我国中重型车用柴油机自主创新成绩显著

访同济大学汽车学院董尧清教授

发布时间:2010-07-13
分享到

AI:近些年来,我国在中重型柴油机的自主研发上取得了一系列成果,一汽锡柴、玉柴、潍柴等研发的新产品均已达到国外同等排量相当水平。作为柴油机领域的专家,您如何评价目前我国柴油机的研发现状?

董尧清教授:近些年来,我国中重型载货汽车的生产发展十分迅猛,2005年中重型载货汽车销售量达到33.84万辆,同年重型载货汽车的保有量达168.07万辆,中型载货汽车的保有量达236.66万辆。目前,我国中重型载货汽车基本上实现了柴油化。

中重型车用柴油机的排放一直是内燃机排放控制领域的重点。在有些国家和地区,中重型车用柴油机的排放在发动机对环境排放贡献度中要占70%左右。欧洲国家对发动机排放进行了严格限制,并列出了日程表:2005年实施欧Ⅳ法规,2008年实施欧Ⅴ法规,2010年实施欧Ⅵ法规。在我国,虽然中重型柴油机的排放控制技术落后国际先进水平8年左右时间,但是从2004年9月1日起,我国已经开始全面实施相当于欧Ⅱ标准的第二阶段排放限值标准(即国Ⅱ),2007年7月1日全面实施相当于欧Ⅲ的第三阶段限值标准(即国Ⅲ),预计到2011年我国将实施相当于欧Ⅳ的第四阶段排放限值标准(即国Ⅳ)。

为满足已在全国范围内实施的国Ⅲ排放标准,各大柴油机生产企业先后推出能够满足国Ⅲ排放标准的柴油机(见表1),有的还推出了面向国Ⅳ排放标准的柴油机,这些都标志着我国在车用柴油机研发领域取得了巨大的技术进步。可以说,中重型车用柴油机走自主开发道路所取得的经验为我国汽车工业树起了一面旗帜。


表1  已达到国Ⅲ标准的部分国内企业生产的中重型车用柴油机(排列不分前后)

AI:今年的7月1日,国家机动车污染物排放国Ⅲ标准在全国范围内开始实施。您一直从事发动机的排放控制研究,请问我国柴油机生产企业主要从哪几个方面进行排放控制?

董尧清教授:国家机动车污染物排放国Ⅲ标准在全国范围内的实施,标志着我国汽车污染排放控制步入了一个新阶段。在国Ⅱ柴油机的基础上,我国已经推出的国Ⅲ柴油机主要采用了以下排放新技术:

1、全面采用电控燃油喷射系统:有的采用高压共轨喷射系统;有的采用电控单体泵或组合式电控单体泵;有的采用电控泵喷嘴;有的采用电控分配泵。

目前国内欧Ⅲ发动机上采用的轨压一般控制在140MPa以下,多选用多孔(6~8孔)、小喷孔(φ0.15~0.20mm)、小压力室(Minisac)或无压力室(VCO)、高流量系数喷油嘴, 采用液体研磨技术使流量系数达到0.8~0.9,降低了HC和PM的排放。

2、采用开口较大的ω形燃烧室,用以降低涡流保持率,实现燃油、空气、燃烧室三者的优化匹配。适当降低涡流比(1.5~2.0),以适应喷射压力的提高,减少涡流能量损失。

3、减小喷油定时到上止点前1°~2°CA,持续期控制在30°CA左右,用以控制NOx的排放。

4、采用每缸4气门技术、喷油器中置, 使油束分布更均匀,与两气门相比,可以降低4%的比油耗,PM和HC排放也有所降低。

5、带空-空中冷的增压技术,一般达到欧Ⅲ时,空-空中冷后的温度能控制在45℃左右。

6、使用品质较好的低排放柴油:要求柴油的含硫量不超过350ppm,十六烷值至少达到50。

7、降低机油耗量,控制机油耗量与柴油耗量的比值在0.1%以下。

8、提高最大气缸压力。为了尽可能地提高柴油机热效率,降低燃油消耗,在优化燃烧过程的同时,柴油机的缸内最高爆发压力不断攀升,欧Ⅲ阶段的最大气缸压力要达到16MPa,因此要采用结构优化技术, 提高发动机的工作可靠性。

9、一般情况下,在上述措施的适当配合下,欧Ⅲ阶段可以不采用后处理技术,包括NOx和PM后处理。

AI:为提高我国柴油机的市场竞争力,生产企业在排放技术上还需要进行哪些方面的改进?除了柴油机技术本身,影响柴油车达标的因素还有哪些?

董尧清教授:一些有实力的企业已着手考虑提前推出达到国Ⅳ排放标准的车用柴油机。国Ⅳ柴油机需在国Ⅲ柴油机的基础上进一步推行如下新技术:

1、电控共轨燃油喷射系统要有能实现每循环3~5次的多次喷射(包括预喷、主喷、后喷)能力,喷射压力提高到160MPa以上,进一步增加喷油嘴孔数,减小喷孔直径,使用小压力室或无压力室及高流量系数喷油嘴。

2、增压系统需配以排气旁通阀、可变截面涡轮增压器(VGT或VNT)或复合增压系统,或采用二级增压系统,控制进气温度。

3、进一步优化进气涡流和燃烧系统,采用直口或略微缩口燃烧室,进气涡流比控制在1.0~1.5,压缩比为16.5~18.5,缸内最大爆发压力提升到16~18MPa。

4、采用整体铝活塞、钢顶铝裙组合活塞或整体钢活塞。

5、进一步控制燃油中的硫含量,使之达到50ppm以下,十六烷值提高到52或十六烷指数提高到46。

6、除了上述机内措施外,还必须采用排气后处理装置。这里有两条技术路线可供选择(见表2): 一是先通过优化燃烧,降低颗粒排放,再使用选择性催化还原(SCR)来降低因燃烧优化而产生的NOx排放;二是废气再循环(EGR)+ 颗粒捕集器(DPF)/氧化催化转换器(POC)路线,即先通过EGR降低排放中NOx的成份,再用DPF/POC捕集因使用EGR而略有增加的颗粒物,从而达到同时降低NOx和PM的效果。图1为柴油机实现欧Ⅳ排放的两条技术路线的比较。


图1  柴油机实现欧Ⅳ排放的两条技术路线比较


表2  为实施国Ⅳ排放的两条技术路线比较

7、在传统的增压中冷技术、四气门技术等基础技术平台上,传感器技术、电子控制技术等众多先进技术将被应用到柴油机研发中来,以此为代表的电控共轨技术为柴油机实现灵活地燃烧和排放控制提供了最大的可能性。

目前,玉柴已率先在国内推出首台自主开发的国Ⅳ排放柴油机(见图2),并将在北京公交车上使用,上柴也已推出国Ⅳ机型,与宇通客车配套。


图2  玉柴自主开发的满足国Ⅳ标准的YC4W轿车柴油机

AI:电子控制技术的采用提高了柴油机的燃油效率,节约了能源,但是这方面的核心技术一直被外国公司所掌握,请问目前我国在这个领域的研究有了哪些进展?

        董尧清教授:要满足国Ⅲ以上的排放标准,首要的也是最重要的变化就是必须采用电子控制的燃料喷射系统。从表1可以看出,满足国Ⅲ标准的中重型柴油机多数采用了共轨式电控喷射系统。目前该项核心技术主要被博世、电装、德尔福等几家大公司所掌握,但是我国在这两方面业已取得十分可喜的成绩。

作为国内最早介绍共轨喷射系统的机构,一汽集团无锡油泵油嘴研究所很早便开始与国外公司开展柴油机电控燃料喷射系统的技术合作,并最早开发出了具有自主知识产权的、完整的电控共轨喷射系统集成,其自主开发的电控共轨喷射系统(见图3)已在深圳、无锡、上海等地的公交车上成功试用,并已经准备进行中试。

图3 成都威特公司自主开发的电控共轨喷油系统组成

成都威特电喷有限责任公司等几家单位合作开发了具有中国特色的电控合成式单体喷油泵,目前产品已成功地应用于一汽大柴的6DF柴油机上,并通过了国Ⅲ排放认证,开始小批量投入市场。这种经过充分优化设计的小型外挂式电控单体泵系统,具有满足国Ⅲ排放法规的性能指标,结构简单可靠,尺寸和安装方式与传统的机械式喷油泵相同,制造成本低。

除此以外,近几年来,一汽集团无锡油泵油嘴研究所还开发了喷油嘴高压流量试验台和喷油嘴喷孔液力研磨机床等设备和仪器,并已经在行业中得到了推广应用,这些设备对电控喷射系统的研制也是必不可少的。

AI:在我国,柴油轿车所占比例很少,而欧洲国家越来越重视柴油轿车的推广。请问当前我国轿车用柴油发动机的研究进展如何?您认为柴油轿车是否适合我国当前国情和汽车工业现状?

董尧清教授:与汽油轿车相比,柴油轿车具有许多优势:

1、热效率高,相对汽油机可节油30%~40%;

2、CO2的排放比汽油机减少30%~35%。尾气中的CO2排放量与汽车燃油消耗量成正比,因此,控制汽车燃油经济性指标是降低温室气体排放最有效的措施之一;

3、柴油机动力性强,低速扭矩大,比汽油发动机高50%左右。在驾驶过程特别是超速、加速驾驶时,其表现也十分优;

4、在CO和HC排放方面也较汽油机有优势;

5、燃料适应性强。

鉴于上述特性,柴油轿车得到越来越多人们的青睐。从世界范围来看,无论是欧洲对排放更为清洁的经济型轿车的开发,还是美国的新一代汽车合作计划(PNCV),都无一例外地将柴油机作为最佳的选择方案,3L轿车的成功开发则标志着柴油机技术的又一次飞跃。欧洲国家和日本还计划在今后相当长的时期内继续实施低燃油税收的鼓励政策,以促进柴油机的发展。欧洲柴油轿车的销售比例已从1990年的14%增加到了2005年的50%,2007年预计将达到52%。

#p# 

相比之下,目前中国柴油轿车的比例还不足1%。一汽大众于2003年推出了捷达自然吸气直喷式(SDI)柴油轿车,之后又推出了中国第一辆涡轮增压直喷式(TDI)宝来柴油轿车和奥迪TDI柴油轿车;上海大众正在积极开展不同油料对柴油轿车在中国市场适应性等的研究;云南动力已开发出具有自主品牌的D16TCI、D19TCI四气门增压电控柴油机,达到当今欧洲领先水平的环保、节能型轿车柴油机;奇瑞动力已开发或正在积极开发SQR381、SQR481、SQR681和SQR372系列电控柴油机,其中SQR481系列电控柴油机于2007年8月开始投放市场。另外,长城、华泰、江淮瑞风等企业也都在积极推动柴油轿车的生产准备。

然而,在柴油轿车技术上还亟待解决如下一些关键问题:

1、关键零部件技术:如油泵油嘴和增压中冷技术。

2、燃油品质:优质低硫柴油是满足日益严格的排放法规的前提。

3、电控技术:柴油机电控技术对于发动机综合性能的优化和提高至关重要,是发动机满足欧Ⅲ排放的先决条件。

4、排放后处理关键技术,如废气再循环(EGR)技术、微粒捕集技术以及NOx催化转化技术。

5、轿车柴油机整体开发及匹配技术:如柴油机燃油、进气及燃烧系统的匹配与优化技术。

6、轿车柴油机的制造、工艺及材质等技术。

从道路工况的角度来看,柴油技术可能比混合动力技术更有优势。混合动力技术只能应用于城市路况,而柴油技术不管是在城市还是郊区,节油性能都很强,所以柴油化是短期内迅速实现节能减排目标的有效途径,发展柴油轿车符合我国能源和排放控制政策,国家鼓励发展柴油轿车。

董尧清教授简历

董尧清教授已在中国内燃机工业战线上工作42年。1965~2002年长期从事汽车柴油机及其燃料喷射系统的设计、研究和开发工作,曾任第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所总工程师、一汽集团高级经理。2002年7月后任同济大学汽车学院教授、博士生导师、《动力机械及工程》学科专业委员会主任。兼任中国内燃机学会六届理事会专家技术咨询委员会委员;中国内燃机学会燃烧、节能、净化分会委员;中国汽车工程学会发动机分会副主任委员等个职务。曾多次获得机械部科技进步奖等奖项,发表学术论文和译文200余篇,出版译著两部,享受国务院 “政府特殊津贴”。

收藏
赞一下
0
/
正在提交,请稍候…