高性能发动机与新型能源担当重任,先别换掉你的发动机

面对日益严格的排放法规,我国汽车行业应坚持两条腿走路:一方面,应不断改进技术,推动汽油发动机和柴油发动机的技术升级,使其更节能、更环保;另一方面,应大力发展混合动力车、纯电动车、燃料电池车、生物燃料汽车等新能源车。两种不同的技术路线将带来竞争,但竞争也将推动这两种技术的共同进步。

随着油价的飙升、能源的紧缺,汽车节能日益受到消费者和政府的关注,而汽车的节能主要依靠发动机。围绕着“节能减排”这一主题,“2008中国汽车发动机高层研讨会”日前在北京召开,国内汽车生产企业、发动机及零部件生产企业、相关机构一起就节能减排热点问题展开探讨。

在这个能源危机的时代,高压之下的人们往往把能源紧张的原罪和希望归于发动机,但是如果发动机会说话,它肯定要说“这不是我一个人的事。”

能源的紧缺、油价的不断上升、环境污染的日益严重使得汽车的节能显得尤为重要。2006年,车用燃油消耗占国内石油消耗总量的27%,其中汽油占全国汽油消耗总量的86.4%,柴油占全国柴油总消耗量的38.5%。我国汽车产品的平均油耗高于欧美发达国家平均水平的9%-16%。今年7月1日,两项与汽车节能环保相关的法规开始实施:其一,根据环境保护部的要求,全面停止仅达到国Ⅱ排放标准的轻型车的销售和注册登记,新车将全部被过渡到国Ⅲ标准;其二,根据国家发改委批准的《汽车燃料油耗量标识》,汽车厂家在汽车出厂时须加贴统一油耗标识。此外,北京市已于今年3月1日率先执行机动车国Ⅳ排放标准。可见,国家政策法规也为汽车的高能耗套上了紧箍。

中国汽车技术研究中心主任顾问张书林:

“不止我的错”

汽车发动机技术升级

发展小型高效车用发动机和轿车柴油发动机

事实证明,条条大道通罗马,提高车辆燃油经济性、解决环保问题并不仅仅在于发动机,而这也是有数据根据的。

汽车节能,发动机先行。“发动机的节能,可以通过先进的发
动机技术提高汽油发动机和柴油发动机的工作效率,同时大力发展乘用车用柴油发动机。”中国汽车技术中心主任顾问张书林告诉《中国电子报》记者。

我国汽车耗能不断攀升,2006年,车用燃油消耗占国内石油消耗总量的27%,其中汽油占全国汽油消耗总量的86.4%,柴油占全国柴油总消耗量的38.5%,农用车对柴油的消耗达到11%。随着油耗的不断增加,我国石油对外依赖度加大。2007年,我国石油对外依赖度达到46.2%,石油供应安全面临严峻挑战,2007年,我国成为仅次于美国的石油消费国。

来自中国汽车行业研究的数据表明,商用车和乘用车发动机效率在25%~40%之间,超过60%的燃油效率浪费在各种环节之中。来自中国企业试验数据表示,我国商用车发动机损失燃油能耗60%,随后怠速停车损失10%,附件又损失4%,到达传动系统的能量只占26%左右,之后传动损失5%,等作用于车轮的只剩下21%,此后制动损失7%,真正用于克服空气阻力和滚动阻力分别为3%和11%,而其他的86%统统损失在过程中。

目前国内99%以上的乘用车是汽油车,采用多气门技术,增加可变气门技术的应用,适度采用增压和汽油直喷技术是近期内提高汽油发动机工作效率、实现汽油发动机节能降耗的主要技术途径。据张书林介绍,多气门技术可以提高燃油效率
2%-5%,VVT可提高燃油效率3%-5%,增压可提高燃油效率5%-7%,缸内直接喷射可提高燃油效率10%-20%。

在汽车中,商用车是燃料消耗的主力,约占消耗燃料的70%,不过以轿车为主的乘用车近几年呈现快速增长的趋势。汽车发动机的节能,可以从以下几个方面入手:

同此,我国乘用车发动机的情况与此类似甚至更糟,因为汽车采用的汽油机比商用车采用的柴油机的能效更低。

目前,多气门技术和可变气门技术已经在国内许多汽车车型上得到应用。长城汽车的GW4G15-GDI汽油机,是一款增压直喷发动机,采用了VVT技术,达到欧Ⅴ标准。吉利自主研发的吉利CVVT-JL4G18发动机,采用了全铝缸体缸盖、塑料进气歧管及先进的CVVT技术,从而提高发动机在所有转速范围内的动力性、燃油经济性,降低尾气的排放,具有良好的经济性和动力性。

第一,大力发展小型高效车用发动机(1.0L排量及以下)。由于小型乘用车具有良好的节能减排和经济性效益,替代高排量车型后综合节油效果可达到35%左右,因此应该重点发展小型高效车用发动机。目前我国已经形成了五大小型乘用车生产企业,在国际上具备了较高性价比的相对优势。国内一些企业已经推出了具备升功率50kW以上先进小型乘用车发动机和排放满足国Ⅲ、国Ⅳ标准的较高档次小型乘用车。

自然,解决节能与环保的解决方案也有多种,尽管有些可能比例较小,但总量却实为客观,而实施起来的可行性也非常高。总体而言,共有节流和开源两大方法,具体措施则方法多多且千变万化。

“对于柴油发动机来说,国际上普遍通过改进发动机机内燃烧技术,再加上SCR(选择性催化还原技术)或者‘EGR+DPF’来提高发动机效率。”中国环保产业协会机动车污染防治委员会副秘书长李孟良告诉《中国电子报》记者。

第二,发展轿车用柴油发动机。研究表明,与汽油车相比,柴油车可平均节油30%左右。上海市柴油轿车示范结果显示,与同级别的汽油车相比,柴油车的百公里油耗降低了
35%~42%。不过,柴油机的制造成本高,导致整车价格增加10%以上,高品质柴油也还不能满足市场需求,目前主要的大城市还存在限制柴油车使用的政策,这些制约因素导致了柴油乘用车占汽车总保有量的比重不到1%。

节流

SCR主要是通过往废气中喷射尿素溶液,将废气里的氮氧化物还原,主要应用在重型车上,北京现在大约有4500辆SCR公交柴油车,其他个别城市也在试验这种车辆。“EGR+DPF”采用氧化催化加颗粒捕捉器,将碳粒子吸附到装置中,需要配备再生装置,即使用一定里程后,要通过电加热或喷油燃烧的方法将颗粒捕捉器中的碳粒子烧掉,该方法主要应用于轻型车上。

第三,发展高效汽油发动机。目前国内99%以上的乘用车是汽油车,在可以预计的将来,汽油机仍将是汽车的主要动力。提高汽油机效率是汽车节能最重要、最直接、最现实的措施之一。近期内实现汽油发动机节能降耗的主要技术途径有:全面推广多气门技术,增加可变气门技术的应用,适度采用增压和汽油直喷技术。通过合资生产、技术引进和自主开发,我国目前在推广高效汽油机技术方面已经具备了一定的产业基础,多气门技术和气门可变技术已经开始在国内许多汽车车型上得到应用,汽油机缸内直喷技术在国家科技项目支持下开展了研究工作,部分车型上已经开始应用。

所谓节流,就是在现有技术基础上再次提高这些技术对燃油能效的贡献,或者开发一些新的辅助技术来改善或提高燃油能效,比如说,提高发动机效率、降低怠速、传动过程中的能量损失以及制动过程中的能量回收利用等。

不过,国内柴油机也面临着一些难题。“SCR技术面临的高纯度尿素溶液的生产、质量标准、运输和加注体系等问题尚需时间进行研究和制定相关政策;而燃油质量差又会使DPF的应用受到柴油硫含量的制约。”南京依维柯汽车发动机分公司王林告诉《中国电子报》记者。

第四,大力发展混合动力、天然气发动机及纯电动汽车等新型替代能源汽车。根据动力混合形式和程度的不同,混合动力汽车比同类型汽油车节油10%~40%。我国微混合、轻度混合轿车,串联式、并联式混合动力公交车已经进入或即将进入产业化和商业化阶段。天然气属于低碳燃料,天然气发动机具有明显的环保效益和温室气体减排效果,并具有较高的能源效率。2007年年底,全国16个清洁汽车重点推广城市共发展天然气汽车27万辆,建成天然气加气站555座。纯电动汽车能效高、能量来源广泛,国内一些厂家已经具备了纯电动乘用车的生产能力,目前已经累计出口1200多辆。年产能2万辆纯电动轿车柔性总装生产线和产能3万套的动力总成生产线已在天津建成。

一般而言,提高燃油能效最客观、最直接也最令人憧憬的当然要数提高发动机热效率,改善发动机热效率一直以来也是科学家们努力的主要方向。成果是取得了不少,但是总体而言还是成效不大,迄今为止,发动机的能效损失仍高达60%以上。和世界相比,中国的发动机技术也有不小的差距,尽管我们已经将发动机效率从中国近代最开始拥有自主发动机之际提高了一倍有余。中国内燃机工业协会的发动机专家表示,目前我国提高发动机效率的途径还在于提高内燃机的效率。事实上,其中的方法也不少,例如轿车柴油机研发、柴油机电控策略、降低摩擦力和附件优化、直喷汽油机GDI研发、先进燃烧技术、汽油机增压及小型化、发动机可变控制技术、重型柴油机SCR技术,甚至油品和添加剂技术都是目前我们较为现实可行的解决方案。

新能源车产业化进程加快

南京依维柯汽车有限公司发动机分公司副总经理王林:

对乘用车而言,发动机柴油化不失为一个节能减排的良策。从燃料容积来看,同样整备质量的柴油车平均节油30%,即使考虑到柴油的密度较高,柴油车的能量节约效果也可以达到20%。同时柴油车的二氧化碳排放量可减少20%。大众帕萨特柴油车在上海市的示范表明,与同级别的汽油车相比,柴油车的百公里油耗降低了35%~42%。不过,基于中国目前柴油紧张现状而言,有的咨询专家认为,柴油乘用车虽好但近期不太现实,在他们看来,没有消费者愿意忍受开小车排着3里长的队伍和卡车那样一次最多只能加100元的柴油,而且一等还至少一个小时。但是,这个大的趋势毕竟不可阻挡,适度推广柴油乘用车必将是我国下一阶段的重要节能减排措施之一。如果2010年我国柴油乘用车产量24万辆、保有辆40万辆、占乘用车比例4%的话,我国在2010年有望节省燃油40万吨。

“为不断满足国家节能减排要求,我们应坚持‘两条腿’走路的方针:一方面,要看到传统汽油、柴油汽车节能减排的潜力还很大,应通过发展先进、适用的柴油机和汽油机技术以及其他各类技术,持续提升传统汽车的节能、环保和安全等性能;另一方面,在对传统汽车技术‘做足、做透’文章的同时,应着力推进清洁替代燃料汽车积极、稳妥发展。发展新型能源汽车是应对石油短缺和治理环境污染的需要。”东风汽车公司副总工程师程振彪表示。

商用车推动柴油机市场增长

发动机技术之外,改善变速箱技术以提高传动效率是另外一项重要的节流措施。另外,怠速停机技术和制动能量回收也是十分吸引人的解决方案,而车辆轻质化同样可以带来可观的效果。瞬时油耗仪或换档提醒装置、低滚阻轮胎、轻量化、高效汽车附件等通用节能技术的推广应用也是目前中国急需的技术。

目前,新能源车包括混合动力汽车、燃气汽车、生物燃料汽车、电动汽车、醇醚类燃料汽车、燃料电池汽车。其中混合动力车是产业化进程最快的一个,近日北京的出租车已经开始出现部分奔腾混合动力车。根据混合动力形式和程度的不同,混合动力车比同类型汽油车节油
10%-40%。在国家“863”重大专项的支持下,我国混合动力汽车已经开始在多个城市的客车、出租车上示范运行。

柴油机伴随着汽车行业高速发展而快速增长,2007年,商用车增速加快,其产销量分别达到250.13万辆和249.40万辆,同比增长22.21%和22.25%;而乘用车产销增幅同比增幅分别为21.94%和21.68%,增速放缓。商用车增速首次超过乘用车,在商用车快速增长的驱动下,
2007年,我国柴油机销量达201万台,同比增长31%,多年来首次超过汽油机增速。

以上技术反映到整体解决方案中就是:推广高效汽油机技术、适度发展柴油乘用车、推广小型乘用车、发展高效变速器技术和提高交通效率(比如实行提高道路通行效率的公交优先和智能化交通),稍远一点的就是发展混合动力车技术。

相对于日本及欧美等发达国家和地区,我国在混合动力车等新能源车领域缺乏相应的优惠政策。不过,今年下半年我国将有可能出台购买柴油、混合动力汽车全免购置税的政策以促进新能源汽车消费,这无疑将大大推动混合动力汽车的发展。国内拥有自主品牌的长城、奇瑞等公司也已开始生产混合动力车。

此外,在重卡高速增长的拉动下,6缸以上大功率柴油机爆发性增长,轻型柴油机增速明显低于行业增速,四缸机特别是中低档的小型柴油机受排放、原材料上涨双重挤压,步履维艰。

燃油效率的60%以上浪费在动力传动之前,真正用于克服空气阻力和滚动阻力的分别只占3%和11%,解决燃油经济性和环保性的关键并不仅仅在于发动机,燃油损失的所有环节都可能成为破解问题的通道。

纯电动车具有零排放、低噪声、能量利用率高等显着优点,我国已经具备了较好的纯电动汽车应用基础,国内一些厂家已经具备了纯电动乘用车的生产能力,年产能2万辆纯电动轿车柔性总装生产线和产能3万套的动力总成生产线已经在天津建成。

排放法规越来越严格,传统的柴油机面临着越来越严峻的挑战,技术落后的发动机将难以在国内立足。发动机企业必须不断进行技术创新,不断采用新技术以满足不断出台的新的汽车节能、减排、安全等方面的法规。

开源

发展新型能源汽车,无论是蓄电池式电动汽车,还是燃料电池电动汽车,其动力系统均不再是传统的内燃机。迄今为止,制造这一类动力装置的企业,也不是现今的发动机厂家。“今后如果我国在客货运领域投放一定量电动汽车,那就意味着在汽车消费市场没有大幅度增长的情况下,传统车用发动机行业市场份额必将缩小。但这并非坏事,应该鼓励这样的竞争,唯有如此,才能促进新型能源汽车技术和传统发动机技术的共同进步。”程振彪如是说。

世界跨国集团和公司,利用各种高科技手段在研制发展低排放、超低排放、准零排放、零排放的技术,其中低排放汽油机、柴油机、单一清洁燃料发动机的开发,电动、燃料电池动力和混合动力的研发已经成为世界各大汽车公司、发动机公司的主要研究方向,日益苛刻的排放法规无疑给中国发动机行业带来严峻挑战。

常规能源枯竭时代不可避免,传统的汽车技术终究会走到尽头。

与国外先进技术的柴油机相比,我国轻型柴油机技术相对落后。随着国III排放法规的实施,各柴油机厂正在进行欧III项目开发,一些柴油机厂家开始推出电控喷射柴油机来满足排放法规的要求。

远瞻的汽车企业无不将目光盯在未来的汽车动力解决方案上面,于是就出现了多种技术路线,而他们也将汽车动力结束的解决方案的目标扩大到预防大气污染、能源多样化和应对全球变暖的CO2减排上面。

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