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中国汽研邹博文:车用燃气发动机电控技术趋势

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(原标题:中国汽研 邹博文:车用燃气发动机电控技术发展趋势)

我交流的题目叫车用燃气发动机电控技术发展趋势。因为我本身是搞发动机电控的,我们具体的应用对象是一个燃气发动机,就是天然气发动机。前面是一个产业的现状和前景介绍,我这有几条结论,第一内然动力在数十年内不会终结,跟我们这次主题有一些差异,但是总体趋势来说汽车的电动化、智能化这肯定是未来的一个发展方向,但是作为传统动力,内燃机来说的话应该说它还会在相当长的一段时间内保持生命力。第二,中国的车用能源,应该说我这个数据可能没有完全更新,到2016年是保有量已经在1.94亿辆。

从天然气汽车来说,中国现在在33个省推广,到2015年底就520万辆。应该说前面从1999年中国清洁汽车行动计划开始,那个时候天然气汽车就获得快速发展,也是差不多在十几年时间里面发展到了500多万辆。特别是从2010年到2014年每年增长量都非常大,但是从2014年开始到去年,因为油价,国际原油价格下跌造成油气差价缩小地,所以天然气汽车的发展受到限制。作为它的好处来说的话一个是它是低碳清洁燃料,减少二氧化碳排放。从它主要的分子结构来看就是甲烷,一个碳四个氢,是低碳清洁燃料。每年用气国内是用气220亿方,替代油1500万油,减少二氧化碳排放1000万吨,并且可以减少颗粒物排放。从能源的利用来看,因为它是一次能源率,因为我们国家天然气有几种利用形式,一种是居民生活做饭,还有发电厂,还有化工,还有车用。车用是一次能源利用,作为国家在天然气利用政策里面也是属于优先利用类。应该说从总体上来看,天然气车和汽油混合动力相比那么它在乡村路上和高速公路上面也还是具有明显的二氧化碳减排优势。从发展前景来看,从2015年开始产销量出现下滑。未来应该说天然气车和新能源车应该是一个协同差异化发展,因为新能源车确实从2014年是作为新能源汽车发展的,就是行业里面认为是年,那么2015年是一个爆发增长期,进入2016年的新能源车应该说是一个主动调整期。2017年应该说新能源车本身的话它是一个健康发展这样一个状况。

作为我们天然气车应该说在原来是和电动车都是归为新能源车,从2012年开始天然气车是归为节能汽车这样一个版块。还有一方面应该说近期总理的政府工作报告里面也提出是发展清洁能源汽车,因为前面几年提出是发展电动汽车。所以说从发展来看应该说在未来一段时间里面,我们的这种清洁燃料汽车会走向多元化、电动化,也包括清洁燃料。

还有就是中国制造2025节能与新能源汽车技术路线图也明确提出了还是要推动以天然气为主的替代燃料汽车发展。2030年新车占比逐步提高到8%。因为节能与新能源汽车技术路线图,当时我也在参加这个技术路线图的起草。根据预测应该说到2030年中国汽车的产销量会达到一个峰值,就差不多3800万,作为我们新能源车它的这种占比会达到40%,相应的因为它是多元化,天然汽车也有一定的份额。

从技术发展来看,我们国内主流的技术乘用车是燃料两用为主,发动机不变,和汽油动力相比动力性下降12%到15%,一L油等于1.1方气,这是传统所说的发动机本体不做优化设计的时候,比传统汽油车差一些。作为商用车,公交车、卡车以单燃料为主,稀燃+DOC满足国V排放,1L柴油=1.3方天然气。对于双燃料效率比较高,差不多1L柴油=1.15方天然气。作用核心就是电控系统技术,乘用车我们通常是采用外挂的ECU控制使用天然气的一些控制,还有一部分就是,我们曾经和德尔福合作开放,开发一个控制器,既控制油又控制天然气这样一种方案。商用车也是基于汽油级的控制,发展主要是电子节气门加上集中喷射加上稀燃闭环,还有一些关键零部件。

从国外技术发展来看,乘用车上面发展方向,专用发动机,二氧化碳排放比较低。商用车也是采用这种当量燃烧,加冷却EGR,加三元催化这样的技术路线,也是可以实现氮氧化物超低排放。未来我们认为技术路线也就是一个是前面提到的专用发动机,同时结合先进的燃烧技术,比如说米勒循环,然后也还有一些轻量化材料的应用,包括发动机热管理,在电控系统上面主要是VVT,传统的增压技术专用控制策略,还有精细化控制这样一些策略。当然也包括这种混合动力的专用发动机的开发。

从未来技术趋势来看,首先我们做一个技术需求分析,动力性上面前面也提到了,传统的开发方式因为对发动机本身不做一些重新设计,所以说它的动力性是较原来汽油有下降的,这就是实际上我们的司机开车总感觉烧气比烧油差半个档。我们做了专机开发以后可以提升动力性,解决一些包括加速响应慢的问题。从经济上来说,我们一个发展趋势肯定是要求发动机的效率更高,包括一些VVT和点火的专用控制策略。从排放来说要满足未来国六排放法规的要求,那么包括我们乘用车这种RDE工况,对瞬态排放的要求更高了。包括一些排放的限制也是有了更高的要求,从使用性来说应该是单燃料效率更高,但是我们会采用一个汽油后备这样一种方案。这个就是专机开放,当然这个就是一些发动机开放,主要是一些比如说燃烧系统包括净排气系统的优化,还有电控系统的一些匹配,比如说以缸内爆发压力排温等等为条件的这种匹配。

这个是我们的一些开发案例,包括1.8L的自然吸发发动机,我们进行了专机开发。应该说我们在中低转速区间,气耗得到了明显的优化,可以下降5%到8%。这是一款增压发动机,1.3T,也是大概可以燃料消耗率下降6%左右。从电控技术系统来看,应该说也有一个技术进步,我们前面也提到了传统的这种控制方式是外挂一个这种燃气ECU进行控制。它在控制的时候是一种采用把汽油ECU当做黑盒子的控制方式。就是说我在点火的时候是把汽油ECU连接的曲轴位置传感器信号,相当于是剪断了。实际上相当于原来曲折传感器直接连的汽油ECU,它相当于把它剪断以后,先通过燃气ECU,然后再到汽油ECU。这种方式相当于前面说的把汽油ECU当做黑盒子,这种传统的方式就有几个缺点,第一个就是说它的,因为现在汽油ECU的OBD诊断越来越精细,会导致汽油系统进入故障模式,导致耸车、加速无力这样的一些问题。还有就是说我们在燃气的时候,没有这种VVT控制,并且我们这种说剪断曲轴信号的这种方式会破坏对于最佳精细量的控制,也就是对于VVT的控制,实际上会造成整体效率的下降。传统的方式实际上会造成的效率下降大概是在12%的15%这样一个水平。我们现在也采用了一些更加主动的控制方式,我点火的时候我就不把这个线剪断了,我是燃气ECU来直接控制这个点火线圈,更加主动的控制方式。同时在VVT的时候我们也采用更加主动的控制方式,相当于整体增大发动机的初期效率,它的应该说整体燃料经济性可以提升15%以上,这里我们有一个简单的图,从图上我们可以看出来,我们选了一个特征工况点,就是两千转,发动机两千转,应该说特别是这种部分符合工况,效率可以提升20%以上。

这是我们的一个开发案例,针对重庆的长安铃木启悦车,在重庆第三代出租车是天语地第四代就是启悦,满足国五排放以后,从效率上说,从燃料消耗看的话,下降了17%。我们进行了一个对比因为从轻量化角度,整车轻量化下降10%节省燃料消耗7%,所以这样算下来轻量化的贡献大概是9%,电器系统的节气贡献率在6%以上,因为还做了一些其他的变速箱包括轮胎的优化,估计节气率在1%到2%这样的水平。对于商用车主要的发展趋势就是满足未来的国六排放,虽然说现在商用车国六排放的法规没有正式发布,在去年戏的时候有一个征求意见稿,但是基本按照这个思路来。一个是相当于瞬态工况要更精细化控制,从排放的技术路线来看的话,我们国五排放采用稀燃,国六的时候会采用单量笔燃烧,加上EGR这样一种方案。

从电控技术来看,一方面是我们会采用这种可办窗空燃比这样的控制,让我们的空燃比在一个宽范围内实现闭环控制。从而实现从国五到国六的无缝切换。对于增压控制,因为应该说增压的话不管是乘用车也好商用车也好,都是一个发展趋势,都是为了小屏化从而降低能耗。我们也会采用应该说算是第二代的这种一些控制的策略,因为传统的控制主要是基于精细量的一些控制策略。应该说从国六开发的时候,就会采用能量守恒的控制,也就是说我涡轮提供的能量和压气机所需要的能量有一个这种能量守恒,然后来再计算我的,从而实现更高的控制精度以及提高它的瞬态响应性能。

前面提到大流量EGR,柴油机上面也是这样一条技术路线。还有天然气专用混合动力系统,这个是基于TSC这种动力传动一体化扭矩控制,主要是启停控制。这是国六发动机的开发方案。还有就是柴油天然气双燃料,双燃料这种模式效率比较高。这个是我们的一个开发案例,目前也是在国家的科技支撑计划的一个项目。我们目前已经完成了一轮样测的路试在陕西一款车上面,我们初步算了一下燃料的成本会下降50%。

我们的关键零部件技术,应该说一个电子化、电控化肯定是关键零部件的发展方向。传统的在天然气汽车上面都有一个减压器,相应的要把气瓶里面的两百公斤的气要减压稳压然后再提供给发动机的喷嘴。这也是一个核心零部件,过去我们这个核心零部件是一种机械控制方式,是一种膜片弹簧的控制方式。所以相应它的不管是流量控制范围还是它的控制响应精度来说的话都是比较差的,应该说可以满足前面国四国五的排放要求,但是面对未来国六,特别是未来强调在国六的时候对瞬态的这种排放控制实际上是非常高的。所以我们在面对未来排放法规的时候,会采用这种电控减压器。

作为燃气汽车还有一个安全性问题,就是泄露会导致一些事故,所以说相应的我们也开发了我们叫基于多种故障分级的报警系统。对于天然气泄露我们也开发了专门的传感器,响应时间可以小于20秒。还有一些气瓶轻量化的技术,应该说也是进行轻量化设备,还有气瓶压力也会提升,从而实现也是为了最终目的都是为了节能减排。

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