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如何获评“十佳发动机”?专家评委解码获奖核心技术

2017-12-06盖世汽车

“中国心”2017年度十佳发动机颁奖活动日前在上海落下帷幕,今年荣获十佳发动机称号的分别是来自一汽-大众、一汽-大众奥迪、上汽大众、一汽丰田、广汽丰田、长安马自达、上汽乘用车、上汽通用别克、长城汽车、长安汽车、江淮汽车、吉利汽车共十二家汽车企业的十款发动机,此前盖世汽车已在《2017年度十佳发动机揭晓 获奖关键技术揭秘》(可点击查看)一文中对获奖的发动机牌号及技术参数进行过详细报道。

“中国心”年度十佳发动机与“沃德十佳发动机”以及“国际年度发动机”并列为世界三大发动机评选,分别反映了中国市场、北美市场和欧洲市场上顶尖发动机产品的技术趋势和制造水准,此次获奖的十款发动机代表了当前中国汽车发动机的最高水平和最新技术趋势。这些发动机凭借何种技术性能入选“十佳”?获评“十佳发动机”需具备哪些关键技术和性能指标?对此,"中国心"年度十佳发动机评选专家评审委员会专家评委、天津大学机械工程学院教授、天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任姚春德教授代表专家评审委员会对十佳发动机获奖必备核心技术进行了解码。

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姚春德教授进行十佳发动机技术解码现场

中国早已停止纯燃油发动机生产 内燃机仍是今后主流动力

姚春德表示,当前中国政府正在研究要“停止销售和生产传统燃油发动机”的计划,什么是传统发动机?就是纯燃油发动机。他认为,从学术上来说,中国早就停止了纯燃油发动机的生产,自1990年开始汽车就开始涉足电动化。纯粹的燃油发动机是雷锋时代的发动机,因为启动是人摇的。进入电动时代后,电能就开始介入发动机。国际上70年代就有了混合式的电动技术,在90年代开始电气化。所以发动机的电动化其实早已实施,纯粹的发动机油也有,比如单缸机。而此次得奖的发动机,没有一个是纯粹意义上的传统发动机,都早已电气化了。所以内燃机动力绝对是主力动力,这点毫无疑问。

引领国际电动汽车发展的是中国。2016年中国电动汽车产量为50.7万辆,接近全球产量的50%,全世界有一半电动汽车由中国制造,按2016年汽车产销量2800多万辆计算,电动汽车占比为1.78%,不到2%的电动车能马上就把98%的传统燃油车给推掉?不大可能。所以内燃机是有生命的发动机,而且一直在进步。电气化是内燃机发展的重要方向,电气化目前正在得到全面的普及应用。此次获奖的十佳发动机,是机电液多学科在发动机上全面融合的充分体现。

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此次参评的21款发动机的应用技术包括了直喷、增压、高压缩比、可变气门、新的燃烧方式、自动启停、废气再循环、发动机轻量化、润滑合理性、可变机油泵、可变水泵、减摩等,这些技术在参评发动机里都有不同程度的体现。姚春德指出,特别需要注意的是在润滑的合理性上,润滑油是内燃机里一个不可分割的液体部件,应该结合每家发动机的独特设计向个性化方向发展。

经数据统计,参评车辆采用上述代表性技术比例分别为:双喷射(GDI+PFI)21.1%,自动启停78.9%,缸内直喷GDI 78.9%,增压94.7%,集成排气管47.4%,高压缩比5.3%,智能化机油泵47.4%,可变正时VVT 100%,可变升程VVL 15.8%,智能化水泵-电子节湿器42.1%,减摩技术42.1%,废气再循环EGR 10.5%,轻量化(铝合金机体)42.1%。姚春德表示,在现代发动机中,一定会有电动单元控制,如果只靠机械用链轮拖行不通,什么时候控制和怎么控制,都要靠电气实现。发动机的电气化,在此次参评发动机里得到了充分体现。

可变气门正时VVT技术

应用率:100%

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可变气门正时VVT技术为什么好?因为可以智能改变正时,否则就会按最大扭矩,或者按最大的功率设计气门开启时刻。因为发动机的工作是随着速度和负荷时刻改变的,一个设计点并不能满足全部要求,难免有些地方做的不到位,而可变正时可满足这个要求,这也是当今发动机的一个主流方向。此次参评的发动机100%采用了该技术。

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针对可变正时技术,姚春德特别介绍了Fiat的MultiAir可变气门系统。他表示,机电液一体化的可变气门系统只有这一家。参评车辆里有辆吉普车安装了MultiAir可变气门系统,在直道上行驶,将油门踩到底一直加速,是1.4排量发动机里唯一可达到140公里速度的,动力性和表现都非常出色。根据不同的负荷,可以适时调整气门升程和改变正时。

高滚流比及多工作循环

应用率:42.1%

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有近半的参评发动机采用了高滚流比及多工作循环系统,该系统可以通过提高进气滚流强度来加速宏观的油气混合,并在压缩终了转变为高强湍流,从而加速火焰传播。高速燃烧在抵消稀燃和EGR等带来的燃烧不稳定问题的同时,提高了燃烧效率和热功转换效率。

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此次阿特金森/米勒循环技术在有些发动机上得到很好的体现。据姚春德介绍,阿特金森循环和米勒循环两者有所不同,上汽采用了米勒循环,丰田公司采用了阿特金森循环。阿特金森循环出现于19世纪,由于该系统多了一个连杆,工作起来很复杂,虽然可以实现低压缩比且热效率更先进,但因为很复杂所以没有得到应用。米勒循环与此不同,在1947年才正式得到应用,那时由于高增压发动机已出现,遇到非常难克服的问题,就是机械负荷增加到很大。米勒提出,可以早关进气门,来将有效压缩比减小,从而降低机械负荷。最终得到的效果都一样,通过低压缩比和高膨胀比,来实现高的发动机效率。

汽油直喷(GDI)技术

应用率:78.9%

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汽油直喷目前已成为不可逆转的大趋势,此次有近80%的参评车辆采用了缸内直喷。其好处在于,由于将燃油直接喷到进气管,气化在缸内进行可以降低温度,提升发动机的压缩比,从而提高热效率。该优点已得到业界的广泛认同,这次参评车辆也充分体现了这一点。

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姚春德表示,目前缸内直喷有两种不同的喷射器放置方式,一种是中置,即喷嘴放在中间。这对设计者是一个极大的挑战,因为缸盖面积很小,一个发动机的缸径为70~80mm,上面要放一个直径12.5 mm的火花塞,还要再放一个喷嘴以及四个气门,包括两个排气门和两个进气门,所以对发动机设计者极具挑战性。中置的好处在于排放好,可以大幅度减少有害物质的排放。活塞表面一定要加工,不然容易湿壁,湿壁就容易产生颗粒物和积炭,会结焦,从而恶性循环。中置不存在这个问题,中置是今后的发展方向,和高压喷射相结合,是能解决未来汽油机清洁排放的重要措施。

[GDI+PFI]双喷油系统技术

应用率:21.1%

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[GDI+PFI]双喷油系统技术兼具GDI和PFI两者的优点,可在不同工作条件下切换使用,PFI喷射主要用于冷启动和中小负荷,GDI主要用于中高负荷及要求多次喷射的工况。该双喷系统具有组织燃烧更灵活、控制爆震、抑制冷启动时的碳烟排放等优势,且成本增加不多。目前丰田和奥迪采用了双喷射系统。

增压技术

应用率:94.7%

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此次参评的自主品牌发动机里,不管是否缸内直喷,几乎全部采用了增压技术。姚春德指出,增压+小排量是目前的重要趋势,减轻发动机和整车的重量,排量减少的同时又想保持动力性怎么做?可采用增压技术。

自动启停技术

应用率:78.9%

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姚春德表示,近年来工信部提出节油规划和阶段性油耗计划,自动启停技术由此推出。很多车企对该技术很难接受,因为需要增加很多零部件,控制复杂性提高了很多。但此次有近80%的参评车辆都采用自动启停技术,不少自主品牌采用自动启停技术后,表现十分出色。

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目前各家车企对自动启停技术都非常重视,运用也日益自如。姚春德坦言,自动启停有很大的技术含量,因为停的位置很重要,一定要停到发动机连杆下行的地方,所以要有一套识别系统,如果控制得不好,一松刹车,踩油门不给力,就失败了。此次参评车辆的自动启停表现都非常好。

可变机油泵技术、冷却水泵+电子节温器

应用率:47%、42%

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电控水泵和电控机油泵可以根据发动机工况合理改变其压力或流量,降低附件耗功,提高机械效率,可分别降低整车油耗1%-1.5%。姚春德指出,水泵机和油泵都实现电气化,早已并非是传统意义上的发动机,目前都是电气化的发动机。

高压缩比技术

应用率:5.3%

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针对高压缩比技术,姚春德以此次参评的长安马自达为例进行了说明,他指出,长安马自达用的是创智蓝天的技术,压缩比达到13%。其特点为:一是活塞上有一个坑,二是排气管非常复杂。活塞为什么在爆震发生的时候会被烧毁?甚至能把活塞穿个洞,是什么原因?是由于发生了爆震后,形成了激波,激波汇聚后所导致。怎么避免汇聚?在活塞上凿一个坑就能起很大作用。虽然并不是每个发动机都是这样,但如果形成一个坑,可有效规避激波汇聚造成的影响。

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姚春德指出,目前压缩比和小型化带来的问题是比较大的。据介绍,中石油研究能抗LSPI的润滑油,即合成润滑油,研究做了很长时间。如果爆震发生时间较长,活塞会被弄坏。大量的研究结果表明,爆震发生在低速高负荷的时候,所以叫LS(low speed),低速的时候,PI就是早燃,还没有点火,爆震就发生了。即使改变冷却水的温度、材料或燃料,各种情况都做了,仍然有此情况出现,且完全是随机的。

比如在4995个循环里突然发生两下,到5800多个循环的时候又发生五下,到10000多个循环的时候又发生七下,什么时候发生,不会提前预知,到底怎么发生的?也还没有一个很明确的定论。目前将该问题归结于润滑油,是不是正确的呢?但改用合成润滑油以后,确实是有效果的,所以希望中石油在这方面继续努力,大家联合攻关克服这个问题。

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对于“超级爆震”现象和形成机理,清华大学进行了研究,用快速压缩机观察其中的燃烧过程,发现里面有些热点诱发了爆震。到目前为止该现象的发生机理尚不明确。

废气再循环EGR技术

应用率:10.5%

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姚春德表示,此次评选有一款发动机使用了废气再循环技术。实际上,废气再循环技术在国际上已得到高度关注。如果让一部分废气进入,可以大幅度减少机械损失和泵机损失。希望以后能有更多的车企采用此技术。

本年度参评发动机的特点

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姚春德对此次参评发动机的特点进行汇总,主要有以下几点:

1、电气化、智能化已经高度融入发动机中。现代发动机早已不是传统的燃油发动机,传统的燃油发动机往往用于小电具,农用的部分单缸发动机上也还在用,而当前的汽车发动机早已不是传统的发动机。

2、升功率、升扭矩的过度追求已经开始减弱。目前最高的是大众,达到150的升功率,但现在普遍都是在不到100或100左右。过度追求升功率、升扭矩,对可靠性会带来一定的影响。高NVH的质量是各家车企追求的目标,包括江淮、长城都在此方面做了很多的工作,需要从市场化和用户的角度考虑这个问题。

3、“四新”(新技术、新材料、新结构、新工艺)用得很多。例如中原缸套实际上使用了缸套最典型的技术,如缸内喷涂。现在“四新”没有全部都用上,但也用了不少。

4、减摩技术得到广泛应用。例如有一款发动机在进行评测时,爬坡到立交桥上再下滑,收油门,在此过程中速度在增加,进气门为关闭状态,实际上这个时候是带有制动的,但发动机能让它在下滑过程中还增速,可见减摩技术做得非常好,很省油。

5、平台化建设取得突出成果。有两款发动机配在四款车上,包括一汽丰田、广汽丰田,奥迪、迈腾,开发一台发动机很不容易,投入的人力物力财力都是巨大的,平台化的建设会带来很大的收益。

6、油电混合取得非常好的混动效果。此次参评有款发动机是自然吸气,但配了一个很大的电机,结果油耗很低,这辆车是B级大车,还是非增压发动机。燃油发动机和电机在良好的匹配下,能收到意想不到的效果。非常期待国内自主品牌的发动机能在混动方面有更进一步的发展。

自主品牌与外资品牌的对比

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姚春德将自主品牌与外资品牌进行了对比,自主品牌存在的主要差距如下:

1、双喷射系统应用还是空白。双喷射系统非常不错,丰田和奥迪采用后,在排放控制上,双喷射系统发挥了重要作用。

2、高压缩比发动机还没有开发。目前只有马自达一家在做。

3、多技术的综合利用能力有待提高。长城汽车在CVVL方面取得很大的进展,这是特别值得肯定的。因为VVL加上以后,会增加非常多的控制因素,难度会增加很多,但长城做到了,把无级可变升程自己研发出来了,很不容易。原以为只有宝马能做到,长城现在也做到了,自主品牌确实在这方面付出了很大的努力,在零部件上有了很大的发展。

4、平台化建设运营需要进一步努力。

姚春德感叹,我国十佳发动机评选已开展了十二年,完成了一个轮回,很不简单。2006年第一次评选活动上只有一款发动机是自主品牌,今年有一半是自主品牌。目前在很多方面,自主品牌已经跟上了外资品牌的发展,正在从跟跑到少数并跑,希望有一天,自主品牌也能领跑。

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