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【汽车与环境】上汽集团乘用车技术中心总监徐政:乘用车动力技术发展

2018-12-10 10:00:55 盖世汽车综合
核心提示:2018年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

2018年12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。以下是上汽集团乘用车技术中心总监徐政在本次论坛上的发言:

2018汽车与环境,乘用车动力技术

上汽集团乘用车技术中心总监 徐政

我今天的题目是乘用车动力技术发展,核心主要还是讲发动机。先介绍动力系统的发展趋势,然后谈发动机的节能减排技术,包括提升热效率技术路线,以及上汽已经基本实现产品化的一些技术,再简介一下48V系统。    

这几年国内外的机构一直有不少对动力系统的预测,范围比较宽广。这是今年3月份的一个比较新的预测,看下来到2030年,纯电动20%左右,中间有一大部分混动,下面是燃油车。    

多元化动力系统和多种技术将在较长时间共存,这句话2016年的论坛就在讲,如今这一趋势更为清晰。长期技术路线应基于完整全面和可持续发展的评估:全生命周期CO2,排放,成本、制造投资、基础设施建设和用户需求。再往后走,尤其是纯电动车量大起来的话,全生命周期碳排放肯定是绕不过的一个话题。    

关于这样一个趋势,国内外主流观点趋于一致。今年国内的主流声音越来越强,包括行业领导、技术专家发声还是比较强烈的。一个是11月份的中国汽车工程学会发布了技术首脑2018闭门峰会的宣言,FISITA主席 赵福全在会议最后一天宣读了这个宣言,我当时也在场,就是“在节能与新能源汽车方面,多种动力源并非竞争关系,而是互为补充的正确认识渐成主流”。付理事长在院士论坛上也专门讲了这个事情,他的从八个方面阐述的客观规律里面,中间一条就是坚持技术路线的多元和发展。在世界内燃机大会上,内燃机学会理事长也发声了,讲的很清楚,“内燃机是目前和今后实现节能减排最具潜力、效果最为明显的产品,而且在相当长一个时期作为主流动力机械的地位不可动摇。与新能源并不是生死较量,更多可能会是竞争合作关系”。国际上AVL List教授的观点也十分类似。   

另外谈一下内燃机两个最大的挑战,一个是污染物排放,另一个是能耗或者是碳排放。从污染物排放的角度来讲,从左边这个表大家可以看到,国三在2007年开始实施,国六现在即将开始实施了,从国三到国六,大家可以看到降幅最小的碳氢排放也是从200降到50,75%的降幅。从国五开始限制PM,国六开始限制颗粒PN排放,最大的挑战实际上是颗粒排放。这个指标以前没有。I型试验限值大幅降低,国六A参照欧六d,国六B实际上参照美国的,所以成为全球最严苛的一个法规。不光是限值的降低,更重要的是测试工况由NEDC过渡到WLTC及2023年的RDE。当用NEDC循环作为排放测试循环工况时,发动机主要运行在MAP左边相对低速和较为低负荷的区域。但是在真实道路驾驶情况下,很多时候尤其是驾驶比较激烈的时候,整个发动机Map的工况都会被使用到,就会带来一个质疑或者挑战,说真实道路上测出来的排放可能大幅高于NEDC循环下的排放。

所以现在国六排放加上RDE以后,就等于把我们发动机或者在整车上的排放限制的非常紧。因为一方面要满足大幅降低的限值要求,另一方面用RDE循环工况的排放公告更加反映真实道路驾驶的情况。从这个角度,当我们真正做到这个标准的时候,整车的排放对于环境的影响会非常低。中长期具有潜力使得交通产生排放对城市排放限值不再相关: “Zero Impact Emission”。 

关于能耗或者是碳排放,这里引用2016年中国汽车报报道的,全生命周期碳排放的一个研究结果。是清华大学赵福全院长和刘宗巍教授的工作。文章比较了传统车、深度混动、200公里续航里程纯电动车、300公里续航里程纯电动车的全生命周期碳排放,假设全生命周期总行驶里程15万公里,包括生产制造阶段和使用阶段的碳排放。研究数据显示在当时,从传统车到混动车,碳排放降幅大概是26%。200公里续航里程纯电车,比混动车低约为1.8%,300公里续航里程纯电车,比混动车高约为9.6%,续航里程越大电池越大,碳排放越高,这也是合理的。

所以当汽油机电动化,用了混动技术后,实际上比纯电动车产生的全生命周期碳排放已经有优势了。文章还给出了2025年(近十年以后)的比较结果,假设了发电效率提高、电池能量密度提升、电力结构改善、煤电厂效率提升等因素,使得纯电动车的碳排放有更大的降幅,200公里续航里程纯电车,比混动车低约为17%,300公里续航里程纯电车,比混动车低约为7%,360公里续航车开始持平。但是现在大家在谈纯电动车,包括新发布的将要投产一批车,续航基本都是400公里以上。而且如果用纯电动车代替所有节能车,那么大部分车续航里程会在400公里以上,因为现在的车至少500、600公里以上。

所以我的观点是,即使从全生命周期碳排放的技术角度来看,也不能说纯电动就应该取代内燃机。这里的内燃机不是说一定要传统内燃机,可以是热效率大幅提升的内燃机,电动化的内燃机,包括混动系统。因为只要电动化的概念大家可以接受,那么内燃机仍然是一个非常重要的动力源,需要我们做很多工作,不断提升热效率,来把这个事情做好。我们这边总是有包容心态的,多元化没有问题。   

回到发动机热效率,这张图也是两年前论坛提到的,发动机热效率提升无非是把五类损耗降低,有七个方面的控制因素来优化,这里不细谈了,这些就是做发动机热效率提升开发要考虑的事情。所有提升效率的技术方案,都是按照这几类分类来做的。

谈一下汽油机热效率提升的技术路线图,以5年为区间一直到2030年。中午圆桌的时候提到了今年李骏院士牵头,和企业、大学一起在做汽油机的中长期规划,我代表上汽也参与了这项工作。他在世界内燃机大会上发布了这个规划。每个单位会有一些自己的想法,但主流的还是比较接近的,这里是我个人的一些观点,跟主流差异也不大。

首先是到2030年,45%的热效率是要做到的,所有的这些技术措施也是针对降低五类损耗来的。当然了,近期都在谈40%,下一代是会出来的。再比如说马自达的创驰蓝天2代发动机,从宣传信息来看热效率高于48%,而且整车油耗非常低。如果光从技术上讲,五阶段油耗也不需要其他路线,光以这样效率的发动机就可以做到。但是由于有双积分政策,我们现在不能再仅仅规划发动机技术路线来满足各阶段法规燃油耗要求,只能说我们发动机有很大的潜力,帮助我们车企满足五阶段的燃油耗,肯定是有这些技术手段来实现的。

下面介绍一下技术路线图里的一些技术方案,这些都是我们上汽在发动机上扎扎实实自己做出来而且上产品的技术。首先最基本的还是要从支持高效燃烧的概念谈起,就是更高的滚流设计,使得燃烧效率更高。除了气道优化设计以外,这里演示的是进气masking设计,使得从进气阀门的排气侧进入缸内的气体流动更强,滚流的强度进一步增加,这里是仿真结果和气道试验台做出来的数据。现在产品上的一些主流燃烧概念,都需要更高滚流来支撑。

这一页介绍Miller循环在发动机上的实现,解释了概念和油耗收益是怎么来的。Miller主要就是节省五类损失的一类。它的收益相当明显,是一个相对来说性价比相当高的技术。当然开发里面也有一些技术挑战,这里不展开,总而言之我们已经做到了。

另外一个就是VVL技术,上汽自主开发了一个VVL系统,以前VVL系统是国际上大牌的几个零部件供应商垄断做的,但是我们是自己做的,包括从设计到仿真到很多零部件的实验。这里面只是演示一下升程切换时一些详细的系统运动学和动作学分析,现在把这个系统做了出来。数据显示在Miller循环发动机中,在中低速和中低负荷,低升程应用能带来1-3%油耗收。虽然Otto循环发动机里,这项收益会更高一些。

另一项大家都在做的技术就是外部冷却EGR,这是未来进一步提升热效率最主要的手段之一。昨天苏院士讲的报告热效率50%、60%,它的EGR已经大于50%了。要支撑那个概念,燃烧系统或者点火系统,跟我们现在传统发动机会有较大变化。但是在通往50%热效率的路上,这一类技术肯定要深入研究。

我们做的还是当前产品应用的系统。原理上,发动机在低负荷区,基本上通过内部EGR减少泵气损失,因为内部EGR可以通过正时优化而获取。但在中高负荷,需要加入外部EGR,降低泵气损失,改善燃烧相位,及燃烧热损失,增加压缩比,来提高燃烧效率。外部EGR还可以在低速全负荷增强抗爆震性能,在高速全负荷减少加浓。台架数据显示了以上收益,包括NEDC循环燃油耗降幅达到约2%。

另一项技术,排气余热回收,丰田在普锐斯车型上有过应用。我们做了一些这方面研究,原理上,至少25%以上能量通过排气直接损失了,要想办法利用回收。如先不考虑其他更复杂的技术,最基本的就是热交换。控制排气通过热交换器,部分热能加热小循环冷却液,可以加快发动机暖机过程,可以降低油耗。对应用了EGR系统的发动机,本身带有热交换器,可以设法共用。我们也申请了一些专利。这是在整车上两个不同的循环工况下做出的结果,数据显示效果还是比较明显的,暖机过程温度提升更快,NEDC、WLTC下油耗和颗粒物排放都有所下降。

另外一个节能永恒的主题,就是降低机械摩擦,大家一直都在做这方面的设计。这里举例表述我们上汽蓝芯动力发动机,处在比较好的摩擦功水平。蓝芯二代上,在减摩方面又进一步做了很多工作,整机机械摩擦降幅20%到30%,带来油耗收益2%到3%。摩擦功分解数据显示,发动机各子系统,都有不同的降幅。

这一页演示主要的发动机减摩技术,可以分系统来看,活塞连杆、曲轴、配气机构、润滑冷却系统、附件包括机油等等,机油供应商也做了很多开发工作,低粘度机油带来的好处也是非常明显的。再往后还有一些技术包括连续可变机油泵、喷涂缸体等,都有好的应用场景。

另一方面要谈的是污染物排放,排放的根源肯定是燃烧,所以燃烧设计优化的开发工作,是降低污染物排放的最为核心的工作。我们做了很多这方面的工作,用仿真手段支持设计,用光学机支持一些硬件的选型。另外一方面就是350bar系统的应用,这个系统能够改善喷油雾化,减小湿壁,提升喷油嘴抗老化结焦能力,从而降低颗粒排放。

这一页比较了发动机颗粒排放的结果。针对国六颗粒排放的要求,蓝芯一代的发动机,WLTC循环下部分工况点颗粒排放不理想。通过燃烧系统优化,颗粒排放大幅度改善,但是还是有个别点处在不太理想的区域,加上350bar系统后,这个问题基本上解决。所以我们的发动机现在能够满足WLTC的排放,不带GPF。这是我们整车上的实验数据,加了350bar之后,颗粒排放大幅度降低,从而能够满足国六WLTC下颗粒排放的要求,热销车型搭载1.5T的荣威RX5今年成为中国首款轻型汽油国六车型环保信息公开的车型。

稍微拓展一下,发动机电动化再往前走一步就是48V混动系统,除了高性价比的油耗收益,以及改善排放的潜力外,它的好处有一点可能现在大家没有怎么强调的,但相当重要,就是从整车电气架构角度来讲,它能够支持一些更大功率需求的实现,包括诸如驾驶辅助系统、主动式底盘系统、多驱恒温空调、座椅按摩等,同时在发动机关闭状态下接管空调压缩机的运转。数据显示,P0构型下48V系统油耗收益10%+。国内市场48V应用已有量产车型,且有多款量产计划。而国外市场尤其欧洲市场48V技术更为成熟、应用趋势明显。 

结束语,汽车产业正处在电气化、网联化、智能化、共享化新四化发展大趋势的变革时代,多元化动力系统和多种技术将在较长时期共存这一趋势更为清晰而且,国内外主流观点趋于一致。从全生命周期碳排放考虑来看,也需要有多元化动力系统的有效组合来满足市场多样化的出行需求。而国六排放加上RDE法规的实施,会使得整车的排放对环境的影响会非常低。中长期具有潜力使得交通产生排放对城市排放限值不再相关。

发动机主流产品通过一系列节能减排技术的开发和实施,有望在2030年热效率提升到45%以上。遵循主流发展趋势,上汽乘用车已研发投产了兼顾环保、动力、燃油经济性的蓝芯动力产品。主力1.5T GDI发动机展示了国内领先,国际有竞争力的产品性能水平,搭载技术升级的1.5T发动机的荣威RX5成为国内首款轻型汽油国六车型环保信息公开的车型。

随着发动机技术电气化发展不断深入,各类构型混合动力技术的产品也逐步进行市场渗透,48V微混技术具有较好性价比的节能效果,及潜在的整车电气功能升级的优势,目前市场应用呈现明显增长。

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