【汽车与环境】天津大学内燃机燃烧国家重点实验室副主任姚春德:从中国心到十佳发动机评选看中国市场发动机发展趋势

盖世汽车综合 2017-12-09

核心提示:2017年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

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天津大学机械工程学院教授、天津大学内燃机燃烧国家重点实验室副主任 姚春德

首先非常感谢第五届汽车与环境创新论坛的邀请,很荣幸参加这个会议,我的报告跟前面的报告都不一样,因为那些报告都是在预测,2025年发动机应该怎么样?我们来看看今天的发动机达到了什么样的水平,主要分为这样几个方面:

内燃机是主力,这个是毫无疑问的,虽然是电动车,但是发展的速度非常快,可以说是100%的增加,但是从量上还是比较少的,去年中国的电动车50.7万辆,去年汽车产销2800万辆,2016年电动车仅占汽车产销量的1.78%,政府很多资金可以支持。

燃油发动机支撑着我们汽车的市场,内燃机的电气化得到全面的普及,昨天很多专家的报告都说的很清楚。前不久在天津滨海泰达论坛上面有一个领导人说了,“我们中国政府正在研究和制订停止生产停止销售传统内燃机的进程。”这个话说的不是很准确,在2000年的时候我们就停止了汽油式内燃机的生产,现在都是电喷的,包括昨天和今天上午专家都说了,传统的内燃机早就在淘汰,内燃机是一个很有活力的东西,正在不断的用新技术更新完善自己。动力总成的复合化和能源的多样化正在成为趋势。

2002年我们国家的汽车产业在井喷式的发展,2006年以后每4年组织一次活动,本人也是里面的专家之一,这些专家都是来自高校和研究院所,没有企业,这样就没有偏见的看待发动机的发展情况,工信部发布的燃油消耗标准和目标。

怎么来评这个发动机呢?我们采用当今流行的技术,包括缸内直喷、增压、高压缩比等,可变的东西多了,可变正时和可变压缩比,今天上午也有专家介绍,上汽也在做这方面的工作,东风也在做可变压缩比,包括米勒等等,包括自动启停,发动机轻量化、铝合金缸体,润滑合理性、可变水泵等。  

这次一共有19辆车,基本上是涵盖了国内前10名以上的生产企业,我们把这些技术做了一个归纳,第一位是可变正时,国内的车100%都采用可变正时,它是液压驱动的,控制有一个三维自动阀,用电来驱动的,什么时候开?什么时候关?什么时候来运行?这个完全是电控的,内燃机就是机电一体化的。

增压、自动启停、缸内直喷等等,我们在应用的比例上做了一个统计,大家可以看到100%用的是可变正时,增压94.7%,我们知道辛总作为一个节省的企业,这个企业就是做增压器的,增压器的运用也是非常多的。

关于这些发动机的核心技术,我们大概是这么认识的。一个就是可变,大家都知道可变正时这一块,主要就是左上角的,进气门双侧可变,大大扩展了正时的变化范围,使发动机性能得到进一步优化。

增压,今天上午我们也有专家专门讲了增压,增压现在我们要注意到,除了一个废弃涡轮增压,复合增压也在用,一种是机械,奥迪有一个螺旋压缩机,还有一个就是用电动增压,刚刚才兴起来的,这是复合增压,用这种办法来克服增压在加速过程当中,特别是急加速过程当中的现象。

汽油直喷,有将近80%的比例,绝大部分都是增压的,也有个别不增压的,增压、缸内直喷这个大家都很清楚,我们把燃油在气缸里面气化、吸热,用比较高的压缩比来获得我们高的热效率,我们国家的解放牌的,那个时候压缩比7.2,之前侧门制的6.2,现在都是9.5以上,缸内直喷给我们带来很大的好处。

缸内直喷中置喷油器,上汽就是这种,缸盖有4个气门,还要有一个火花塞,上汽还有好几家都做到了,为什么有中置?主要是减少颗粒物的排放,吗到国6A国6B,中置喷有机比较好的,能够把这些问题解决掉。

节能里面有一块现在在车上应用很广泛的,也有将近80%的比例,就是自动启停,6年前工信部在讨论,要不要用?很多企业反对用自动启停的,因为装了这套装置会增加很多的麻烦,现在因为油耗的压力还是要用,国内的企业不管是在这儿生产的是合资的、外资的,大家都一致认为要用自动启停,自动启停确实给我们带来很大的好处。十佳发动机在现场评价的环节,各种各样的车过来以后,每个人都开一个,每辆车要开,自己的体验,自主品牌自动启停做的非常不错,反而一些外资品牌自动启停不如中国做的好。

自动启停这个技术不是简单的把发动机停掉了,它需要做很多的事,一个就是你停的位置要很讲究,正好是在膨胀的下行的位置,发动机要停在这儿,要识别这个,当你一松掉刹车,一踩油门,马上给油,一点火,启动键拨一下马上就可以走,响应非常快。我们的车在高速行驶过程当中,发动机的机温很高,如果让它停下来,热管理,也要动很多的脑筋,热启停看起来很简单的技术,其实很考虑人的智慧,国内国外的企业都可以装车了,这个问题已经解决了。

燃烧方面的改进,高滚流比,缸内直喷的汽油机要用高滚流来实现混合器在点火前的均匀化,提高它的燃烧速率。

阿特金森/米勒循环,上午大家都听到这个报告,米勒循环和阿特金森循环是异曲同工的方式,都是减少压缩比增加膨胀比,在技术的实现上面是相反的,米勒循环是提前关闭,阿特金森是晚关,这两个相差100年的时间,阿特金森发明的特别早,1878年就发明,没有人用它,因为当时的实现非常复杂,今天日系车用阿特金森非常多。米勒循环在强化的发动机,在增压发动机上面米勒用的比较多。

可变的机油泵,已经是落地了,不再是悬在空中的,有些专家说2020年可以用,其实现在都能够用了,不但用可变节油泵,水泵和节油器都可以,传统的一般的发动机过去温度开启都是固定的,现在不需要,开多大完全可以用这个东西来控制的,可变在这个机油泵,还有热管理方面,已经起到非常好的节能效果。

我们也注意到了在这一次参评的发动机里面,有两个发动机平台,4款车都用了双喷射,我们知道双喷射跟缸内直喷也好不一样,把两个喷射系统集中到一个发动机上面,根据复合的改变适时的变化喷射的模式,目标也是为了节能和减少排放。这是丰田公司的D—4ST发动机的双喷油,奥迪也有一些应用。

可变气门升程VVL技术15.8%,难度不是VVP能够比的,一个是有代表性的,就是奥迪的,它是可调级的,它有两个渡轮,渡轮轴可以沿着轴向进行滑动,适时的改变两个渡轮的变化,它也结合了VVT,就是用这样的一个滑道来实现,我们可以看到这上面有一个控制器,它可以导引滑道,这个做法蛮先进的,它也是分级的。

Fiat的MultiAir客观变气门系统,适时改变气门的开启,它完全靠气门管理,这个比较复杂,在国内也可以做,不过是外资公司做的。有一款是做这个的,它是1.4排量的车,在我们的评价里面它的动力很好的,因为1.4升的发动机有好几款,在300米的跑道上可以达到140的速度,这是非常出色的动力性表现。我们特别欣喜地看到VVL这样的公司国内也可以做了,就是国内的长城公司,叫CVVL,长城公司集合他们自己技术人员的智慧,长城公司是自主品牌里面唯一采用VVL这个系统的。从另外一层面我们可以看到,经过10几年的发展,我们国家的汽车自主研发能力,在技术的自主研发能力方面有非常大的提高。

废弃在循环,这次参评的车辆里面也有一定的表现,我们国产的发动机用废弃再循环不太多,担心废弃再循环带来的问题,或者我们这方面积累的经验太少,没有敢用,这都是一些外资品牌用的。

它的好处我们归纳一下:以降低泵气损失,进而改善中低负荷油耗,冷却EGR还兼有中高负荷控制爆震和降低排温的作用。

高压缩比,我们看到的是高压缩比,马自达,在中国市场上是13.5,在它自己本土,或者是欧洲压缩比超过14,内燃机原理我们知道,我们看到了这款发动机在高压缩比上面,因为一旦用了高压缩比以后会遇到很大的问题,就是爆震,爆震是非常难以逾越的障碍,马自达做的比较好,马自达公司开发高压缩比发动机的时候用两个技术上的特点,首先就是活塞上面抠了一个坑,发动机的排气管特别复杂,我们现在越来越多的发动机,绝大部分的发动机,都是把排气管埋到缸盖里面,我们叫集成排气管的缸杠,马自达有一个非常长的排气管,为什么要这样呢?跟高压缩比非常分不开的,这是值得技术人员关注的特点。

一旦爆震以后,包括现在小型机强化以后带来的爆震,会把活塞弄坏,而且在我们小型强化发动机,缸内直喷增压发动机里面,遇到一个很难克服的障碍,我们可以看到右下角这个图,4900的循环的时候记录到两次爆震,1万5千次的时候记录到7次爆震,什么时候来你根本不知道,而且来几次你也不知道,如果你不立刻改动这种条件就可能把火花塞打断,这个问题没有很好的解决。清华大学围绕这个方面做了很多的工作,他们用了一些方式,目前来说这个谜还没有揭开,总有一天我们要把这个认识弄清楚。

我们把这次发动机的特点做了一个归纳,电气化和智能化高度融合的发动机里面,我们大家都没有任何的疑问。

注意到这么一个特点升功率升扭矩的追求正向高可靠性、高NVH性转变,82年的时候从日本引用发动机,那个时候也就是1升,现在已经追到150个千瓦了,现在突然发现太高不一定好,因为影响到舒适性。

中国的自主品牌很多发动机的机体和缸盖都是铝合金的,奥迪和其他的一些机体是用铸铁的。所以合适可能比这个东西更加重要。我们现在说的发动机追求过高的强化和追求过轻的材料,可能要向更合适的排量和更合适的材料上面,我们也看到新技术、新材料、新工艺、新结构,在发动机里面得到很多的体现,因为时间关系不可能都归纳里面。

我们爬坡到立交桥上,减摩人家做的非常好,控制和管理上面,节能的潜力很大的。

平台化的建设取得突出成果,一个发动机配两款车,配的挺好,这是平台化建设,因为发动机的开发成本非常高的,今天很多专家都这么说了。

油电结合的混动对简化对发动机性能要求,给我们很多的启示,发动机是自然吸气的,普通的缸内直喷,用130瓦电机的辅助,都能够很好的满足我们的需要。油电混合的混动,对减化发动机的要求,降低它的复杂性非常的重要。

总体上来说,我们自主品牌在10几年发展历程里面进步非常快,在智能控制、自动启停、变流量机油泵排气管集成进缸盖,铝合金机等方面有长足进步。

和外资品牌相比在以下方面还存在差距:

双喷射系统应用还是空白;高压缩比发动机尚未开发;多技术综合利用能力需加强;平台化建设运用上面需要进一步努力。

这是汽车运动做的活动,这是10年几办这个活动以来见证了中国自主品牌的发展,2010年评的时候只有一款勉强入围,现在一半以上都是自主品牌,中国汽车的进步非常快,汽车产业从过去的跟跑,现在在很大程度上还是在跟跑,已经有少数的企业可以并跑,跟国外企业差不多,我们上汽徐总他们这边基本上就是并跑,我们期待中国自主品牌的汽车早一天能够领跑。


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