马自达:用发动机挑战效率的极限

发布时间:2014-11-25 来源:日经制造

马自达进一步加大了高效率发动机的开发力度。该公司2010年发布了汽油发动机“SKYACTIV-G”和柴油发动机“SKYACTIV-D”两款高效率发动机。前者实现了全球第一的高压缩比14,后者实现了全球第一的低压缩比14,均颠覆了以往的常识,令世人为之震惊。该公司之后也没有放慢提高发动机效率的步伐。马自达传动系统开发本部传动系统技术开发部主管田中伸彦将出席《日经制造》与中部产业联盟联合举办的研讨会“日本七大厂商讲述汽车产业的方向2015─Accelerate the Future!─”〔2014年11月27日(周四)、28日(周五)〕,记者就高效率发动机的开发目标在会议前采访了田中。
  ——目前全球有很多汽车厂商都在大力开发高效率发动机。其中“SKYACTIV”这个词的知名度尤其高,现在越来越多的普通人也知道“马自达就是高效率发动机的代名词”了。那么,马自达是如何给发动机定位的?
  田中:2007年3月本公司发表了《Zoom-Zoom可持续宣言》。也就是“让所有的顾客都体验到驾驶乐趣并实现出色的安全和环保性能”。将来混合动力车(HEV)和纯电动汽车(EV)等电动车辆将会普及。而作为马自达,首先将改良汽车的基础技术,包括高效率发动机、变速箱及车体的轻量化等。
  作为动力源,很多汽车厂商瞄准了HEV和EV,而本公司选择了发动机,来实现我们的理想。发动机的燃料热能损失有大概约7成。如果能改善这一点,对低燃耗的贡献将非常大。还有一个优点是,发动机的效率越高,越能减小用于低燃耗的电气设备的尺寸。
  与大厂商相比,马自达的公司规模并不算大,所以没有能力每一个方面都兼顾到,因此专注于自己重视的技术和车型,在全球展开销售的方法比较适合我们。HEV和EV整体来说还只是以部分发达国家为中心销售,从全球来看,绝大多数的国家和地区都还采用汽油及柴油作为燃料。这样来看的话,致力于高效率发动机的开发可以说是个正确的判断。而且,HEV和插电式混合动力车(PHEV)也使用发动机,发动机的高效率化一样很重要。
  ——确实,目前发动机仍然是汽车的主要动力源。贵公司通过开发高效率发动机,推出了燃效不逊色于HEV的汽车。但在汽车行业,电动化浪潮正迅速逼近,这是不争的事实。发动机的主流地位能保持到什么时候呢?
  田中:我认为,发动机在汽车动力传动系统中所占的比例到2020年约为9成,到2030年也仍然会是大多数。今后15年内,发动机应该会继续保持汽车动力源的主力地位。因此,提高发动机效率的意义非常重大。
  不过,本公司并没有只开发高效率发动机。同时还在阶段性地开发电气机构。目前,本公司的怠速停止机构“i-stop”和减速能量再生系统“i-ELOOP”已经实用化。
  ——汽车发动机是拥有100多年历史的“超成熟技术”。而且,汽车厂商一直在针对低燃耗进行开发。那么,为何现在技术水平一下子提高到了被称为高效率发动机的水平?
  田中:有三个理由。第一是机电一体化的进步。通过积极采用以机电一体化为主体的电气设备,实现了低燃耗。例如,在使气门机构的动作实现可变的基础上,进行精细的控制,能执行对燃效有利的动作。
  第二是计算机的进步。可以瞬间预测驾驶员的意图,进行高速运算后向电气设备发出指令。第三是CAE的进步。以前必须反复进行测试,而现在可以在计算机上进行缜密的模拟。融合这些技术,就能够更加精细地控制发动机,这是最近发动机效率大幅提高的原因。
  以汽油发动机为例,过高地提高压缩比的话,容易发生爆震(异常燃烧)。但另一方面,压缩比越高,效率就会越高。因此,要在尽量提高压缩比的同时,利用上述三项取得进步的技术来避免爆震。为此,要利用电气设备精细地控制气门机构的动作和燃料喷射的时机等,同时还不能让驾驶员感到异样。完成这种控制的速度大约2~3年会提高一倍。
  ——控制速度提高后,从技术上来说跟以前有什么不同吗?
  田中:计算机的进步,让运算速度得以提高,因此可以在驾驶汽车的过程中实时控制发动机。例如,通过水温判断是否会引起爆震时,以前是利用实际测试结果绘制图形,然后根据图形控制发动机。而现在是边测量水温边获取燃烧波形数据,从而掌握混合气体(燃料和空气)的燃烧状态。由此来削减从实施控制到发生爆震之间的余量,通过尽量削减余量来实现低燃耗控制。目前正在开发边预测驾驶员的下一个动作边进行控制,从而进一步降低燃耗的技术。
  ——今后,发动机的开发能达到什么程度?是否有目标?
  田中:作为开发发动机的技术人员,当然想努力达到最大限度。日本汽车工程学会汽油发动机部门委员会提出了汽油发动机的长期(10年)目标,就是将效率(净热效率)提高到45%。目前的高效率发动机的效率一般都是能不能从30%提高到40%的水平。日本汽车工程协会的目标是今后10年将其提高5个百分点以上。
  发动机效率还有很大的改善空间。比如使燃料100%燃烧、如何毫无损失地将扭矩传递给轮胎?为了使机械损失、泵吸损失、冷却损失、排气损失最小化,有很多需要考虑的问题。
  要改善的不仅是最高效率。发动机的效率会随着扭矩图(转速和扭矩的关系图)的区域变动。例如,低转速、低扭矩区以及高扭矩区的燃效还有很大的改善空间。目前的主要课题之一是开发改善这些区域的新技术和更加精细的控制方法。
  ——要想超越汽车行业目前思考的“极限”,实现更高效率的发动机,需要做的依然是继续改善上面提到的三项技术(机电一体化、计算机、CAE)吗?
  田中:光这些还不够。还需要新的材料和部件。
  例如,现在一般是通过发动机的小型化降低燃耗,然后配备涡轮增压器来满足对高扭矩的需求,这种情况越来越多。这类发动机在高扭矩区会比理论空燃比(在混合气体中,燃料完全燃烧时空气与燃料的重量比)稍微多喷射一些燃料。这样的话,燃效当然就会恶化。即使燃效恶化也要多喷射燃料的理由是为了使多余的燃料气化,用来冷却。那为什么必须要冷却呢,因为排气系统的部件无法耐受高温。如果能使用耐高温的材料和部件,就可以改善高扭矩区的燃效了。
  控制温度对减少机械损失也有重要的意义。例如,润滑油的温度越高,粘性越低,所以高温可以降低滑动阻力。但此时存在另外一个问题,就是在高温下连续使用的话,润滑油的寿命会缩短。
  构成发动机的部件因材质各异,线性膨胀系数各不相同。所以,温度越高,部件的膨胀差越大。因此,现在是根据驾驶员使用的温度,在线性膨胀系数的差不会造成影响的前提下设计发动机。
  新材料和新部件对今后的高效率发动机开发的影响非常大,如果出现新的材料和部件,技术将进一步得到改善。在研讨会“日本七大厂商讲述汽车产业的方向2015”上,不仅是本公司,所有的汽车厂商都打算谈一谈开发高效率发动机时“遇到了哪些问题,想要什么样的材料和部件”等。如果能对发掘今后的技术开发课题起到参考作用,将不胜荣幸。