l节能环保正成为汽车动力总成的主要课 题
传统内燃机技术作为汽车动力的主要解决方 案.在过去的20年里经历了重要的技术变革和创 新,主要集中在如何提高动力性和满足排放法规方 面.但随着能源安全以及环境问题的日益凸显,汽车 产品满足排放法规已经成为面对国际竞争的最低门 槛,而降低油耗(减少CO:排放,控制全球温室气体 效应),能源多样化已成为目前汽车产品竞争的主要 要素.由于内燃机在短期内仍然会在汽车产品中扮 演重要角色.所以动力总成不可避免地要面对应对 上述三重挑战的压力. 由于石油消耗的速度远远超过了新储量的发现 以及生产能力的增加速度,从而推动了油价的持续 上涨.尽管目前由于受到经济危机的冲击.以及对未 来经济及消费能力的不良预期,油价在短期内出现 了回调,但石油作为稀缺能源,价格必然会不断上 涨,这已成为目前动力总成技术创新的主要驱动力. 国际上对CO:温室气体的减排压力,对动力总成技
2009年第5期
术的发展有着重要意义.汽车产品作为温室气体排 放的重要污染源之一,通过技术创新以降低能源消 耗.减少温室气体排放已追在眉睫.随着世界各地越 来越多的政府的参与,日益严格的CO:排放法规(图 1)及标准的制定与实施已成为不可避免的趋势.
图1全球C02排放法规及中国COz排放法规实施战略
虽然以CO,排放为主要竞争战略的动力总成竞 争态势已经形成.但严格的排放法规仍然是机动车 动力总成参与全球竞争的重要门槛,并始终作为新 一代动力总成产品技术创新的驱动源泉.全球乘用 车排放法规PM和NO.限值见图2和表l所列.
一1一
万方数据
·特约专题· 用汽车公司公布r其向"零进军的"("MARCH
TO
ZERO")未来动力总成战略,这一全球性瞄准长期的 战略目标是开发具有最大能量效益的零排放驱动系 统,以传统动力总成的持续改进作为其近期工作.混 合动力及电动汽车作为其中期发展目标,而将氢动 力燃料电池技术作为其未来产品的终极技术.德国 奔驰公司采取了同样的战略.但将近期工作重点放 在柴油技术的创新方面.持续开发并应用BLUETEC 技术,走柴油,柴油混合动力,电动汽车及燃料电池
图2全球乘用车排放法规PM和NO.限值
的产品技术路线.日本日产汽车公司在其公布的"日 产绿色计划"中,综合了降低CO:排放,降低排气污 染物及保护大气,环境,土壤和水的i方面要求.采 取类似的产品策略,致力于开发,普及低CO:排放 或无CO:排放的电动能源动力系统.
表l全球乘用车排放法规PM和NO,限值g瓜m
标准 US(EPA)94 US(EPA)04 US(EPA)07 US(EPA)09 US(CARB)94 US(CARB)04 US(CARB)07 EUⅡ EUⅢ EUⅣ EUV
CN I
年份
1994 2004 2007 2009 1994 2004 2007 1996 20()o 2000 2009 200l 2004 2007 2010
NO. 0.62 0.37 0.124 0.044 O.62 0.19 0.044 0.9 0.5 O.25 O.2 1.58 0.9 O.5 0.25
PM 0.05 0.05 0.012 0.006 O.05 O.05 0.006 0.1 O.05 0.025 0.005 0.25 O.1 O.05 0.025
CNⅡ CNⅢ CNⅣ
2当前汽车节能环保的重大产品技术
2.1汽油直喷技术 汽油直喷技术(GDI)在第二次世界大战期间就 已应用于奔驰公司的运动型跑车中,但当时受到成 本的限制始终无法得到广泛应用.20世纪90年代. 日本三菱公司成功推出汽油直喷动力总成产品.并 注册了GDI商标.由于受到电子技术和其他系统技 术的限制,该技术只是在近年来才开始应用. 汽油直喷技术的主要优势是可以提高燃油的经 济性并增加功率输出,喷射过程产生的冷却效果以 及均匀的混合,使燃烧效率得到更好的优化.并能够 根据不同的工况采取不同的喷射策略.降低泵气损 失,更加精确地对排放进行有效控制.直喷技术可以 实现空燃比的调节比化学计算(14.7:1)更加稀薄的 状态.甚至可以高达65:1的水平,从而有效降低了 燃油消耗.但由于受到稀薄燃烧点燃技术及污染物 控制技术的限制.以及零部件复杂机构的不利影响, 目前国际上普遍采用均质汽油直喷技术.并发展成 为目前动力总成技术的主流.GDI技术发展趋势及 对燃油经济性的贡献如图4所示.
汽车技术
随着石油资源的消耗与探明储量及产能的不均 衡发展.石油资源已成为限制汽车工业发展的重要 因素之一.我国的石油进口量在2001年已达到了 30%.到2005时的石油依存度已达到了41%.2008 年这一数字已经超过了50%.为摆脱石油资源的桎 梏,近年来.国内外各大汽车生产企业纷纷开展新能 源汽车的产品开发.即除传统的汽油,柴油燃料以 外,氢气,合成油,液化石油气,压缩天然气,甲醇,乙 醇,二甲醚,生物柴油等众多节能,环保型燃料(图 3)日益受到重视.世界各国均根据自身的资源情况, 制定了相应的燃料多样化利用政策.以充分挖掘传 统动力总成技术潜力.应对资源紧缺的局面及节能 环保的要求. 虽然目前汽车的动力总成还依赖于传统的内燃 机技术.但能源与环境的压力,迫使人们考虑更加清 洁的汽车动力,并致力于减少排放污染物,遏止环境 污染以及温室气体效应带来的全球变暖问题.全球 各大汽车制造商纷纷制定了未来汽车产品战略,并 无一例外的将零排放污染作为其终极目标.美国通 一2一
万方数据
·特约专题· 油直喷发动机的起停技术应运而生,并成为未来技 术发展的主流,汽油直喷起停技术原理如图6所示.
图4欧美GDI技术发展趋势以及GDI技术的 燃油经济性优势对比
图6直喷汽油机起停技术
2.2汽油机增压技术 汽油增压技术目前已被广泛使用以改善发动机 性能,尤其是在降低油耗及控制排放方面做出贡献. 增压技术一般分为废气涡轮增压及机械增压两种. 就性价比而言.目前废气涡轮增压技术是降低燃油 消耗的最为有效的方案.采用增压技术,可以降低燃 油消耗3～5%.增压技术通过提高发动机负荷率, 降低排量以及调整轮数比的方式改善燃油消耗率. 增压技术的关键问题是如何解决发动机的瞬时扭矩 响应问题(低端扭矩).尤其在整车起动阶段.废气涡 轮增压与机械增压技术有多种方式,单独使用或进 行技术组合(图5)可增加功率密度,以实现降低油 耗,减少污染的目的.采用增压技术的柴油发动机, 可以达到40 kW/L的升功率:采用汽油直喷增压技 术的发动机(两级增压).可以达到70～75 kW/L的升 功率.增压技术的另外一个优势,是通过提高发动机 的功率密度,降低发动机外形尺寸并减少动力总成 的质量,即能够实现发动机的精益化设计. 2.3发动机起停技术 发动机起停技术主要通过减少发动机怠速时 间.从而降低燃油消耗.对于采用传统内燃机技术的 车辆.可以实现节油5%～lO%,该技术可还与混合 动力技术联合应用.发动机起停技术可以采用发电 机/起动机集成技术.或采用加强起动机方案来实 现.但上述技术方案对电池的要求比较高.而随着电 控系统的成熟以及汽油直喷技术的普及.应用于汽
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2.4发动机可控配气机构 发动机配气机构可控技术.是随发动机转速,负 荷的变化,能够自动改变配气相位及气门升程,以提 高气缸的充气量并选择合适的气门重叠角.使发动 机能在较大的转速范围内获得最大的扭矩和最为经 济的油耗指标的技术.目前可变气门正时与升程技 术已被广泛地应用于汽车发动机产品.可以通过进 气相位,排气相位的独立或联合调节,以及气门升 程,正时及持续期的改变.实现排放,燃油经济性,扭 矩,功率以及怠速稳定性的优化.发动机配气机构 (图7)的可控技术大致可通过柔性控制与凸轮控制 两种手段予以实现.
图7发动机可控配气机构
2.5
Downsizing技术 Downsizing技术的主要功能是降低大尺寸自然
吸气发动机的泵气损失,以提高发动机的使用效率, 并改善主要工况下的负荷转速燃油消耗特性.
一3一
万方数据
·特约专题· Downsizing技术使得机械摩擦损失,燃烧稳定性及降 低泵气损失之间实现了平衡.虽然不同种类的发动 机有所不同.但是Downsizing提供了简洁有效的燃 油经济性解决方案.使其对未来的重要度不断增加. 目前公认的Downsizing主要技术如图8所示.前4 种技术已被广泛应用于动力总成,其中.可变压缩比 技术不是目前的主流,而歇缸技术已被四缸以上发 动机广泛采用.歇缸技术是针对汽油机的低部分负 荷时降耗的有效措施.因为在平均负荷状态下.气缸 中的低充气效率及低温状态对发动机效率不利.歇 缸技术对于发动机在低负荷状态下丁作是一种节省 油耗的有效方案.可以利用一半的气缸T作并使其 处于高负荷的工况以提高发动机效率.但由于歇缸 技术会对运动机构产生不利影响,影响发动机的舒 适性,所以歇缸技术适用于六缸以上的发动机. 日益严格的排放法规要求.同时提高整车的动力性, 经济性和舒适性.电子技术的日新月异,使得发动机 的控制越来越依赖于电子控制技术.并从最初的实 现燃油定量与点火定时(喷油定时).发展成以控制 策略主导的集成控制技术.其主要包括喷油控制,燃 烧闭环控制,EGR及节流阀体控制,增压控制,柴油
入控制,扭矩控制,SCR控制,LNT/SC啪PF模式,原
排放模式,气缸充气模型等lO个方面内容.目前国 内的发动机电控水平还只是处于初级阶段.首先应 重点探索并应用燃烧闭环控制技术.发动机燃烧闭 环控制及采用缸内压力传感器,通过多监测缸压,曲 轴位置等信号,实现对喷射的修整,从而实现对喷射 实施点的有效控制并提高工作效率.奥迪公司已在 2008年在全球率先推出了世界首个具有燃烧闭环 控制的3.0LV6TDI发动机.其次是重点发展发动机 电控嵌入式软件系统.汽车开放系统架构简化了软 件的开发流程,并使ECU软件具有复用性.摆脱了 ECU软件开发严重依赖硬件及系统配置的状态.该 架构更加开放,标准化程度高,利于电子系统软件的 交换与更新.宝马公司已在量产车型上采用了基于 该架构的电控技术.
I!薹l 8典型的Downsizing技术
2.6新一代柴油共轨技术 日益严格的排放法规,不断提高的功率系数以 及降低油耗的要求.迫使柴油机的喷射压力不断增 加,控制方案更加柔性.柴油共轨系统因其上述优 势,为全球的发动机制造商提供了有效的解决方案. 采用现代共轨系统的欧Ⅳ平台柴油机,喷射压力已 达到了140～200 MPa,而要进一步满足更加苛刻的 法规要求(如欧Ⅵ),喷射压力将会达到200 MPa以 上.带有压力放大器的共轨产品目前已投放市场(图 9),其最大特点是具有更好的可变性能,即可以实现 喷射压力,喷射正时及喷射率形态的变化,对高负荷 区进行优化.带有压力放大功能的共轨系统比传统 共轨系统更容易满足不断增加的喷射压力要求.德 国BENZ公司最新研发成功的重型商用车用柴油 机,匹配了带有压力放大功能的共轨系统,喷射压力 达到210 MPa.应用上述系统的柴油机,比较传统共 轨系统,在PM及NOz不变的情况下,油耗降低了
3.5%. 图9带有压/J放大功能的共轨系统cRsN4.2
2.8柴油机后处理技术 自20世纪90年代以来,通过内部及外部的处 理方式,柴油机NO.排放已大量降低,其中EGR作 为内部方式扮演了极为重要的角色.但截止目前. SCR技术已得到了有效的发展,正成为降低NO.排 放的主流技术.C02与NO,排放法规是实施SCR的 重要驱动力.目前欧洲各大商用车制造商纷纷采用 SCR作为其主要的排放技术策略以满足欧V排放 标准.对于低至1 g,l(W.h的NO,排放目标,可以采 用目前比较成熟的技术集成,如高比例EGR,两级 增压以及更高的喷射压力来联合实现,但SCR技术 能够提供从生产成本到运营成本更加有利的技术选 择(图10),对于小于1 g/l【W.h的NO.排放预期,同 样可以采用基于以SCR为主的技术集成路线.
汽车技术
2·7发动机电子控制技术 发动机电子控制技术的最初驱动因素,是满足
一4一
万方数据
·特约专题· 成为可能,回收制动能量.从技术的角度,混合动力 无疑是汽车生产商应对环境及能源问题的有效选 择,但混合动力技术由于附加成本高.使得其在现有 产品中性价比的排序并不突出.为此其未来的发展 具有不确定性,在技术及经济上都存在风险.但几乎 所有咨询公司都预测.在未来技术链条中,混合动力 将扮演过渡的角色.不能成为真正意义上的技术主
图10 SCR匹配及运营成本分析
流.
2.9多挡自动化变速器技术 根据采埃孚公司预测,到2010年,全球自动变 速器将占到55%的市场份额.随着消费者对舒适性 要求的提高.变速器多挡自动化已成为不可逆转的 潮流.在众多自动变速器品种之中,AMT是一种由 普通齿轮式机械变速器组成的有级式机械自动变速 器,它既具有液力自动变速器自动变速的优点.又保 留了原手动变速器齿轮传动的效率高,成本低,经济 性好,结构简单,易制造的长处.在AT,AMT,CVT 自动变速器中,AMT的性价比最高.DCT是AMT的 一种,但它通常被看作是一种单独的汽车变速器类 型.DCT拥有两个离合器,保证了在动力传递过程 中齿轮之间的转换没有任何停顿,驾驶者几乎感觉 不到换挡时所产生的顿挫感,这使得DCT在油料消 耗方面优于其他变速器(图11).同AMT一样,DCT 基于现有的生产工艺.可以使用AMT的零部件.并 能够在相同的生产线上生产.
3
3.1
图12油电混合动力技术分类及油耗贡献
FAW汽车节能环保技术浅析
FAW新一代乘用车汽油机 2007年7月15日.国内第一款自主研发的汽
3.1.1直喷汽油机技术
油直喷汽油机在中国第一汽集团公司技术中心成功 点火.这标志着中国第一汽车集团公司在汽油直喷 技术方面取得了重大突破.尽管国内发动机研发人 员始终跟踪汽油直喷技术的发展,但由于受到电子 控制技术,燃油喷射技术及复杂零部件机构技术的 限制.汽油直喷技术在国内一直难有作为.随着汽油 直喷均质燃烧技术,排放后处理技术的逐步成熟,电
'图11德国大众的DCT变速器C02排放对比
子及燃油喷射技术的发展.迅速推动了中国第一汽 车集团公司在该领域的研究取得显著的成果.早在 2004年,中国第一汽车集团公司技术中心就开始了 在汽油直喷领域的探索.并在随后承担了国家863 重大专项课题的研究.利用技术中心强大雄厚的基 础研究实力.搭建了自主汽油直喷燃烧分析平台(图 13),有效保障了汽油直喷燃烧系统的开发成功,同 时利用在电控系统方面的开发经验.完成了该领域 技术平台的建设.目前中国第一汽车集团公司自主 开发的汽油机产品平台,基本全部采用了缸内直喷 与气道喷射共用缸盖结构技术. 3.1.2汽油机怠速停机技术. 由于起停技术在机动车怠速时对油耗及排放的
2.10油电混合动力技术 自1997年丰田推出了全球第一款量产混合动 力汽车以来.混合动力技术显示了比汽油机更加卓 越的油耗及排放指标.集成了内燃机,电机,发电机 等技术的混合动力技术.已成为目前世界各大汽车 生产企业的首选方案之一.油电混合动力技术大致 分为微混,中混及强混3个类型,由于其采用的技术 配置不同,对燃油经济性及排放的贡献也有所区别 (图12).混合动力技术有效地避免了发动机在非经 济区运行,同时可以采用起/停技术,消除怠速油耗. 主动发电能够有效提高发动机负载,电机助力弥补 发动机峰值扭矩的不足,混合动力技术使再生制动
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一5一
万方数据
·特约专题. 贡献(节油5%左右),因而采用该技术的产品(Vitz
Toyota
2001年在欧洲销售)也越来越受到用户的青
睐.同其它汽车研发机构一样,在汽油直喷技术成熟 之前.中国第一汽车集团公司采用BSG及加强起动 机技术方案实现起停功能.随着汽油直喷技术平台 的搭建.中国第一汽车集团公司正在通过汽油直喷 电控系统的控制结合反转压缩技术实现起停功能 (图14).该技术可以有效降低起停工况下的噪声与
图13汽油直喷燃烧系统
振动.同时实现快速起停功能,并能够实现任意情况 满足起停的需求.
图14怠速起停控制策略
3.1.3汽油机Downsizing 欧洲及亚洲汽车基本上采用4缸发动机(欧洲 75%,亚洲大于80%).中国第一汽车集团公司针对 目前市场需求,搭建了自主发动机两大平台.排量覆 盖1.1,1.3,1.5,1.8及2.0 L,系列机型为CA4GA及
l 200 2 800
4400 3 600 5 200
6(DO 6 800
CA4GB.上述两个平台采用Downsizing技术,采用气 道喷射,汽油直喷共用缸盖结构技术,搭建自然吸气 与增压机型平台.使上述两种机型的功率覆盖范围 更加广泛,功率密度大幅增加.其中1.3 L排量增压 机型的功率水平与1.8—2.0 L排量自然吸气发动机 相当(图15),实现了通用化,平台化的设计理念.降 低了生产投资,减少了能源消耗,降低了燃油消耗并 减少排放污染.采用Downsizing技术的上述两大机 型产品,功率覆盖67～132kW,可以匹配从A级(包 括A00,AOJ及A级)到C级的全系列车型. 中国第一汽车集团公司目前已形成了以RCDS一 反转压缩直接起停技术,CSrP一汽油直喷与气道喷射 共用的燃烧系统技术,DIGT一汽油直喷增压汽油机, CMTP一进气管理技术平台(Ttobocharge/VCT/VVL), Downsizing为主的汽油机技术平台.随着搭载上述技 术的产品不断推向市场.第一汽车集团公司发动机 产品将为国家节能环保工作做出持续贡献. 一6一
3.2
2000
转速/r·min一1 图15采用Downsizing技术的TAl发动机功率曲线
FAW新一代乘用车变速器 虽然受到目前经济危机的影响,中国乘用车市
场增速放缓.但相应产品还在不断攀升.随着不熟练 驾驶员的不断增多和道路情况的复杂,自动变速器 已经成为用户购车时重点考虑因素,因此中国自动 变速器的装车率将逐年增加,而且由于燃油价格的 影响.中国整车OEM趋向选择多挡自动变速器.由 于受到资源及工业基础的限制,国内多挡自动变速 器的发展很不均衡,在一定时期内.自动变速器的来 源仍然以进口和国外厂商本地化生产为主.DCT变 速器由于其产品性能优势.适合国内工业基础,必将 在国内得到迅速推广.其中中国第一汽车集团公司, 上海汽车集团公司选择DCT产品对国内DCT技术 有着极大的推动作用.
汽车技术
万方数据
·特约专题· 中国第一汽车集团公司采片1集成创新的方式. 自主开发变速器本体,控制策略软件,标定技术,通 过与BorgWarner合作.联合开发双离合器和液压模 块,与Conti联合开发TCU和传感器,中国第一汽车 集团公司负责系统集成.开发出具有自主知识产权 的DCT产品.该系列产品包括DTl70C,7FDCT一 350F及7FDCT一350R.具有挡位切换速度快,各挡 速比范嗣宽(可达4.8:0.68),结构简单,紧凑,轴向尺 寸短等产品特征.该系列产品将在201】年推向市 场.以6AT为基础.7FDCT一350R(图16)产品节油 10.3%.6DCT节油7.6%.
200
g
动机,变速器等总成电控系统打下了坚实的基础.由 中国第一汽车集团公司自主开发研制的电控单体泵 集成系统.打破了国外的技术垄断.降低该系统成本 30%以上.匹配FEUPI系统的CA6DE,CA6DF发动 机已批量销售.得到用户的一致好评.目前中国第一 汽车集团公司已掌握自主电控共轨系统的控制及生 产技术.已进入产业化阶段.
3.4
FAW自主开发混合动力技术 中国第一汽车集团公司是国内最早进入混合动
力汽车领域的汽车企业.早在"九五"期间就进行了 新能源汽车的理论研究和研制工作,经过连续3个 5年的积累,已经逐渐形成混合动力客车和轿车整
175
LNA
车平台.由中国第一汽车集团公司自主开发的奔腾
LTc
毛150
詈125
100 75 1 200 2 800 2000 4400 3 600 5 200 6000 6 800
强混合动力轿车.采用发动机起停技术,纯电子驱
LNA LNA
动,实现了能量循环利用.其中增压型发动机只作为 动力源,采用1.3LDownsizing技术,空间利用率提高 了35%.该技术完全由中国第一汽车集团公司自主 开发,获得多项发明专利,其中已有一项专利在美国 获得授权.2008年.中国第一汽车集团公司提供了6 辆奔腾HEV乘用车服务于2008年北京奥运会并作 为示范车,在7月20日至9月20日期间,作为出租 车及奥运官方记者服务车在京运行.该混合动力轿 车理论油耗较2.O L发动机降低4l%.在奥运运行 期间实际油耗节省达26%. 中国第一汽车集团公司集成"环境保护.节约 能源.燃料多样化及未来汽车"四位一体的产品开发
转速/r·min.'
图16采用Downsizing技术的TAI发动机扭矩曲线
图17 3.3
7FDCT一350R变速器组成
理念,打造动力总成自主开发核心技术平台,为响应 国家节能,环保要求.建设节能型小康社会,落实国 家汽车产业振兴规划目标的实现,锐意进取,做出不 懈努力.
参考文献
1 Korthals J P.The Impact of Reducing Carbon Emission Global Automotive Industry.Fahrzeug—und
on
FAW自主发动机电控技术 汽车电子始终是国际汽车行业的核心竞争技
术."十五"前国内不具备具有较强竞争力的汽车电 子技术,不得不受制于人,经过中国第一汽车集团公 司工程技术人员不断的努力.目前已基本掌握汽车 电子控制方面的核心技术.并迅速应用到中国第一 汽车集团公司自主研发的产品上. 汽车电子研究作为中国第一汽车集团公司技术 中心特色开发部门之一,经过多年的努力,已建立起 具有高素质,经验丰富的开发队伍.形成了达到国际 先进水平的V字形产品开发流程.建立了完整的电 控系统开发环境和完整的电控系统HIL认证体系. 中国第一汽车集团公司技术中心早在2003年就开
the
Motorentechnik,
Aachen Kolloquium,2008. 2 Rothenpieler J.Challenge:World-Volkswagen in the Compact Car Segment Fahrzeug-und Motorentechnik,Aachen Kolloqu- ium,2006. 3 LauerS.A New Cylinder Deactivation of FEV and MAHLE.Fa- hrzeug-und Motorentechnik,Aachen Kolloquium,2007.
4李骏.FAW Develop Automatic transmission—DCT.ATZ 5李骏.FAW's Energy and Environment Strategy and Core"re-
ehnology Route.Fahrzeug-und Motorentechnik,Aachen Kollo— quium 2008.
始对汽车嵌入式软件关键技术——应用软件,操作
系统,底层驱动函数进行重点研究并承担了国家 863重大软件专项.形成了中国第一汽车集团公司 汽车电子产品软件技术平台,为下一步深入研发发
