中国节能汽车技术发展报告

2020-03-30 08:59:09 caoyu 22


图片关键词

图片关键词

图片关键词

图片关键词

图片关键词



中国节能汽车技术发展报告


总报告

第一章 节能汽车技术发展动态

一、汽车产业发展宏观环境

(一)汽车行业发展形势趋于严峻

全球汽车销量在2017年达到9680万辆的历史最高水平,2018年出现首次下滑,销量为9560万辆,同比下滑1.24%。2018年,我国汽车产业受宏观经济调整、中美贸易摩擦、国Ⅴ和国Ⅵ排放标准切换等多种因素的影响,产销量结束28年来持续增长的势头,产销分别完成2780.9万辆和2808.1万辆,比上年同期分别下降4.2%和2.8%。2019年1~6月,我国汽车产销量继续下滑,分别为1213.2万辆和1232.3万辆,同比下降13.7%和12.4%。

(二)发展节能汽车是保障国家能源安全的重要措施

根据《2018年国内外油气行业发展报告》,2018年中国石油净进口量4.4亿吨,同比增长11%,石油对外依存度升至69.8%,预计2019年中国的石油对外依存度还将继续上升,原油和石油的对外依存度有望双双突破70%。2014~2018年,我国石油对外依存度快速上升(见图1.1),从2015年首破60%的大关到2019年破70%的大关(预计),仅仅用了4年时间。

图片关键词

1.1 2014~2018年中国石油进口量及对外依存度

汽车成品油的巨量消耗已成为我国石油对外依存度持续攀升的主力推手之一,在未来5~10年,我国汽车工业格局仍将以传统汽车为主,因此推动传统汽车节能化发展可大幅减缓成品油消耗量增长速度,从而有力保障国家能源战略安全。

(三)发展节能汽车是打赢“蓝天保卫战”的重要手段

近年来,我国城市大气污染日趋严重,雾霾现象频频出现,引发民众和政府的重点关注。党的十九大报告提出打赢蓝天保卫战,这是继《大气污染防治行动计划》以来,我国整治污染排放、提高环境质量的另一项重要举措,2018年以来各地区积极响应“蓝天保卫战”,并制定了各自的行动方案(见表1.1)。

1.1 2018~2019年各地区行动计划发布情况


地区

发布时间

文件名称

郑州市

2018年2月6日

《郑州市2018年大气污染防治攻坚战实施方案》

安徽省

2018年2月23日

《2018年安徽省大气污染防治重点工作任务》

北京市

2018年3月21日

《北京市蓝天保卫战2018年行动计划》

深圳市

2018年4月21日

《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》

陕西省

2018年4月22日

《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动计划(2018~2020年)》

广东省

2018年5月7日

《广东省打赢蓝天保卫战2018年工作方案》

天津市

2018年5月30日

《天津市2018年大气污染防治工作方案》

湖南省

2018年6月18日

《湖南省污染防治攻坚战三年行动计划(2018~2020年)》

珠海市

2018年7月2日

《珠海市打赢蓝天保卫战2018年工作方案》

上海市

2018年7月3日

《上海市清洁空气行动计划(2018~2020年)》

山西省

2018年7月29日

《山西省打赢蓝天保卫战三年行动计划》

山东省

2018年8月3日

《山东省打赢蓝天保卫战作战方案暨2013~2020年大气污染防治规划三期行动计划(2018~2020年)》

广西壮族自治区

2018年8月6日

《广西大气污染防治攻坚战三年作战方案(2018~2020年)》

吉林省

2018年8月9日

《吉林省落实打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》

天津市

2018年8月23日

《天津市打赢蓝天保卫战三年作战计划(2018~2020年)》

云南省

2018年9月11日

《云南省打赢蓝天保卫战三年行动实施方案》

贵州省

2018年9月25日

《贵州省打赢蓝天保卫战三年行动计划》

重庆市

2018年9月29日

《重庆市贯彻国务院打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》

辽宁省

2018年10月13日

《辽宁省打赢蓝天保卫战三年行动方案(2018~2020年)》

江苏省

2018年10月17日

《江苏省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》

甘肃省

2018年10月23日

《打赢蓝天保卫战三年行动作战方案》

浙江省

2018年10月24日

《浙江省打赢蓝天保卫战三年行动计划》

湖北省

2018年10月27日

《湖北省打赢蓝天保卫战行动计划(2018~2020年)》

黑龙江省

2018年11月17日

《黑龙江省打赢蓝天保卫战三年行动计划》

石家庄市

2018年12月29日

《石家庄市打赢蓝天保卫战三年行动计划(2018~2020年)》

福建省

2018年11月6日

《福建省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》

青海省

2018年11月24日

《青海省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案(2018~2020年)》

广东省

2018年12月29日

《广东省打赢蓝天保卫战实施方案(2018~2020年)》

四川省

2019年1月12日

《四川省打赢蓝天保卫战实施方案》

甘肃省

2019年5月15日

《甘肃省打赢蓝天保卫战2019实施方案》

阳泉市

2019年8月23日

《打赢蓝天保卫战2019年行动计划》

中国是世界上最大的CO2排放国,2013年,CO2排放量占全球的1/4,中国现已通过技术改良和节能措施,成功降低了一些城市的工业排放率,但经济的快速增长意味着增加的碳排放量比减少得更多。如果没有缓解,中国的CO2排放量在未来15年增加幅度将超过50%。为了应对大气污染,我国在巴黎气候大会上郑重承诺:“CO2排放2030年前后达到峰值并争取尽早达到峰值,2030年单位GDP CO2排放相比2005年下降60%~65%。”

CO2排放量的25%来自汽车排放,汽车节能减排对整个社会的节能减排有重要的意义。传统汽车基数大,减排空间也较大,将是汽车工业支撑巴黎气候大会2030年承诺目标达成的“排头兵”。

(四)发展节能汽车是实现《中国制造2025》和汽车强国的重要途径

节能与新能源汽车是《中国制造2025》重点发展的十大领域之一,是汽车产业未来发展的主攻方向,因此必须大力推进传统汽车节能化发展,谋求核心技术重点突破,加快基础理论、产品技术、装备制造等各个环节水平的提升,促进自主创新能力比肩国际先进水平,从而鼎力支撑《中国制造2025》的顺利实施。

无论是从创新驱动发展,还是国民经济的可持续健康发展来看,具有大规模效应与产业关联带动作用的汽车产业都应是战略必争产业。汽车产业以其在国民经济中的重要地位和对经济增长的重要贡献被列为国家的战略性竞争产业。我国必须加强技术创新、跨产业协同融合等规划,加快推动实现汽车产业在新一代信息技术、清洁能源技术发展大背景下的转型和变革,这样才符合汽车强国的发展要求。

(五)汽车“四化”催生产业变革

汽车呈现电动化、智能化、网联化、共享化四大发展趋势,传统汽车行业正面临巨大的转型升级压力。发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车,成为当前我国公认的主要发展方向;汽车已经成为新技术应用的重要载体,以人工智能、大数据及云计算等为代表的新一轮科技革命正推动汽车产业转型升级,智能化已经成为汽车行业未来的发展方向;在智慧城市和智能交通体系建设的大环境下,以车联网(车与车/人/基础设施互联互通)为代表的汽车行业网联化趋势将成为重要的组成部分;共享出行方式正在从商业模式创新和移动互联技术创新两个方面为居民出行提供更多选择,也改变着汽车的产业模式。

二、节能汽车发展标志性进展

(一)先进发动机热效率已突破40%

国际一流车企已量产推出热效率接近或已突破40%的先进发动机产品。在自然吸气发动机上,以日韩车企为主的一流车企均已量产多款热效率大于40%的发动机,如图1.2所示。如丰田基于其TNGA架构推出的2.5L常规发动机热效率达到40%,同平台的2.5L混合动力专用发动机热效率达到41%,为当前量产热效率最高的机型;本田第三代i-MMD采用的2.0L混合动力专用发动机热效率达到40.6%;现代1.6L发动机的热效率达到40%。在涡轮增压发动机上,量产机型的热效率逐步接近40%,如大众EA211的新机型1.5TSI evo和本田1.5TGDI两者的热效率均达到38%,日产2.0T发动机热效率达到39%;在研机型的热效率已接近或超过40%,如马自达宣称其SKYACTIV-X 2.0L发动机的热效率已达到48%。

图片关键词

图1.2 国内外主机厂高热效率发动机(含部分规划)

国内主流车企正朝着40%热效率加速靠近,大量38%~40%热效率的发动机产品在研。如一汽的CA4GC20TD-2.0T机型,通过增压米勒技术组合实现了39%的热效率;广汽的增压米勒三缸机型1.5TM达到38.5%的热效率,其同平台产品2.0TM可达到39.4%的热效率;长安的1.5TGDI机型,通过深度米勒循环和高压缩比的技术组合已实现了40%的热效率。

同时,为应对逐步加严的油耗法规,国外主流车企和研究机构正通过技术探索,促进发动机热效率朝50%甚至更高的方向发展。如马自达在研的SKYACTIV Generation3实测热效率已达到56%;现代规划在2035年通过稀薄燃烧、可变压缩比、余热回收等技术实现50%热效率;德尔福通过采用多次后喷技术、增压技术、进气加热、废气再循环(Exhavst Gas Recirculation,EGR)、可变气门驱动(Variable Valve Actuation,VVA)等技术,未来将推出第四代GDCI发动机,热效率预计达到48%。

(二)发动机先进技术取得突破

世界首款采用可变压缩比(Variable Compression Ratio,VCR)技术的发动机——日产KR20DDT-2.0T于2018年上市,标志着全球研究超过30年的可变压缩比技术正式取得突破实现量产。

对于常规定压缩比发动机,提高压缩比在外特性区域会导致爆震和过高的缸内压力。为保证全负荷不发生爆震,压缩比被限制于较低范围,热效率无法显著提升。而在部分负荷工作条件下,缸内燃烧温度和压力比较低,在不发生爆震的前提下,缸内压力还有较大的提升余量,此时提高压缩比将提高发动机热效率。

为有效解决常规定压缩比存在的弊端。日产KR20DDT-2.0T通过电机辅助控制的多连杆机构改变活塞上止点,从而改变燃烧室容积和压缩比(连续可调),实现其可变压缩比范围8.0~14.0。同时,日产KR20DDT-2.0T发动机根据负荷的变化调节压缩比,既很好地调节高压缩比和爆震的矛盾,又可确保发动机工作范围内获得合适的压缩比,提高发动机输出功率和热效率。如高负荷区域,采用低压缩比,抑制爆震现象发生,提升发动机外特性;在低负荷区域,采用高压缩比,提高发动机热效率,降低油耗。

(三)自动变速器成为市场主流,多挡化、宽速比成发展趋势

近几年,我国自动变速器呈爆发式增长,市场占比由2015年的50%左右上升至2018年的70%左右。根据我国汽车变速器发展趋势,预计未来自动变速器市场份额有望进一步提升。全球范围内最新推出的变速器产品中,多挡化、宽速比是主要的标志之一。在部分业内人士还在讨论多挡化必要性的时候,各主流厂家已经纷纷推出了其多挡化产品,多挡化趋势已经形成。6AT、7DCT等已成为市场主流,取代了之前的4AT、5AT等自动变速器,未来将向更多的8挡、9挡发展。

在AT方面,采埃孚公司的8HP系列8AT,该系列已推出十年时间,虽然挡位数一直没有增加,但其速比范围却持续提高,从第一代的7.1到第二代的7.8,再到第三代的8.6,其对发动机工作点的调节效果可等同于增加了挡位。奔驰推出9G tronic系列9AT来取代上一代的7G tronic,挡位数直接增加2挡,多挡化趋势明显。日本爱信在AT多挡化及提升速比范围方面也在持续进行优化。爱信推出的第三代6AT相对于第二代速比范围增大了10%。更于2017年推出了全球首款纵置10AT产品,而通用汽车与福特汽车紧随其后,于同年共同推出了其纵置10AT产品,将挡位数首次提升到两位数。

在DCT方面,目前7DCT已成为各主机厂的标配。保时捷及本田,则各自推出了其纵置8DCT产品,用以匹配其高性能车型。长城正在研发的9DCT,速比范围达到了8.2。

CVT具有结构简单、成本相对越来越低的优点,近几年各CVT巨头也加大投入,相继推出速比范围达到7的先进产品。丰田新研发的Direct Shift-CVT中集成了一个1速起步用齿轮,目的是降低机械损失、扩大传动比范围以及提高变速响应。通过采用起步用齿轮,将原有的带传动设置在高变速区,使传动比范围提升至7.5。已于2008年停产CVT的通用公司在2015年已经重新启动CVT开发。2019年新推出的迈锐宝1.3T系列车型已经广泛搭载通用的VT40系列CVT,传动比范围提升至7。Jatco的CVT8系列产品速比范围也达到7。

(四)混合动力通过系统优化和升级,实现整车油耗改善

混合动力是个系统级的概念,混合动力整车油耗和经济性的体现,是一个系统工程,需要在“整车+发动机+机电耦合装置+电机+电池+多能源管理”进行系统优化和升级,实现整体油耗的改善。

目前日本三个有代表性的企业分别为丰田、本田和日产,分别采用混联系统、串并联系统和串联系统,都取得了比较好的整车油耗。典型的第四代的Prius整车重量为1420kg,在日本JC08工况下的油耗为39km/L(2.56L/100km)。日产的e-power串联式混合动力整车重量约为1250kg,在日本JC08工况下的油耗为37.2km/L(2.69L/100km)。典型的例子是Prius按照JC08循环,从第一代到第四代,油耗从28km/L优化到第四代的39km/L,均是通过从“整车(滚动阻力、风阻、制动系统能量回收)+发动机+机电耦合装置+电机+电池”的每一部分的效率提升来实现的。

(五)单一ECU系统控制成为天然气乘用车主流发展路线

在国Ⅵ排放法规之前,天然气乘用车的主要技术路线是基于汽油车,增加一套燃气供给装置和燃气控制系统的方案,即外挂式双ECU方案。双ECU方案是基于汽油ECU进行工作的,须处理好汽油和天然气两种燃料的协同,以免影响车辆性能。另外,车辆排放一致性控制难度较大。

在国Ⅵ排放实施后,排放限值进一步降低,特别是国Ⅵ-b阶段,排放限值较国Ⅴ法规有大幅下降,以第一类车为例,CO和THC限值降低了50%,NMHC限值降低了49%,NOX限值降低了42%;国Ⅵ排放法规增加了实际行驶污染物排放试验(RDE),对车辆在实际使用过程的排放进行监控,要求控制系统具备全工况的排放精确控制能力;国Ⅵ排放法规对OBD系统要求也有较大的提高,IUPR率要求也有提高。双ECU方案难以满足国Ⅵ排放法规的要求。

单一ECU系统是在一块ECU内集成了对汽油和天然气两种燃料的控制策略,汽油和天然气的策略基础基本相同,并针对天然气的燃料特性增加专用的控制策略,控制能力相对双ECU方案大幅提升,可以满足国Ⅵ排放法规要求。

(六)重型柴油发动机绝对热效率突破50%

在商用车领域,近年来,在美国能源部的推动下,先后开展了超级卡车Ⅰ(2010~2015)和超级卡车Ⅱ(2016~2021)项目,重型发动机在绝对热效率方面有了很大的提高。其中超级卡车 Ⅰ 项目达到50%的绝对热效率(包括废热回收),超级卡车 Ⅱ 更是提出发动机在不使用废热回收的情况下,达到50%的绝对热效率,使用废热回收的情况下,发动机绝对热效率达到55%。

发动机燃烧效率是发动机热效率非常重要的一个部分。优化燃烧室来提高燃烧效率是很有效的一个手段。例如,沃尔沃基于精确的燃烧CFD模型,对发动机的燃烧室进行了优化,热效率相对提升2%(油耗提升需要相关技术的配合,包括进气系统和后处理系统)。如图1.3所示,基础燃烧室的燃油喷射和燃烧火焰在相遇时,造成明显的火焰速度损失。当火焰在富油区相遇,氧气消耗殆尽,就会产生碳烟。在燃烧室边缘加上“脊梁”,燃烧火焰会循环再进入燃烧室中央,保持火焰速度进入富氧区,从而使燃烧更加彻底。

图片关键词

图1.3 不同结构燃烧室的燃烧情况

三、节能技术发展路径

乘用车领域同步执行结构节能与技术节能的发展路径,以提升混合动力及48V系统应用占比、动力总成优化升级为重点,以降摩擦、替代燃料分担、轻量化及小型化为支撑,全面降低传统汽车的能耗水平;商用车领域以动力总成系统优化、整车动力学、智能化节能技术为重点,大幅提升整车效率;以混合动力、替代燃料、轻量化为支撑,在减少车辆运行能耗损失的同时,实现车用能源低碳化、多元化发展。

(一)乘用车重点执行三大节能发展路径

1.大力发展混合动力

混合动力车型节油效果明显,国内已不同程度地掌握系统构型及关键零部件的研发能力及产业化能力,大规模发展混合动力的条件已经具备。到2025年,形成自主可控完整的混合动力汽车产业链,混合动力汽车平均油耗优于4.2L/100km(WLTC工况);到2030年,深入挖掘乘用车节能潜力,在扩大混合动力应用规模的基础上实现有利于节能的汽车产品结构调整,产业化应用前瞻性技术,混合动力车型平均油耗降至3.8L/100km(WLTC工况);到2035年,系统匹配开发混合动力汽车,混合动力车型平均油耗降至3.6L/100km(WLTC工况)。

2.动力总成持续升级优化

国内乘用车汽油机热效率目前正朝40%逐步靠近,仍存在10%左右的节能提升空间,同时通过发展多挡位自动变速器和提升变速器效率,可实现节能效果进一步提升。到2025年通过米勒循环/阿特金森循环+高压缩比技术,提高发动机热效率至42%~44%;到2030年通过可变压比、稀薄燃烧等技术小规模产业化应用,提高发动机热效率至46%~48%;到2035年持续加强高压喷射、高能点火和余热回收等技术,提高发动机热效率至49%~50%;同步配合多挡位电气化变速器的升级换代,优化变速器机械结构,提升传动效率,降低整车油耗水平。

3.提升电子电器节能效果

掌握关键电子电器产品研制能力和系统集成能力,持续提升整车电动化水平,合理控制整车能量分配,持续降低车载电器设备的用电能耗。

(二)商用车重点执行三大节能发展路径

1.动力总成系统优化升级

重点通过燃烧系统、燃油系统、进排气系统、后处理系统、废热回收系统、控制系统、发动机摩擦及系统集成的全面优化提升发动机绝对热效率,达到55%的水平。同时兼顾混合动力技术的发展,推进48V混动、高压混动的应用,提升整车附件电气化水平。大力发展低转速大扭矩发动机+多挡MT/AMT+小速比驱动桥动力总成模式,掌握AMT核心智能控制技术,实现商用车AMT标配。小速比驱动桥应用技术达到世界先进水平。

2.持续提升整车动力学技术

国内商用车动力学技术经过近50年的发展,与欧、美、日的差距不大,接近国际先进水平,同时国内排放及燃油限值方面的法规加严,也在推动动力学技术的高速发展。建议后期重点发展空气动力学技术、低滚阻技术、轻量化技术。

3.深入研究智能化节能技术

以道路预见为主的智能辅助驾驶系统,目前还处于研究探索阶段,尚未有成功的案例。此类节能技术,对于标准的循环工况没有明显的节能效果,但对实际使用工况有效果,建议逐步优化智能化节能技术发展环境,未来基于智能网联基础,重点发展道路预见技术和列队行驶,实现全场景、全车辆的应用,实现运行能耗的大幅降低。

四、支撑保障建议

(一)重视传统动力

短期内车型结构仍以传统动力为主,政府和行业避免因发展新能源汽车而忽视了对传统汽车的投入。纯电动汽车和氢燃料汽车等新能源汽车技术的成熟和普及还需要一段时间,短期内传统能源依然是汽车动力的主要来源,通过应用高效动力总成、混合动力以及整车节能技术是现阶段降低车辆能耗的首要选择,也是缓解能源压力和环境问题的重要手段。

(二)行业政策设计时对节能汽车进行一定引导

出台行业相关政策时对节能汽车进行引导,鼓励节能汽车生产、研发及消费;对核心技术研发及产业化单位给予一定强度的政策扶持,帮助其迅速实现核心节能技术产业化。

(三)遵循基本发展路线

遵循产业培育、技术优化、有效竞争、扩大份额的基本发展路线,扩大替代燃料的节能推广应用。在既有动力技术条件下,发展替代燃料的专属解决方案,突出替代燃料的竞争优势;完善替代燃料发动机正向开发平台技术建设,以排放标准体系为背景,规范市场竞争,加大技术研发投入,发展高效节能技术,逐步提升替代燃料的应用水平,实现高质量发展。

(四)提升车用燃油稳定性

提升我国市场上的车用燃油质量稳定性。建议尽快出台相关化合物或元素的检测手段,并加强监管;加强燃油组分运输、存储、调和过程中的质量控制,使管理更加精细化、程序化、系统化;通过质检、环保、工商、经信等多部门合作,加大对市场供应油品质量的抽检,切实规范市场行为。

(五)加强与炼油行业合作

加强汽车行业和炼油行业的深入合作。车用乙醇汽油的全面实施不仅对我国炼油行业汽油池的组成产生深远的影响,对汽车动力性能、排放性能及燃油经济性能的影响也将引起汽车行业的关注,因此汽车行业和炼油行业应深入合作,加强油—车相互关系及适配性方面的研究,以制定符合我国炼油工业和汽车工业现状的燃油标准,促进我国炼油工业和汽车工业稳定持续发展。


市场篇

第二章 国外节能汽车市场现状及发展趋势


一、国外节能汽车发展现状

(一)美国

1.基本情况

经历了2017年的微下跌后,2018年的美国汽车市场终于再次迎来了增长。2018年全年美国轻型汽车销量为1733.4万辆,增长幅度为0.6%(见图2.1)。停降反增的一个重要原因可能是2018年的美国油价止住了上涨的势头,反而在第四季度开始下降。

图片关键词

图2.1 2014~2018年美国轻型车销量及增长率

在节能方面,只有混合动力车和插电式混合动力车能够提前满足2025年目标值,而插电式混合动力车因为电耗需要折合成油耗,与混合动力车相比没有明显的节能优势。VVT技术、汽油缸内直喷技术、涡轮增压小型化技术、先进柴油机技术等在美国市场均有较大规模应用,由于2018年最后三个月美国电动汽车销售量激增120%,而同期欧洲则增长了33%,使美国以36.1万辆的销售成绩超过欧洲的30.2万辆销售量,成为全球第二大电动市场。

2.能耗水平

美国2012年8月发布了针对2017~2025年车型(第二阶段)的轻型汽车燃料经济性及温室气体排放规定。规定提出,2025年乘用车新车平均能耗为55.3~56.2mpg,约合4.3L/100km。2018年美国大部分传统汽油车综合油耗高于5.7L/100km的水平(2018年美国CAFÉ油耗水平),大部分混合动力汽油车及插电式混合动力汽油车综合油耗水平低于5.7L/100km(见图2.2)。

图片关键词

图2.2 2018年美国市场新车油耗分布

3.最近技术动向

(1)乘用车方面

涡轮增压、发动机小型化、可变气门正时技术辅以热管理、低摩擦技术成了美国发动机节油的主流技术路线,并且美国三大汽车公司始终坚持对自动变速器的研究,随着6挡AT变速器已然成为标配,8挡AT变速器慢慢普及以及CVT变速器的开发与应用,美国乘用车燃油经济性大大提高。除了在传统动力总成上深挖节油潜力,通用和福特也开发了各自的混合动力系统,如通用的eAssist Gen3系统和福特的eCVT混合动力系统,在原有缸内直喷发动机的基础上,增加驱动电机、智能电驱单元、大容量三元锂电池等组成混合动力系统,驱动电机低速大扭矩的特点弥补了燃油发动机低速扭矩差的缺点,系统通过锂电池高压供电,可以在启停阶段实现纯电驱动,在加速阶段与发动机同时工作,平顺扭矩,提升加速,更能在平稳驾驶的同时实现制动能量回收,使整车燃油经济性和动力性均得以改善。

(2)商用车方面

相比发达的乘用车行业,美国客车在全球范围内的影响力很小,借助于“超级卡车”项目,在优化空气动力学性能的基础上,目前长途8级车辆实际运行的油耗,较好的水平可为22L/100km左右;柴油发动机技术借助于“超级卡车”项目不断突破,使用一台20kW的电机与柴油机耦合,并增加余热回收系统,预计可以实现有效热效率提升4%。目前美国卡车整车风阻系数保持在0.4~0.5,预计2025年有望为0.4以下,2035年预计为0.35以下水平,卡车主流产品普遍采用C级轮胎,滚阻系数为5~6N/kN,部分产品选用B级轮胎,滚阻系数为4~5N/kN,预计2025年主流产品普遍采用B级轮胎,部分产品选用A级轮胎,滚阻系数小于4N/kN,2030年主流产品普遍采用A级轮胎,滚阻系数为3.5~4N/kN,2035年主流产品普遍采用A级轮胎,同时滚阻系数保持在3.5N/kN以下。借助于道路预见技术——“I-See”和动态巡航技术,通过在各种实际道路上的模拟测试,平均可以减少5%的燃油消耗,尤其是在小的山路条件行驶时的优势最为明显。

(二)日本

1.基本情况

从日本汽车销售协会联合会和日本全国微型车协会联合会发布的销量数据来看,作为汽车大国的日本,其2018年本土汽车市场的销量排在中国与美国之后,位居全球第三,全年销量为527.2万辆,同比增长0.7%,新车销量已连续两年突破500万辆。K-Car方面,2018年的销量势头很足,在乘用车销量下跌的同时,K-Car迎来了4.4%的增长,销量规模达到192万辆,据估计,2019年将突破200万辆大关(见图2.3)。

图片关键词

图2.3 2014~2018年日本汽车销量统计

受法规及用车环境影响,微型车有着广泛的消费群体。2018年全年,日本本土专属的微型车销量为1924124辆,同比增长4.4%。从品牌表现来看,隶属于丰田的大发占领了2018年日本微型车销量头名的位置,全年销量达611569辆,同比增长5.5%,“小车之王”铃木也以全年586867辆的销售成绩位居第二。在车型喜好上,除了微型车外,日本消费者对于混合动力技术也十分信赖,包括日产Note、丰田Aqua(Prius C)、普锐斯等销量尚佳的车型及众多微型车,都提供混合动力系统(见表2.1)。

表2.1 2018年日本本土汽车销量TOP10


单位:辆

排名

车型

品牌

销量

1

Note

日产

136324

2

Aqua

丰田

126561

3

普锐斯

丰田

115462

4

Serena

日产

99865

5

Sienta

丰田

94048

6

Voxy

丰田

90759

7

飞度

本田

90720

8

卡罗拉车系

丰田

89910

9

威姿

丰田

87299

10

Roomy

丰田

86265

在目前世界上集中主流的油耗测试规程中,日本的JC08也是最严苛的之一。为确保燃油经济性标准的实施,日本政府采取了一系列措施:在实施汽车产品认证制度时,要求制造商申报认证车辆的燃油经济性水平,由国土交通省对申报值进行审查和认可。对达不到法规要求的企业,采取劝告、公布企业名单、罚款等惩罚措施;对达到油耗限值要求的汽车,采取相应的优惠政策,即对取得“低排放车”认可证书的汽车,购买者可获得1.5万日元的购置税和第一年50%的汽车税减免等。同时,2018年,自动驾驶、车联网等新技术,如何使车辆达到零排放,更加节能环保均是日本的研究重点。

2.能耗水平

目前,日本已经提出了到2020年的轻型汽车燃料经济性标准,预计到2020年,乘用车平均燃料经济性水平达到20.3km/L,比2009年的16.3km/L下降约20.3%。在节能优惠政策的促进及市场驱动下,日本汽车企业积极主动地降低油耗力争提前达标,绝大部分混合动力车已经提前满足2020年目标值,甚至相当一部分已经提前满足2030年目标值,混动化成为车辆节能的重要技术手段(见图2.4)。

图片关键词

图2.4 2018年日本乘用车油耗分布

3.最近技术动向

(1)乘用车方面

日本在发动机领域整体上仍以自然吸气为主,且已实现40%热效率机型的量产,成为节能目标达成不可忽视的力量。近年来,丰田、本田、日产等一流车企相继推出增压汽油机产品,逐步实现涡轮增压和自然吸气共同发展的节能技术路线。在变速器领域,日本近年来CVT的普及非常迅速。日本已加大力度研发新能源自动变速器,普遍应用的主流电子控制技术包含怠速起停技术、滑差控制技术、宽幅锁止技术、怠速空挡等节能技术。在混合动力领域,日本的丰田、本田、日产混合动力系统技术在业界领先。为进一步降低油耗、减少温室气体排放量,日本全新的汽车油耗管理办法将于2020年实施,要求国内车企油耗加权平均值必须在4.9L/100km以下(JC08测试循环)。日益严格的法规标准促使整车厂及零部件供应商进一步加大对以混合动力为代表的汽车节能技术的研发力度。日本在电子电器领域主要围绕ESC展开系统集成,包括传感器、执行器、ECU,通过总线进行网络通信,通过传感器和系统之间的信息共享,控制器对各子系统进行协调和优化,使车辆的整体系统性能水平达到最佳,提高燃油经济性(见表2.2)。

表2.2 日本车企产品节能技术应用与指标


车型

款型

节能技术

节能指标

工况

凯美瑞双擎

2019款

搭载2.5L混合动力发动机,VVT-iE智能电动可变气门正时进气系统,VVT-i智能可变气门正时电子控制系统,高压缩比14∶1,E-CVT

综合工况油耗:

4.1L/100km

NEDC

RAV4

2020款

搭载2.5L混合动力发动机,VVT-iE智能电动可变气门正时进气系统,VVT-i智能可变气门正时电子控制系统,高压缩比14∶1,E-CVT

综合工况油耗:

4.7L/100km

NEDC

卡罗拉双擎

2019款

搭载1.8L混合动力发动机,阿特金森循环系统,实现13∶1高压缩比;VVT-i可变正时系统,各种路况均有强劲动力

综合工况油耗:

4.2L/100km

NEDC

普锐斯

2019款

搭载1.8L混合动力发动机,阿特金森循环系统,实现13∶1高压缩比;VVT-i可变正时系统,各种路况均有强劲动力

2.56~2.94L/100km(根据配置不同油耗会有变化)

JC08

日产Note

2018款

最大动力输出和峰值扭矩分别为100kW和254Nm,与本田飞度和丰田雅士利同一级别的小车,车重为1050kg

2.69~2.94L/100km
(根据配置不同油耗会有变化)

JC08

e-POWER

NISMO S

(2)商用车方面

由于轨道交通发达,日本国内客车行业市场不大,出口规模较大,在全球客车市场有一定的影响力。受资源限制,日本商用车行业制定了专门的油耗限值标准,鼓励各种节能技术的发展。节能指标方面,日本客车油耗标准,采用以JE05工况与80km/h匀速工况相结合的方式,如图2.5、图2.6所示。

图片关键词

图2.5 JE05工况

图片关键词

图2.6 80km/h匀速工况

两种工况的比例,根据车型的总质量不同,按表2.3的规定进行比例分配,需要达到表2.4要求的限值。目前日本12m客车的实际运行油耗水平在20L/100km左右。

表2.3 不同总质量车型两种工况分配比例

单位:%

GVW范围(t)

城市间工况比例

城市内工况比例

80km/h匀速工况

JE05循环工况

2015年

2025年

2015年

2025年

1

3.5<GVW≤6

10

15

90

85

2

6<GVW≤8

15

85

3

8<GVW≤10

15

85

4

10<GVW≤12

45

55

5

12<GVW≤14

45

55

6

14<GVW≤16

35

55

65

45

7

16<GVW

55

45


表2.4 不同总质量车型油耗限值


GVW范围(t)

2015年限值

2025年限值

km/L

L/100km

km/L

L/100km

1

3.5<GVW≤6

9.04

11.06

9.54

10.48

2

6<GVW≤8

6.52

15.34

7.73

12.94

3

8<GVW≤10

6.37

15.70

6.37

15.70

4

10<GVW≤12

5.70

17.54

6.06

16.50

5

12<GVW≤14

5.21

19.19

5.29

18.90

6

14<GVW≤16

4.06

24.63

5.28

18.94

7

16<GVW

3.57

28.01

5.14

19.46

(三)欧洲

1.基本情况

根据欧洲汽车制造协会的统计数据,由于2018年最后四个月欧洲乘用车需求下降,欧洲2018年销量同比微跌0.04%至1562.4万辆(见图2.7),为2013年来首次下滑。欧洲五大主流市场表现各不相同,受英国脱欧带来的不确定性、柴油车需求下降以及WLTP的影响,英国地区的汽车销量一直在急剧下滑,2018年较2017年跌幅达6.8%,这是自2008年金融危机以来最大幅度的下滑,意大利(同比下跌3.1%)和德国(同比下跌0.2%)销量也出现下滑;而法国(同比增长3%)和西班牙(同比增长7%)市场则依然保持了正向增长。

图片关键词

图2.7 2014~2018年欧洲乘用车销量统计

新的欧盟汽车排放法规即将出台,欧盟汽车制造商提前控制了电动汽车销售量。由于未来几年欧盟计划推行严格的汽车排放量限制法令,欧洲汽车公司提前控制销售量,因此欧洲的电动汽车销售业绩受到冲击。新的欧盟排放限制,加上大众汽车有关于污染排放的“柴油门”丑闻,已导致柴油动力汽车的需求在欧洲急剧下降。

2.能耗水平

在欧洲,欧盟于2009年通过强制性的法律手段取代自愿性CO2减排协议,在欧盟范围内推行汽车燃料消耗量/CO2限值要求和标示制度,要求乘用车CO2排放在达到2021年95g/km的目标。从2021年开始,排放目标将基于新的排放测试规程,即2017年9月1日推出的WLTP。由于WLTP测试规程将从2018年开始逐步实施,新提出的2025年和2030年目标并未定义为绝对值,而是表示为与2021年CO2排放目标相比减少的百分比。目前英国12m公路客车实际运行油耗水平最低可达19.6L/100km。其中部分中小重量段的传统燃油车(非混合动力车和新能源车)已经满足2020年目标值,面对更加严格的2025年目标值,大部分混合动力车型(含PHEV)具有较大优势(见图2.8)。

图片关键词

图2.8 2018年欧洲市场CO2排放分布情况

3.最近技术动向

(1)乘用车方面

欧洲充分利用其在汽车零部件领域的研发优势,在低摩擦、低能耗领域充分挖掘潜力,提升传统动力总成发动机和变速器效率。一方面,继续升级传统增压直喷发动机的技术,深挖节油潜力,大众、宝马、奔驰德系三巨头相继推出多款新型增压直喷发动机,应用大量新技术,助力整车油耗的降低,同时MCE-5、舍弗勒、里卡多等公司也在积极研究传统发动机达成油耗目标的核心技术,例如,里卡多通过发动机增压小型化、低摩擦、热管理、起停、附件电子化等技术实现5L/100km的油耗目标,若整车采用中混技术,可实现4L/100km的油耗目标。另一方面,由于欧洲的驾驶习惯,未来5~10年手动变速器仍然将在欧洲占据绝对优势,但为应对越来越严苛的排放法规强制要求,DCT的市场份额呈现快速增长的态势,大众、奔驰、菲亚特、格特拉克及宝马等已开发出多款DCT变速器并规模化投入使用,除了在传统变速器上深挖节油潜力,为应对汽车电动化趋势,欧洲也正加快混动化变速器开发应用。然而单纯依靠传统动力总成的节油潜力已难以适应未来更加严苛的排放法规以及WLTC测试工况,因此欧洲的大部分汽车制造商选择“48V混合动力系统”作为主要的解决方案(见图2.9),该系统在欧洲发展态势强劲,主要由48V BSG电机、48V电池和DC/DC转换器组成,凭借系统所提供的高达10kW额外驱动力,可有效降低油耗和CO2排放,预计到2020年98%的新车型都将搭载48V轻度混合动力系统。除了48V轻度混合动力系统,欧洲一些厂商也正开发重度混合动力系统,如PSA的Hybrid Air空气混合动力系统,搭载该系统的样车雪铁龙C3油耗仅为2.9L/100km,在纯压缩空气驱动模式下可以实现零排放,在起步和加速阶段,压缩空气辅助发动机发挥作用可以提升45%的燃油经济性,综合路况的燃油经济性能提升35%,目前该系统仍在研究开发阶段,尚未搭载成熟车型上市。

图片关键词

图2.9 48V系统应用情况示例

(2)商用车方面

欧洲客车节能技术仍处于全球领先水平,同时欧洲也是中国客车行业近二十年来的主要技术来源地,目前德国与法国12m公路客车高速工况实际运行油耗水平一般在20~22L/100km,英国12m公路客车实际运行油耗水平最低可达19.6L/100km。目前欧洲卡车整车风阻系数保持在0.45~0.5,预计2025年有望为0.4~0.45,2030年将稳定在0.4~0.45,2035年预计为0.4以下水平。卡车主流产品普遍采用C级轮胎,滚阻系数为5~6N/kN,部分产品选用B级轮胎,滚阻系数为4~5N/kN,预计2025年主流产品普遍采用B级轮胎,滚阻系数为4~5N/kN,部分产品选用A级轮胎,滚阻系数小于4N/kN,2030年主流产品普遍采用A级轮胎,滚阻系数为3.5~4N/kN,2035年主流产品普遍采用A级轮胎,同时滚阻系数保持在3.5N/kN以下。欧洲客车大量应用流线型造型设计及局部低风阻造型。欧洲柴油发动机技术不断取得新突破,PACCAR公司将一台柴油机的有效热效率从47%提升为55%,其中通过优化燃烧及进排气提升3.4%BTE,低摩擦及优化附件功率提升0.6%BTE,余热回收增加4%BTE。目前欧洲多家企业在开展以预见性驾驶为主的智能化技术,道路预见的预测功率控制系统Predictive Power Control,在欧洲有作为标配的趋势,宣称节油率达到8%以上。

二 主流车企节能技术应用现状及规划

在节能技术应用方面,各主要车企采用了不同的技术发展路径。本部分以丰田、奔驰、福特三家企业为代表,从其现有车型节能技术应用情况来分析各企业不同的技术应用现状。

(一)丰田汽车

丰田的油电混合动力技术结合了电机和发动机的优势,将起步阶段发动机的非最优工况用电机来替代,而动力电池的电量则来源于整车行驶过程中被浪费的能量,如电动汽车刹车动能回收以及发动机在高速运转过程中的多余能量。丰田新发布的车型大部分为混合动力汽车(见表2.5)。

表2.5 2018~2019年丰田部分投放及发布车型节能技术应用

车型

上市时间

车型类别

典型节能技术及参数

RAV4

2019年

HEV

搭载2.5L混合动力发动机(最大功率131kW,最大扭矩221Nm),阿特金森循环系统,E-CVT,高压缩比14∶1

四驱版为双电机(前电动机峰值功率88kW,前电动机峰值扭矩202Nm;后电动机峰值功率40kW,后电动机峰值扭矩121Nm)

卡罗拉双擎

2019年

PHEV

搭载1.8L混合动力发动机(最大功率72kW,最大扭矩142Nm),阿特金森循环系统,E-CVT,高压缩比13∶1,VVT-i可变正时系统,永磁同步电动机(电动机峰值功率53kW,电动机峰值扭矩163Nm)

雷凌双擎

2019年

PHEV

搭载1.8L混合动力发动机(最大功率72kW,最大扭矩142Nm),阿特金森循环系统,E-CVT,高压缩比13∶1,VVT-i可变正时系统,永磁同步电动机(电动机峰值功率53kW,电动机峰值扭矩163Nm)

(二)梅赛德斯—奔驰汽车

2019年,奔驰新上市多款S级、E级、C级混合动力汽车,采用最新的48V轻混动力系统、多挡位AT、直喷涡轮增压发动机等。同时,旗下的S级、E级、C级、GLE、AMG等车型在2018年与2019年上市了改款混合动力车型(见表2.6)。

表2.6 2018~2019年梅赛德斯—奔驰部分投放车型节能技术应用


车型

上市时间

车型类别

典型节能技术及参数

E300 eL

2019年

PHEV

2.0L直列4缸直喷漩涡增压发动机(最大功率155kW,最大扭矩350Nm),9挡手自一体变速器(AT),48V轻混系统

C 260

2018年

HEV

1.5L直列4缸直喷漩涡增压发动机(最大功率135kW,最大扭矩280Nm,型号为264 915),9挡手自一体变速器(AT),48V轻混系统

4MATIC

AMG GT 53

2019年

HEV

3.0L直列6缸直喷漩涡增压发动机(最大功率320kW,最大扭矩520Nm),9挡手自一体变速器(AT),48V轻混系统

4MATIC+

E 350 L

2019年

HEV

2.0L直列4缸直喷漩涡增压发动机(最大功率220kW,最大扭矩400Nm,型号为264 920),9挡手自一体变速器(AT),48V轻混系统

4MATIC

(三)通用—福特汽车

2019年,福特新上市多款混合动力车,采用E-CVT无级变速,搭载1.5T L4漩涡增压发动机或2.0T L4自然吸气发动机。同时,即将上市的福特Explorer2020款混合动力汽车,新增ST运动版和Hybrid油电混合动力,将配备3.3升V6发动机、318马力和超过500英里的续航里程(见表2.7)。

表2.7 2018~2019年通用—福特汽车部分投放车型节能技术应用


车型

上市时间

车型类别

典型节能技术及参数

领界EcoBoost

2019年

HEV

1.5L直列4缸直喷漩涡增压发动机(最大功率103kW,最大扭矩225Nm),E-CVT无级变速器,48V轻混系统

145 CVT

蒙迪欧新能源

2019年

PHEV

2.0L直列4缸多点电喷自然吸气发动机(最大功率105kW,最大扭矩175Nm),E-CVT无级变速器


第三章 国内节能汽车市场现状及发展趋势


一、我国汽车市场发展现状

2018年,我国汽车产业面临较大的压力,产销增速低于年初预计,行业主要经济效益指标增速趋缓,增幅回落。一方面,受购置税优惠政策全面退出的影响;另一方面,受宏观经济增速回落、中美贸易摩擦,以及消费信心等因素的影响,我国汽车产业短期内仍面临较大的压力。2018年,汽车产销分别完成2780.9万辆和2808.1万辆,比上年分别下降4.2%和2.8%(见图3.1),但仍然连续十年蝉联全球第一。

图片关键词

图3.1 2013~2018年我国汽车产销量变化情况

我国乘用车产销量在2018年分别达到2352.9万辆和2371.0万辆,较2017年均略微降低,比上年同期分别下降5.2%和4.1%,占汽车产销比重分别达到84.6%和84.4%,分别低于上年0.9个和1.2个百分点(见表3.1)。

表3.1 2013~2018年我国汽车产销数据

单位:万辆

年份

产量

销量

汽车

乘用车

商用车

汽车

乘用车

商用车

2013

2211.68

1808.52

403.16

2198.41

1792.89

405.52

2014

2372.29

1991.98

380.31

2349.19

1970.06

379.13

2015

2450.33

2107.94

342.39

2459.76

2114.63

345.13

2016

2811.88

2442.07

369.81

2802.82

2437.69

365.13

2017

2901.54

2480.67

420.87

2887.89

2471.83

416.06

2018

2780.92

2352.94

427.96

2808.06

2370.98

437.08

资料来源:中国汽车工业协会。以下数据未特别说明,均来源于此。

2018年,商用车产销同比继续呈现增长态势,增速明显回落。受货车市场增长拉动,商用车销量创历史新高。商用车产销分别达到428.0万辆和437.1万辆,比上年同期分别增长1.7%和5.1%,增速分别回落12.1个和8.9个百分点。

(一)乘用车市场

1.车辆类型

2018年,受经济下行、油价上涨以及贸易摩擦等各种因素影响,我国乘用车全年累计销量下滑。MPV持续低迷,销量减少绝对量居首,交叉型乘用车跌幅居首,销量占比跌破2%,乘用车两大主力板块——轿车和SUV销量下滑,但销量占比提升(见图3.2)。

图片关键词

图3.2 2013~2018年我国乘用车分车型销量占比

从乘用车四类车型产销情况看,轿车销量同比下滑2.7%至1152.78万辆,较上年同期减少32.08万辆;SUV同比下滑2.5%至999.47万辆,减少25.8万辆。2018年轿车和SUV合计销售2152.25万辆,下降2.6%,减少了57.88万辆。从市场占比来看,由于乘用车整体下滑,轿车和SUV的整体市场份额均较上年有1.36个百分点的小幅增长。2018年轿车和SUV为乘用车市场贡献了超过九成(90.8%)的销量(见表3.2)。

表3.2 2013~2018年我国乘用车分车型销量

单位:万辆

车型

2013年

2014年

2015年

2016年

2017年

2018年

轿车

1200.97

1237.67

1172.67

1214.99

1184.86

1152.78

SUV

298.88

407.79

622.03

904.7

1025.27

999.47

MPV

130.52

191.43

210.67

249.65

207.12

173.46

交叉型乘用车

162.52

133.17

109.91

68.35

54.58

45.26

2018年,MPV销量大幅下滑16.3%至173.46万辆,减少33.66万辆,减少的绝对数量居四大车型首位。在2017年MPV销量同比下滑超过17%后,2018年为连续第二年大幅下滑,市场份额也从上年的8.4%降至7.3%。

在消费升级的大趋势下,交叉型乘用车的连年大幅下滑在意料之中,2018年交叉型乘用车销量大降17.1%至45.26万辆,减少9.32万辆,为降幅最大的乘用车车型,市场份额也跌破2%至1.9%。

2.排量结构

2013~2018年,市场排量结构分布仍保持“中间大,两头小”的发展趋势。1.0L及以下低排量和2.0L以上高排量狭义乘用车销量占比相对较小。

2018年,我国1.0L<V≤1.6L狭义乘用车市场同比萎缩,销量达到1520.4万辆,较2017年下滑6.9%;销量占比为68.59%,较2017年降低了2.32个百分点。1.6L<V≤2.0L 排量区间车型共销售612.5万辆,同比增长3.0%;销售占比为27.63%,较2017年增长1.81个百分点。V>2.0L排量区间车型共销售64.6万辆,较2017年下滑14.1%(见图3.3、表3.3)。

图片关键词

图3.3 2013~2018年我国狭义乘用车分排量销量占比  

表3.3 2013~2018年我国狭义乘用车分排量销量


单位:万辆

排量

2013年

2014年

2015年

2016年

2017年

2018年

V≤1.0L

5.5

2.4

0.2

0.1

0.1

19.4

1.0L<V≤1.6L

1033.2

1171.1

1287.7

1636.1

1633.1

1520.4

1.6L<V≤2.0L

455.4

534.4

540.1

555

594.7

612.5

V>2.0L

135.5

126

81.6

73.1

75.2

64.6

资料来源:Marklines。

3.整体能耗水平

继国家发改委发布《新能源汽车碳配额管理方法》之后,工信部也推出企业平均燃油消耗量与新能源汽车积分之间的“并行”管理机制。各大整车厂在2017年一年的努力的背景下,在2018年更是做出了良好的成绩,2018年企业平均油耗相对目标值的完成值达到92%,优于目标7个百分点,而2016年和2017年是优于目标两个百分点,因此2018年的油耗目标完成效果良好。

2018年我国乘用车企业平均油耗同比下降4.13%,2018年中国境内141家乘用车企业共生产/进口乘用车2313.91万辆(含新能源乘用车,不含出口乘用车,下同),行业平均整车整备质量为1456kg,平均燃料消耗量实际值为5.80L/100km。

112家境内乘用车生产企业累计生产乘用车2219.61万辆,平均整车整备质量为1438kg,平均燃料消耗量实际值为5.74L/100km。其中,66家企业平均燃油消耗量达到《乘用车燃油消耗量评价方法及指标》规定的2018年度目标值要求,有46家没有达标。

29家进口乘用车供应企业进口乘用车94.30万辆,平均整车整备质量为1872kg,平均燃料消耗量实际值为7.26L/100km。其中,7家企业平均燃油消耗量达到《乘用车燃油消耗量评价方法及指标》规定的2018年度目标值要求,有22家没有达标。

伴随“双积分”、国Ⅵ标准以及油耗限值(2020年5L/100km)等新一轮节能减排政策的落地,同时得益于发动机技术的快速提升,汽车消费的小排量化趋势愈发明显。当前汽车企业主要通过三种技术路线降低平均油耗——发动机小型化以及新能源汽车或混合动力技术。2018年,国产乘用车平均油耗较同期显著降低,但进口乘用车平均油耗反而较上年同期水平略微增加,这也说明了我国节能减排的任务仍然十分艰巨,我国各大企业面临的压力还很大,仍然需要为之而努力(见表3.4)。

表3.4 2013~2018年我国乘用车企业平均燃油消耗量及达标情况对比

项目

年份

平均整备质量(kg)

同比降幅(%)

平均能耗(L/100km)

同比降幅(%)

达标企业数(家)

未达标企业数(家)

达标率(%)

国产

2013

1327

7.23

58

27

68.27

2014

1340

-0.98

7.12

1.52

61

27

69.32

2015

1364

-1.79

6.98

1.97

67

23

74.44

2016

1392

-2.05

6.39

8.45

68

28

70.83

2017

1419

-1.94

6.00

6.10

62

39

61.39

2018

1438

-1.34

5.74

4.33

66

46

58.93

进口

2013

1729

9.06

13

13

50.00

2014

1828

-2.00

8.76

3.31

17

11

60.71

2015

1826

0.11

8.33

4.91

18

9

66.67

2016

1875

-2.68

7.52

9.72

12

16

42.86

2017

1875

0.00

7.13

5.19

12

17

41.38

2018

1872

0.16

7.26

-1.82

7

22

24.14

合计

2013

1355

7.33

71

40

63.96

2014

1371

-1.18

7.22

1.50

78

38

67.24

2015

1385

-1.02

7.04

2.49

85

32

72.65

2016

1410

-1.81

6.43

8.66

80

44

70.97

2017

1438

-1.99

6.05

5.91

74

56

56.92

2018

1456

-1.25

5.80

4.13

73

68

51.77 

4.节能技术应用效果

我国乘用车第三阶段和第四阶段燃油消耗标准已分别于2012年和2016年起实施,降耗进程进一步加速,乘用车按产量加权的平均油耗从2009年的7.77L/100km降低到2018年的5.74L/100km,共降低了26%,行业内整备质量达到1438kg,为历史最高值(见图3.4、表3.5)。

图片关键词

图3.4 2009~2018年国产乘用车平均油耗和整备质量变化

2018年整车节能技术主要围绕动力总成展开并取得优异成绩,国内各大车企在增压直喷新机型研究上,已大量应用高压缩比、米勒循环、低摩擦等先进技术,汽油机的热效率正逐步靠近40%(国际先进水平)。

表3.5 2009~2018年国产乘用车平均油耗和整备质量


单位:kg,L/100km

年份

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

平均整备质量

1228

1253

1275

1295

1327

1340

1364

1410

1419

1438

平均油耗

7.77

7.71

7.54

7.38

7.23

7.12

6.98

6.39

6.00

5.74 

在变速器领域,我国自动变速器技术飞速发展,市场占比由2012年的30%左右上升至2018年的70%左右,国内自主企业自动变速器实现了技术及产业化突破,形成DCT、AT、CVT多种技术路线的发展格局。

电子电器和低摩擦技术的快速发展对整车节能形成支撑,国内自主品牌车型已成功搭载48V混动系统并上市,混合动力和替代燃料专用零部件的短板也正在逐步补齐。

(二)节能汽车市场

我国从2010年起开始对排量在1.6L及以下的乘用车实行惠民补贴政策,因此本文定义排量在1.6L及以下的乘用车为节能乘用车,则可从乘用车市场产销数据中统计节能汽车的各项参数,并与往年产销数据对比得出相应的结论。

总体而言,轿车仍然是节能汽车市场销量占比最大的,其次就是SUV,MPV占比最小。

2018年,轿车共计销售842.9万辆,占比为54.74%,较2017年占比上升0.39个百分点;MPV销量占比较小,仅占8.45%,销量占比持续下滑;SUV共计销售566.8万辆,占比为36.81%,比2017年上升0.97个百分点(见图3.5、表3.6)。

图片关键词

图3.5 2015~2018年我国节能乘用车分车型销量占比

表3.6 2015~2018年我国节能乘用车分车型销量

单位:万辆

车型

2015年

2016年

2017年

2018年

轿车

866.1

971.5

913.2

842.9

SUV

259.5

462.1

602.3

566.8

MPV

162.3

202.5

164.9

130.1

二、我国节能汽车发展趋势

根据近两年国家制定的节能减排标准的实施,各大车企加大了对节能汽车研究的投入力度以及研究费用,所以,节能技术在乘用车和商用车上都在飞速应用,这也推动了我们国家节能减排任务的实施。

未来5~10年,传统燃油汽车仍然是市场的主力军。在未来,为了提升传统燃油车的节能效果,多项节能技术如断缸燃烧、可变压缩比、低摩擦等将会被大量地应用在传统的燃油汽车上,同时空气动力学、轻量化、智能化等技术将会得到进一步提升及优化。

未来相当长的一个时期内,全球节能环保汽车的技术格局将呈现多元化发展、多种技术相互融合、政府扶持的态势。我国汽车市场总体呈现不同技术路线(汽油、柴油、醇类、纯电动、混合动力、燃料电池、生物质能等)多元化发展的百花齐放格局,共同推进节能减排目标的实现。


技术篇

第四章 乘用车节能技术发展跟踪评估


面对油耗和环保法规的日益严苛,通过应用先进内燃机、高效变速器、混合动力等节能技术,我国汽车平均油耗明显降低。混合动力汽车开始进入市场,极大地促进了传统汽车产业的技术升级。天然气汽车技术基本成熟,初步实现产业化,形成了一定市场规模。但是与国际先进水平相比,我国的单车油耗水平仍然偏高,汽车节能核心技术尚未完全掌握,汽车产品结构也有待于进一步调整、优化。

一、乘用车汽油发动机技术

1.高效燃烧基础理论

发动机的本质是燃烧做功,基础燃烧理论的进步是发动机节能技术的重要一环。经过多年机型开发经验,目前国内的燃烧系统开发已经初步具备米勒/阿特金森循环、高滚流气道、外部冷却EGR(NA/LP/HP)的设计与应用能力。但是对于先进的燃烧系统,如对HCCI、GCI等技术的研究和更高的稀释率(>30%EGR率或λ>2)、压缩比(>15)以及升功率(>100kW/L)的自主开发能力仍然欠缺。由于国内小型化增压机型迅速铺开,对于如低速早燃等异常燃烧的研究也投入了很大的精力。至目前为止已基本形成对于LSPI等异常燃烧的设计预防与开发诊断的能力建设。除此之外,针对不同的需求,对于缸内的传热需要不同的设计,如针对爆震控制需求使用的头部/杆部中空气门、镜面盘部气门、油冷活塞、高导热座圈/气门导管/缸盖材料等,以及针对降低缸内传热损失使用的绝热喷涂工艺(TBC与TSC)。

2.电控技术及电控逻辑

面对电动化的发展趋势,更多新型电子技术应用于发动机,使发动机电控系统复杂化程度呈几何级提升。国内车企加速推进ECU、PCU控制及标定的自主研发。如在ECU软件开发及标定领域,比亚迪汽车、一汽基于供应商(联合汽车电子、德尔福等)的软件及核心标定,已经自主开发ECU软件实现量产;吉利汽车正在基于Volvo平台进行自主软件及标定的开发;长安汽车等企业正在研究开发中。在PCU软件开发及标定领域,长安汽车、广汽、上汽、一汽、吉利汽车的自主PCU软件及标定已经处于成熟阶段。同时,随着更多节能技术的应用,更多的执行机构和传感器应用于发动机,使发动机电控系统愈加复杂,电控系统直接影响到具体技术实施的节油效果。国内企业均已认识到电控逻辑开发及标定对于节能减排的重要性,但国内企业电控开发起步较晚,且电控开发对基础设施、专业人员能力、资源投入要求极高,很难在短时间内实现储备。

3.电动VVT及电动气门

电动VVT可以加快VVT的调节速度,用于提升发动机的瞬态工作水平。爱信、舍弗勒、电装等国外零部件供应商均已推出成熟的电动VVT系统并已搭载国外主要的主机厂机型上。目前,国内供应商也有相同产品,但在产品可靠性、开发支持方面仍然落后于国外一流水平,国内主机厂搭载应用较少。DVVT可分别对进排气门正时进行灵活的控制,现阶段已是成熟技术;CVVL可对气门升程进行控制,需对发动机的配气机构硬件进行调整,目前国内长城汽车研发的1.5GDIT汽油机,配置了CVVL技术。

4.汽油机压缩比

提高压缩比是提高热效率的根本途径,提高压缩比在外特性区域会导致爆震和过高的缸内压力。常规的定压缩比发动机为保证全工况不发生爆震,压缩比限制得较低,热效率无法显著提升。针对此矛盾,产生了两种解决思路:第一,如日产、AVL等企业提出的可变压缩比方案,确保压缩比在一定区间内可变(如日产8~14的压缩比区间),针对不同工况选择合适的压缩比,兼顾动力性和燃油经济性;第二,设定较高压缩比,通过EGR、结构优化和标定优化来抑制爆震。国内目前热效率大于38%的机型,压缩比基本均在12以上。

5.超稀薄燃烧技术

超稀薄燃烧作为汽油机下一代燃烧理念,融合汽油/柴油发动机技术发挥各自特点,常用工况实现压燃,热效率提升,可明显扩大经济油耗运行区间。天津大学、上海交通大学、清华大学、吉林大学等高校对此展开了相关研究,长城汽车、吉利汽车等企业也正在开展相关预研工作。

6.后处理技术

为了应对更加严苛的排放法规,目前两级TWC+GPF的后处理方案已基本成了各大主机厂的主要研究方向,并且GPF得到了大量应用,有成为标配的趋势,如东风汽车、上汽集团、五菱汽车等国内车企的大部分车型均已集成了GPF。但面对未来稀燃汽油机的后处理系统使用的LNT、GOC、主/被动式SCR的匹配、策略开发还在前期研究中。冷却EGR能有效改善排放和降低油耗,同时可抑制爆震。但随着EGR率的增加,需配备高能点火解决失火等问题。目前,国内供应商不成熟,仍需依靠国外企业进行产品开发。同样,国内的应用也处于起步阶段,目前国内仅长安汽车、广汽开展汽油机低压中冷EGR的应用研究。

二、乘用车变速器技术

1.DCT技术

国内主要汽车厂商都将DCT作为变速器技术发展的重点,目前量产的以湿式6速和湿式7速DCT居多,代表车企有上汽集团、长城汽车、长安汽车、吉利汽车和比亚迪汽车等,长城汽车同时在推进9DCT开发。为进一步推进节能减排,部分车企在DCT技术上扩展混动技术,长城汽车、吉利汽车、长安汽车等企业均正在推进混动DCT变速器开发。

2.CVT技术

在CVT变速器控制逻辑开发及标定方面,湖南容大在国内率先实现电器硬件及软件独立自主开发,拥有先进的核心控制算法及标定技术。在CVT传动带方面,杭州东华链条集团已为国内CVT自主品牌企业进行配套开发链式传动带,目前处于工程样机研制阶段,突破博世及舍弗勒集团技术垄断地位。

3.AT技术

国内的东安三菱、盛瑞传动等均实现了AT变速器的产业化,但与国外相比,在技术水平、产业规模等方面还有较大差距。盛瑞传动股份有限公司成功设计开发了具有完全自主知识产权的首款前置前驱8AT,并已发展到第三代,完成了自动变速器机械和液压系统工程化关键技术、电控系统(TCU)软件关键技术、工程化及产业化关键技术、与发动机和整车的匹配标定技术、试验检测关键技术五个方面的研究。该公司掌握了自动变速器开发的关键技术,具备了开展多挡位自动变速器系统创新、集成设计的能力,形成了年产十万台的生产能力,成功实现由概念到样机、由样机到产品、由产品到商品的转变。

4.电控技术

国内主要汽车厂商都已陆续掌握DCT电控开发关键技术,如长安汽车、上汽集团等都已实现控制软件白盒化,并完成了控制软件自主开发和产业化应用,其他如长城汽车、广汽集团等也正在积极推进电控系统自主开发和应用。

5.传动减震技术

目前国内多家离合器厂家实现了双质量飞轮的量产,打破国外企业的技术垄断。但整体技术仍然相对落后,研发匹配能力较弱,市场竞争力不足。

三、乘用车混合动力技术

1.混合动力专用发动机

长安汽车高压缩比米勒循环发动机实现40%热效率,掌握了双涡管单流道增压和智能热管理等关键技术,实现低压EGR产业化集成,以进一步降低米勒循环发动机在目标工况的油耗和扩大最佳油耗区工况边界。

2.专用动力耦合机构、混合动力系统构型优化

当前,国内驱动电机已基本从“纯电磁设计+热实验校核”阶段过渡为“电磁设计部分耦合热设计”阶段。科力远研发的CHS系列混合动力机电耦合装置,可适用于不同级别的乘用车和商用车,搭载CHS1800系列的吉利帝豪、东风小康风光580车型,油耗分别为4.9L/100km和5.8L/100km,相较于原型车均节能35%以上。

3.高性能电机

当前国内企业通过改善磁路结构设计,使用扁铜线绕组等技术手段已有部分驱动电机产品质量功率密度达到4kW/kg;高速驱动电机最高转速≥16000r/min,最高效率≥97%,超过85%的高效区占比≥80%,与国外先进水平相当;此外,长安汽车已开发出电机油水混合冷却技术和新型扁铜线电机定子绕组工艺。

4.电力电子集成控制器

日本、美国和欧洲国家的功率控制单元,集成的部件共享主控制芯片、对外通信模块、传感器、冷却等资源,功率密度高,重量体积小,材料成本低;我国电机控制器、车载充电机和DC/DC等车载电力电子变换器大多进行简单的物理集成,功率密度低,重量大,材料成本高,系统集成和优化程度亟待提高。

5.高功率密度电机控制器

电机驱动控制器功率密度和体积密度与国外同类产品存在20%~30%的差距,在电机驱动控制器集成度方面,目前我国规模化生产的电机驱动控制器功率密度为15~20kW/L,低于20~25kW/L的国际先进水平,且国外在研的最新一代碳化硅基模块控制器功率密度预计可达到45kW/L。

6.高水平电池

目前国内运用最多的是三元锂电池和镍氢电池。截至2018年,功率型三元锂电池的比功率提高达10%,电池寿命达8年15万千米以上,成本下降8%,预计到2020年下降达到10%,但相比能量型的锂电池价格还是偏高;截至2018年,镍氢电池比功率提高达15%,成本下降达30%,已接近锂电池价格,电池寿命达到8年15万千米以上。

7.电控逻辑自主开发及优化

科力远、吉利汽车、长安汽车、上汽和比亚迪汽车等企业的专用动力耦合机构构型不同,但其电控系统均已实现自主开发,目前实际系统搭载的控制器应用层软件已完全实现自主开发。通过不断优化控制逻辑,运用智能算法离线优化关键部件的MAP图,或利用云端大数据进行智能能量管理,使混合动力系统的性能不断提升。

四、乘用车替代燃料技术

1.专用发动机

国内已开发CNG专用发动机,采用单一ECU控制,天然气高压喷射,当量燃烧+三元催化达国Ⅵ排放标准,利用燃料辛烷值高特性,采用高压缩比燃烧室设计,实现高燃烧速率,采用高能点火并重新优化点火正时、凸轮型线和配气相位有效控制后燃,并重新优化冷却系统,解决发动机热负荷,重新优化摩擦副材料/设计,进一步降低自耗功率,耐磨的气门/座圈设计与材料优化,实现发动机耐久性能提升。

2.天然气发动热力学开发平台

由国家燃气汽车技术研究中心筹建的替代燃料热力学开发平台基本建成,开展基于发动机热力学性能开发、服务替代燃料发动机性能优化、关键零部件的选型验证、发动机的正向开发等活动,基本具备发动机及零部件仿真计算、燃烧仿真分析、零部件选型实验及优化设计等能力(见图4.1)。

图片关键词

图4.1 天然气发动热力学开发平台

五、乘用车低阻力技术

1.低黏度机油

在汽油机油方面,国产汽车企业装车油黏度级别以5W-30为主,但在新车型中5W-20的使用越来越多,质量级别达到GF-5/SN(SN+)、GF-4/SM,有的生产厂商开始要求汽油机油满足ACEA C5-16要求。目前,国内欧美合资企业装车油黏度级别以5W-30为主,质量级别达到GF-5/SN(SN+),或ACEA A3/B4,日系合资企业装车油黏度级别由5W-30快速向5W-20过渡,一些新发动机车型可能要求0W-20,质量级别达到GF-5/SN(SN+);在柴油机油方面,黏度级别分类与SAE J300一致,由于柴油机油规格GB 11122是2006年发布的,国内各润滑油生产厂生产CJ-4及以上质量级别柴油机油时,沿用API标准国内重负荷柴油车油黏度级别以15W-40、20W-50为主,质量级别提升较快,CH-4、CI-4逐渐成为主流。

2.低滚阻轮胎

目前,国内轮胎品牌中低端比例偏高,高端领域基本被外资控制,特别是在乘用车市场外资份额在75%以上,一线轿车品牌配套轮胎全部使用外资品牌。国内轮胎企业的设计技术、工艺技术及生产技术大多照搬外资企业,进行消化吸收利用,仍然处于生产模式,自主研发设计能力薄弱。轮胎产品的研发依赖大量的实验研究和基础材料研究,诸如DMA测试、电镜扫描、粘弹谱仪、核磁共振波谱仪等材料测试仪器,99%的国内企业都不具备,材料基础研究落后。现阶段国内尚不具备自主开发轮胎帘线的轮胎企业,国内帘线生产商的研发模式同样处于引进吸收的阶段,自主研发任重而道远。芳纶帘线具有质量小、模量高、动态性能好等优点,在降低滚动阻力方面大有前途,但是价格一直居高不下,在轮胎中的应用受到限制。目前,国内轮胎企业尚无成体系的设计理论,用于轮胎的结构设计,轮胎力学基础研究处于空白。近年来,有限元仿真技术的飞速发展,带动轮胎企业采用仿真分析的方法研究轮胎的受力情况,轮胎滚动阻力仿真有了长足的发展,例如,清华大学、哈尔滨工业大学、中国科技大学、北京化工大学等院校都开展轮胎仿真技术研发。

3.低风阻外观设计

目前,各大车企已初步形成各自的设计理念,正在逐步形成有中国特色并能赢得市场的汽车造型设计。国内的汽车设计技术是通过模仿加自主的设计理念,进步很大,风阻系数也在接近国际水平。但是,还有很多车型设计还是比较落后的,国内乘用车的车身设计仍处在较低水平,平均风阻数据在0.37~0.38的水平。

六、乘用车电子电器技术

1.48V电池系统

由于锂离子电池具有高比能量、高比功率、长寿命的优点,所以目前节能汽车搭载的48V电池基本都采用锂离子电池,48V电池产品主要生产企业集中在中国,其中以锂离子电池-磷酸铁锂体系为代表,市场应用最早也最广泛,从储存的能量来看,市场上的产品普遍在8~12A·h,对应储能369~518kW·h,功率为15kW左右,P/E倍率30左右。随着固体电解质锂离子电池技术和工艺的突破,到2035年固体锂离子电池取代目前的液态48V锂离子电池应用,进一步提升电池的能量密度、寿命、安全性等关键指标。

2.48V电机系统

对于48V电机系统,关键的成型绕组以及功率电子集成技术主要掌握在欧美企业手中,技术相对成熟的供应商主要有法雷奥、大陆、博世、德尔福和博格华纳等。在国内完成批产应用的是法雷奥48VBSG电机系统。国内上海电驱动开发了48V风冷感应电机BSG总成,定子采用扁导线绕组技术,达到功能安全ASIL B水平,达到国Ⅵ排放标准,并为上汽通用混合动力发动机平台进行配套,2019年11月实现量产;同时,郑煤机通过收购博世BSG业务,布局48VBSG产品,精进电动、苏州超力等开发了48VBSG样机。

 

 

第五章 商用车节能技术发展跟踪评估


一、商用车整车动力学技术

国内商用车动力学技术经过近50年的发展,与欧、美、日的差距不大,接近国际先进水平,同时国内排放及燃油限值方面的法规加严,也在推动动力学技术的高速发展。

(一)整车降风阻

国内法规对载重货车的长度限制,为了追求货运效率,国内载重货车驾驶室多采用平头驾驶室,与国外主流的长头驾驶室相比,平头驾驶室风阻稍高。国内重型车主车与挂车大多分属不同的制造商制造,主挂匹配还存在提升空间;定制化的低风阻挂车验证技术比较成熟,但商品化应用较少。

整车降风阻的技术树如图5.1所示,下面分三个维度来分析整车降风阻技术的进展。

图片关键词

图5.1 整车降风阻技术树

1.当前成熟且正在商品化的技术方案

低风阻驾驶室、无遮阳板、导流罩、扰流板等属于技术较成熟且正在商品化的技术方案,对低风阻驾驶室的开发,每个整车制造商在满足法规及货运效率最大化的前提下,尽可能地通过造型来降低整车风阻,每一次的升级换代,风阻对造型来说都是必不可少的一个考虑因素,图5.2为风阻随造型前脸收窄变化而变化的关系,由图2可知,随着前脸的变窄,风阻越来越低,但到一定程度后,造型不能完全前桥及轮胎后,风阻不会再继续降低反而增加。

图片关键词

图5.2 风阻随造型前脸收窄变化关系

除驾驶室造型对风阻的影响较大外,导流罩及扰流板对风阻的影响也很大,有无导流罩的整车风阻相差5%以上,而遮阳板、气喇叭等功能件对风阻的影响相对没那么大。

2.有应用前景且短期能商品化的技术方案

当前的载重货车制造商对整车降风阻工作较为重视,对主挂匹配及挂车降风阻工作重视度稍低,主要由于挂车属于单独的制造商。但通过大量的技术研究发现,挂车降风阻潜力巨大,且技术难度及制造难度较小,更容易实现商品化。挂车增加组件后整车风阻的变化如图5.3所示,降风阻潜力接近20%。

图片关键词

图5.3 挂车增加组件后整车风阻变化

3.有降风阻潜力但短期无法商品化技术方案

除了从单车自身降风阻外,队列行驶技术也是降风阻的关键技术(见图5.4),暂无具体数据证明列队行驶技术对整车降风阻的影响,通过整车油耗测算的办法间接测量队列行驶技术对降风阻的影响是较为突出的。车队中,车与车之间的距离越小,节油效果越大,当距离大于80英尺时,效果则基本可忽略。列队行驶技术对电控的要求极高,国内短期内无法实现列队行驶技术商品化,但随着商用车智能化技术的高速发展,列队行驶技术商品化前景较为乐观。

图片关键词

图5.4 队列技术对整车油耗的影响

(二)低滚阻轮胎

国内轮胎的滚阻系数较国际先进水平总体晚3~5年,差距不大。低滚阻轮胎推广应用方面,目前大型客车应用的低滚阻轮胎其滚动阻力系数,最低可以为5~6,国内公交客车轮胎还在6~7,技术路线图中的超级单胎,只有小批量试装,但未实现规模应用。低滚阻轮胎在国内有商品化应用,但受成本限制,应用率不高,主要是客户点单式生产。应用较少的原因与滚阻的关系不大,主要在其他方面,如耐磨里程。

国内载重商用车的轮胎滚阻级别较国外先进水平晚一代的水平,当前滚阻平均值在C~D级,2025年主流产品进入B级,2030年部分进入A级,2035年主流进入A级。降滚阻技术有独立的供应商研发、生产,一般情况下整车只对轮胎厂家提出低滚阻需求,但这并不妨碍降滚阻技术的快速进步,这主要体现在两个方面。第一,国家燃油限值法规的加严,整车厂必然会对轮胎滚阻系数提出更高的要求,同时对载重型货车而言,滚阻对油耗的影响大,对整车厂而言属于投入小、产出大的节油技术,虽然不是整车的关键技术。第二,轮胎厂家之间竞争激烈,谁能开发出性价比高轮胎,谁就能在激烈的竞争中取胜,这也促使轮胎厂家投入资源提升技术。总体来说,轮胎滚阻系数的提升会稳步前进,主要在轮胎的配方、花纹及硫化工艺上提升,短期内无实质性突破。

二、商用车传动系统技术

(一)变速器

变速器对于节能有重要的影响,自动变速器的应用、高效的传动效率仍是节能的有效途径,虽然自动变速器研发方面取得了一定成绩,但变速器的提升很大程度上依赖基础制造工艺的提升,相对来说基础较弱。国内卡车仍以手动挡为主,自动挡用量很少,但处于上升的趋势;目前国内的公路客车还是以手动变速器为主,但自动变速器已开始推广,主要用于出口海外的产品上。手动变速器的研发逐步成熟,产品覆盖5~16挡产品。主要的变速器厂家具备研发的能力,如法士特、上汽齿、万里扬等。但与国外产品相比在齿轮材料、产品设计理论及验证、产品质量稳定性方面还存在差距。自动变速器方面,经过多年的努力,国内自动变速器的研发目前取得了突破进步,上汽、长城汽车、江淮汽车、吉利汽车、比亚迪等都相继研发成功了DCT,山东盛瑞传动、东安动力的AT、浙江万里扬、湖南容大的CVT都取得了成功。但在总成电子控制、可靠性,尤其是在关键零部件等方面仍与国际高水平存在差距,如双离合控制模块、系统控制软件、变矩器、电磁阀等。在商用车AMT方面,德国ZF、奔驰、克诺尔等技术成熟,国内一汽、东风汽车、法士特、万里扬等相继研发了AMT产品,但在产品性能、软件控制、可靠性等方面存在差距,目前仍然没有广泛的应用。

(二)驱动桥

驱动桥作为商用车驱动重要零部件,整个传动系统的匹配对汽车节能有至关重要的影响。随着商用车性能要求的不断提高,汽车在节能、环保和舒适等方面的性能显著提升,驱动桥产品的性能要求进一步提高,根据商用车发展的业内共识,除了对驱动桥有着高性能、低成本的共性需求外,不同用途的商用车,对驱动桥的典型需求也各不相同。在承载组件、传动组件、制动组件上,有一些最新节能技术产品得到应用,如高传动效率节能技术、小速比主减总成节能技术、制动器节能技术等。

三、商用车替代燃料技术

(一)商用车天然气发动机

目前我国天然气发动机在商用车领域应用较多,以天然气为主要替代燃料的客车有一定的规模应用。传统点燃式天然气发动机是在柴油机基础上改进和开发,与国外相比我国天然气发动机技术较落后,国内市场上天然气发动机热效率低于38%,而欧洲天然气发动机热效率已达到40%,主要原因是各大主机厂在天然气发动机节能研究方面起步较晚。2018年潍柴HPDI天然气发动机已完成国Ⅵ排放水平的开发验证,该发动机采用柴油微引燃缸内直喷天然气的燃料喷射系统(见图5.5),实现类似柴油机的扩散燃烧方式,在原柴油机结构基础上无须改变活塞压缩比,无节流阀,因此设计改动较少。相比于传统点燃式天然气发动机,HPDI发动机动力性强,经济性好,试验结果表明,在满足国Ⅵ排放前提下能够达到与柴油机相同的功率和转矩,同时其热效率超过45%。

图片关键词

图5.5 潍柴HPDI天然气发动机燃料喷射系统

(二)甲醇商用车

2012年,工信部开始甲醇汽车试点工作,包括重卡、客车、公交、多用途车等不同类型的甲醇商用车投入试点,正式拉开了中国甲醇汽车产业化的序幕。目前国内甲醇商用车技术主要有山西靖烨公司、吉利公司的单一甲醇燃料的点燃式技术以及天津大学开发的柴油/甲醇双燃料燃烧或柴油/甲醇组合燃烧技术。与山西靖烨公司和吉利汽车的点燃式甲醇商用车不同,天津大学的柴油/甲醇组合燃烧技术是以压燃方式工作。经过五年的试点验证,之前国内甲醇商用车甲醇的腐蚀性、高温气阻、甲醇溶胀性以及冷起动的技术难题已经基本解决,并且在动力学和经济性方面均取得了非常好的成绩。2018年初,各城市的甲醇汽车试点工作全部通过工信部、国家发改委、科技部联合开展项目验收。在2019年3月工信部等八部委联合印发的《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,推动我国的甲醇汽车发展进入快车道。吉利公司在2019年4月26日正式推出了吉利远程M100全球首款甲醇重卡牵引车,该发动机在潍柴12.54L柴油机基础上设计改进而成,采用汽油起动、暖车后转为纯甲醇运行,最大功率达460PS,最大爬坡度达到30%,与传统柴油机车不相上下。

四、商用车混合动力技术

(一)卡车混合动力

国内在卡车混合动力产品开发、推广方面进展不如国外大,但最近有开始启动、加速的趋势。

主要产品类型、技术种类包括:①并联混合动力系统——主要用于物流输送用中、重卡;②串联混合动力——目标市场包括轻卡物流车、矿用车和一些非道路车辆。

并联混合动力系统在货运中重卡领域的推广,产品、技术发展重点在于:更长寿命和更高可靠性的离合器自动控制执行机构;更高效可靠的升挡发动机降速辅助机构;改善NVH性能;高效可靠的缓速器;自适应(坡度、载重)高效换挡策略;故障与服务预警;更高节油率的控制策略。

串联混合动力系统产品在轻卡、矿山/港口应用的重卡、非道路车辆、农用车辆领域应用开发和推广。技术、产品的发展重点在于:高效、紧凑的增程器用发动机;无电池串联系统中的满功率覆盖技术(电压控制、更快的转矩与速度响应速度与更高的控制精度);长寿命、高可靠性的驱动电机;改善NVH特性;更高节油率的能量管理与控制策略。

商用车48V微混系统发展重点在于:更高功率和转矩;更高效可靠的一体化集成设计;适用于更严苛的商用车应用环境与长寿命要求(IP防护、振动、温度、盐雾等);能借助商用车产品降低价格。

(二)客车混合动力

由于普通混合动力在国内不属于新能源产品,没有政策补贴,因此未能得到大规模的推广,宇通已经出口海外的客车产品中逐渐开始推广以超级电容储能的混联构型的混合动力系统,但规模尚小。

五、商用车电子电器技术

(一)道路预见

道路预见行驶技术受到地图数据的精度、发动机和变速器的逻辑处理算法、报文发送内容、GPS信号、道路等级属性等多种因素影响。根据市场调研得知,目前国内仅一汽、北汽福田完成道路预见行驶的技术开发并且满足量产状况,但限于国内地图“两号”未获得国家批复,并未实现批量生产。根据道路验证测试反馈,道路预见行驶技术在国内高速公路路段节油效果为3%左右。

(二)列队行驶

国内近些年来也有很多针对列队行驶的研究(见图6)。由于国内公路道路情况相对复杂,多家企业选择先在港口、干线物流园区等封闭、半封闭场景进行含编队行驶功能的L4级自动驾驶示范运营,或选择园区-港口间固定高速路线编队行驶。目前国内最优技术能够做到车速保持在80km/h时车间距15m。北汽福田、东风商用车、中国重汽等企业纷纷实现了特定场景测试、运营及路测,日后在高速公路、城市配送方面也将实现列队行驶落地。但也存在部分问题:单体卡车的昂贵造价,卡车若想满足队列驾驶,自身的硬件是基本,诸多的摄像头、雷达、控制单元等,会使其造价远高于普通卡车;对车队中卡车的一致性要求较高,队列驾驶车队所使用的卡车,在马力配置、货物重量方面,需要保持一定的同步;在任何情况下车辆之间各种信息都能保证快速稳定的传输。

图片关键词

图5.6 列队行驶技术

(三)驾驶行为辅助系统

近十几年,中国车辆保有量急速膨胀,驾驶员对车辆的操控能力参差不齐,道路质量等级跨度大,亟须分车型对驾驶员的不良驾驶习惯进行指正,起到改进助手的作用。在车辆动力特性分析、驾驶员驾驶行为采集、大数据分析方面中国比欧美日起步晚,研究的样品量和深度有差距。驾驶员改进助手的技术短板是车辆动力特性的基础研究不够深入,构建数据模型和大数据分析能力弱。驾驶员改进建议必须有针对性,需要结合车辆动力特性、道路基础设置和交通拥堵状况,有针对性地提出改进建议。在高速公路上,驾驶技术娴熟的比驾驶技术一般的驾驶员平均节约燃油8%~10%;通过指导驾驶技术一般的驾驶,尽量匀速行驶、在经济行驶区行驶,减少不必要的急加速、急减速,可节油5%~9%。

(四)载重分析

关键指标是计量精度、可适用的路况和需要车辆运行的时间。中国在载重分析方面起步比较晚,近5年来,有多家校企尝试开发载重分析系统,尚处于样机研发阶段,测试环境下的计量精度能够达到±15%,尚不满足批量应用的需要。载重分析的技术短板是构建数据模型、确定数据参数及其采集周期,设定触发条件。载重分析除了受车辆动力特性影响以外,还受道路摩擦系数、坡度、风力风向、车辆风阻系数、轮胎半径及其摩擦系数等诸多因素影响。

 

专题研究篇

第六章 混合动力专用发动机研发及应用情况分析


一、混合动力专用发动机概述

(一)混合动力专用发动机概念

目前,行业针对混合动力专用发动机(以下简称“专用发动机”)并无清晰的定义,按照字面的意思可简单理解其是一款专门为混合动力系统设计开发的,且只应用于混合动力系统的发动机。

不同的混合动力系统(构型),专用发动机开发的重点功能不同。如串联式混合动力系统,主要是发电功能;并联式混合动力系统,主要是高速直驱功能;混联式混合动力系统,主要是综合串联和并联的功能。因而,可以进一步理解专用发动机是一款专门为特定的混合动力系统(构型)设计开发的发动机。

然而,当前真正意义上的专用发动机较少,而从传统发动机适应性拓展混合动力系统匹配的专用发动机较多。面对这样的现状,本报告规定了所涉及的专用发动机范围:真正意义上的专用发动机和传统发动机同平台适应性拓展的专用发动机。同时,针对本报告中提及的混合动力汽车,无特别说明的情况下,多指包含强混HEV、PHEV,不包括48V微混和市面上已较少的中混。

(二)混合动力专用发动机技术特点

混合动力系统由专用发动机、变速器、电机、电池和电控五要素组成,包含两个动力源和一个储能装置。在两个动力源的配合使用下,构成混合动力系统多种工作模式,如常见的纯电驱动、发动机驱动、联合驱动、行车充电、制动能量回收和停车发电等工作模式。这些工作模式在不同应用场景之间进行切换,将进一步明确发动机的运行边界,形成专用发动机无须一直运行、运行区域更窄、高效区域扩大、升功率要求降低、结构更加紧凑和NVH要求更高等典型的技术特点。

(1)专用发动机无须同传统发动机一样,自起动到停止的整个过程均保持运行,而是根据驾驶员的实际驾驶需求和电池SOC(State Of Charge,电量状态),实现行进间发动机的自动起停。

从图6.1实际驾驶时驱动车辆的方式中可以看出,发动机参与驱动包括四个典型工况:启动/加速和低中速巡航阶段,当电池电量SOC不足或纯电驱动无法满足驾驶需求时,发动机启动联合电机共同驱动车辆;在急加速阶段,发动机联合电机共同驱动车辆;高速巡航阶段的发动机直接驱动;减速阶段下发动机处于停机状态。

图片关键词

6.1 实际驾驶时驱动车辆的方式

另外,从电池SOC来看,由于高压HEV电池电量有限,无法支撑长时间的纯电驱动,因而在HEV实际运行时,发动机是除去减速工况以外的其他工况均处于运行状态;而对于电池电量较多的PHEV,在电量维持阶段发动机运行状态与HEV无异,而在电量下降阶段则存在两种不同的运行方式:一是发动机不启动,电机单独驱动,实现全速-全负荷范围内的动力性需求;二是发动机多在车速高、负荷大的工况启动来保证整车动力性需求。

(2)与传统发动机经常运行于低速低负荷区域不同,专用发动机的运行区域向高效区域靠近且要求高效区域更广。

(3)在拥有两个动力源的混合动力车上,电机既可调整发动机运行工况点,让其接近于高效率区间,提高系统的总体效率,也可助力发动机的功率输出,共同满足不同工况下整车的动力性需求。因而,在专用发动机的开发上,其核心追求往往是改善经济性,降低实际能耗,动力性相关指标如升功率的要求可适当降低。

如图6.2所示,专用发动机升功率较同排量传统发动机的低,并且随着热效率的提高,降低得越多。

图片关键词

6.2 专用发动机和传统发动机性能指标的对比

(4)基于整车机舱布置的平台适应性和机舱拓展性,要求开发结构紧凑的专用发动机。同时,附件电动化进一步使专用发动机结构尺寸紧凑。

(5)如前文所述,专用发动机在结构上的变化,如采用了电动化附件,前端轮系结构改变等;同时专用发动机在运行方面的变化,如行进间的频繁启动发动机,发动机运行工况集中等。这些与传统发动机明显的差异,均将对专用发动机NVH提出全新的要求。

(三)混合动力专用发动机技术应用现状及趋势

围绕专用发动机典型的技术特点,在其技术应用方面,从已推出的专用发动机来看,米勒/阿特金森循环+高压缩比+冷却EGR因可改善燃烧,提高发动机的热效率,已成为其主流的技术选择,如表6.1所示。

6.1 已推出专用发动机的技术应用情况


已推出的专用发动机

主要应用的技术

现代1.6 GDI

阿特金森循环+13高压缩比+冷却EGR+1.35行径比+GDI+双节温+两级变排量机油泵+低摩擦等

通用1.5 GDI串联式

阿特金森循环+12.5压缩比+1.17行径比+缸内直喷+集成排气歧管+两级可变机油泵等

通用1.8 GDI混联式

缸内直喷+11.5压缩比+外部冷却EGR+热管理+低摩擦+NVH优化技术等

丰田2.5L混动发动机

阿特金森循环+14高压缩比+冷却EGR+1.2的行程-缸径比+高滚流比+加宽气门夹角+低摩擦/低损失化技术+电子化附件+双喷射等

本田第三代i-MMD 2.0L

阿特金森循环+13.5高压缩比+冷却EGR+进气侧可变气门升程+IEM+低摩擦等

日产HR12DE e-Power

米勒循环+12高压缩比+冷却EGR+进气连续可变VVT+双喷射+电子水泵+取消皮带传动+低摩擦等

未来,针对专用发动机高热效率区域扩大并逐步提高的需求,如表6.2所示,从理论分析和技术成熟度两个维度给出米勒/阿特金森循环、冷却EGR、排气余热回收技术、稀薄燃烧、超高压缩比、超高喷射压力等技术在专用发动机上的应用推荐。发现如下。一是米勒/阿特金森循环仍然是重点推荐的技术。二是排气余热回收技术可减少发动机热量损失,适当弥补混合动力车型电能的需求,目前已在日本等的混合动力车型上应用,受限于当前的成本认为其是未来潜在的技术选择之一;三是还有一些不成熟的技术,如稀薄燃烧、超高压缩比和超高喷射压力等,因其能大幅改善燃烧,提高效率,故而认为其在专用发动机上将有所作为,但未来需要投入更多的资源进行研究。

6.2 专用发动机的技术推荐理论分析

图片关键词



二、国内外研究及应用情况

综观专用发动机的开发历程,存在两个明显的发展阶段。第一个阶段为适应性开发阶段,该阶段主要发生在HEV和PHEV兴起到成熟时,多数OEM直接采取原有传统发动机,如丰田第一代Prius,或在其传统机型上,通过技术升级、标定优化、附件电动化等手段快速实现专用发动机的开发,如大众Golf GTE、现代IONIQ等;第二个阶段为专用发动机开发阶段,该阶段主要发生在HEV和PHEV成熟后,多数OEM基于平台化开发的理念,实现传统发动机和专用发动机同平台开发,并提高两者的技术和零部件通用性。如丰田TNGA架构下的专用发动机、吉利GEP3 1.5T系列发动机等。下面将针对国内外代表企业在专用发动机领域的研究和应用情况开展详细的技术对标。

(一)日韩地区代表企业专用发动机技术对标

日本作为全球最先推行混合动力汽车的国家,毫无疑问,其混合动力技术全球领先。尤其是丰田和本田以及日产的混合动力系统,在全球都是独树一帜。韩国现代也不甘落后,推出了P2并联式混合动力系统。本小节将重点介绍丰田、本田、日产和现代在专用发动机上的研究和应用情况。

1.丰田汽车

早在1997年,丰田就推出了首款混合动力汽车Prius,而后,丰田基于该产品,完成了四代Prius的开发。跟随产品迭代,丰田THS技术也随之提升,尤其是混合动力系统匹配的发动机,通过排量升级、热管理、燃烧优化等技术手段,完成由最初的1.5L传统发动机向1.8L专用发动机升级。如图6.3虚线框内所示。

图片关键词

6.3 丰田Prius车型的发展情况

如图6.4所示,丰田基于其TNGA(Toyota New Global Architecture,丰田新的全球架构)提出其未来的混合动力系统的规划,共计划推出6套混合动力系统10款变量。目前,基于该平台,丰田已推出1.8L THS-Ⅱ、2.0L THS-Ⅱ、2.5L THS-Ⅱ、3.5T Multi-stage THS-Ⅱ等多款专用发动机,且部分机型具有同排量的传统发动机版本,如丰田2.0L THS-Ⅱ 和2.5L THS-Ⅱ。

图片关键词

6.4 丰田TNGA架构下混合动力系统规划

从表6.3所示的丰田专用发动机中可以看出:针对不同车型丰田匹配不同的专用发动机,但技术应用上保持了和传统发动机的通用性和延续性,以降低成本并满足多样化的市场需求。如丰田的2.5L THS-Ⅱ,采用了和传统发动机一样的主流技术:阿特金森循环+高压缩比+长行径比+冷却EGR等,处于全球量产机型中的最高水平。

6.3 丰田专用发动机技术参数及技术应用情况


专用发动机

1.8L THS-Ⅱ

2.5L THS-Ⅱ

3.5L THS-Ⅱ

排量(CC)

1798

2487

3456

缸径×行程(mm×mm)

Φ80.5×88.3

Φ87.5×103.4

Φ83×94

行径比

1.10

1.18

1.13

压缩比

13

14

13

最大功率(kW/rpm)

72/5200

131/5700

220/6600

最大扭矩(Nm/rpm)

142/3600

221/3600~5200

350/5100

主要技术应用情况

阿特金森循环;13高压缩比;1.10的行程-缸径比;高滚流比;冷却EGR;低摩擦技术等

阿特金森循环;14高压缩比;
高滚流比;1.18的行程-缸径比;GDI+PFI;冷却EGR;低摩擦技术等

阿特金森循环;13高压缩比;

1.13的行程-缸径比;GDI+PFI;双VVT-i等

主要应用情况

雷凌、卡罗拉等

凯美瑞、亚洲龙等

Lexus LS500h

2.本田汽车

在混合动力发展方面,本田在放弃早期IMA混合动力系统后,针对旗下不同车型,采取不同的混合动力系统。如小型车采用单电机i-DCD系统;中型车采用i-MMD双电机系统;大型车采用SH-AWD三电机系统。目前,i-MMD作为本田混合动力系统的佼佼者,通过技术升级和结构优化等手段已发展至第三代,并且已成功搭载多款车型上市。接下来,将重点介绍本田i-MMD混合动力系统搭载的专用发动机2.0L的研究情况。

如图6.5所示,本田i-MMD混合动力系统一直采用2.0L专用发动机。其第二代专用发动机,主要是在第一代的进气侧增加了本田独有的VTEC技术,将阿特金森循环控制在最佳状态,实现其热效率提高至38.9%;而第三代专用发动机,除了沿用阿特金森循环、1.19长行径、i-VTEC、电子水泵等技术外,同时在燃烧、热管理和结构等方面开展了大量的优化设计,如增大EGR流速,扩大EGR利用率至23%;提高压缩比至13.5;提高节气门开启温度等技术手段,实现BSFC降低了8g/kWh至208.1g/kWh(对应热效率达到40.6%),处于本田i-MMD系统Hybrid drive模式下的最佳经济运行线上,同时其高效区间也进一步扩大。

图片关键词

6.5 本田i-MMD系统2.0L阿特金森循环专用发动机升级情况

3.日产汽车

2018年,日产在其本土市场日本推出了e-Power。经研究发现:日产e-Power混合动力系统并不是一个全新的混合动力系统,而是属于串联式混合动力系统。众所周知,串联式混合动力系统的发动机因不直接参与车辆驱动,主要用于发电,发出的电能既能被存储于电池内,也能用于提供驱动电机的电能,协助驱动。因而,其具有与其他构型下的专用发动机不一样的特点,这些特点是在设计之初就应该予以考虑的。如:常选用成本低的小排量自然吸气发动机;发动机常用工况点多为点控制或者线性控制;发动机应避免低效率区域和高速运行区域(高转速发动机NVH将变差),重点对低转速区(<4000rpm以下)的工况点进行优化设计。

如图6.6左侧所示,e-Power专用发动机是基于日产现有的1.2L三缸小排量自然吸气发动机,在本体结构不变的情况下,集成米勒循环、12高压缩比、电子水泵、双喷射、冷却EGR等技术,同时对发动机前端轮系进行优化,如取消皮带传动等。此外,在发动机的运行转速控制方面,通过相应的技术手段,相较于原机型,其转速得以有效降低。如在5400rpm达到其最大功率58kW,3600~5200rpm范围内实现其最大扭矩103Nm。同时,通过匹配电机、驱动机构等系统,实现搭载整车后,专用发动机运行工况点集中于2500rpm左右,如图6右下图红点所示(红点的大小表示发动机在该工况点下运行的时长),有效避免了发动机进入NVH恶化的区域,降低控制和优化成本等。

图片关键词

6.6 日产e-Power专用发动机HR12DE的技术特点及运行特征

4.现代汽车

近几年,现代汽车基于并联式P2构型共开发出两套合动力系统,一套为2.0L GDI+6AT,主要搭载索纳塔PHEV车型;另一套为1.6L GDI+6DCT,专门搭载起亚极睿(NIRO)和现代IONIQ等混合动力车型。两款发动机均是基于现代现有机型或平台共同开发的。其中,2.0L GDI是基于Nu平台开发的,另有一款同排量自然吸气传统发动机;1.6L GDI是基于kappa 1.4PFI,在缸径不变的情况下,通过增加行程至97实现排量增加,同时,该机型通过阿特金森循环、13高压缩比、200bar GDI、冷却EGR、小缸径长行程的高滚流燃烧系统、热管理优化、低摩擦等技术完成升级,实现其热效率达到40%,如表6.4所示。

6.4 现代Kappa1.6L GDI专用发动机的技术参数和应用情况

专用发动机

Kappa 1.6GDI

排量(CC)

1580

主要技术应用情况

提高指示效率

200bar GDI+13高压缩比+阿特金森循环;小缸径长行程+直管型进气道+浅碟形活;塞顶+活塞内冷油道+PCJ+充钠气门+铜合金气门导轨;废气余热回收系统等

缸径×行程(mm×mm)

Φ72×97

行径比

1.35

压缩比

13

降泵气损失

DVVT,进气中间锁止;冷却EGR+高能点火等

热效率(%)

40

最大功率(kW/rpm)

77.2

降机械损失

曲轴偏置+低摩擦涂层;两级变排量机油泵+0W-20润滑油等

最大扭矩(Nm/rpm)

147

主要应用情况

现代loniq、起亚Niro等


从图6.7所示的现代汽车未来发动机规划可知:未来,现代将继续提升发动机热效率至50%,包含两款高热效率专用发动机的开发,一款是2020年前后将推出热效率约为43%的2.0L HEV发动机;另一款是2025年前后将推出热效率约为45%的2.7L HEV发动机。

图片关键词


6.7 现代汽车未来发动机产品和技术规划

(二)欧美地区代表企业专用发动机技术对标

继日本之后,欧美汽车企业也着手布局混合动力汽车,但其发展速度和规模尚不及日本企业。这种差距在专用发动机方面同样存在,大多数欧美汽车企业缺乏专用发动机,基本上采取适应性开发,仍处于发展的第一阶段,如大众、宝马、奔驰等,只有极少数企业如通用,针对其混合动力系统开发了专用发动机。所以,本小节将重点介绍大众和通用在专用发动机上的研究和应用情况。

1.大众集团

目前,大众Golf GTE等多款混合动力汽车搭载的专用发动机均为来自EA211的1.4TSI发动机,该机型与传统发动机相比,技术上采用继承策略,主要是对电动化附件引起发动机前端轮系的变化而进行结构优化,其变化点如图6.8所示。

图片关键词

6.8 大众1.4TSI发动机搭载传统车和混动车的前端轮系对比

如图6.9所示,大众已明确未来将用1.0T和1.5T两个排量精简EA211平台现有发动机,而且大众计划未来几年内要完成现有搭载1.4TSI的车型切换成搭载其同平台新款1.5TSI发动机。因而,未来大众混合动力汽车将搭载1.5TSI evo专用发动机,且极有可能为采用米勒循环、12.5高压缩比、1.15行径比、变截面涡轮技术、主动停缸、350bar GDI、热管理、低摩擦技术等,实现热效率达到38%的低功率版本。


148 136

专用发动机

1.5TSI evo 96kW

1.5TSI evo 110kW

排量(CC)

1498

1498

缸径×行程(mm×mm)

Ø74.4×85.9

Ø74.5×85.9

行径比

1.15

1.15

压缩比

12.5

10.5

热效率(%)

38

最大功率(kW/rpm)

96/4750~5500

110

最大扭矩(Nm/rpm)

200/1300~4500

250

主要技术应用情况

·米勒循环

·带废气旁通阀的涡轮增压

·12.5高压缩比

·APS缸套涂覆

·变截面涡轮技术

·主动停缸技术

·主动停缸技术

·350bar GDI

·350bar GDI

·热管理技术

·热管理技术

·低摩擦技术

·低摩擦技术


6.9 大众1.5TSI evo相关技术参数和技术应用情况

2.通用汽车

在混合动力系统领域,通用采用双行星排和三行星排的两条混合动力技术路线,并开发出多套混合动力系统。为匹配不同的混合动力系统,通用已推出三款专用发动机1.5GDI、1.8GDI和2.0TG,表6.5给出了三款专用发动机的技术参数和技术应用情况。

6.5 通用三款专用发动机技术参数和技术应用情况


专用发动机

1.5GDI

1.8L DI-NA

2.0T LTG

排量(CC)

1490

1796

1998

缸径×行程(mm×mm)

Φ74×86.6

Φ80.5×88.2

Φ86×86

行径比

1.17

1.096

1

压缩比

12.5

11.5

9.5

热效率(%)


最大功率(kW/rpm)

78/5800

91/5000

198/5500

最大扭矩(Nm/rpm)

138/4400

176/4750

400/3000~4300

主要技术应用情况

Atkinson循环;12.5高压缩比;1.17行径比;缸内直喷;集成排气歧管;两级可变机油泵

缸内直喷;11.5压缩比;外部冷却EGR;热管理技术;低摩擦技术;NVH优化技术

双涡管增压;缸内直喷;DVVT;活塞喷雾冷却;两级可变排量机油

主要应用情况

Velite5等

君威、迈瑞宝等

凯迪拉克XT5等

通用在1.5GDI上,集成了阿特金森循环、12.5高压缩比、1.17行径比、缸内直喷、集成排气歧管等技术,实现发动机热效率大幅提升,同时与第二代VOLTEC增程型电驱技术(双行星排)匹配,应用于Velite5上实现NEDC循环下的百公里综合油耗达到0.9L/100km(纯电里程为116km)。通用在2.0TG上,主要是基于LTG平台进行前端轮系的适应性更改并沿用平台大量技术,快速满足车型的搭载需求。

通用1.8GDI,是基于其第三代1.8L自然吸气发动机进行开发。以传统发动机为基础,通过外部冷却EGR、优化热管理和降低摩擦等技术,进一步提高燃油经济性,使其全MAP最低燃油消耗率为224g/kWh。如在降低摩擦方面,采用两级可变排量机油泵、取消空调压缩机和发电机,并优化活塞环张力等。同时,通用在发动机的NVH方面采用声学材料包覆、结构设计优化,使其发动机整体噪声降低3~5dB,如图6.10所示。在降低NVH采用的技术方面,包括:一体化锻造(带8个重量块的曲轴)+曲轴优化设计,降低2级振动;利用进气相位可变进行优化设计,同时在发动机启动时,采用扭矩控制启动,再利用电机进行转速控制改善起停性能;优化进气歧管结构进行歧管包覆(两层硬塑料壳+嵌入式减震器)来降低歧管辐射;同时加强燃油泵和排气侧的控制和结构优化等。

图片关键词

6.10 通用1.8GDI专用发动机燃油Map和NVH改善途径

(三)国内代表企业专用发动机技术对标

国内企业是继日韩、欧美企业之后,在我国政策的引导下,从2016年才开始大规模研究混合动力汽车。虽然我国已处于落后地位,但是国内企业仍在奋力追赶,积极布局。通过几年的努力,绝大多数企业已向市场交付了产品,如表6.6所示。同时,在专用发动机研究方面,部分国内企业也开展了相关研究,并对外进行了展示,如吉利、比亚迪和长安等。本小节将重点介绍吉利、比亚迪和长安等国内企业在专用发动机上的研究和应用情况。

6.6 国内企业混合动力汽车产品和相关战略



上汽

比亚迪

吉利

长城

广汽传祺

长安

HEV

PHEV

HEV

PHEV

HEV

PHEV

HEV

PHEV

HEV

PHEV

HEV

PHEV

相关产品

750

E550E950


F3


领克01


Weyp8


GA5


逸动

Erx5

领克03

GS4

CS75

Ei6

唐100

领克02

祺智


名爵6

宋max

博瑞GE




宋pro

缤越




秦pro

帝豪GL





嘉际



战略规划/行业目标

绿芯产品,EDU已发展至第二代

新能源汽车引领者

蓝色吉利行动,2020年65%为混合动力汽车



香格里拉计划,2025年三大新能源平台等

1.吉利汽车

自收购沃尔沃(Volvo)以来,吉利就不断地从Volvo引进相关产品和技术,包括引进了Volvo GEP3 1.5T三缸发动机平台,并基于该发动机平台,开发出三款专用发动机——1.5TD、1.5T米勒和1.5TG,分别用于匹配REEV增程式、P2.5 HEV和P2.5 PHEV三套混合动力系统。

如表6.7所示,为匹配不同的混合动力系统,三款专用发动机采取了不同的技术方案,性能差异明显。如面向增程式开发的1.5TD REEV专用发动机,通过集成深度米勒循环、13压缩比、中置GDI、集成排气歧管、平衡轴等技术,实现其热效率达到39.1%,同时,为避开NVH性能较差的高转速区预,该机型在4000rpm时达到最大功率68kW;在匹配P2.5(7DCT)并联式时,吉利两款专用发动机技术主要差异点是1.5T HEV采用了米勒循环+PFI;而1.5TG PHEV则采用奥拓循环+中置GDI。目前,1.5TG PHEV已搭载领克01等PHEV车型上市,另外两款专用发动机——1.5TD REEV和1.5T HEV还未搭载车型上市。

6.7 吉利GEP3 1.5T发动机平台专用发动机技术参数和技术应用情况

专用发动机

1.5TD REEV增程式(串联)

1.5T HEV并联式P2.5

1.5TG PHEV并联式P2.5

排量(CC)

1477

1477

1477

缸径×行程(mm×mm)

Φ82×93.5

Φ82×93.5

Φ82×93.5

行径比

1.14

1.14

1.14

压缩比

13

热效率(%)

39.1

38

最大功率(kW/rpm)

68/4000

105/5500

132/5500

最大扭矩(Nm/rpm)

215/1500~4000

265/1500~4000

主要技术应用情况

米勒循环;

米勒循环;
PFI;IEM;DVVT;正时皮带

奥拓循环

13高压缩比;中置GDI;

中置GDI;

IEM;中间锁止DVVT;

IEM;中间锁止DVVT;

平衡轴;正时皮带

平衡轴;正时皮带


2.比亚迪汽车

作为新能源汽车引领者,比亚迪始终坚持双模DM技术路线(以并联式P3为核心架构的技术路线),并通过F3、秦和唐等车型的换代升级,DM技术也由第一代发展至当前的第三代,其动力系统演变过程如图6.11所示。

图片关键词

6.11 比亚迪DM技术路线下的动力总成发展情况

从图11可以看出,相较于DM第一代,比亚迪DM第二代和第三代的动力系统进行了全方位的升级,而第二代和第三代之间除了新增一个25kW的BSG电机外,其动力系统的产品延续性较好。由于比亚迪DM技术的驱动电机位于变速器输出轴或者后桥上,在传统动力布置不受影响的情况下,发动机可选择重新开发也可完全借用。因而,比亚迪为提高传统车型和混合动力车型的平台化率,并未开发专用发动机,而直接借用传统发动机进行适应性匹配开发。如比亚迪唐传统版和混合动力版均采用同性能的2.0Ti发动机(国Ⅴ:151kW/320Nm;国Ⅵ:141kW/320Nm)。这也是比亚迪插电式混合动力车型在电池馈电或电量不足时,其油耗较高的原因之一。

从表6.8比亚迪展出的下一代发动机产品来看,为满足比亚迪燃油车、DM混合动力车等需求,比亚迪1.5TG和2.0TG两款发动机均进行了全新的技术升级,如米勒/阿特金森循环、高压缩比、VGT、电子节温器、电子水泵等技术得以应用,大幅提升发动机热效率。

6.8 比亚迪下一代发动机产品


专用发动机

1.5TG

2.0TG

压缩比

12.5

12

热效率(%)

38

38.8

最大功率(kW/rpm)

102

142

最大扭矩(Nm/rpm)

230

302

主要技术应用情况

米勒循环+12.5压缩比+变截面增压VGT+集成排气歧管IEM+缸内直喷GDI+电子节温器+静音链+低黏度机油

阿特金森循环+12压缩比+双涡管增压+集成排气歧管IEM+缸内直喷GDI+电子节温器+静音链+低黏度机油

3.长安汽车

在过去的几年内,长安先后向市场推出了两款混合动力车型——逸动PHEV和CS75 PHEV。在这两款车型上,其混合动力系统匹配的发动机并非专用,而是基于长安S系列的1.0TG三缸机和H系列的1.5TG在发动机性能保持不变的情况下,分别进行前端轮系等适应性开发。在2018年长安汽车技术开发日,长安对外展示了其第二代混合动力系统,该系统匹配的发动机是基于长安新一代发动机平台NE1平台开发的专用发动机1.5TG,该机型通过集成米勒循环、13高压缩比、冷却EGR、1.197行径比、增压、350bar GDI、热管理、低摩擦等技术,实现其热效率达到40%,如表6.9所示。

6.9 长安1.5TG专用发动机技术参数和技术应用情况

专用发动机

1.5TG

排量(CC)

1494

主要技术应用情况

米勒循环+13高压缩比;1.197行径比;冷却EGR;双涡管增压技术(TC);
350bar高压喷射技术;集成排气歧管技术(IEM);水冷中冷技术;平行冷却+热管理技术;超低摩擦、低油耗技术;优异的NVH静音技术

缸径×行程(mm×mm)

Φ73.5×88

行径比

1.197

压缩比

13

热效率(%)

40

最大功率(kW/rpm)

102

最大扭矩(Nm/rpm)

225

三、混合动力专用发动机未来展望

(一)蓬勃发展的混合动力汽车产业将带动专用发动机产品大规模应用

近年来,HEV和PHEV车型的销量呈现逐年增加的态势,对专用发动机的需求增加,有利于推动专用发动机的研发和应用。

如图6.12所示,HEV车型在经济性大幅改善、动力性保持相当的前提下,指导价比同款传统车略有增加,再加上HEV车型不需要依赖充电桩和天津、广州等地区的节油超过20%的节能车单独摇号政策等因素的影响,促进了以丰田卡罗拉、雷凌为代表的混合动力车型在我国的快速增加。

图片关键词

6.12 2015~2019年我国HEV市场表现情况

如图6.13所示,在补贴、双积分、路权和购置税等政策红利的推动下,自2015年开始,我国PHEV车型销量逐年增加,2018年增幅达到126%。

图片关键词

6.13 2015~2019年我国PHEV市场表现情况

如图6.14所示,根据主流OEM未来混合动力产品规划以及各大机构的行业预测可知:未来混合动力将占据汽车市场较重要的地位,并且这种地位会持续相当长的时间。这给予汽车产业强力发展混合动力的信心,增加了专用发动机的应用需求。

图片关键词

6.14 主流OEM未来混合动力产品规划和各大机构行业预测

此外,类似丰田免费公开混合动力汽车相关专利的行业行动也会推动混合动力汽车的发展,继而促进专用发动机的研究和应用。

近期,丰田向全球其他企业免费公开其23740项混合动力车型技术相关专利,但若将其与我国新出台的双积分中低油耗乘用车政策相结合,毫无疑问,公开专利将促进行业开展新一轮混合动力汽车的研究,加快技术突破,促进专用发动机的发展。

(二)发动机先进技术的持续研究和突破量产将加快专用发动机技术升级和应用

无论是传统发动机还是专用发动机,提升热效率是应对法规升级、实现节能减排的重要途径。因而,围绕提升发动机热效率开展的先进技术研究并突破量产有利于进一步明晰未来专用发动机的技术路线,推动专用发动机技术升级和应用。

结合本报告第一部分技术应用中推荐的部分发动机先进技术,如米勒/阿特金森循环、稀薄燃烧、超高压缩比、超高喷射压力和余热回收等技术,已经有企业或研究机构开展了大量研究,并取得了阶段性成果,如下。

在稀薄燃烧领域,一是计划于2019年下半年量产的马自达SKYACTIV-X 2.0L发动机,通过集成SPCCI、16超高压缩比、1000bar高压喷射、冷却EGR、双电动VVT、机械增压、高能点火等技术,能实现90%以上的工况压燃,确保在极稀(λ>2.0)的混合气氛围下实现稳定燃烧,成功解决发动机稀薄燃烧难题,相较于第一代,燃油经济性提高了20%~30%,热效率得以大幅提升,宣传热效率达到48%。二是丰田正在研究超稀薄燃烧技术以进一步提高发动机热效率,本项研究中丰田采用超稀薄燃烧(过量空气系数大于2.5)、超强滚流、火核控制、隔热涂层及降低机械损失等技术手段,目标是将发动机热效率提高至48%。三是本田正研究利用预燃烧室点燃混合气后,燃烧火焰从多个小孔中传播至主燃烧室,实现主燃烧室的“多点点火”,确保空燃比接近40∶1的超稀混合气体稳定燃烧,热效率提高至47.2%。四是德尔福GDCI(Gasoline Direct Injection Compression Ignition)发动机项目在美国能源部的资助下,于2010年启动,到2018年其产品已发展至第三代GDCI Gen3X,通过集成17超高压缩比、MIL(Multiple late injections 三次后喷技术)、冷却EGR、全可变气门、机械增压加涡轮增压、热管理等技术,实现混合气的分层燃烧,热效率提升至43%。五是通用在2015年启动了一个为期5年的稀燃发动机项目,使用分层稀薄燃烧技术匹配米勒循环、先进增压系统(48V电子增压/双级变速机械增压)、中置压电式高压喷射系统、冷却EGR、先进热管理、低摩擦技术等先进技术组合,计划发动机热效率在2020年达到43%的水平。

在米勒/阿特金森循环和余热回收技术领域,一是米勒/阿特金森循环已成为提升热效率的基础技术,如上文所述的专用发动机大多数采用了该项技术。二是余热回收技术方面,现代规划在2035年,通过稀燃、可变压比、绝热、余热回收等技术实现50%热效率;此外在混合动力车型上,除了可用于整车采暖,还可用于热电转换发电和低温下,快速提高电池温度等,因而,该技术在日本的混合动力汽车上已有所应用。

虽然发动机服务于人类已超过百年,而且技术在不断升级,热效率也在持续提升,但如今面对纯电动、氢燃料电池汽车的兴起,让部分企业萌生出不再看好发动机发展前景的想法,给发动机的进一步发展带来一定冲击。

面对这种短暂的冲击,行业应清晰地认识到,发动机作为传统车、混合动力汽车必不可少的系统,无论是现在还是未来,其产品规模都是非常庞大的。企业需坚持多元化技术路线布局,不但不能看衰甚至是放弃发动机,而且应加大投入,持续挖掘发动机节能潜力,开发专用发动机,满足未来混合动力汽车的需求。

 

第七章 热管理在重型商用车节能减排中的作用


一、热管理概述

热管理是一种综合技术,直接或间接影响了车辆的多种性能。车辆燃油经济性、排放及驾驶舒适性的提高对热管理技术发展提出了更高的要求。为了提高重型柴油汽车的燃料效率和减少排放,各个国家特别是发达国家都在积极研究各种柴油机技术及相关的燃料技术。由于汽车热管理对提高燃料经济性和减少排放有直接或间接的影响,因此有必要对热管理进行研究和改善。但是相对于发动机技术的发展,热管理技术发展相对落后。

热管理系统主要用于冷却和温度控制,例如,对发动机、润滑油、增压空气、燃料、电子装置以及EGR的冷却,对发动机舱及驾驶室的温度控制等。热管理系统由各个部件和传热流体组成。部件包括换热器、风扇、冷却液泵、压缩机、节温器、传感器、执行器和各种管道及套管;传热流体包括大气、冷却液、机油、润滑油、废气、燃料、制冷剂等。这些部件和流体必须协调工作以满足车辆散热和温度控制要求。根据《汽车热管理行业现状及发展趋势分析报告》,热管理关注度低但市场庞大,截至2018年,我国汽车热管理市场800亿元左右,2020年可望达到1000亿元。传统乘用车热管理单车价值为2000元左右,商用车热管理单车价值为5000元左右。

二、内燃机传统热管理对节能减排的作用及实现方式

(一)作用

内燃机传统的热管理主要作用如下。

(1)解决发动机零部件和润滑剂的热负荷问题。

(2)降低进气温度,提高进气效率,减少换气损失。

(3)降低循环排气温度,减少NOX的形成。

发动机冷却是最传统、最基本的热管理功能,它保障了发动机的可靠运行。发动机的冷却系统包括流经发动机机体缸盖的水冷系统。在高强化发动机中,还有润滑油喷入活塞内冷油道,对活塞顶面进行冷却。循环流动的润滑油,也起着一定的冷却功能。润滑油带走的热量通过机油冷却器传递给冷却水。所有冷却水带出的热量将在冷却水箱上通过车辆迎风或风扇吹起的流动空气带入大气(见图7.1)。

图片关键词

7.1 汽车发动机的冷却系统

(二)实现方式

内燃机传统的热管理在节能减排方面的作用主要是通过以下一些方面来实现的。

(1)通过降低进气温度,提高热力循环的效率。

(2)提高耗能附件的效率,降低附件耗功。

(3)利用可变附件,根据工况需求,减少耗能附件的耗功。

降低进气温度主要是降低增压后的空气温度。

压缩过程是发动机的热力循环的重要组成部分。在增压发动机中,压缩过程由增压器的增压过程和发动机的压缩冲程两部分构成。从工程热力学的角度看,最理想的压缩过程是等温压缩过程,压缩过程产生的热量能被及时冷却,工质的温度保持不变。增压柴油机的进气压缩过程由两部分组成:增压器压气机和发动机的压缩行程。增压器的增压过程是在涡流式的旋转压气机内实现的,旋转的压气机很难冷却,增压过程是一个近似于绝热压缩过程,会产生热量,使增压空气的温度升高,降低发动机的充气效率,提高压缩过程的压缩功,进而降低发动机的输出功率和热效率,通过增压中冷可以在很大程度上解决发动机低输出功率和低热效率这个问题。

增压中冷技术就是将增压器出口的增压空气进行冷却后供入气缸,以提高进气密度、增加充气量的一项技术。增压中冷的作用如下。

(1)进一步增加内燃机进气管内空气密度,提高进气效率,从而提高内燃机的功率输出。

(2)进气效率的提高,增加了发动机缸内的含氧量,有助于降低碳烟的形成和排放。

(3)增压中冷可使增压器压缩机和发动机压缩行程的整个压缩过程更接近于等温压缩,如图2所示,可以减小进气压缩做功,降低换气损失,提高发动机效率,降低油耗。

(4)进气冷却降低了压缩终了温度和整个循环的平均温度,从而降低了内燃机NOx的形成和排放。

图片关键词

7.2 压气机级间中冷作用的示意

示意图上中冷器将增压空气的温度冷却到增压起始温度,这是最理想的状态,实际工程上很难做到,但这是中冷系统研发追求的目标。有试验表明:发动机进气温度每降低10℃,油耗会降低0.5%~1%,NOx的原排降低1%~3%。

一般重型柴油机的增压中冷是由流动的空气在中冷器中对增压空气进行冷却的,俗称空空中冷。

图7.3是一种带有两级增压的MAN卡车的冷却系统示意图。这个增压中冷系统用的是换热效率较高的水空中冷。和传统的水空用发动机的冷却循环水不同,这个系统冷却水用的是由汽车迎风冷却的低温冷却水。这种高冷却效率的增压中冷系统使两级增压后的发动机进气温度只比环境温度高5℃,极大地改善了发动机的循环效率。

图片关键词

7.3 一种带有两级增压的MAN卡车的冷却系统示意

排气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation,EGR)是一种降低内燃机NOx排放的可选技术。EGR是把一部分排气再循环到发动机的进气系统,通过降低进气的含氧量和提高进气比热容来减缓燃烧速度,降低燃烧温度,降低NOx的形成和排放。但是,EGR排气再循环到发动机进气中,提高了发动机的进气温度,增加了发动机压缩过程的压缩功,降低了发动机的循环效率。为了减小这个负面效应,需要把再循环的排气加以冷却,即采用所谓冷却EGR,一方面,可以使整个压缩过程趋向于等温压缩,减小进气压缩做功,降低换气损失,从而缓减EGR造成的燃油经济性和微粒排放的恶化,如图7.4所示;另一方面,可以降低压缩终了温度,进一步减少NOx的形成。

图片关键词

7.4 冷却EGR对压缩进气的影响

发动机排气中有碳烟和碳氢化合物,液态的碳氢化合物会将碳烟黏接起来,在EGR回路及EGR阀上形成积碳,造成EGR系统的失效和破坏。

碳氢化合物的蒸发特性与其分子中碳原子数的关联度要大于分子结构(见图7.5),碳原子数越多,越难蒸发。未完全燃烧的燃油的碳氢化合物分子碳原子数主要在12以下,当温度低于200oC时会由气态变为液态。因此,当废气温度低于200oC后,需要防止废气中液态的碳氢化合物与碳黏结在一起产生积碳现象。当然,从性能的角度,希望EGR的冷却温度越低越好。冷却EGR的温度控制需要兼顾性能和可靠性两方面的要求。

图片关键词

7.5 碳氢化合物的蒸发特性

在车用发动机附件中,风扇消耗功率最大。过去和发动机曲轴刚性连接的风扇在最高车速时,耗功最大高达15%的发动机输出功率。

实际上,风扇只能产生30km/h左右的风速。当车速高于30km/h时,风扇的运转就是白白地消耗能量。

现在普遍应用的各种可变风扇,都会利用高速迎风这个车辆最佳的冷源,适时停止风扇的运转,减少风扇耗功。

巧妙利用迎风是可变风扇进一步节能的关键。发动机增压中冷所需要的冷源特性和车辆迎风的冷却能力特性高度吻合。在车辆低速运行时,发动机增压度小,增压空气的温升也小,对中冷的需求也低。只有高速运行时,发动机增压压力提高,增压空气的温升提高,对中冷的需求也提高。而此时车辆也具备了较大的迎风,不需要借助风扇来增加冷却空气的流动速度。

发动机增压空气需要冷却的工况,往往是迎风较大的高车速工况。因此,车用增压中冷器最需要的是用迎风冷却,而不是冷却风扇。奥迪V8柴油机和宝马直列6缸柴油机的中冷器就充分利用了迎风,如图7.6所示。优化中冷器的布置,可以给冷却水箱提供更合适的空间条件,降低风扇消耗功率,从而降低油耗。

图片关键词

7.6 中冷器优化布置实例

有效利用车辆迎风,是车辆热管理技术发展的永恒主题。现代重型商用车都在努力增加车头前部的通风面积,以便充分利用车辆的迎风来进行发动机热管理。为了充分利用迎风来进行发动机热管理,需要对机舱的空气流道进行优化,以便进入机舱的冷却空气维持较高的流速,更好地发挥冷却作用,减少热管理对额外动能的需求,减少风扇耗功,达到节能的效果。机舱空气流道的优化,可以和机舱内隔热、隔噪的措施一起考虑,达到总体优化的效果。其他可变附件的节能作用是根据工况的需求,减小附件的耗功,达到节能的目的。根据汽车纵向动力学计算,在同样的车速下,平地匀速运行的车辆耗功只有在3%坡度匀速上行的车辆耗功的1/3左右。

这样,以长途牵引车为例,如果发动机外特性是以满足在3%坡度匀速上行的动力需求设计的话,车辆运行的大多数时间,即处于高速公路上平地运行的工况,发动机的运行负荷只有外特性负荷的1/3左右。外特性负荷只有在上坡或者加速运行时才用得到(见图7.7)。

图片关键词

7.7 牵引车工况示意

发动机中的水泵、机油泵、冷却风扇等附件的能力是按照外特性曲线对应的工况点来设计的。而且多数刚性连接的附件的能力和耗功只取决于转速,而与负荷关系不大。因此,在大多数平地匀速运行时间,附件的能力具有一定的冗余。采用可变附件,根据发动机运行的负荷,调节附件的运行状态,减少附件的冗余能力和耗功,可以实现一定的节能效果。为发挥可变附件的节能效果,需要根据工况特点,制定附件合理的控制策略,配置合适的各挡能力。

三、排放法规对热管理提出的新要求

(一)排放法规政策解读

2018年7月,国家生态环境部颁发了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(简称重型柴油车国Ⅵ排放法规),从2021年7月1日起,全国的重型柴油车将全部实行国Ⅵ排放标准,目前已有部分地区提前施行国Ⅵ标准,重型车的排放法规以发动机排放测试为基础。

和以往每次排放法规升级一样,国Ⅵ排放法规进一步降低了各项污染物的排放限值,如图7.8所示。国Ⅵ重型车用柴油机的NOX限值相当于国Ⅰ的1/20,而PM的排放限值相当于国Ⅰ的1/36。对于微粒排放,除了加严PM排放限值外,还增加了微粒数量PN的限值。

图片关键词

7.8 排放限值的降低

比限值更重要的是获取限值所采取的测试循环。测试循环规定了测试的工况点、每个工况点的测试时间、各工况之间的顺序以及各工况点测试结果在整个循环中的权重。

在国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ所采用的ESC(European Stationary Cycle)测试循环中,排放测试值中80%以上的PM和NOX来自中高转速和中高负荷,如图7.9所示。也就是说,在国Ⅴ以前的排放法规中,重型车用柴油机的排放控制区域主要在中高负荷。

图片关键词

7.9 ESC稳态循环工况分布

为了使排放测试循环更接近实际车辆运行情况,在国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ重型车用柴油机排放法规中,还增加了ETC(European Transient Cycle)测试循环,以检测发动机在动态工况下的排放特性。

国Ⅵ重型车用柴油机排放法规和欧Ⅵ重型车用柴油机排放法规一样,采用的是世界统一的WHSC(World Harmonized Stationary Cycle)和WHTC(World Harmonized Transient Cycle)循环来进行稳态和动态工况的排放测试。

图7.10、图7.11分别列举了ESC循环和WHSC循环、ETC循环和WHTC循环的工况分布,从图中可以明显地看出,与ESC及ETC相比,WHSC及WHTC工况点的选择和权重的分布更接近于低转速和低负荷。这一方面呼应了重型车用柴油机降低转速(Down Speeding)的技术发展趋势;另一方面也和欧Ⅳ以后重型车用柴油机广泛使用后处理技术,排放控制的难点移向低负荷有关。

图片关键词

7.10 ESC和WHSC循环工况点分布

图片关键词

7.11 ETC和WHTC循环工况点分布

综上所述,国Ⅵ重型车用柴油机排放法规不仅是限值的加严,而且还扩大了排放限值涵盖的范围,为了满足排放法规的要求,需要从过去的依据技术可行性转变为依据环境可溶性进行产品和技术开发。

(二)柴油机排气热管理的具体措施

柴油机排气热管理的具体措施是通过燃烧重心后移、减少排气热量损失、向排气输入能量和减少排气流量等手段来实现的,各手段的具体措施如下。

(1)通过推迟燃油喷射,使燃烧重心后移,以便提高排气温度是比较简单的方法。但是,它会影响发动机的热效率,增加油耗。

(2)减少排气热量损失的手段如下。

①排气管隔热。在后处理系统的上游进行排气管隔热是最经济可靠的排气热管理措施。除了隔热措施的一次性成本以外,没有任何其他负面影响。是现代柴油机都应该采取的热管理措施。

②后处理系统的紧耦合布置。将整个或部分的后处理系统直接布置到废气涡轮的出口处,被称为紧耦合布置。后处理系统的紧耦合布置,最大的困难是布置空间。但这是未来超低排放所必须采用的措施。

(3)向排气输入能量的方法有以下几个。

①电加热:车辆上的电都是通过内燃机做功获得的。燃油转化为电的效率在30%左右,用电加热很不经济,一般电加热只用于万不得已的冷启动热管理。未来可以预期的可加热通电的催化器载体,可以极大程度地降低冷启动排放。

②燃烧器加热:在排气管上安装燃烧器对排气进行加热,由于系统复杂以及一些可靠性问题,很少应用。

③缸内燃油后喷:最常用的方式是缸内或排气管上的燃油后喷。缸内燃油后喷,结构上无变化,无附加成本;缺点是燃油会喷到汽缸壁,造成机油稀释,对发动机可靠性影响较大。另外,燃油利用率较低,控制复杂。

④排气管燃油后喷:排气管燃油后喷,对发动机可靠性影响较小,燃油利用率高,控制简单;缺点是附加喷油系统的成本较高。

一般轻型柴油机从成本考虑,多采用缸内燃油后喷;重型柴油机从可靠性出发,多采用排气管燃油后喷。但随着对缸内燃油后喷的控制机理的理解和掌握,逐渐有取消排气管燃油后喷的趋势。

(4)减少排气量的手段有以下几种。

①进气节流。

②排气节流。

③可变气门机构。

④停缸。

图7.12表示在各种过量空气系数条件下,每提高10℃排气温度,所需要的理论加热能量和发动机比油耗的比值,而实际加热量要高于理论加热量。

图片关键词

7.12 提高排气温度所需要的加热能量和发动机比油耗的关系

当柴油机排温低于200℃时,过量空气系数在4左右,这时每提高10℃排气温度所需要的理论加热能量是发动机比油耗的1.5%。这样,从200℃加温到排气后处理系统高效工作所需的250℃的温度所需要的理论加热能量是油耗的7.5%。这对于长时间处于低负荷运行的车辆(如城市公交车)是很大的燃油消耗。

柴油机排温低于200℃的部分负荷过量空气系数在4左右,而柴油机维持正常燃烧过量空气系数只要达到1.5以上即可。从图12可以看出,过量空气系数为1.5的混合气所需要的理论加热量只有过量空气系数为4的混合气的理论加热量的1/3。因此,减少排气流量是排气热管理特别是低负荷排气热管理的重要措施。

减少排气流量的前提是要保证柴油机的压燃温度,使柴油机能正常运行。节气门和可变气门定时的作用会减少缸内进气充量,和保证柴油机的压燃温度有矛盾,过多地减少缸内进气充量会导致发动机失火。

采用停缸技术在减少排气量的同时,仍能保持工作气缸的进气充量,保证压燃温度,具有更好的效果。但是,停缸技术需要注意发动机的振动和平衡问题。

改善催化剂低温性能或者采用气态还原剂等外部因素也可以大大降低排气热管理的压力。

四、未来的内燃机热管理技术及其对节能减排的作用

未来的法规,除了进一步降低排气污染物排放以外,还要加严燃油消耗的限值。面对下一阶段可能的油耗法规,重型商用车柴油机需要具备50%以上的有效热效率。从今天的技术条件看,内燃机要实现50%以上的有效热效率,可能还需要采用余热回收技术(Waste Heat Recycle,WHR)。其实,废气涡轮增压器本身就是一种余热回收技术,它利用排气的能量驱动压气机,为进气增压,使发动机的换气过程由耗功变为增加驱动功过程,极大提高了内燃机的有效效率。

目前,讨论的WHR指的是在增压器涡轮机以后的残余能量的利用。

WHR余热回收有三种方式。

①动力涡轮。

②朗肯循环。

③热电效应发电。

动力涡轮和增压器的涡轮相似。动力涡轮利用增压涡轮后残余的能量做功,通过机械连接将动力附加到发动机的动力输出端;或驱动发电机发电(见图7.13)。

图片关键词

7.13 用于发动机余热回收的动力涡轮系统

朗肯循环(Rankine Cycle,RC)是蒸汽机普遍应用的热力循环。图7.14是应用于发动机余热回收的朗肯循环装置。在朗肯循环中,工质在蒸发器中吸收排气热量后,工质由液态变为高压蒸汽从而膨胀推动工作机做功。同时,高压蒸汽转化为低压蒸汽。而后进入冷凝器冷凝为液态,完成一个循环。朗肯循环的工作机可以是往复式或涡轮式的。

图片关键词

7.14 用于发动机余热回收的郎肯循环装置

热电效应发电(Thermo Electric Generator,TEG)是利用温差产生的塞贝克效应(Seebeck Effect)发电。塞贝克效应指的是两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起的两种物质间的电压差的热电现象(见图7.15)。

图片关键词

7.15 热电效应发电原理

发动机的余热回收所面临的热能品位低,能量回收的难度大,装置的成本高,回报率低,若无法规的推动,很难被市场接受。目前研究的余热回收系统最好的能量利用率能为发动机的有效效率提高5%,片面追求余热回收率而提高废气能量,是得不偿失的。

重型柴油机燃料的化学能,除了做功和废气能量外,还有20%~30%的能量被冷却水带走,而这个冷却对于保持发动机的可靠性又是必需的。如果能够用隔热材料来保护发动机缸盖、机体和活塞不受高温的伤害,就可以减少冷却水带走的热量。这部分热量转化为做功的能量,就能提高发动机的热效率。这种材料就称为热障材料。这种想法在20世纪70~80年代就有,并付诸实践。但是,实际试验的结果并没有改善,反而恶化了发动机的有效热效率。究其原因,主要有以下几点。

①一般热障材料的应用提高了进气过程的燃烧室壁面温度。造成进气加热,增加了压缩过程的耗功。

②在高温燃烧过程中,燃烧室壁面升温慢,缸内高温气体和壁面的温差仍然很大,散热量仍然很可观。

在该隔热的高温时刻,隔热效果有限,高品位的能量仍然大量损失,而进气需要冷却的时刻,壁面却给进气加热,这样的结果是发动机的热效率不升反降。为了解决这个问题,需要采用低热容低热导的热障材料。低热容低热导的热障材料由于热容低,燃烧室壁面的温度和缸内气体的温度有很好的跟随性:在高温燃烧时,燃烧室壁面的温度也高,高温气体和壁面的温差相对较小,有效地降低了传热;在排气过程中,缸壁温度随着气体温度的下降而下降,对进气不产生额外的加热。针对不同材料,燃烧室壁面温度的变化如图7.16所示。

图片关键词

7.16 应用各种材料燃烧室壁面温度的变化

图7.17表示了各种热障材料的体积热容和热导率,最符合要求的低热容低热导材料是真空或不流动的空气,但是,它们需要被合适的材料封存住。泡沫状的低热导材料是可能的解决方案,需要克服的技术难点如下。

①材料和金属基体结合的可靠性。

②泡沫外层的抗压能力。

③燃烧室气流对材料表面光洁度的要求。

总之,开发间歇性工作的内燃机所需的热障材料要远远难于连续性工作的航空发动机的热障材料。

图片关键词

7.17 热障材料的热容和热导

五、小结

重型商用车对国民经济的发展起到重要的作用,重型商用车的节能减排工作是国家蓝天保卫战中的重中之重。

热管理最基本的功能是使发动机冷却,保障了发动机的可靠运行,而国Ⅵ重型车用柴油机排放法规进行了限值的加严及排放限值涵盖范围的扩大,越来越严格的油耗及排放法规对热管理提出新的要求,排气热管理等技术受到越来越多的关注。

未来的法规,除了进一步降低排气污染物排放以外,还要加严燃油消耗的限值。面对下一阶段可能的油耗法规,重型商用车柴油机可借助余热回收等热管理技术推动热效率进一步提升。


第八章 全球领先混合动力技术发展研究


一、研究背景

我国汽车发展进入一个崭新的时代,智能汽车的研发、新能源汽车的普及推广以及汽车资源的共享,形成了2018年上汽的“新四化”——“电动化、智能网联化、共享化、国际化”。电动化是基础,智能网联化是条件,共享化、国际化是趋势。传统汽车的混动改造,氢燃料电池汽车的重点发展,传统汽车的节能改造,混动技术的应用,燃料电池的加快研究与推广应用,都将推动汽车产业向电动化发展。

目前,国内外乘用车市场的混合动力车型比例整体处于上升趋势。在中国乘用车市场(见图8.1),混合动力车比例由2016年的0.4%上升至2018年的0.9%,在欧洲乘用车市场(见图8.2),混合动力车比例由2016年的1.8%上升至2018年的3.1%,而在北美乘用车市场(见图8.3),混合动力车的比例2016年为2.0%,在2017年上升了0.1个百分点后,2018年又降至2.0%。

图片关键词

8.1 2016~2018年中国乘用车市场混合动力车型占比

图片关键词

8.2 2016~2018年欧洲乘用车市场混合动力车型占比

图片关键词

8.3 2016~2018年北美乘用车市场混合动力车型占比

二、 混合动力分类

如图8.4所示,混合动力总成按动力传输路线分类,可分为串联式、并联式和混联式三种。

图片关键词

8.4 混合动力分类

1.串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV)

串联式混合动力汽车驱动系统的结构比较简单,动力电池组、发动机-发电机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度,控制系统也比较简单,因为只有唯一的电动机驱动模式,系统更接近于电动车,它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联的方式组成。SHEV用发动机-发电机组均衡地发电,电能供应驱动电动机或动力电池组,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车,使SHEV的行驶里程得到延长。实际上SHEV的发动机-发电机组只能看作一种电能供应系统,发动机并不直接参与SHEV的驱动,SHEV必须装置在一个大功率的发动机-发电机组,再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近SHEV的最大驱动功率,在热能—电能—机械能之间的转换过程中,总效率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大,质量也较重,还有庞大的动力电池组,使在中小型汽车上布置有一定的困难,一般适合大型客车采用。

小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮,实现零排放。大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况,可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的,使发动机避免了怠速和低速运转的工况,从而提高了发动机的效率,减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换,机械效率较低。

2.并联式混合动力电动汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV)

并联式装置的发动机和电动机共同驱动发动机来给HV蓄电池充电,其基本结构是由发动机、发电机、HV蓄电池、变压器和变速器组成,两大动力总成的功率可以互相叠加输出,也可以单独输出。当汽车加速爬坡时,电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力,一旦汽车车速达到行驶速度,汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机可以作为发电机使用,称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,这种装置更接近传统的汽车驱动系统,机械效率损耗与普通汽车差不多,得到比较广泛的应用。

3.混联式(串并联式)混合动力电动汽车(Power-Split Hybrid Electric Vehicle,PSHEV)

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车主要由发动机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成。以发动机为主的形式中,发动机作为主动力源,电机为辅助动力源;以电机为主的形式中,发动机作为辅助动力源,电机为主动力源。该结构的优点是控制方便,缺点是结构比较复杂。

三、国外混合动力技术

(一)日本

1.丰田

丰田混合动力系统(Toyota Hybrid System,THS)是丰田的招牌混动技术,最早出现在1997年的普锐斯上,经过多年技术更迭,如今凯美瑞·双擎、卡罗拉/雷凌·双擎、雷克萨斯混动车型均搭载了这一套动力系统。

(1)普锐斯从第一代到第四代(见图8.5)

图片关键词

8.5 四代普锐斯燃油经济性变化

(2)丰田混动系统发展

第一代普锐斯的开发目标是比当时的传统汽油车燃油效率提高一倍。最初的THS系统的特征是:两个电机,根据主要功能分别称为驱动电机和发电机;Ni-MH电池;动力分配装置,一套简单的行星齿轮组(见图8.6)。

图片关键词

8.6 第一代普锐斯混动系统结构示意

第二代普锐斯的开发目标是改善驾驶性能,同时继续提高燃油效率。采用了“高电压升压电路”,利用202V的电池,将系统电压从274V-DC增加到最大500V-DC;最大输出功率从33kW大幅增加到50kW。增加了电机的功率输出,保持电流恒定,同时减少了电损耗(见图8.7)。

图片关键词

8.7 第二代普锐斯混动系统结构示意

将THS搭载到SUV上,需要提高电机的输出,同时聚焦于紧凑的设计。从雷克萨斯RX400h之后的所有混合动力车型,均采用了电机减速齿轮,搭配小尺寸、高转速的电机。在同等尺寸下,采用减速齿轮和高速电机,电机的输出功率增加了250%(见图8.8)。

图片关键词

8.8 RX400h混动系统结构示意

第三代普锐斯应用了大型SUV开发的技术,采用升压电路将电压提高到650V的高电压,采用了电机转速减速装置。实现了单元的小型化、轻量化,达到更加良好的动力性能和油耗性能(见图8.9)。

图片关键词

8.9 第三代普锐斯混动系统结构示意

第四代普锐斯部分采用了锂离子电池,对升压电路进行了优化(见图8.10)。其基本结构与第三代相同。

图片关键词

8.10 第四代普锐斯混动系统结构示意

相较之前系统,第四代普锐斯进行了驱动桥改进、PCU改进、电池改进。

驱动桥改进:两个电机带双轴平行配置,长度缩短了47毫米;并联的电机减速齿轮替代了行星齿轮,机械损失减少约20%(见图11)。

图片关键词

8.11 驱动桥改进示意

PCU改进:新采用了低损耗的IGBT,降低了约20%的电力损耗;重新设计了内部结构,减少了33%的体积;缩小的PCU直接搭载在驱动桥之上,辅助电池移到了发动机舱内(见图8.12)。

图片关键词

8.12 PCU改进示意

电池改进:新开发了锂离子电池;镍氢电池也重新开发,减少了尺寸,提高了性能;更小、更轻的电池组搭载在后排座椅下方,增加了后备厢空间(见图8.13)。

图片关键词

8.13 电池改进效果

丰田四代普锐斯的改进,第一代普锐斯在保证与传统汽油车相同的驾驶性能的基础上,提高燃油效率和减少CO2排放;第二代普锐斯,继续提高燃油效率,采用“高电压升压电路”,利用202V的电池,将系统电压增加到最大500V-DC,最大输出功率增加到50kW,大大减少了电损耗;第三代采用升压电路将电压提高到650V的高电压,采用电机转速减速装置,实现了单元的小型化、轻量化,达到更加良好的动力性能和油耗性能;最终形成采用部分锂离子电池的第四代,进行了驱动桥改进、PCU改进、电池改进,各性能均得到了提升。

2.本田

由本田过去的IMA混动系统出发,近年来,本田针对不同车型推出了不同混动概念,即针对大型车的三电机混动系统SH-AWD;中型车的双电机混动系统i-MMD;小型车的单电机混动系统i-DCD。

①紧凑型车。单电机i-DCD(Intelligent Dual Clutch Drive,智能双离合驱动)系统,结构上包括1.5L阿特金森循环汽油发动机,内置单电机7速DCT,锂离子电池,搭配交流同步电动机。发动机直接驱动车轮的混动系统。通过7速DCT,使发动机保持在高效领域运转(见图8.14)。

图片关键词

8.14 内置单电机7速DCT

②中型车。双电机i-MMD(Intelligent Multi Mode Drive,智能化多模式驱动)系统,雅阁,结构上包括阿特金森循环自然吸气发动机、双电机(一个电动机,一个发电机)、一个容量很小的电池组、PCU(动力控制单元)(见图8.15)。

图片关键词

8.15 直列1.5L阿特金森循环汽油发动机

本田的i-MMD(P1+P3)是高速行驶时切换为发动机行驶的独特系统。电机工作时会发生大扭矩,不过,转速过大会导致扭矩和输出下降。因此,将驱动作用转让给具有一定以上高转速效率的发动机,可以说是双重构架的HV系统(见图8.16)。

图片关键词

16 系统结构

通过离合器闭合实现混动模式切换。当离合器分离时,i-MMD的发动机和驱动电机即为典型的串联模式,用发动机驱动发电机发电,同时电能驱动电动机转动来驱动车辆,对于负荷较低的市区工况来说,通过发动机直接驱动往往效率较低,通过串联模式则可以使发动机维持在高效状态下运行,多余的电能将储存在电池中。

而当离合器啮合、发电机切断时,发动机和电动机又变为典型的并联模式,此时发动机和电动机的动力通过不同的减速比之后共同传给驱动轴。此时车辆有两个动力源,发动机燃烧汽油,电机的能量来源则为之前通过动能回收和发动机发电储存的电能。

系统根据道路条件的不同自动切换行驶模式,从而降低油耗;但是,离合器的切换时机成为最大的挑战。模式切换的平顺性受到离合器的影响(见表8.1)。

8.1 i-MMD不同行驶模式下工作状态

图片关键词

③大型车:三电机Sports Hybrid SH-AWD,讴歌RLX,新一代NSX。

本田基于IMA混动系统提出了不同车型不同混动。紧凑型车的单电机i-DCD系统,结构上包括1.5L阿特金森循环汽油发动机、内置单电机7速DCT、锂离子电池,搭配交流同步电动机;中型车的双电机i-MMD系统,结构上包括阿特金森循环自然吸气发动机、双电机、一个容量很小的电池组、PCU,通过离合器闭合实现混动模式(纯电行驶模式、混合动力模式、发动机行驶模式)切换从而降低油耗;大型车的三电机。

3.日产

现在串联混动代表是日产NOTE e-POWER。由电动马达驱动,发动机不参与驱动,100%由电机驱动车辆,利用高效发动机工作点来提高燃油效率,JC08油耗测试标准下37.2km/L(2.69L/100km)。其中发电专用发动机:1.2L发动机(HR12DE)改良版;驱动电机和逆变器;动力电池(见图8.17、图8.18、图8.19、表8.2)。

图片关键词

8.17 发电专用发动机

图片关键词

8.18 结构图(中)

图片关键词

8.19 发动机工作点

表2 不同行驶模式的工作状态

通常行驶

通常行驶

急加速,上坡

减速,下坡

驱动电量充足
(发动机不工作)

驱动电力不足
(发动机工作)

全电力供给行驶
(发动机工作)

驱动电力充足
(发动机不工作)

223 211

223 211

223 211

223 211

8.2 不同行驶模式的工作状态

4.小结

日本的混合动力技术路线仍然以丰田THS混合动力系统为主,本田i-MMD、日产e-POWER等混合动力系统市场占有率均非常低。丰田在四代普锐斯的改进,通过采用“高电压升压电路”、电机转速减速装置,以及驱动桥改进、PCU改进、电池改进,使燃油效率大大提升。本田基于IMA混动系统提出了不同车型不同混动,紧凑型车的单电机i-DCD系统,中型车的双电机i-MMD系统,大型车的三电机系统。日产NOTE e-POWER作为串联混动的代表,在不同形式模式的工作状态下,发动机工作状态不同,利用高效发动机工作点来提高燃油效率。未来会在现有THS系统的基础上,通过提高发动机热效率、提高电动机能量密度、减小各部件质量和体积、优化智能化控制策略、提高系统集成度等手段进一步提高混合动力系统效率。

(二)欧洲

目前欧洲厂家主要应用的混动技术是属于轻混的“48V混合动力系统”。它是由奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众等欧洲主机厂联合提出的,因此在欧洲发展态势强劲,但在日美地区相对谨慎。48V轻混系统最高直流电压约为54V,低于欧洲ECE-R100标准中规定的直流60V的安全电压,留出了安全空间。

在系统构架调整上,48V轻混系统是在12V电气系统的基础上增加一套48V的混动系统。车辆无须进行大的设计变动。12V网络负责处理传统负载,如照明、点火、娱乐与音响系统等;48V网络负责支持主动式底盘系统、空调压缩机以及再生制动系统等。结构方面,目前主要采用P0和P1结构。主要由电机、锂离子电池组、DC/DC转换器这三项核心部件组成。其中,电机可以用来发电,在48V锂离子电池组驱动下快速启动发动机,甚至也可以助力为车辆提供前进动力;锂离子电池组主要用于为电机提供48V电压,制动能量回收储存能量,在特定情况下为电气网络提供能量;双向DC/DC转换器在48V助力回收系统中连接高压网络(<60V)和12V网络。能量可以从高压网络向低压网络传输,为低压网络供电;也可以从低压网络向高压网络传输,为电机启动、助力、回收供电。

燃油经济性方面,P0结构48V系统节油率为8%~10%,P2、P2.5结构48V系统节油效果较P0结构进一步提升3%~5%。成本方面,48V轻混系统以降低1%油耗最低仅需400元的成本增量,其单位节油率成本低于全混HEV、PHEV、BEV车型,在几类电气化技术中优势明显。但是,只依靠48V系统无法满足下一阶段的油耗/CO2排放的要求。

1.Continental大陆&Schaeffler舍弗勒

由大陆和舍弗勒共同研发的GTC Ⅱ(Gasoline Technology Car Ⅱ)系统与福特建立了密切联系。利用P2架构(见图8.20),在发动机和变速器之间设置混动模块。该模块可以在加装发动机切断离合器的同时安装BSG。采用电机独立驱动,在滑行和下坡路段可以关闭发动机,减少发动机的阻力,滑行更远的距离以及节省更多的燃油。预计节油率达到18%。

图片关键词

8.20 P2构架实现方法

2.Valeo(法雷奥)

Valeo在不降低驾驶性能的情况下,开发出了降低油耗、减少CO2排放的P0P4型新动力总成解决方案。

8.3 48V系统提高燃油经济性路线

制动能量回收

内燃机小型化,米勒循环

零排放模式

电四驱

48V混动系统
P0

48V混动系统及
电子增压器P0

48V混动系统
eDVTP2.5-P3

48V电动后桥
eRADP4

48V性能优化
P0+P4

2012年

2016年

2018年

2021年

2022年

通过采用电子增压器和P0P4架构,在48V系统上实现降低油耗、提升性能等效果。具体的零件概况如表8.4所示。

8.4 零件概况

48V电子增压器
ESC

48V皮带式启动发电一体机
ibsg

48V后桥电驱动系统
eAxle

48V电池
Battery

最大功率7kW
最高转速>70000rpm

最大功率10kW
最大扭矩55Nm
最高转速18000rpm

最大功率16kW
速比19
最高转速18000rpm

能量4.32kJ
电芯容量25Ah

使用Valeo零部件和AVL(李斯特)控制策略车辆的油耗优化效果如图21所示,实测燃油节省25%。其中,无论是使用CRUISE(正向模型)或是HYPOP(反向模型),其仿真结果与测试结果均为一致的。

图片关键词

8.21 油耗优化效果

性能方面,搭载的电子增压器(ESC)作为大涡轮增压器应用的助推器,是提升车辆动力性的关键零部件。该系统工作下,最大扭矩提升21%;同时,动力响应时间大大低于1s。在大涡轮增压器和电子增压器的共同作用下,20~70kph时加速性能被提升15%。在0~45km/h过程中,加速性能提升22%。

3.小结

在欧洲,主要应用的混动技术是属于轻混的“48V混合动力系统”。其中,大陆和舍弗勒共同研发的GTC Ⅱ,利用P2架构,在发动机和变速器之间设置混动模块,预计节油率达到18%。Valeo则在不降低驾驶性能的情况下,开发出降低油耗、减少CO2排放的P0P4型新动力总成解决方案,实现降低油耗、提升性能的效果,节省燃油25%。

(三)美国

1.通用Voltec

在第一代Voltec系统中,大电机(111kW)与太阳轮相连。汽油增程器和小电机(55kW)与齿圈相连。行星齿轮架与通向车轮的输出相连。结构如图8.22所示。

图片关键词

8.22 第一代Voltec结构

在第二代Voltec系统中。首先从P2变成P13结构。发动机连接到第一个行星齿轮组(PG1)的齿圈上,较小的电机与太阳轮相连。较大的电机连接到第二行星齿轮组(PG2)的太阳轮上。两个行星齿轮组通过每个齿轮组的行星齿轮架相互连接并输出到车轮。有3个离合器用于改变通过变速器的动力流。如图8.23、图8.24所示。

图片关键词

23 第二代Voltec整体示意

图片关键词

24 第二代Voltec结构

在工作模式方面,在不同工况下,共分为2个纯电模式和3个混动模式。

纯电模式1:在车辆低速、中低速扭矩需求不大的情况下,电机MGB直接驱动车轮带动车辆。MGA和发动机处于停机且其他离合器处于断开状态,避免额外的能量损失。MGB也是制动能量能回收的发电机(见图8.25)。

图片关键词

8.25 纯电模式1

纯电模式2:双电机介入,发动机停机。此模式下,双电机提供更大输出动力驱动车轮,对应车辆全速工况,相当于纯电动车。每台电机通过不同的传动比,从而产生更宽的扭矩范围。只有MGB回收制动能量(见图8.26)。

图片关键词

8.26 纯电模式2

混动模式1:此模式运用于0~60km/h高扭力需求和20~40km/h低扭矩需求范围。此时,发动机启动介入工作,通过行星轮系直接驱动车轮并且通过MGA给电池充电,然后MGB通过电能驱动车轮(见图8.27)。

图片关键词

8.27 混动模式1

混动模式2:此模式对应70~120kph的高扭矩和40~60kph的低扭矩工况,由于扭矩输出要求大,所以离合器直接断开与电机MGA的连接,直接提供扭矩用来驱动车辆。这个模式下发动机输出为主力,MGB提供额外的扭矩,并参与制动能量回收(见图28)。

混动模式3:超高扭力模式,MGA电机介入,进一步提升电机助力,此时MGA介入不再充当发电机,直接担任助力输出电机,提供额外扭矩,双电机支撑超高速运转。此模式一般用于110kph高扭矩和60kph以上低扭矩范围(见图29)。

2.福特eCVT

福特eCVT混合动力系统配备2.0L阿特金森循环发动机,最大功率为105kW,扭矩为174.9Nm,电动机功率为92kW,扭矩为228Nm。电动机、发电机、单行星齿轮机构集成在全新开发的HF35型eCVT无级变速器中,取消了液力变矩器,发动机与变速器直接连接,效率更高,没有复杂的齿轮组,具有结构简单、成本低、可实现无级变速等优点,更重要的是可以为电力系统节省更多的空间。通过eCVT变速器实现油电动力的混合与分离,驱动电机低速大扭矩的特点弥补阿特金森发动机低速扭矩差的缺点(见图8.30)。HF35独特的设计方案使整车燃油经济性和动力性得以改善,整车综合工况油耗4.2L/100km。

图片关键词

8.28 混动模式2

图片关键词

8.29 混动模式3

图片关键词

8.30 福特eCVT混合动力系统结构

福特eCVT混合动力系统工作原理为纯电驱动模式下,发动机静止、电动机驱动,发电机空转,避免因其发电而消耗电动机输出给车轮的一部分动力,只有当发动机运行时发电机才发电,而当发动机停止时发电机不工作;混合驱动模式下齿圈、行星架和太阳轮中均处于转动状态,此时通过调整发电机的发电量,可以改变太阳轮的转速,从而保证发动机驱动与电动机驱动的转速协调一致;在再生制动模式下,发动机不工作、发电机空转,电动机处于发电状态(见图8.31)。

图片关键词

8.31 不同工作模式下行星齿轮驱动矢量

3.小结

目前美国汽车企业中以通用和福特两家车企所研发的混合动力系统最具代表性。其中通用两代Voltec系统,结构从P2变成P13,在工作模式方面,在不同工况下,共分为2个纯电模式和3个混动模式,不同模式应用不同扭矩范围。福特eCVT混合动力系统中,共有驻车充电、纯电驱动、混合驱动、再生制动4个不同工作模式,HF35独特的设计方案使整车燃油经济性和动力性得以改善,整车综合工况油耗为4.2L/100km。

四、总结

近年来,全球以中混、强混和纯电动汽车为代表的xEV销量呈现逐年增长趋势,2018年全球累积销量首次突破400万辆。虽然各国研发侧重点不同,但都制定了较为明确的发展路线,从长期来看,包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动将是新能源汽车的主要技术方向,油电混合、插电式混合动力、48V混合动力系统将是重要的增长点,预计2020年48V系统将占据全球xEV产品总量的10%~15%。

在节能与新能源产业政策上,在实施过程中绕过市场竞争的筛选,人为大力扶持纯电动技术而忽视混合动力技术。由于门槛低,电动车型及插电式动力汽车在没有充分技术积累的前提下突然爆发,乱象丛生。随着补贴政策的逐步退坡,大量纯电动或插电式汽车可能会遭市场冷遇,中国的新能源产业暴露出后劲严重不足的问题。纯电动汽车和氢燃料汽车等新能源汽车技术的成熟和普及还需要一段时间。












































































025-8320 9516
电话咨询
邮件咨询
在线地图