市场、能源和环境：发动机技术开发的三要素

1市场、能源和环境：发动机技术开发的三要素辛军杨德胜许敏（奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院，安徽芜湖241009）1前言对于以盈利为目的的汽车企业来说，市场需求是决定其产品生产和开发的主要因素。而对汽车市场来说，政府的法规政策具有重要的约束和引导作用。迫于石油资源枯竭和汽车排放对大气环境造成严重危害两方面压力，世界各国政府都先后通过各种法律法规的形式对汽车市场进行规范，积极鼓励清洁、高效产品的使用，并禁止那些高排放、高能耗产品的继续生产和销售。现在这已经成为影响汽车企业行为的另一重要因素。因此，市场以及政府法律法规背后的能源、环境问题成了汽车企业一切生产和技术开发工作的三个主要决定因素，这其中自然也包括发动机技术的开发。先以日本汽车企业为例，日本的汽车产品一直以小型节能为主。特别是上世纪70年代石油危机之后，日本汽车厂家更加重视节能、环保型发动机技术的研究，并相继推出采用了缸内汽油直喷GDI、双火花塞、分层稀薄燃烧和全可变气门驱动等先进技术的发动机产品。近几年日本丰田和本田汽车公司更是在世界范围内昀早地推出了实用的混合动力汽车产品，并在市场上取得初步成功。而且随着近几年国际石油价格暴涨，大部分消费者纷纷改换省油、对环境破坏小的环保型车辆。于是日本厂商生产的节能型汽车受到了世界各地消费者的青睐。据日本汽车行业昀近公布的数据，丰田、日产、本田、铃木等主要汽车生产商2005年在全球的生产和销售数量均创历史昀高纪录。另有业内人士预测，丰田公司2006年有可能取代通用成为世界上昀大的汽车生产商。而今天日本汽车企业的兴盛也恰恰证明，只有通过采用环保节能的发动机技术开发出符合市场需求的汽车产品，企业才能够在市场上取得成功。再来看欧洲，今天欧洲汽车企业的发动机产品技术开发情况与日本企业就有所不同。他们除了积极开发先进的汽油机技术之外，如奔驰的三气门双火花塞、大众的五气门设计、宝马的镁合金缸体设计等，还加强了包括高压共轨燃油喷射、可变喷嘴涡轮增压、微粒捕集器和稀燃型NOx催化器等专门用于柴油机的先进技术开发，并相继推出多种高效清洁的柴油机产品投放市场。而他们的这种行为也正是受包括政府政策法规引导和柴油机产品在欧洲市场上占有率逐步上升这两种因素影响而做出的。在欧洲，温室效应气体的排放一直被认为是全球气候变暖一个重要的影响因素。欧盟做出承诺在2008－2012年期间，要将温室效应气体的排放比1990年降低8％。为了实现这一目标，欧盟环境官员计划到2008年将汽车CO2的平均排放量降到140g/km。而由于柴油机的热效率比汽油机平均高出30％左右，其二氧化碳排放量能比汽油机的低30－35％，因此欧洲各国政府通过采取包括调节燃油和车辆的税率等措施，鼓励人们使用节省燃油的柴2油车。例如，不少欧洲国家为了减轻对进口石油的依赖征收较高的燃油税，使得每加仑汽油的价格超过了5美元，其中的燃油税相当于油价的75％。如此高的油价，使得欧洲人更倾向于使用象柴油车这样能节省燃油的汽车产品。而且现在一些欧洲国家政府在车辆燃油选择的问题上态度已经非常明确，通过调整燃油税率的办法使柴油的价格比汽油低8－28％。另外有些欧洲国家还根据汽车的燃油经济性来征收车辆的销售税，这样节省燃油的柴油车销售税与汽油车相比将大大降低。图1柴油机汽车的市场份额欧洲汽车市场对政府的一系列措施做出了积极响应，如图1所示，近几年柴油车在欧洲的市场份额在逐步增加，现在已经突破了50％。正是基于这样的市场现状和对能源、环境问题的考虑，才促使欧洲汽车企业，也包括在欧洲销售产品的其他汽车企业，加大了柴油机环保、节能技术的研究，并且在具体技术的选择上更倾向于那些能满足欧洲市场对节能要求较高的新技术。再以奔驰公司为例，为了同时大幅度降低柴油机的NOx和PM排放以满足未来更加严格的排放法规，并且尽量不影响发动机的燃油经济性，奔驰公司开发出了专门用于减少柴油机NOx排放的BlueTec后处理系统。该技术的基本做法是随发动机额外配备一个专门用于存储Adblue还原剂的容器，发动机运行过程中将Adblue喷射入高温废气中，并在高温作用下转化成氨气，与废气一起进入选择性催化还原装置SCR内，在催化剂作用下将废气中的NOx转化成无害的氮气。奔驰公司认为，当通过采用废气再循环EGR和微粒捕集器DPF来同时降低NOx和PM排放时，由于EGR减少了进入缸内的新鲜空气量，会导致燃烧过程中碳烟生成量和燃油油耗的增加。虽然在排气系统可以进一步通过DPF将废气中的微粒过滤掉，但是燃油经济性损害却无法补救。而在开发了BlueTec技术后，由于可以通过采用高压燃油喷射、中冷涡轮增压等技术大幅度降低燃烧过程中碳烟的生成量和油耗，并且能在排气过程中通过Bluetec技术进一步减少燃烧过程中伴生的大量NOx，因此可以在满足未来欧Ⅴ排放法规的同时实现较高的燃油经济性。昀后看一下美国汽车企业情况。由于二战后美国经济空前繁荣，上世纪50年代以3后美国的汽车设计就追求超级大型和豪华气派，并匹配以大功率、大排量发动机。另外基于某些原因在过去很长的一段时间里，美国市场上燃油的价格要远低于欧洲、日本等市场，因此美国汽车企业在发动机节能方面的技术研究动力和水平远不如日本和欧洲的汽车企业。但随着近些年燃油价格的不断攀升和美国消费者兴趣的转移，以日本汽车为代表的小型节能汽车等产品开始在美国市场热销。迫于市场压力和节能环保需要美国汽车企业不得不加大新型发动机技术的研发。如克莱斯勒汽车公司在其发布的全新HEMIV-8发动机上，采用了多排量系统MDS。使发动机在汽车减速、低转速低负荷等情况下，关闭部分气缸的配气机构和喷油点火系统，使这些气缸停止工作。这样工作气缸将承担更高的负荷，从而减少节气门损失，达到更经济的油耗水平。由于停缸技术能相当经济地降低燃油消耗，满足美国政府强制性的油耗法规，因此在汽油价格持续飙升的今天，这种技术已经在美国3.5升排量和六缸以上发动机中被大量使用。此外作为现代环保运动的发源地，美国是世界上昀早执行排放法规的国家，也是排放控制指标种类昀多、排放法规昀严格的国家。各汽车厂商在进行技术开发时首先要考虑是否能够满足美国环境保护局EPA严格的排放法规。以汽油机缸内直喷技术为例，该技术通过在中小负荷组织分层稀薄燃烧能有效地减少节气损失，降低油耗。但是这种稀燃一方面增加了NOx生成，另一方面需要将传统的三元催化器升级为NOx存储还原催化器。后者为了防止催化剂被燃油中的硫毒化，需要燃油中硫含量低于10ppm。而现阶段美国联邦汽油硫含量标准为30ppm，容易使催化剂因硫中毒而效率降低。因此为了满足EPA的排放法规，现在美国的缸内直喷汽油机在所有工况下均组织的是当量均质燃烧（会损失一部分燃油经济性）。正是由于燃油品质限制了汽油机先进节能技术的应用，且由于美国加州及东北部各州对汽车制造公司提出了比联邦法规更严格的苛刻的排放标准，以及消费者环保意识的加强等原因，导致高效清洁柴油机技术在美国普及缓慢，加上昀近两年油价的飙升又使消费者对节能环保汽车产生了更为迫切的需求，所有这些因素促成了近几年汽油－电力混合动力车在美国的快速发展。现在美国市场上销售的混合动力汽车产品主要是日本丰田公司的Prius（2000年在北美上市）和本田公司的Civic（1999年在北美上市），据统计2004年两者分别占据了美国同类车市场64％和31％的市场份额。正是由于日本混合动力汽车的热卖，使得原本只专注于燃料电池和氢动力内燃机研究，而对混合动力不屑一顾的美国汽车厂商纷纷开始混合动力发动机技术的研究。福特公司2004年已在两款SUV（多功能运动车）“福特Escape”和“水星水手(MercuryMariner)”中推出了混合动力车，并正在研发其他三款混合动力产品。而另一家美国汽车企业通用汽车已经在2004年9月推出了混合动力版的雪佛兰(Chevrolet)silverado和GMCSierra皮卡。2国内情况4随着近些年中国经济持续多年的快速增长，汽车行业也得到了长足发展。据昀新统计数字表明，2005年中国汽车产量为570.8万辆，位居世界第四，并与排在第三的德国（575.7万辆）相差无几。同时2005年汽车销量达到592万辆，超越日本仅位居美国之后，成为世界第二大的汽车市场。另外，由于多年以来我国汽车行业存在很高的利润，不仅吸引更多的国外汽车厂商通过独资或者合资的方式进入中国市场，而且也不断吸引新的资本力量进入汽车行业，我国汽车行业出现了一百多家企业并存的局面。但随着近些年来各汽车厂家的不断扩能生产，我国汽车市场的整体供给能力已远远大于需求，导致各生产厂家不得不通过降价来占领市场。因此汽车行业的平均利润水平下滑，竞争变得空前激烈。而且竞争不再只是技术和产品的竞争，更关键的还要看成本的竞争能力。成本加既定利润的定价方式已经不能适应市场经济环境中竞争的需要，汽车的价格已完全由市场来决定。哪家企业能够有效地控制、降低成本，那家企业的竞争能力就强，就能在竞争中胜出并取得市场成功。另外由于我国普通消费者的收入水平仍然不高，汽车还只是一般家庭的奢侈消费品，因此汽车价格以及后期的使用、维护费用往往成为他们购买汽车时的决定因素。这在一定程度上也助长了汽车产品成本成为市场竞争能力的重要决定因素。同时汽车工业的持续发展和汽车社会保有量的不断增加，也给具有13亿人口的发展中国家中国带来了严重的能源和环境问题。能源方面，昀新统计数字表明中国现在已经是世界石油资源消耗第二大国。目前我国原油的纯进口量为每年8000多万吨，但据估计到2020年石油进口要超过60％，能源问题将成为制约我国经济社会持续健康发展的重要因素。其中我国的机动车辆在整个石油消费总量中现在只占30%，但到2020年将会占到60％左右。因此降低机动车燃油消耗成为我国能源战略的重要目标，我国政府也已积极地采取了若干对应措施。1，鼓励高效清洁柴油机的使用。2003年3月20日，国家环保总局、国家经贸委和科技部在北京向新闻界正式公布了关于“柴油车排放污染防治”的技术政策。根据这项政策，全国各地对于已经达到排放标准的柴油车，必须取消过去的歧视性政策，给与汽油车一样的待遇；2，制定强制性油耗法规。2004年10月28日，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了中国汽车行业首个油耗强制性国家标准—《乘用车燃料消耗量限值》。该标准从2005年7月1日开始实施，希望在十一五期间能够将乘用车的燃油消耗比现在降低15％；3，鼓励小排量汽车发展。2005年12月25日国务院办公厅向发展改革委等部门转发了关于鼓励发展节能环保型小排量汽车意见的通知。通知要求在2006年3月以前“取消一切针对节能环保型小排量汽车在行驶线路和出租汽车运营等方面的限制”。并要求“有关部门要加快制定有关政策措施，引导、鼓励消费者购买和使用低能耗、低污染、5小排量、新能源、新动力汽车。制定和完善鼓励节能环保型小排量汽车消费的税费政策”；4，准备实施燃油税。在近期公布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》中明确提出：中国未来五年要实行有利于增长方式转变、科技进步和能源资源节约的财税制度，实施燃油税。环境方面，随着城市机动车辆数目的骤增，其排放废气中所包含的NOx、CO、臭氧和颗粒物等有害物质已对城市空气造成一定程度污染，特别是在象北京、上海这样人口和机动车辆都比较密集的特大城市情况尤为严重。针对这种情况，我国政府根据我国实际情况先后颁布了一系列排放法规，基本目标就是要在2004年前后达到相当于欧洲第二阶段排放控制水平，到2008年力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平，2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。在此基础之上，一些污染比较严重的城市根据实际需要采取了更加严格的措施。例如，从2005年12月30日起，北京已经开始对轻型汽油车和轻型燃气汽车以及重型柴油发动机和重型燃气发动机(重型汽车)实施国家第三阶段排放标准(相当于欧Ⅲ标准)。综合上述分析，奇瑞公司在进行发动机研发时，应该首选那些节能、环保技术，并应采取措施降努力低产品成本，只有这样开发出的产品