發動機節能技術漫談（下）

本期論壇嘉賓

中國內燃機工業協會常務副會長兼秘書長 邢敏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

北京公交集團八方達公司技術部部長 徐鑫

原上海巴士五汽公交公司副總經理 褚永森

長春公交集團有限責任公司技術部部長 裴志強

一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠研發部副部長 唐颋

濰柴動力股份有限公司應用工程部客車動力分部副經理 金強

廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院輕型車發動機燃燒開發技術總師 王輝

本期主持人：劉勇

日前，在中國內燃機工業協會與《駕駛園》雜志社聯合舉辦的“公交發動機節能環保與新技術交流會”上，中國內燃機工業協會常務副會長兼秘書長邢敏表示我國發動機發展水平的現狀是：綜合能效水平較低，先進的內燃機節能產品比例較低，替代產品正處于起步階段，內燃機的綠色制造和再制造技術薄弱。我國在用車發動機60%—70%屬于高能耗、高排放產品，內燃機的產業政策有待進一步完善。另外，我國的內燃機在排放上與國外產品相比還有著一定差距，道路車用發動機在排放上目前差一個標準級，非道路車用的發動機排放上要差兩個標準級。國產發動機在技術上取得了哪些突破？與進口發動機相比到底有哪些差距？公交企業對發動機有哪些實際需求？本期互動論壇將圍繞這些問題展開討論。

主持人：商用車發動機目前主要是SCR和EGR兩種技術路線，SCR技術需要加裝一整套尿素系統，因此費用較高。EGR技術只需在原有基礎上加大冷卻系統，整車改動較小，費用較低。但現在的發動機技術在排放上，顆粒物和氮氧化物存在此消彼長的關系，顆粒物對人體健康有危害、氮氧化物則會導致酸雨的形成且會破壞臭氧層，應該如何解決這一難題？

程鏡良：柴油機所產生的顆粒物和氮氧化物（NOx）是排放中兩種最主要的污染物。從目前降低汽車尾氣排放的技術途徑來看，要達到歐Ⅳ排放標準，一般不再從發動機本身的結構方面采取措施，通常是采取排氣后處理的方式來降低污染物的排放量，而選擇性催化還原技術（SCR）是最具現實意義的方法，它是將一種尿素水溶劑注入已加進SCR催化劑的廢氣中來減少氮氧化物的排放，能把發動機尾氣中的NOx減少50%以上。SCR技術的優點是：在不改變發動機結構的情況下，使燃油經濟性得到改善，增加功率、降低熱損耗，機油更換周期更長，且尿素成本低。使用SCR有可能實現更高的燃油經濟性以及較低的運行成本。在降低氮氧化物排放量上，SCR的有效性已經廣為人知，但是缺點在于實現這種技術需要高的排放溫度，進而就需要發動機的排量越大越好，最終導致的就是燃料的消耗。

EGR是廢氣再循環，發動機控制電腦根據發動機的轉速、負荷、溫度、進氣流量、排氣溫度控制電磁閥適時地打開，進氣管真空度經電磁閥進入EGR閥真空膜室，膜片拉桿將EGR閥門打開，排氣中的少部分廢氣經EGR閥進入進氣系統，與混合氣混合后進入氣缸參與燃燒。NOx是在高溫富氧的條件下生成的，部分廢氣參與混合氣的燃燒可降低氣缸溫度，抑制了NOx的生成，從而降低了廢氣中的NOx的含量。但過度的廢氣參與再循環，將會影響混合氣的著火性能，從而影響發動機的動力性，特別是在發動機怠速、低速、小負荷及冷機時，因此，當發動機在上述情況下，行車電腦控制廢氣不參與再循環，避免發動機性能受到影響，并使參與再循環的廢氣量根據發動機轉速、負荷、溫度及廢氣溫度的不同而不同，以達到廢氣中的NOx最低。

SCR的優勢在于無須對機體進行改動，即國Ⅲ電控裸機加上SCR便可實現國Ⅳ排放，且耐久性好、燃油經濟性好，對燃油和機油品位要求低，無催化器擁塞風險，技能升級連續性較好，維護費用低。劣勢在于初始成本高；質量較大，單車損掉有效荷重在400Kg左右；對封裝要求較高；低溫掉效問題，尿素在-11℃會凝集，在黃河以北地區使用，需加裝解凍裝配，進一步增加了成本和損掉了有效荷重；最主要的問題是隨車攜帶的尿素一般可使用5000—10000公里，需及時補充，存在著尿素的供應和配給問題。

而“EGR+DOC+DPF”（即廢氣再循環、氧化催化轉化、顆粒捕集技術集成）系統的優勢在于初始成本低；對封裝要求低。劣勢在于需要對國Ⅲ主機技改，測定更為復雜，增加了開發成本和測定難度；對超低硫含量的燃油及高品位潤滑的依賴；燃油經濟性差；技能升級連續性相對較差；因為易堵塞，維護費用高。最主要的問題仍是當下規模內，低硫柴油的供應及如何編制更復雜的體系測定問題。因此，根據我國城市公交的特點，我認為目前SCR比較適合用于城市公交車。

于新泉：EGR和SCR都是過渡技術，不是最終的技術路線，最終的應該是通過合理的空燃比去實現自動控制，而實現自動控制要提高燃油的各項性能指標，這才是最佳的路線，加個尾氣處理程序只是權宜之計，不是根治之法，畢竟程序是有壽命的。

王家良：SCR對油耗沒有影響，它比較經濟實惠，只是增加了尿素，而“EGR+DPF”會造成油耗的上升。尿素的消耗量是油品的5%，但實際情況消耗不了那么多，也就消耗2%。消耗的少了說明尿素沒有按量反應，這是SCR技術的一大缺陷，因此這種技術不太適合北京的路況。北京的公交車長期處于低速運轉狀態，發動機輸出的功率沒有那么大，溫度達不到尿素工作的溫度，因此尿素沒有按量消耗。盡管通過調整尿素工作條件或給排氣管加保溫層等辦法可以起到一定緩解作用，但其缺陷不能完全避免。

主持人：近年來，玉柴、濰柴、錫柴等發動機企業快速發展，在推動公交行業技術進步方面也做出了不少貢獻，各企業都擁有哪些先進技術，在節能減排技術上有哪些研究和成果？在發展方向上有哪些側重點？據國外科研機構統計，經過120年的發展，普通的發動機依然具有進一步節能的潛力，如果把工程師研制出的大量節能措施結合起來，未來10年內我們能以廉價方式輕松提高燃油效率20%以上。請談一下您了解的較好的節油技術，您認為發動機的節油潛力到底有多大？

金強：環保是一個發動機企業的社會責任。“綠色動力、國際濰柴”既是品牌目標，也是實踐社會責任的體現。濰柴作為國內最大的發動機研發生產企業，一直提供符合市場需求的環保型動力產品。目前濰柴全系列客車用發動機均能夠滿足國Ⅳ、國Ⅴ的排放要求，針對北京等市場特殊要求，濰柴客車用發動機能夠滿足京Ⅳ、京Ⅴ排放要求。并在積極開發、試驗達到歐Ⅵ排放的發動機產品。

從節能方面來說，客車用發動機向低轉速方向發展。國內的客車用發動機從10年前的額定轉速在2500轉左右，下降到幾年前的2300轉，再到現在的2100或1900轉低轉速動力產品，已經成了市場上的發展主流，濰柴客車用發動機引領了這一趨勢。

濰柴全系列客車用發動機均采用“低轉速”動力配置。這也是根據公交、客運車輛特殊運行工況來做的一個分析和優化的結果。從公交車常用的運營工況數據來看，其發動機轉速一般在怠速到1200轉左右。這就要求將發動機經濟區域向低轉速優化。濰柴低速動力產品就是根據這一需求，優化了低轉速區域的發動機油耗率，提升了發動機低轉速區域的外特性最大扭矩，滿足公交車要求的快速起步、低速節能的需求。

濰柴“低速動力”產品在可靠性、經濟性、舒適性等三個方面具有明顯優勢：（1）發動機轉速下降后，會降低零部件運轉速度，延長運轉時間，從而延長運轉系的壽命，提高整體可靠性。（2）經濟性方面，通過發動機的低速和大扭矩，適配小速比的后橋，可以降低傳動系統的速比，提高傳動效率。公交車常用的工況就是在發動機低轉速范圍內，通過提升發動機低速大扭矩來提高 車輛的起步動力性；通過匹配多擋箱與小速比后橋，優化整車的動力總成，可實現節油10%左右。（3）舒適性上，低速動力產品具備低噪聲、低振動優勢，可以降低整車噪聲、振動，提高車輛乘車舒適性。采用合理的動力總成配置可以減少駕駛員換擋頻率，降低了駕駛員的勞動強度。

節能也是減排。如何實現客車的節能，除了發動機本身性能優化以外，我認為目前最能快速見效的方法就是整車動力總成的匹配優化。

濰柴在動力總成匹配上有先天的優勢，集團內就有發動機、變速箱、后橋等動力總成核心資源。前幾年，濰柴重金打造了動力總成試驗臺、重型轉鼓試驗臺、輕型轉鼓試驗臺等，專門成立了上海動力總成研究院進行動力總成匹配研究；在動力總成的匹配研究與應用上都有了深厚的積累。

在實際車型匹配上，濰柴一直堅持模擬分析與試驗測試相結合的方式，針對不同區域、不同工況、不同環境條件下，為整車廠、用戶提供最經濟、最合適的動力總成解決方案。

動力匹配還包括進排氣、冷卻、轉向系統、剎車系統、整車供電等多個方面，這些系統都會影響到發動機運行的經濟性、動力性。為更好地將發動機性能發揮出來，使整車動力匹配更合理，濰柴特別成立了應用工程部，專門負責發動機在整車上的匹配工作，目前已發展到300余人。

在節能減排技術上，濰柴有多種途徑，比如通過輔助系統對發動機進行優化，發動機在怠速或低速區域時，通過輔助方式對進氣系統進行優化，增加進氣量。發動機輔助啟動，特別針對北方地區寒冷季節，優化啟動性能之后，可以減少啟動次數，進而減少燃油的消耗。在發動機熱管理方面，通過發動機精確控制、降低電磁風扇的無用功耗，以提升經濟性。再者，還有多功能開關，可以實時調整發動機的輸出功率，使其保持在經濟有效狀態，避免額外功率的輸出。

另外，通過對空壓機、液壓泵、發電機等系統的優化匹配，也可一定程度上實現節能減排。濰柴在行業內率先使用雙并聯技術，實現整車集中供電，提高了發電機的利用效率，降低單個發電機的額定功率，從而降低了發電機的采購成本。

值得一提的是，濰柴正在研發智能輔助駕駛系統，不同的駕駛員在同一條線路上行駛，油耗不相同，通過開發智能輔助駕駛系統，使得不同的駕駛員在不同的操作方式下，發動機都能保持在經濟區域內，以實現節能減排的目的，這也是節能技術未來的發展方向。

唐颋：錫柴也是經過了對公交工況的路譜分析后，產品逐漸往低轉速大扭矩方向發展。早期的產品是基于穩態的工況，但對于電控柴油機而言，瞬態的工況對于燃油經濟性和排放意義重大，如果在整車上做這方面的研究，目前我國車載設備的精度不夠，成本很高，周期也很長。錫柴就用路譜分析的辦法，加上特定的算法，把路譜變成發動機在臺架上運行的動態工作譜，在臺架上來模擬、分析瞬態工況，這樣研發出的產品油耗將更低。

錫柴在技術上還有一項重要的技術應用，就是可變噴嘴渦輪增壓技術（VNT）。目前應用較多的SCR技術雖然可以達到國Ⅴ，但尿素結晶的問題很難解決，包裹技術、低溫后處理催化裝置都不能完全解決這一問題。VNT技術可以提升發動機功率、增加扭矩、節省油耗、降低排放，尤其可以加快響應，它對降低瞬態油耗的貢獻非常大。再一個就是發動機怠速時關閉技術（Start-Stop），這項技術的節油效果可以達到5%。要知道，公交車的怠速工況占到運行時間的40%—50%，這些是可以節油的關鍵時間點，Start-Stop系統在發動機怠速時關閉發動機，進而節約了燃油。公交車的負荷率相對于卡車來說還是低的，換油周期方面，卡車和客車差不多，錫柴有項新技術可以對機油進行監控，在該更換機油的時候會加以提醒，很大程度上可以節約機油，這也是很有價值的一項技術。這兩項技術都會在明年推出。

濰柴有智能輔助駕駛系統，我們也有類似的技術——載荷判斷裝置，根據車輛負荷，系統會告知駕駛員應該掛哪個合適的擋位。目前，錫柴正在打造自主的車載電腦（ECU）系統，這方面，博世和電裝幾乎壟斷了國內的共軌市場。共軌系統中有那么多零部件，到底哪個是核心零部件？分析下來，其他部件都可以替代，唯一暫時不能替代的就是ECU。錫柴認為，其他部件自主不自主，對這個產業來說影響不大，唯有ECU實現自主，對國產品牌來說意義重大。當前，國際上已經把節油放到了環保的前面，節油的話會用到很多控制器，水泵、機油泵，這些原來由機械控制的都要變成電控，而實現電控的核心就是ECU，從國Ⅳ、國Ⅴ甚至國Ⅵ，全電控的節油技術的最終集成和產業化都要在ECU上實現。所以我們只有擁有自己的ECU，才真正擁有了話語權。

柴油發動機的節油潛力有多大，我認為20%的數字還是比較靠譜，但技術的建立是有代價的，20%應該是指使用柴油機的整車的節油潛力，而且針對的可能不是公交車，應該是集裝箱的運輸車，通過流線型的設計優化或者比較流行的隊列駕駛，長途的重載車輛的運輸可以降低20%的油耗。我們需要清醒地認識到，在這里得到了，在其他地方就失去了，對于混合動力或者純電動公交車來說，燃油省了，但電池要消耗電量，我們要看從油井到車輪這一個過程中總體的能量消耗。這應該由國家算總賬，而不是由企業算小賬。但可以肯定的是，柴油機是所有類型的發動機中，經濟性最好的一種產品。

王輝：玉柴有著先進的開發流程和先進的管理經驗。玉柴單體泵的ECU已批量化生產，SCR控制器也已在北京等市場使用。

在發動機技術上，玉柴有以下應用：一是清潔的燃燒技術，這項技術有利于燃油的混合，實現燃燒的清潔和發動機的節能；二是領先電控自主標定技術；三是使用兩級增壓技術，其響應性、實現高強化的能力更強；四是省油開關；五是使用缸內制動技術，在車輛連續下坡時提高55%的制動力，減少事故的發生。

主持人：石家莊公交總經濟師于新泉表示，“現在，發動機生產企業大都是做一個公路通用的機型，然后再去往各種車型上匹配。”實際上，公交有特殊的運行工況，企業應該研制公交專用的發動機，那么，在此方面，生產企業都已掌握了哪些技術，哪些技術正在探究或面臨瓶頸？公交專用發動機又有哪些指標和特點？柴油發動機的節油潛力有多大？公交企業在使用過程中都遇到了哪些問題？您認為，我國的發動機與國外產品相比，差距究竟在哪里，國產品牌的出路又在何方？

唐颋：公交專用發動機方面，早在10年前錫柴就明確卡車配置、公交配置要分開，打造公交專用發動機也是錫柴一直強調的一個概念，根據路譜來設計其燃油經濟性，包括動力總成的匹配，以保證低油耗。在公交發動機核心零部件的選配上，我們永遠選擇最優的產品，既有國內供應商，也有國外供應商。錫柴把公交產品看作是旗幟性產品，所以要把公交產品做到最好。公交專用發動機，每個城市需求不一樣，平均車速有高有低，負荷率不一樣，動力總成匹配時要考慮這些問題。

王輝：玉柴對公交用車的理解是：公交的運行時速都比較低，起步、加速頻繁，站點多、紅綠燈多，二擋起步比較快，運行轉速比較低，一般每分鐘800—1300轉。有的線路時速比較快，對發動機提出了新的要求。公交發動機的匹配偏向于低速、中高負荷，要避免低負荷時摩擦功對油耗的影響。專用發動機的研發上，玉柴采集典型的公交路譜，根據運行工況有針對性地進行性能開發。根據仿真的結果來確定控制策略，根據市場化的差異來確定發動機的狀態。玉柴公交專用發動機的特點是根據客車的使用工況來開展，零部件的選型也是根據公交的工況來開展的，專用的發動機上也集成了并聯的電機，空調的壓縮機也整合在發動機上，在排氣管的設計和高溫線的處理和維護方面也做了大量工作。

邢敏：今年，國務院辦公廳發布《關于加強內燃機工業節能減排的意見》，明確提出內燃機要進一步節能減排。從產品的角度來講，節能減排是重中之重，如何借助政策促進節能減排技術的提升，行業都在談這個問題，內燃機工業協會也正在做課題，立志于加強內燃機技術的綜合提升，讓內燃機更環保更節能。國辦文件強調在重點11個領域中，將噴射系統、中冷風扇、后處理技術作為重中之重來全力解決。我認為，企業的主要精力應該放在傳統內燃機的改造上，通過技術的提升來解決目前存在的問題，比如進一步提高熱效率等等。

經過幾十年的追趕，即便說國產發動機已經比較先進了，也只是在中低端產品上的先進，還沒有到中高端的水平。從另一個角度來說，我們的產品本身與國外產品的差距并不是很大，因為國產產品大都是采購國際上先進的零部件，產品品質并不差。在研發上，濰柴有100多個實驗室，在國際上沒有第二家這樣的企業。去年的國家科技進步獎，內燃機行業就有3個。可見，我們的研發能力也不弱，但有一點不得不說，盡管國內企業發展很快，盡管也有自主研發，但沒有一家在賣技術，這就是差距。可以說，我們的產品的有些指標不比國外差，我們與國外的差距主要在起點上，就差在一些關鍵技術上。因此，做大做強是國內企業發展的方向。

裴志強：長春地處東北地區，冬季寒冷，要求發動機的冷啟動能力要強。我認為低速發動機要有其針對性，現在，郊區線路開始發展，它往往不是低速的運行狀態，它用的發動機就不能是低速大扭矩，因此，針對不同的需求應該有不同的研發重點。

徐鑫：北京公交集團八方達公司，現有5000多輛車，由于北京對環保要求比較嚴格，電控柴油機早在2003年就出現了，那時候用的電控柴油發動機都是進口品牌，以康明斯、依維柯為主，2005年開始使用玉柴柴油機。

從使用情況來看，國外產品與國內產品在性能上差別不大，核心部件都是博世系統，單體泵是德爾福的。具體區別是：進口發動機故障率略低、可靠性要略高，但維修的價格、成本、方便性上不如國產機器，我們認為國產發動機有自身優勢。現在，修理康明斯發動機的標定程序、監測軟件都要付費，對方提供密碼后才能維修。希望國產品牌在核心部件和關鍵技術上能夠有所突破。另外，我們希望自主品牌增強通用性，目前通用性較差，不便于用車單位的維修保養管理。

褚永森：隨著國家新能源政策、環境保護政策的實施，公交面臨的壓力越來越大，由于它對污染的貢獻率比較高，因此備受社會關注。

上海巴士與錫柴、玉柴都有長期合作，與濰柴的合作也已開始，各企業在為公交提供適合的發動機產品方面都做了很多工作。我認為，發動機企業必須對公交的路譜工況做深入了解，有很豐富的數據資源之后，才能進行發動機的開發及其與整車的匹配優化。

現在柴油機領域有個悖論，那就是中冷器和散熱器，現在都是摞在一起，發動機的曲軸在轉，帶動風扇工作，不冷的時候轉，冷的時候它也在轉，而中冷器的要求和散熱器的要求不一樣，中冷器的要求是給增壓器內出來的氣體降溫，降到一定程度，柴油機的出氣系數會更高，但散熱器對溫度的要求不是越低越好，而是越高越好，這就產生了悖論。風扇的功耗跟轉速的3次方成正比，發動機轉得越快，風扇的功耗會拼命往上漲，這個問題如何解決需要思考。

還有個問題是發動機水溫過低。從節能減排的角度，發動機水溫低了對機器磨損、對能耗、對燃燒效果都不好。不用說長春這種比較冷的地區，就是長江中下游地區，發動機工作時的水溫也會很低，冬天發動機的溫度只有40多度，怎么保證燃油在低溫下有個好的燃燒環境是個大問題。

作為使用單位來講，對發動機主要有四點要求：一是發動機的響應速度要快，操控性要平順。二是維修要方便，譜系不能太復雜。現在有很多車，維修工根本沒辦法接近，維修極不方便。三是運營成本要低，燃油的經濟性要好，機油的消耗量也要少，維修成本要低。四是現在的車越來越重，為了達到一個比功率、比扭矩，一定噸位的車輛似乎一定要達到一個多大的馬力才行，這就造成發動機功率越配越大、整車越來越重。我們的安全檢測線，以前配置的是7噸級的設備，后來10噸，現在又到了13噸。這樣的整車就不是節能減排了，而是以整體的高能耗為支撐的。

現在公交發展很快，縣級城市都開辟公交路線，大功率柴油機、空調車已成尋常配置，生產企業應該給他們提供更好一些的服務。

國產的和進口的發動機，差距并不是十分明顯，國產的跑冒滴漏現象多一點，希望國內企業把跑冒滴漏的情況解決。2007年，上海開始使用電控發動機，國內企業的發動機上貼有標簽：發動機上禁止水沖，但一輛車要用8年、12年，怎么保證干凈、防火，不用水怎么辦？用干冰來洗，雖然洗得很干凈，但干冰都是二氧化碳，污染環境，而且容易把線束都打壞了。還有一種發動機清洗劑，其實對環境的污染不小。我想這個問題在全國都存在，后來我們采取了技術措施，還是用水洗。如果跑冒滴漏少一點，我們水洗的次數就會少一些，發動機的使用壽命便會更長。

柴油機的節能潛力是很大的。對于發動機來說是節油為王，節油對環境保護、對節約資源都有好處。12米的公交車，很多地方百公里都是30多升的油耗，我們最好的駕駛員曾經達到18.5升，還是在帶客營運的狀態下創造的。擁有一萬輛公交車的上海巴士集團近3年以每年單耗下降0.5升以上的成績不斷降低燃油單耗，可見柴油機節油潛力之大。我認為，把柴油機變成更干凈、清潔的產品，才是最好、最可行的出路。（完）