注册

徐政:乘用车汽油发动机燃烧和排放技术研讨

信息来源:盖世汽车       发布日期:2016-12-07       分享到:

  我今天演讲题目是“乘用车汽油发动机技术研讨”。我先结合现在汽车产业正在进入的产业大变革的大环境下,介绍汽车动力系统发展的趋势和面临的一些挑战。尤其是传统发动机的节能减排技术来应对这些挑战,包括我们汽油机的颗粒排放的一些技术应对措施。最后讲一下上汽乘用车公司发动机产品和技术。
  

689361629240799725002565547_副本.jpg

上汽集团乘用车公司技术中心总监,国家“千人计划”专家 徐政
  

        汽车这个产业在经历一百年的相对稳定的发展,现在面临产业比较大的变革时期。这些变革在这些年来,行业里一直在讨论,而经过这么多年的研讨,一些基础的研究,还有一代产品的投放,这一两年,尤其今年几大产业趋势日趋明朗,一个是电气化,一个是智能网联车,还有一个是自动驾驶,还有新出行方式。这些产业变革对我们动力系统的发展,产生了非常深刻的影响。尤其是动力系统的电气化。
  结合这个变革,我们谈到动力系统的发展格局。动力系统解决方案,有诸多的驱动因素,从历史的角度来看也是如此,一个是需要满足客户的价值需求,从驾驶的舒适性或是从动力的需求和购买使用的经济性、安全需求方面。另一点需要遵守法律法规、社会的约束,包括环境的持续性,还有安全的因素,也要考虑第三点,要保证企业的利润和发展。
  在目前这种大变革环境下,动力系统实际上受到影响而产生的发展格局是这样的,大家现在达成一个共识,为了满足所有的相关需求,多元化的动力系统和多种技术,将在较长时间共存。刚才魏秘书长也谈到了这样一个明确的观点,从近期到中期较长的时间段内,内燃机为主的节能车,仍然是市场中最为重要的动力系统,当然我们要辅以内燃机的技术升级和替代燃料,电气化,包括启停,48V微混等技术,来满足严苛的油耗排放法规。中期是强混、插电强混、纯电动,电气化在不断增加,尤其在中国市场增长非常高速,预计在2020年以后,成本会具有市场竞争性。那个时候国家新能源的补贴,实际上也是逐步的撤出。从稍微长期的角度来看,燃料电池、氢燃料,预计十年后会有大的突破,实现商业化,成为市场消费者产品。同时氢能相关的生态系统建设也会加速进行。
  我这里放了三个例子,三家不同的国外企业给一个预判,一个是生产大众车型的丰田汽车公司给的一个预测,他们讲短期到中期的时间段,实际上就是我们现在到将近2030年的期间,整个混动,加上插电混动,还有新能源汽车的发展也是比较迅速,即使这样到了2030年,如果从我们国家定义的新能源汽车,插电强混、纯电动,燃料电池的占比也没有超过30%,当然混动是丰田本身自己这家公司发展的特点,所以混动的比例比较高。无论如何,我们可以看到,传统动力,即使在2030年的时候,以各种形式,仍然在这个市场占有重要的份额。
  另一个是高端车型,宝马汽车公司给出的,他们更加激进一些,到2030年的时候,插电混合和强混合比例会上升到40%。另外一家是FEV咨询公司,他们给出的判断是,新能源从插电强混和纯电动的角度,也是没有到40%的份额。同时在混动里面,他们提到了微混这块,尤其以48V为主的动力系统,在混动里占了非常大的比例。结合这些来支撑我们现在对整个动力系统发展格局的判断。
  我们国内10月份发布的节能与新能源汽车技术路线图,也非常清晰的阐述了这样一个发展格局。一个是低碳化、信息化、智能化,这个跟国际的趋势是完全一致的。同时七大技术发展方向里面,节能汽车、纯电动与插电式汽车、燃料电池汽车、三大动力系统相关的发展方向与世界主流趋势一致。从预估图增长的趋势来看,我们在新能源车,包括插电强混合、纯电动这块发展的速度,是超过了世界主流的预判。即使从这个角度,直到2030年,节能汽车仍将是市场的主流产品,这是我们从数据上看到的一个观点。
  讲到节能车,它是我们现在产业机构里面最主要的支柱,我们面临的挑战是什么呢?第一,对节能车,即使是新能源里的插电式混合动力汽车,都面临一个排放法规的挑战,这张图显示实际上中国的排放法规和欧洲的排放法规有密切的关联,之前我们比它滞后了几年,但是新一轮法规的出来,即使是国6A,气态排放限值已经比欧6D更加严了。同时颗粒排放,测试工况,都集成了欧6D的法规,这个排放法规是现在最严的一个排放法规。虽然我们执行的时间比他们晚一些,但是事实上北京和一些其它主要城市,我们预判会提前实行这个法规,其实对我们中国汽车行业,就是中国的整车厂或者主机厂带来一个非常大的挑战。
  另外一个趋势,在过去,法规的实施,时间节点是滞后于欧洲法规的,这个跟我们市场整体的能力,包括我们油品的能力是相吻合的。但是从国6以后,我们的法规已经成为最严的法规,从这个角度讲,未来中国市场的需求,将在全球范围里推动排放问题的解决方案,这些新技术不可能在那儿用之后再拿到中国,而是结合中国的情况来逐步的研发和实施。
  另一个大的挑战也是中国燃油经济性的要求,日趋严苛,快速的跟欧美趋于一致,不光是我们,甚至包括欧洲也是一样的,从第四阶段开始的话,就是从5升油到4升油,再到3.2升,这样的百公里油耗的CAFC要求对传统车挑战巨大。但同时,目前大型车尤其SUV在中国市场销量则快速上升,尤其加大能耗压力
  从产业政策影响的角度,一方面是新能源车的补贴政策,大家可以看到,2017到18年开始下降,到2020年将取消补贴。这也是影响新能源车,从经济性上影响到它。这也是为什么2020年以后新能源车必须具有市场经济性才能推广,而不能完全靠国家的补贴。还有工信部和发改委也是出台了好几次配额和CAFC积分的政策,工信部2016年9月份出台了一个讨论稿,预计2018年正式推出,就是对CAFC积分做出了非常详细的规定,给出了CAFC积分的计算,新能源汽车积分的要求,就是每年新能源车的占比都有要求,新能源汽车的积分也有一个计算方法。通过这些,一方面也加快推广新能源车,可能合资品牌也会加速引进这样的新能源汽车。另一方面从这个表里,也可以看到,至2020年,在CAFC积分的计算中,新能源车的比重是逐年下降。所以在2020年以后,一个是补贴撤出,还有CAFC积分中新能源车权重也下降了。总体的结论就是说,我们会有满足新能源积分和新能源汽车销售压力的矛盾,完全依赖新能源汽车来解决CAFC要求,肯定在这个时间段里是来不及的,需要我们节能技术的提升,包括发动机技术的提升,包括一些混合动力技术在不同车型上混合应用优化。
  这个是发动机效率提升的基本原理,主要讲最原理的东西,为了提升效率,我们要从五个方面的损失来下手。所有发动机技术都是通过四个方面7项控制因素来降低这些损耗。 这个不多讲了。
  就目前主流产品发动机技术,我在这个表上放了40多台,目前全球OEM的小排量的增压发动机,在2.0升以下的。以2009年,福特Boost上市为标志,小排量涡轮增压缸内直喷发动机成为全球整车厂应对油耗排放,同时满足市场需求的主流技术。整车厂均开发投产基于此技术的发动机系列。小排量增压发动机具有高功率,大扭矩特征,与整车匹配的down-speed,down-shift策略使得发动机更多运行在高效率区域,实现油耗降低。近年来,进一步强调跟整车合理匹配,车重功率比等等,从down-sizing演变为right-sizing。这些大家都比较清楚。另外一个趋势是由于混合动力的增加,各个主机厂也开始针对各个混合动力的发动机,这个发动机跟增压发动机有点稍微不同的技术特点。
  我想用这页来汇总一下,我们目前主流的产品发动机技术,以及带来的发动机的热效率的区间,实际上大家可以看到,现在基本上产品发动机里面,热效率最高大概是今年投产的丰田Pirus 4代的40%。从此,一直走到下个十年的技术发展路线,相对比较清晰的,通过一系列技术升级,热效率可以提升达到约50%的情况。
  我之所以谈48V微混这页,是即使以这样的节奏来提升内燃机的效率,我们目前面临着从5升到4升到3.2升的CAFC要求,对传统车仍然挑战巨大,尤其大车的单车限值成为最大制约,这就是为什么电气化成为节能车发展的一个重要的辅助,目前48V微混,成为增长最为迅速的,前景广为认可的混动技术。众多OEM进行产品开发,IHS预测48V会成为混动主要模式.
  因为时间缘故,快速的讲一下,目前我们整车厂面临最大的挑战就是国6排放里的PN颗粒排放,颗粒排放的源泉是燃烧,燃烧没有优化好。颗粒排放来源: 湿壁:活塞顶,气门,缸壁;喷油嘴结焦 ;油气混合不均匀。 增压PFI发动机也会由于喷油量大,导致阀门座圈,缸壁可能产生较高碳烟。
  颗粒排放降低要有系统性考虑,总体解决方案包括裸机颗粒排放降低及排放后处理,包括整车动力总成匹配、燃烧系统优化、喷油器积碳、机油消耗以及标定等多方面的工作。这里面解释了几个例子。我们怎么来设计优化燃烧系统,形成均质油气混合,避免过浓区,最小化湿壁,降低由diffusion flame产生的颗粒排放。通过喷油系统优化,改善雾化,减小湿壁,减少喷油嘴结焦,降低碳烟,颗粒排放。我们也需要针对各运行工况,进行策略优化 优化,包括喷油策略、标定参数优化。
  除了裸机排放以后,还有一个后处理的技术。包括三元催化和GPF的开发,尤其是由于再生策略的需求,GPF开发和标定工作十分复杂。
  最后讲几句,关于我们上汽的产品开发。谈到发动机燃烧开发这块,发动机燃烧及性能开发是核心系统工程,在动力系统朝更高效清洁发展方向的大格局下,更显重要,更具挑战。我们上汽经过多年的努力,建立了较为完整发动机燃烧开发平台,包括系统设计优化、与子系统匹配、开发手段、评审方法等。
  通过这样一个平台,以及我们总体发动机产品研发能力不断提升的基础下,我们开发了蓝芯高效动力,就是从1.0T到2.0T的发动机系列。这里面包含了目前所有的主流发动机技术。搭载在我们上汽目前主要的车型上面,比如名爵锐腾、荣威RX5、荣威360等,都展示了领先的动力性能和燃油经济性这个特色。蓝芯发动机已搭载于荣威、名爵和上汽大通等众多车型(包括插电强混),成为支撑上汽自主品牌高品质竞争产品的最主力机型
  蓝芯发动机展望。根据2010时面临的挑战和小排量涡轮增压的技术趋势 我们开发投产了篮芯动力。而以此为基石,结合我们目前面临的中国四、五阶段CAFC,国6, 欧6 d排放,WLTP, RDE测试工况,电气化,混动等需求,我们结合主流技术路线,开展技术升级,以及全新一代发动机开发。
  结束语:
  电气化、智能网联、自动驾驶、新出行方式等汽车行业发展超大趋势日趋明朗,从而深刻影响动力系统近期、中期和长期的发展格局。
  严苛的国6排放法规和4/5阶段油耗法规,以及CAFC加新能源汽车积分的产业政策,既加速新能源汽车推广,也要求多种节能车技术的提升及组合应用,包括发动机、48V微混、中混、强混,而发动机在可预见的较长时期仍将为乘用车市场最为重要的动力系统。
  发动机将会以目前主流小排量增压技术为基础,持续新技术升级,不断提升热效率。
  颗粒排放是目前节能车及插电强混车面临最大排放挑战,需要有从整车配置、裸机排放到排放后处理的系统性解决方案。
  上汽乘用车通过加强自主创新,掌握先进技术,形成了发动机核心技术研发能力,已投产兼顾环保、动力、燃油经济性的动力总成蓝芯产品,并继续开展技术升级和新一代发动机开发工作。