)零部件的摩擦及輔機(jī)摩擦損失等發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)。這些技術(shù)同時(shí)也能滿(mǎn)足提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求。

表1 改善汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)

在提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和熱效率方面，雖然基于熱力學(xué)原理，壓縮比越高越好，但卻受到爆燃的限制。為解決這一矛盾，在使用高十六烷值燃料的基礎(chǔ)上，采用燃油直接噴射系統(tǒng)是有效的方法。通過(guò)對(duì)噴油定時(shí)和多次噴射實(shí)施電子控制，使混合氣形成具有更大的自由度，并實(shí)現(xiàn)EGR和可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的組合應(yīng)用。同時(shí)，以發(fā)動(dòng)機(jī)小型化為前提利用增壓系統(tǒng)，并使輕量化特性和匹配性得到改善的應(yīng)用案例也在不斷增加。另外，針對(duì)直接噴射汽油機(jī)，與下文所述柴油機(jī)一樣，開(kāi)始要求限制其顆粒（PM）排放（JC08工況下為5 mg/km），而冷起動(dòng)時(shí)的未蒸發(fā)燃油及燃油噴霧與氣缸壁的沖撞是汽油機(jī)PM排放增加的主要因素，所以必須采取相應(yīng)的對(duì)策加以控制。

稀燃技術(shù)也是改善燃油經(jīng)濟(jì)性的有效手段，可以采用具有高凈化效率的NOx催化還原裝置取代三效催化轉(zhuǎn)化器，為保證其性能，還需采用硫含量低于10×10-6的汽油。但是，要達(dá)到前文所述超低排放水平依然很困難，成本也較高，因此目前只能暫時(shí)放棄這一方法。為了使這種技術(shù)能夠再次得到應(yīng)用，首先要解決的問(wèn)題是普及以利用三效催化轉(zhuǎn)化器為前提的理論空燃比燃燒直接噴射汽油機(jī)。表2對(duì)上述燃燒技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

表2 改善汽油機(jī)部分負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的方法

作為改善部分負(fù)荷工況燃油經(jīng)濟(jì)性的方法，各地區(qū)正在開(kāi)展應(yīng)用直噴技術(shù)和可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)，在高壓縮比條件下實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒的新技術(shù)研究。雖然這是一種值得期待的技術(shù)，但它具有快速燃燒的傾向，并且對(duì)混合氣溫度極為敏感，容易出現(xiàn)循環(huán)波動(dòng)，因而難以控制，目前只限于應(yīng)用在低負(fù)荷、中低速運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，而無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)實(shí)用。相應(yīng)的對(duì)策是通過(guò)形成不均勻混合氣，并利用進(jìn)、排氣門(mén)控制，改變壓縮比，同時(shí)利用殘留廢氣，或是通過(guò)火花點(diǎn)火使部分分層的混合氣燃燒。

2 柴油機(jī)

2.1 排放法規(guī)的強(qiáng)化及相應(yīng)對(duì)策

柴油機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、輸出功率高的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于耐久性要求較高的卡車(chē)和公共汽車(chē)來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)仍將是主要的動(dòng)力裝置。即使作為乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭矩較大，熱效率也比汽油機(jī)高20%～30%，在降低CO2排放方面非常有效。另一方面，由于缸內(nèi)不均勻噴霧燃燒而導(dǎo)致柴油機(jī)的NOx、碳煙和PM排放量較高，同時(shí)卻要求其具有與汽油機(jī)比肩的凈化程度。圖4是日本、美國(guó)，以及歐洲的柴油車(chē)排放法規(guī)動(dòng)向，這被認(rèn)為是最終要達(dá)到的目標(biāo)。日本自2016年以后，在與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，利用試驗(yàn)方法將全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)的NOx排放限值定為0.40 g/（k W·h），將PM排放限值定為0.01 g/（k W·h），為此，需要引人車(chē)載診斷系統(tǒng)和非循環(huán)排放標(biāo)準(zhǔn)。

如圖5所示，為滿(mǎn)足排放法規(guī)要求，柴油車(chē)采取了以下措施：（1）利用EGR及噴油控制降低NOx排放；（2）利用可變機(jī)構(gòu)、多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)及高壓噴油改善性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，并利用柴油顆粒濾清器（DPF）等后處理技術(shù)降低PM排放。在噴油系統(tǒng)中，采用電控柔性多級(jí)高壓噴射的共軌系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。今后，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)縮缸強(qiáng)化的高增壓技術(shù)尚有很大的運(yùn)用空間，而噴油系統(tǒng)的噴油壓力將從現(xiàn)在的200 MPa提高到約300 MPa，這也相應(yīng)對(duì)部件的可靠性和耐久性提出了更高要求。

為大幅減輕NOx和PM后處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，在中低負(fù)荷工況下普遍嘗試通過(guò)多次噴射和EGR實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒。這種技術(shù)雖在汽油機(jī)中已有應(yīng)用先例，但要投人實(shí)際應(yīng)用，還需解決控制技術(shù)方面的難題。

在排氣后處理技術(shù)方面，采用在DPF的基礎(chǔ)上再增加尿素選擇性催化還原（SCR）裝置的方法，或是利用吸附型NOx催化還原裝置，較具代表性的實(shí)例示于圖6。雖然還存在要保證可靠性和耐久性，以及降低控制系統(tǒng)整體成本等問(wèn)題，但是可以預(yù)見(jiàn)，技術(shù)人員最終會(huì)克服這些難題，并將這些復(fù)雜的技術(shù)應(yīng)用于最合適的系統(tǒng)。

在歐盟國(guó)家，通過(guò)增壓和高壓噴油技術(shù)改善性能的柴油車(chē)份額已超過(guò)轎車(chē)總量的50%。而在日本，柴油車(chē)由于排放黑煙及振動(dòng)、噪聲大等問(wèn)題被敬而遠(yuǎn)之，同時(shí)由于柴油車(chē)需要應(yīng)用排放控制技術(shù)，導(dǎo)致成本較高，因此在市場(chǎng)上難覓蹤影。但近來(lái)，日產(chǎn)汽車(chē)公司和三菱汽車(chē)公司分別推出了可滿(mǎn)足日本2009年排放法規(guī)的清潔柴油轎車(chē)。因此，從平衡石油產(chǎn)品和控制CO2排放的觀點(diǎn)出發(fā)，希望能在日本普及推廣柴油車(chē)，關(guān)鍵是要開(kāi)發(fā)出具有高凈化性能的NOx催化還原裝置，同時(shí)降低整個(gè)系統(tǒng)的成本[6]。

2.2 改善重型車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性

日本于2006年，以車(chē)輛總質(zhì)量超過(guò)3.5 t的柴油車(chē)為對(duì)象，制定了要求比2002年平均改善12.2%的2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)[7]。該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)柴油卡車(chē)及公共汽車(chē)進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低CO2排放的要求而制定的。燃油耗的測(cè)定方法以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)計(jì)算所得，按市區(qū)運(yùn)行模式（JE05工況）和城市間運(yùn)行模式（帶縱向梯度的80 km/h等速模式），利用不同車(chē)型的相應(yīng)系數(shù)，加權(quán)平均所得的值即為燃油耗值。由于車(chē)型較多，因此著眼于標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型的相關(guān)技術(shù)規(guī)格改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。要滿(mǎn)足2015年燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須在滿(mǎn)足前文所述2016年排放法規(guī)的前提下進(jìn)行適當(dāng)折中。以此為契機(jī)，歐美地區(qū)也正在探討設(shè)立類(lèi)似的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。

在改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)中，除了利用多級(jí)渦輪增壓技術(shù)外，還有將渦輪排出的廢氣進(jìn)一步膨脹時(shí)的動(dòng)力返回到輸出軸的機(jī)械渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)，以及將該動(dòng)力用于發(fā)電的電控渦輪復(fù)合增壓系統(tǒng)。此外，在利用排氣廢熱方面，有利用朗肯循環(huán)獲得動(dòng)力，以及利用熱電偶發(fā)電等方法，這些方法可使燃油經(jīng)濟(jì)性改善約2%～10%，所以非常適合應(yīng)用于高速行駛的大型車(chē)輛。目前的研究課題是要克服系統(tǒng)體積和質(zhì)量的增加，并在降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。

3 混合動(dòng)力技術(shù)[8，9]

在超越乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自身而大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)中，混合動(dòng)力技術(shù)[9]當(dāng)屬第一?；旌蟿?dòng)力可以有以下幾種方式。

（1）輕度混合動(dòng)力：利用電機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止（怠速停止）和減速時(shí)進(jìn)行再生制動(dòng)，并具有充電功能，燃油經(jīng)濟(jì)性改善率可達(dá)5%～15%。

（2）中度混合動(dòng)力：在輕度混合動(dòng)力的基礎(chǔ)上又增加了動(dòng)力輔助功能（并聯(lián)式）。燃油經(jīng)濟(jì)性改善率可達(dá)到20%～50%。代表性的實(shí)例有本田汽車(chē)公司的Insight和Fit混合動(dòng)力車(chē)，以及日產(chǎn)公司的Fuga混合動(dòng)力車(chē)。

（3）全混合動(dòng)力：這是一種同時(shí)具備電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)，可分為發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電的串聯(lián)式混合動(dòng)力，以及同時(shí)具備串聯(lián)、并聯(lián)2種功能的混合動(dòng)力方式。燃油經(jīng)濟(jì)性改善率可達(dá)50%～100%。串聯(lián)式混合動(dòng)力需要與在一定負(fù)荷及轉(zhuǎn)速下具有高熱效率的發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，代表性的例子有GM公司的Chevrolet Volt車(chē)。串聯(lián)/并聯(lián)式混合動(dòng)力的實(shí)例有豐田汽車(chē)公司的Prius混合動(dòng)力車(chē)。

圖7示出了中度混合動(dòng)力和全混合動(dòng)力的結(jié)構(gòu)示思圖。不論是哪種方式，都應(yīng)盡量避開(kāi)燃油經(jīng)濟(jì)性較差的低負(fù)荷工況，包括發(fā)電功率在內(nèi)，均被控制在中高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，以改善燃油經(jīng)濟(jì)性。另外，利用電機(jī)的動(dòng)力輔助系統(tǒng)不僅可以改善動(dòng)力性能，而且在減速時(shí)，還可將其用作再生制動(dòng)的發(fā)電機(jī)，將其產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在電池中，大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

無(wú)論是哪種混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，在應(yīng)用頻率較高的運(yùn)行范圍內(nèi)都追求進(jìn)一步提高效率。因此，全混合動(dòng)力車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性與同等車(chē)輛相比，最多可改善1倍以上，超過(guò)了同等規(guī)格柴油車(chē)的水平，而要進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，則必須實(shí)現(xiàn)柴油車(chē)的混合動(dòng)力化。但如果在柴油乘用車(chē)上應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致包括排放控制技術(shù)在內(nèi)的系統(tǒng)成本增加過(guò)大，從而難以滿(mǎn)足實(shí)用化的要求。另一方面，為應(yīng)對(duì)今后更嚴(yán)格的CO2排放法規(guī)，歐盟國(guó)家已經(jīng)嘗試在中高級(jí)柴油車(chē)中應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)。

另外，研制了安裝擴(kuò)容電池并可利用外部電源充電的插電式混合動(dòng)力車(chē)，這種混合動(dòng)力車(chē)可以只依靠電機(jī)行駛。這種車(chē)輛不僅利用了電源CO2排放低的特性，而且在利用混合動(dòng)力行駛時(shí)具有充足的續(xù)航里程，有望比純電動(dòng)車(chē)更快得到普及。而目前需研究的是，要根據(jù)日常行駛里程決定安裝電池的數(shù)量，并據(jù)此控制車(chē)輛質(zhì)量的增加和成本的升高[10]。

在日本，各公司都推出了用于區(qū)域性物流交通的并聯(lián)式混合動(dòng)力柴油卡車(chē)和公共汽車(chē)，燃油經(jīng)濟(jì)性可改善20%～30%。不論是哪種混合動(dòng)力車(chē)，目前都在以先進(jìn)國(guó)家為中心的地區(qū)推廣應(yīng)用，而如何利用在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的獲益，以補(bǔ)償因混合動(dòng)力而導(dǎo)致的成本上升，將是今后真正普及該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

4 新燃料、新能源的利用

補(bǔ)充石油短缺的新燃料和新能源的利用，在能源多樣化及防止全球氣候變暖方面也是有效的對(duì)策。作為候補(bǔ)方案，圖8列出了多種選擇，在中長(zhǎng)期選項(xiàng)中包括了電力和氫能源。

可再生燃料包括以生物質(zhì)為原料的生物乙醇和生物柴油。生物乙醇由淀粉、糖或纖維質(zhì)等原料經(jīng)過(guò)各種處理并發(fā)酵制成。生物柴油是將植物油及其廢棄油轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯后的產(chǎn)物。在日本，根據(jù)質(zhì)量保護(hù)法的要求，在用車(chē)燃料中生物柴油的允許混合比例分別是：汽油中允許混合體積分?jǐn)?shù)為3%（E3）的生物乙醇，輕油中允許混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%（B5）的生物柴油，而在不久的將來(lái)，汽油中生物乙醇的混合比例或許將允許達(dá)到10%。最近還提出可將各種生物資源氣化，并利用賈-托合成法將其合成為與石油特性類(lèi)似的生物制油。無(wú)論是哪種燃料，都是以液體燃料的形式與傳統(tǒng)燃料混合使用，只需在材質(zhì)等方面對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行較小的改動(dòng)，對(duì)性能和排放幾乎沒(méi)有不良影響。

另外，為避免生物燃料的使用加劇糧食危機(jī)，根據(jù)2013年以后的后京都議定書(shū)的宗旨，應(yīng)正確評(píng)價(jià)從土地利用到制造、運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中降低CO2排放的效果，在此基礎(chǔ)上，日本也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。無(wú)論如何，日本國(guó)內(nèi)的生物質(zhì)資源并不豐富，不能無(wú)限制地進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因而，期待能通過(guò)開(kāi)發(fā)新的生物燃料制造方法對(duì)汽車(chē)行業(yè)作出貢獻(xiàn)。

5 車(chē)輛的輕量化技術(shù)

減輕車(chē)輛質(zhì)量也是一項(xiàng)改善性能和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段。將車(chē)輛在市區(qū)行駛時(shí)因加速阻力、輪胎滾動(dòng)阻力和空氣阻力而消耗的能量與標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型相比，加速阻力所消耗的能量占整體的50%。根據(jù)這一點(diǎn)可以看出，輕量化對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性非常有效，對(duì)混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)將是極為有效的技術(shù)措施。如圖9所示，通過(guò)減輕車(chē)輛質(zhì)量，不僅能改善車(chē)輛的行駛性能，還能減輕動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)減輕廢氣凈化的負(fù)擔(dān)，以此形成良好的循環(huán)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，全球16家主要鋼鐵制造商從2008年起共同設(shè)立了1個(gè)名為“World AutoSteel”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是研發(fā)出強(qiáng)度比傳統(tǒng)鋼鐵高出2～4倍的高張力鋼或超高張力鋼，而利用這種新型鋼，可在保證車(chē)輛安全性的同時(shí)，將車(chē)輛質(zhì)量減輕約30%，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性改善20%以上。日本鋼鐵制造商已在這一領(lǐng)域中研發(fā)出先進(jìn)的技術(shù)，并將其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。另外，也在推廣鋁合金等輕金屬，以及包括碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在內(nèi)的塑料材質(zhì)的應(yīng)用。充分利用各種材料的特性，改善成型、加工方法，以及與異種材料的接合方法，降低成本，實(shí)現(xiàn)全球生產(chǎn)，在克服上述難題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)輕量材料的推廣應(yīng)用。

從兼容性的觀點(diǎn)來(lái)看，目前正在尋求一種在輕型車(chē)與重型車(chē)相碰撞時(shí)，能夠?qū)⑤p型車(chē)的損壞程度降至最低的結(jié)構(gòu)。在開(kāi)發(fā)輕量化技術(shù)的同時(shí)，還必須促進(jìn)先進(jìn)安全技術(shù)的研發(fā)。

6 數(shù)值仿真技術(shù)和控制技術(shù)

在開(kāi)發(fā)能滿(mǎn)足今后更嚴(yán)格排放法規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)時(shí)，如果采用以往通過(guò)不斷的試制和試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的方法，會(huì)耗賈大量的時(shí)間和人力，導(dǎo)致成本過(guò)大，并且難以匹配多種機(jī)型。為此，運(yùn)用了靈活的數(shù)值仿真模型。圖10為燃燒的數(shù)值模型示例。在驗(yàn)證各種子模型的基礎(chǔ)上，從了解燃燒現(xiàn)象開(kāi)始，到開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造新的燃燒系統(tǒng)，其應(yīng)用前景令人期待。

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的控制方式是在指示運(yùn)行工況的各種操作系數(shù)特性圖基礎(chǔ)上，選擇各項(xiàng)控制系數(shù)進(jìn)行控制。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求日趨提高，同時(shí)還要滿(mǎn)足排放法規(guī)的要求，其特性圖數(shù)量大量增加，導(dǎo)致包括瞬態(tài)運(yùn)行工況在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)所需的人力和時(shí)間不斷增加。面對(duì)這一問(wèn)題，今后需要在應(yīng)用廣泛的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，靈活應(yīng)用各種控制方法。其中也包含以上述數(shù)值仿真模型為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化模型。采用這種方法，不僅可減少對(duì)各類(lèi)傳感器的依賴(lài)程度，而且能應(yīng)用于各種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，今后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行深人的開(kāi)發(fā)。

7 結(jié)語(yǔ)

在日本、美國(guó)，以及歐洲國(guó)家，汽油車(chē)和柴油車(chē)在滿(mǎn)足21世紀(jì)10年代中期排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，未來(lái)還將進(jìn)一步提高性能，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，并至少在未來(lái)20年內(nèi)，仍占據(jù)交通物流的主導(dǎo)地位。在開(kāi)發(fā)車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，必須在改善和維持燃油特性的前提下，組合并優(yōu)化與燃燒及后處理相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。此時(shí)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品研制情況的數(shù)值仿真技術(shù)是不可或缺的。

目前，已針對(duì)兩輪車(chē)和特殊車(chē)輛，開(kāi)始就試驗(yàn)方法及排放法規(guī)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)進(jìn)行探討，接下來(lái)將討論并推進(jìn)重型車(chē)及乘用車(chē)的相關(guān)工作，旨在減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和人力，降低成本，力求在面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)需求的情況下做到快速響應(yīng)。除發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)外，還要同時(shí)推進(jìn)電動(dòng)化、車(chē)輛輕量化和生物燃料的應(yīng)用等研究工作。通過(guò)應(yīng)用以上技術(shù)，預(yù)計(jì)未來(lái)CO2排放將得到較大改善，其預(yù)測(cè)結(jié)果示于圖11。

本文雖未提到，但在今后的發(fā)展中，還應(yīng)靈活應(yīng)用高速公路交通系統(tǒng)和信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通順暢，提高貨物運(yùn)輸?shù)男?，促進(jìn)公共交通工具的利用，并適當(dāng)?shù)刂匾曡F路運(yùn)輸，改變過(guò)份依賴(lài)于汽車(chē)的商業(yè)習(xí)慣和生活方式。如果綜合推進(jìn)以上各項(xiàng)措施，那么，汽車(chē)領(lǐng)域減少CO2排放的潛力在2030年預(yù)計(jì)可達(dá)到50%，到2050年則可達(dá)到80%左右。為此，必須構(gòu)建產(chǎn)學(xué)政協(xié)作體制，保護(hù)資源，節(jié)約能源，共同設(shè)定減少CO2排放的中長(zhǎng)期目標(biāo)，開(kāi)展研發(fā)工作，并促進(jìn)相關(guān)政策的實(shí)施。汽車(chē)行業(yè)更應(yīng)在關(guān)注國(guó)際市場(chǎng)的同時(shí)，遵循上述技術(shù)戰(zhàn)略展開(kāi)研發(fā)工作。