發動機節能技術漫談（上）

本期論壇嘉賓

南京公交集團副總經理 程鏡良

石家莊市公交總公司總經濟師 于新泉

北京公交集團技術部副部長 王家良

原上海巴士五汽公交公司副總經理 褚永森

本期主持人：劉勇

發動機是汽車的心臟，發動機性能的好壞直接關系到車輛的整體性能，也關系到車輛油耗及排放水平的高低。隨著發動機技術的不斷進步，發動機生產企業除了在動力性上不斷進步之外，發動機的節油、減排能力也已成為很重要的指標。我國的發動機技術水平已經發展到哪一階段？發動機在節油性能上有哪些新技術和新突破？發動機的發展遇到了哪些瓶頸？本期互動論壇將圍繞這些問題展開討論。

主持人：柴油發動機的設計開發涉及很多關鍵的技術，比如說要達到歐Ⅳ排放標準需要采用高壓共軌技術，但高壓共軌技術目前掌握在博世、電裝等少數幾家跨國公司手里。另外，柴油的電控系統和柴油機后端的尾氣處理技術我國也沒有完全掌握。請談一下您了解的國外發動機產品，他們先進在哪里？有哪些技術是目前我們還沒有掌握的？我國的發動機技術與國外相比，主要差距在哪里？請舉例說明國產發動機與進口發動機在使用中的各項數據對比。曾經有段時間，國內公交車用發動機市場幾乎被國外品牌所壟斷，后來，玉柴、濰柴、上柴等國內發動機企業崛起，國產發動機也取得了長足的進步，根據實際使用情況，您對國產發動機現階段的技術水平及品質有何評價、建議？

程鏡良：隨著科學技術的進步，用于汽車發動機的新技術也是層出不窮。目前汽車發動機新技術主要有：可控燃燒速率（CBR）、可變氣門正時（VVT）、缸內汽油直噴（DGI）、共軌（CR）、多點噴射（MPI）、廢氣渦輪增壓帶中冷（TCI）、廢氣渦輪增壓（TC）、廢氣再循環（EGR）等。這些基本涵蓋了目前世界上所有在用的發動機新技術。這些新技術的應用主要是提高發動機的性能和降低發動機的消耗及排放，發動機的節能減排是發動機技術的永恒話題。近幾年我國發動機技術也取得了一些新的突破，但距國外技術水平還有一定的差距。

現代的高性能柴油機由于熱效率比汽油機高、污染物排放比汽油機少，作為汽車動力應用日益廣泛。西歐國家不但載貨汽車和客車使用柴油發動機，而且轎車采用柴油機的比例也相當大。現代柴油機的新技術主要有：共軌與四氣門技術、高壓噴射和電控噴射技術、增壓中冷技術、排氣再循環（EGR）技術、后處理技術等，這些新技術的應用，大大提高了柴油機的性能，極大地降低了有害物質的排放。如后處理技術進一步改善了微塵（PM）和氮氧化物（NOx）的排放；排氣再循環（EGR）技術不僅能明顯降低氮氧化物，還能保持其他污染物的低水平。高壓共軌與四氣門技術大大提高混合氣的形成質量（品質），有效降低碳煙顆粒、碳氫化合物（HC）和氮氧化物排放并提高熱效率。

值得思考的是，上述新技術中許多都掌握在國外少數公司手里，如高壓共軌技術目前被博世、電裝等公司完全掌握。另外，電控技術和后處理技術我國也沒有完全掌握，如后處理的噴射泵還是依賴國外產品，國產產品質量還有待提高。

在國產柴油機中，雖然錫柴在國Ⅲ、玉柴在國Ⅳ、濰柴在國Ⅴ上紛紛搶占了先機，但關鍵技術還是依賴國外產品。今后我國柴油機技術的攻關重點還是應放在電控技術、排放后處理技術、整機開發和匹配技術等關鍵技術研究和材料開發上；同樣重要的是相關部門要提高柴油品質，為各類柴油機新技術的應用奠定基礎。

我認為，現階段我國柴油機有以下關鍵技術亟待攻克：一是高壓燃油噴射系統硬件，包括高壓泵、嘴、軌等硬件的精密加工與一致性；二是VNT增壓器硬件開發、EGR閥的可靠性、DPF抗毒害、抗老化性能；三是燃燒系統匹配技術——燃燒室形狀、噴嘴孔數/孔徑/夾角、渦流組織與油氣混合、多段噴射油量控制策略優化；四是VNT位置（增壓壓力）、EGR率、燃油噴射策略、DPF再生策略等多參數、瞬變量的匹配控制技術；五是ECU算法與標定技術。南京公交現有的柴油機，國Ⅲ基本上是錫柴、上柴，國Ⅳ大都是玉柴、上柴（LNG），國Ⅴ還沒有使用。在今后的購車中我們將逐步使用國Ⅴ發動機（柴油機或LNG發動機）。

于新泉：發動機生產廠的技術水平較以前有了較大提高，尤其是發動機的耐磨性、排放控制水平的提高。建議：結合城市運輸、城郊運輸、公路或高速運輸情況，更好地研究發動機的自身節能與底盤動力傳動路線的安全、節能、長期穩定性的匹配，從而提高整車技術配置的節能性。

王家良：北京公交在用的發動機中柴油機占主導，進口機和國產機都在使用。北京公交在用的發動機主要來自于3個廠家：依維柯、康明斯、玉柴。2003年開始使用國Ⅲ發動機，那時候主要是國內的機器還沒有完全跟上，當時國內大多數城市的公交還處于歐Ⅰ甚至歐0的水平。這么大規模的使用，如果沒有可靠性作保證的話會有風險，所以我們采用了進口發動機。可以說，選擇進口機器最初就是考慮可靠性和環保要求。

北京公交從1999年開始使用進口機，是康明斯的天然氣發動機，當時為了驗證機器的可靠性，我們定期對發動機做了拆檢，運行到12萬公里時，對發動機進行解體，我們把美國的設計人員請過來，把他們在設計以及我們在使用、維修等環節存在的問題進行反饋，我們在12萬、24萬、36萬公里時進行了跟蹤拆解后發現，發動機在3個節點的所有配合間隙都在出廠范圍之內，這一方面驗證了我們對發動機的使用狀況，另一方面驗證了發動機的制造水平，我們得出的結論是：該發動機可以用到40萬公里。40萬公里后，我們又對其進行了一次專項修理，除了易損件需更換外，曲軸、連桿都不用換，發動機的品質還是很不錯的。

北京公交使用的柴油發動機中，康明斯柴油發動機占有較大的比例，就拿ISB系列柴油機來看，機型涵蓋了185—320馬力（136—235千瓦），排放水平達到國Ⅲ/歐Ⅲ、國Ⅳ/歐Ⅳ、國Ⅴ/歐Ⅴ標準。ISB系列柴油發動機運營效率高、工作周期長、持久耐用。先進的電子控制系統功能強大，對進氣、排氣、冷卻、燃油、制動、后處理等系統進行數字化智能管理，建立了發動機與子系統、發動機與整車、發動機與車隊管理系統之間強大的信息交流平臺，支持故障的實時監測和預警。其先進性體現以下5個方面：（1）智能電控。先進的電子控制集成系統，超大容量的電子控制模塊，通過標準數據總線采集來自自動變速箱、ABS制動和ASR防滑等所有傳動系部件的信息，構成無縫信息流，通過高速數據通信接口共享，確保發動機在運轉過程中保持最佳工作狀態，在不同載重情況下保持高效節油和低排放，同時具有防振、防過熱、防過載等自我保護和智能診斷功能，可靠性和耐久性很好。（2）高效節油。高壓共軌燃油系統，噴射壓力更高，最高可達1800 bar，對噴射正時和噴油量控制更加精確，燃燒更充分，經濟油耗區寬廣，燃油經濟性大幅提高，進一步改善低速性能，降噪和冷起動表現更佳。（3）動力強勁。起步快，加速性好，超強低速扭矩輸出。（4）使用經濟。發動機子系統高度集成，多途徑實現節油降耗，更高的升功率，在復雜工況下運營性能穩定可靠，動力性卓越，超長使用壽命，維護保養間隔長。（5）排放領先。歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ和EEV源自同一基礎平臺開發，持久可靠，傳承性強，僅通過調整歐Ⅳ階段的燃油系統噴射壓力和SCR系統、將電控系統升級，即可達到歐Ⅴ/EEV標準，無需進行復雜的結構性調整。

伴隨著全球經濟一體化和信息化時代的到來，中國發動機行業在近幾年取得了長足的進步。國家排放法規不斷更新，更促使國內發動機產品得到飛速發展與階段性的跳躍。不可否認，在當前中國客車市場，國產發動機的比重已經遠遠超越了進口發動機，即使在高端客車市場，進口發動機所占的比重也在逐年下降，國產發動機在用戶心目中有越來越高的認可度。但是如果回首10年前，當滬寧杭高速客運飛速發展，國內公交飛速發展的時候，高端客車市場幾乎被進口發動機所壟斷，即使到現在，在國內的BRT客車市場，進口發動機依然占據了相當大的份額。

在技術路線逐步同化的情況下，隨著國內發動機逐漸進入電控時代，國產發動機相對于進口發動機，最大差距在于細節。首先，低速大扭矩，高速大功率的標定已經得到大眾的認可，但是需要能夠在部分負荷區域更加優化，開發更加適合于不同使用工況細分市場的發動機。其次，進口發動機最低穩定怠速能夠做到每分鐘550轉，對于公交車而言，降低發動機最低穩定轉速能夠使整車的經濟性能得到更加優化。然后，零件制造精度的控制，國產發動機需要進一步強化，降低運動副摩擦力。從對比試驗可以看出，隨著發動機轉速的升高，進口發動機在精度控制上的優勢就體現出來，需要完善國產發動機低速小負荷區域的性能，必須從加工精度及裝配精度上加強控制、從而達到降低摩擦力的效果。

隨著國家排放標準的不斷升級，國產發動機技術路線逐漸與進口發動機區域一致，但是需要不斷地努力方才能夠縮小與進口發動機的差距。油耗、排放、可靠性、耐久性是重型發動機開發的核心目標?，F階段，歐美分別實現了滿足歐Ⅵ和US2010排放法規的技術突破后，已將降低油耗作為最主要的開發目標。

對于國產發動機而言，新技術的引進和開發，不斷提升國產發動機的油耗、排放、可靠性、耐久性指標，才能夠保證不會再次被進口發動機拉大差距。

褚永森：柴油機要達到歐Ⅲ以上的排放標準，必須用到電控、高壓泵、共軌、缸內直噴、后處理、廢氣再循環系統（EGR）、多氣門等技術，精密、精準是國外公司產品的主要特點，國產柴油機的設計、校核、仿真軟件技術都是國外進口的，發動機核心的電控部件、噴油器、甚至傳感器也都是進口的，國外先進技術和核心器件的消化吸收還有很長的路要走。

我們公司自2007年開始使用歐Ⅲ柴油機，裝備上海柴油機公司發動機的車有20輛，同時公司還用了數百輛進口的某品牌發動機。兩者均采用高壓共軌技術，進口發動機使用博世電控系統，上柴發動機使用電裝電控系統。兩者的動力性、經濟性、操控、排放、噪音等沒有明顯差異。但就可靠性而言，6年來，20臺上柴柴油機沒發生過重大故障，而進口發動機則出現了很多起凸輪軸異常磨損、汽缸頭裂紋現象，進口發動機的共軌壓力低、噴油器故障成為駕駛員和修理工最煩心的事情。兩者比較，進口發動機的滲漏狀況則明顯好于上柴柴油機。國產發動機必須重視加工精度和裝配質量，減少直至杜絕“跑、冒、滴、漏”現象。我認為，電控部件的國產化應該是中國柴油機企業自主發展的方向。

主持人：公交車有著特殊的使用工況，但各地的條件差別很大，您認為，公交車需要的是什么樣的發動機，發動機企業在適應性開發上還有哪些需要調整或改進的地方？除了選擇節油的發動機以外，怎樣來衡量發動機與其他部件匹配性的好壞？在使用過程中，怎么才能發揮出發動機的最佳動力、節油性能，保證其最長的使用壽命？

程鏡良：城市公交應具有大容量、高效、節約能源和環保等特點。公交車輛的大型化使發動機的工作負荷變大，在城市工況下運行時，由于公交站點多，十字路口多，造成公交車輛頻繁在加速、減速、怠速工況下運行，并且平均行駛時速較低。隨著國家環保法規日益嚴格，對車輛的尾氣排放限值要求也越來越嚴。嚴格的排放法規要求車輛發動機必須使用一些新技術和環保燃料才能達到尾氣排放的要求，使用的新技術應包括廢氣再循環（EGR）、顆粒捕捉器（DPF）、高壓共軌、稀薄燃燒、選擇性還原催化（SCR）等。

傳統的公路客車是在高速運行的狀態下達到經濟時速，而城市公交車與它的最大區別是，公交車要在低速運行時達到經濟時速，這就要求降低發動機轉速，在低速狀態下節省燃油。除了低速油耗外，再有就是低速扭矩。

要滿足城市公交車的特點，除運用新技術外，就是要求發動機與其他部件的合理匹配。近幾年發展的混合動力就是發展方向。混合動力除了能提高低速扭矩外，還能使發動機經常處于經濟轉速下工作，這樣不僅能降低油耗，還能減少有害物的排放。

于新泉：公交的運輸點多、面廣，頻繁地?？空?、頻繁地起步加速且運行速度低。相對公路運輸，方向、離合、變速、制動使用都很頻繁。依據這種特點，要求公交車起步加速快、方向離合變擋都輕便，且離合、制動要有較高的使用壽命。公交車加速快依賴于發動機的最大扭矩和動力傳遞的減速增扭作用大。而發動機最大扭矩點轉速的高低就確定了發動機的節能性好與壞。為此提出公交專用發動機以區別于其他機型。公交專用發動機的技術特點，一是發動機要在1100轉∕分—1400轉∕分實現大扭矩，二是發動機要實現最高2000轉∕分的轉速控制。從而實現發動機加速節能、控速節能。再加上動力傳遞上的適合車速控制的減速增扭傳動比控制，就能制造出本身節能的公交車。

公交專用發動機必須匹配適應的增壓器，實現低速大扭矩加速的節能效果。所以發動機廠應充分調查我國的道路運輸狀況，區分車輛用途，根據使用條件選擇發動機的加速特性和經濟油耗特性，結合傳動比推算車輛的加速時間、路況適應性、車速控制等。

車輛的養護是保證車輛長壽的基礎，因地理狀況、溫度狀況、濕度狀況、空氣質量差異較大，潤滑油、濾清器有效使用公里或時間就會有較大差異，全國統一養護原則必定會導致車輛使用壽命的差異。因此，車輛的養護原則乃至于各個總成的養護原則及養護用品必須因地制宜，并加強使用狀況調查跟蹤、分析總結。（未完待續）