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国产柴油机的新技术  

2017-10-13 19:47:23|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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国外掌握柴油机核心科技,中国制造如何弯道超车?

2017-08-03 · 了不起的中国制造

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  出品| 网易新闻学院

  作者|姚一,清华大学汽车工程系博士研究生

  提起柴油机,你先想到突突突的拖拉机,或是冒黑烟的大卡车?其实柴油机一直被我们误会了,一台拥有先进科技的柴油机搭配高品质的柴油,可以比普通汽油机性能更好而且更环保!

  不是所有柴油机都是“傻大笨粗冒黑烟”

  从坦克到火车头,从船舶到重载卡车,从工程设备到农业机械,它们离不开的动力之源正是柴油机。在这些开山拓土的钢铁重器之外,柴油机在家庭用的乘用车上的应用也越来越普遍,而这一切都源于柴油机极大的节能潜力。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (很多人想象的的柴油机VS高性能柴油机)

  由于柴油本身的特性,柴油机有着比汽油机更高的压缩比,这意味着使用相同热值的燃料,柴油机的热力学过程可以释放出更多的有用功,这让柴油机的有效效率要比汽油机高出近10个百分点!

  要知道,发动机即便是只提高1%的效率,将这个看似不起眼数字乘以油耗和油价,再乘以汽车的数量,就会被放大成巨额的真金白银。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (军事车辆一般搭载柴油机,图为中国99A主战坦克)

  然而,柴油机的污染问题,却限制了它在国内的应用——柴油机给人的印象普遍是“傻大笨粗冒黑烟”——但是这并非柴油机的原罪,而更多要归咎于我国曾经落后的柴油机技术。要知道,今天欧盟国家新车的柴油机化比例已经超过了汽油机汽车,柴油机不仅有着远低于汽油机的油耗,排放也已经达到相近的水平。

  以在美国出售的德国某品牌同一型号轿车为例,柴油版的油耗达到了百公里6.6升,而汽油版的则有百公里8.8升,差异显著!

  让柴油机逆袭的黑科技:电控喷射

  推广柴油机对能源的意义不言而喻,而在这之前必须解决污染的问题。

  根据环保部2017年发布的《中国机动车环境管理年报(2017)》,柴油车排放的氮氧化物接近汽车排放总量的七成,颗粒物超过九成,但这其中很大一部分是由国二法规以前的柴油机汽车排放造成。

  为了克服这一难题,达到严格排放法规要求,过去十年中国自主企业们采用的技术手段纷纷登场,而其中的核心就是柴油机电子控制燃油喷射技术。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (柴油机燃烧过程示意图)

  最早的柴油机燃油喷射控制,是通过一系列复杂的机械装置完成的,根据转速不同,这套装置可以自动调节喷油量、喷油时间等参数。但机械手段无法对这些参数进行主动控制,这导致柴油机在不同负荷和转速下,得不到最合适的喷油时间和喷油量,因此产生大量的污染物。

  随着电子技术和传感器技术的发展,更精确的电控设备应运而生。电控喷射即用电子手段调整发动机的每循环喷油次数、喷油量、喷油时刻和喷射压力,它让柴油可以混合地更加均匀、燃烧也更加充分,因此不仅污染随之减少,动力性和经济性也得到了提高。

  作为柴油机节能减排最重要的技术,电控喷射系统的成本大约为整个柴油机成本的四分之一,整个柴油机的正向研发过程也是从电喷技术开始,根据电喷技术来设计发动机结构。因此可以说喷油控制技术把握住了发动机的心脏跳动!

  国外掌握柴油机核心科技,留给中国的时间不多了

  面临日益严格的排放标准,电控喷射技术已经历了多代更迭。更高的喷油压力与更精确的喷油规律控制,是电控喷射技术的发展目标。而在目前的国内市场,最为主流的柴油机电控喷射技术是高压共轨技术。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (高压共轨系统示意图)

  高压共轨技术,可以将提高燃油压力与喷油过程完全分开:通过柴油机驱动高压油泵将燃油注入共轨并维持高压,再通过喷油器的高速电磁阀控制喷射。高压共轨技术可以稳定的调节并保持供油压力,实现精确的高压喷射。

  高压共轨的结构简单,适用性强,喷油压力极高(220MPa),因此在国内市场广受欢迎,但是这一简单的结构,却存在着制造难点:极高的油压对各部件的密封和控制都提出了很高的要求,所以生产制造高压共轨,并实现精确控制,并不容易。

  由于中国自主企业缺少相关技术积累,多年来国内商用车柴油机电控市场一直被德国博世公司占据,市场份额高达85%。一家独大的博世公司具有绝对的技术和成本优势,通过调动价格,就可以大幅挤压自主企业的生存空间。

  但是,当自主企业具备高压共轨的产品研发生产能力后,在商用车领域如果无法与博世正面抗衡,从工程车辆等非道路领域入手,将是一个收获市场的好机会!

  放弃“公路车”瞄准“工地车”,中国企业弯道超车

  柴油机在挖掘机、拖拉机等非道路用车的应用很广泛,这一市场规模并不小,但由于利润没有汽车市场高,博世公司等外资品牌没有把这当作主菜,这给了自主企业发展技术、占领市场的空间。然而必须要说,高压共轨仍是未来主要的应用趋势。

  为了积蓄力量,避免和博世的正面较量,中国企业走出了一条曲线救国的道路,即尝试在自主高压共轨技术成熟之前,从其他技术方向寻找突破的路线。

  电控直列泵就是这样一个机会。电控直列泵从机械直列泵演变而来,但电控直列泵的喷油压力低(小于120MPa),响应慢(0.1秒级别),调节能力有限(只能调喷油量),这些特征让它完全不足以满足现代柴油机的要求。

  在这种情形下,中国企业的工程师们改进了直列泵的喷射机构,将燃油加压与调节功能解耦,使用高速电磁阀直接调节喷射,制造了电控组合直列泵。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (中国发明的电控组合直列泵)

  这一产品将喷油压力提高到180MPa以上,响应速度达到毫秒级,并且可以对喷油时刻、喷油次数都进行调节,可以说是世界上最先进的柴油直列泵。这一产品应用在发动机上几乎不需要改动发动机,就可以满足油耗与排放要求,因此在国内市场上获得了广泛的认可。

国产柴油机的新技术 - 乐闻盛世 -

  (非道路领域对高性能柴油机有很大需求)

  在非道路领域,中国自主企业经过十年的耕耘,市场方面,高压共轨技术国产厂商已经涌现出年销量10万套高压共轨系统的佼佼者;技术方面:国产共轨的喷油压力也不断攀升,18~22Mpa的喷油压力已达到国际一流水平,并发展出了高压共轨、电控单体泵、电控泵喷嘴三条并行的解决方案。

  这一过程中,自主企业探索并收获了宝贵的研发成果与经验,自主零部件企业的研发体系也在不断的学习中得到完善。

  结语:

  中国在柴油机领域的曲线救国方案逐渐收获成效,排放法规的加严也促进了国内车企对新能源汽车与节能汽车技术方案的探索。

  柴油机在欧洲的成功推广,提供了一个极佳的范例,启发了政府、学术界与企业界思考柴油机技术在中国的节能潜力。而当自主企业掌握电控柴油机的核心技术,在非道路领域站稳脚跟,并不断进入商用车领域时,无疑会为政府和上下游的同行们注入一针强心剂。

  国产柴油机电控技术在国内更广泛的应用,值得期待!而追求技术进步的的中国柴油机电控企业,必将会在更大舞台上与强大的对手展开角逐。

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