发动机节能技术漫谈（上）

本期论坛嘉宾

南京公交集团副总经理 程镜良

石家庄市公交总公司总经济师 于新泉

北京公交集团技术部副部长 王家良

原上海巴士五汽公交公司副总经理 褚永森

本期主持人：刘勇

发动机是汽车的心脏，发动机性能的好坏直接关系到车辆的整体性能，也关系到车辆油耗及排放水平的高低。随着发动机技术的不断进步，发动机生产企业除了在动力性上不断进步之外，发动机的节油、减排能力也已成为很重要的指标。我国的发动机技术水平已经发展到哪一阶段？发动机在节油性能上有哪些新技术和新突破？发动机的发展遇到了哪些瓶颈？本期互动论坛将围绕这些问题展开讨论。

主持人：柴油发动机的设计开发涉及很多关键的技术，比如说要达到欧Ⅳ排放标准需要采用高压共轨技术，但高压共轨技术目前掌握在博世、电装等少数几家跨国公司手里。另外，柴油的电控系统和柴油机后端的尾气处理技术我国也没有完全掌握。请谈一下您了解的国外发动机产品，他们先进在哪里？有哪些技术是目前我们还没有掌握的？我国的发动机技术与国外相比，主要差距在哪里？请举例说明国产发动机与进口发动机在使用中的各项数据对比。曾经有段时间，国内公交车用发动机市场几乎被国外品牌所垄断，后来，玉柴、潍柴、上柴等国内发动机企业崛起，国产发动机也取得了长足的进步，根据实际使用情况，您对国产发动机现阶段的技术水平及品质有何评价、建议？

程镜良：随着科学技术的进步，用于汽车发动机的新技术也是层出不穷。目前汽车发动机新技术主要有：可控燃烧速率（CBR）、可变气门正时（VVT）、缸内汽油直喷（DGI）、共轨（CR）、多点喷射（MPI）、废气涡轮增压带中冷（TCI）、废气涡轮增压（TC）、废气再循环（EGR）等。这些基本涵盖了目前世界上所有在用的发动机新技术。这些新技术的应用主要是提高发动机的性能和降低发动机的消耗及排放，发动机的节能减排是发动机技术的永恒话题。近几年我国发动机技术也取得了一些新的突破，但距国外技术水平还有一定的差距。

现代的高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机，而且轿车采用柴油机的比例也相当大。现代柴油机的新技术主要有：共轨与四气门技术、高压喷射和电控喷射技术、增压中冷技术、排气再循环（EGR）技术、后处理技术等，这些新技术的应用，大大提高了柴油机的性能，极大地降低了有害物质的排放。如后处理技术进一步改善了微尘（PM）和氮氧化物（NOx）的排放；排气再循环（EGR）技术不仅能明显降低氮氧化物，还能保持其他污染物的低水平。高压共轨与四气门技术大大提高混合气的形成质量（品质），有效降低碳烟颗粒、碳氢化合物（HC）和氮氧化物排放并提高热效率。

值得思考的是，上述新技术中许多都掌握在国外少数公司手里，如高压共轨技术目前被博世、电装等公司完全掌握。另外，电控技术和后处理技术我国也没有完全掌握，如后处理的喷射泵还是依赖国外产品，国产产品质量还有待提高。

在国产柴油机中，虽然锡柴在国Ⅲ、玉柴在国Ⅳ、潍柴在国Ⅴ上纷纷抢占了先机，但关键技术还是依赖国外产品。今后我国柴油机技术的攻关重点还是应放在电控技术、排放后处理技术、整机开发和匹配技术等关键技术研究和材料开发上；同样重要的是相关部门要提高柴油品质，为各类柴油机新技术的应用奠定基础。

我认为，现阶段我国柴油机有以下关键技术亟待攻克：一是高压燃油喷射系统硬件，包括高压泵、嘴、轨等硬件的精密加工与一致性；二是VNT增压器硬件开发、EGR阀的可靠性、DPF抗毒害、抗老化性能；三是燃烧系统匹配技术——燃烧室形状、喷嘴孔数/孔径/夹角、涡流组织与油气混合、多段喷射油量控制策略优化；四是VNT位置（增压压力）、EGR率、燃油喷射策略、DPF再生策略等多参数、瞬变量的匹配控制技术；五是ECU算法与标定技术。南京公交现有的柴油机，国Ⅲ基本上是锡柴、上柴，国Ⅳ大都是玉柴、上柴（LNG），国Ⅴ还没有使用。在今后的购车中我们将逐步使用国Ⅴ发动机（柴油机或LNG发动机）。

于新泉：发动机生产厂的技术水平较以前有了较大提高，尤其是发动机的耐磨性、排放控制水平的提高。建议：结合城市运输、城郊运输、公路或高速运输情况，更好地研究发动机的自身节能与底盘动力传动路线的安全、节能、长期稳定性的匹配，从而提高整车技术配置的节能性。

王家良：北京公交在用的发动机中柴油机占主导，进口机和国产机都在使用。北京公交在用的发动机主要来自于3个厂家：依维柯、康明斯、玉柴。2003年开始使用国Ⅲ发动机，那时候主要是国内的机器还没有完全跟上，当时国内大多数城市的公交还处于欧Ⅰ甚至欧0的水平。这么大规模的使用，如果没有可靠性作保证的话会有风险，所以我们采用了进口发动机。可以说，选择进口机器最初就是考虑可靠性和环保要求。

北京公交从1999年开始使用进口机，是康明斯的天然气发动机，当时为了验证机器的可靠性，我们定期对发动机做了拆检，运行到12万公里时，对发动机进行解体，我们把美国的设计人员请过来，把他们在设计以及我们在使用、维修等环节存在的问题进行反馈，我们在12万、24万、36万公里时进行了跟踪拆解后发现，发动机在3个节点的所有配合间隙都在出厂范围之内，这一方面验证了我们对发动机的使用状况，另一方面验证了发动机的制造水平，我们得出的结论是：该发动机可以用到40万公里。40万公里后，我们又对其进行了一次专项修理，除了易损件需更换外，曲轴、连杆都不用换，发动机的品质还是很不错的。

北京公交使用的柴油发动机中，康明斯柴油发动机占有较大的比例，就拿ISB系列柴油机来看，机型涵盖了185—320马力（136—235千瓦），排放水平达到国Ⅲ/欧Ⅲ、国Ⅳ/欧Ⅳ、国Ⅴ/欧Ⅴ标准。ISB系列柴油发动机运营效率高、工作周期长、持久耐用。先进的电子控制系统功能强大，对进气、排气、冷却、燃油、制动、后处理等系统进行数字化智能管理，建立了发动机与子系统、发动机与整车、发动机与车队管理系统之间强大的信息交流平台，支持故障的实时监测和预警。其先进性体现以下5个方面：（1）智能电控。先进的电子控制集成系统，超大容量的电子控制模块，通过标准数据总线采集来自自动变速箱、ABS制动和ASR防滑等所有传动系部件的信息，构成无缝信息流，通过高速数据通信接口共享，确保发动机在运转过程中保持最佳工作状态，在不同载重情况下保持高效节油和低排放，同时具有防振、防过热、防过载等自我保护和智能诊断功能，可靠性和耐久性很好。（2）高效节油。高压共轨燃油系统，喷射压力更高，最高可达1800 bar，对喷射正时和喷油量控制更加精确，燃烧更充分，经济油耗区宽广，燃油经济性大幅提高，进一步改善低速性能，降噪和冷起动表现更佳。（3）动力强劲。起步快，加速性好，超强低速扭矩输出。（4）使用经济。发动机子系统高度集成，多途径实现节油降耗，更高的升功率，在复杂工况下运营性能稳定可靠，动力性卓越，超长使用寿命，维护保养间隔长。（5）排放领先。欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ和EEV源自同一基础平台开发，持久可靠，传承性强，仅通过调整欧Ⅳ阶段的燃油系统喷射压力和SCR系统、将电控系统升级，即可达到欧Ⅴ/EEV标准，无需进行复杂的结构性调整。

伴随着全球经济一体化和信息化时代的到来，中国发动机行业在近几年取得了长足的进步。国家排放法规不断更新，更促使国内发动机产品得到飞速发展与阶段性的跳跃。不可否认，在当前中国客车市场，国产发动机的比重已经远远超越了进口发动机，即使在高端客车市场，进口发动机所占的比重也在逐年下降，国产发动机在用户心目中有越来越高的认可度。但是如果回首10年前，当沪宁杭高速客运飞速发展，国内公交飞速发展的时候，高端客车市场几乎被进口发动机所垄断，即使到现在，在国内的BRT客车市场，进口发动机依然占据了相当大的份额。

在技术路线逐步同化的情况下，随着国内发动机逐渐进入电控时代，国产发动机相对于进口发动机，最大差距在于细节。首先，低速大扭矩，高速大功率的标定已经得到大众的认可，但是需要能够在部分负荷区域更加优化，开发更加适合于不同使用工况细分市场的发动机。其次，进口发动机最低稳定怠速能够做到每分钟550转，对于公交车而言，降低发动机最低稳定转速能够使整车的经济性能得到更加优化。然后，零件制造精度的控制，国产发动机需要进一步强化，降低运动副摩擦力。从对比试验可以看出，随着发动机转速的升高，进口发动机在精度控制上的优势就体现出来，需要完善国产发动机低速小负荷区域的性能，必须从加工精度及装配精度上加强控制、从而达到降低摩擦力的效果。

随着国家排放标准的不断升级，国产发动机技术路线逐渐与进口发动机区域一致，但是需要不断地努力方才能够缩小与进口发动机的差距。油耗、排放、可靠性、耐久性是重型发动机开发的核心目标。现阶段，欧美分别实现了满足欧Ⅵ和US2010排放法规的技术突破后，已将降低油耗作为最主要的开发目标。

对于国产发动机而言，新技术的引进和开发，不断提升国产发动机的油耗、排放、可靠性、耐久性指标，才能够保证不会再次被进口发动机拉大差距。

褚永森：柴油机要达到欧Ⅲ以上的排放标准，必须用到电控、高压泵、共轨、缸内直喷、后处理、废气再循环系统（EGR）、多气门等技术，精密、精准是国外公司产品的主要特点，国产柴油机的设计、校核、仿真软件技术都是国外进口的，发动机核心的电控部件、喷油器、甚至传感器也都是进口的，国外先进技术和核心器件的消化吸收还有很长的路要走。

我们公司自2007年开始使用欧Ⅲ柴油机，装备上海柴油机公司发动机的车有20辆，同时公司还用了数百辆进口的某品牌发动机。两者均采用高压共轨技术，进口发动机使用博世电控系统，上柴发动机使用电装电控系统。两者的动力性、经济性、操控、排放、噪音等没有明显差异。但就可靠性而言，6年来，20台上柴柴油机没发生过重大故障，而进口发动机则出现了很多起凸轮轴异常磨损、汽缸头裂纹现象，进口发动机的共轨压力低、喷油器故障成为驾驶员和修理工最烦心的事情。两者比较，进口发动机的渗漏状况则明显好于上柴柴油机。国产发动机必须重视加工精度和装配质量，减少直至杜绝“跑、冒、滴、漏”现象。我认为，电控部件的国产化应该是中国柴油机企业自主发展的方向。

主持人：公交车有着特殊的使用工况，但各地的条件差别很大，您认为，公交车需要的是什么样的发动机，发动机企业在适应性开发上还有哪些需要调整或改进的地方？除了选择节油的发动机以外，怎样来衡量发动机与其他部件匹配性的好坏？在使用过程中，怎么才能发挥出发动机的最佳动力、节油性能，保证其最长的使用寿命？

程镜良：城市公交应具有大容量、高效、节约能源和环保等特点。公交车辆的大型化使发动机的工作负荷变大，在城市工况下运行时，由于公交站点多，十字路口多，造成公交车辆频繁在加速、减速、怠速工况下运行，并且平均行驶时速较低。随着国家环保法规日益严格，对车辆的尾气排放限值要求也越来越严。严格的排放法规要求车辆发动机必须使用一些新技术和环保燃料才能达到尾气排放的要求，使用的新技术应包括废气再循环（EGR）、颗粒捕捉器（DPF）、高压共轨、稀薄燃烧、选择性还原催化（SCR）等。

传统的公路客车是在高速运行的状态下达到经济时速，而城市公交车与它的最大区别是，公交车要在低速运行时达到经济时速，这就要求降低发动机转速，在低速状态下节省燃油。除了低速油耗外，再有就是低速扭矩。

要满足城市公交车的特点，除运用新技术外，就是要求发动机与其他部件的合理匹配。近几年发展的混合动力就是发展方向。混合动力除了能提高低速扭矩外，还能使发动机经常处于经济转速下工作，这样不仅能降低油耗，还能减少有害物的排放。

于新泉：公交的运输点多、面广，频繁地停靠站、频繁地起步加速且运行速度低。相对公路运输，方向、离合、变速、制动使用都很频繁。依据这种特点，要求公交车起步加速快、方向离合变挡都轻便，且离合、制动要有较高的使用寿命。公交车加速快依赖于发动机的最大扭矩和动力传递的减速增扭作用大。而发动机最大扭矩点转速的高低就确定了发动机的节能性好与坏。为此提出公交专用发动机以区别于其他机型。公交专用发动机的技术特点，一是发动机要在1100转∕分—1400转∕分实现大扭矩，二是发动机要实现最高2000转∕分的转速控制。从而实现发动机加速节能、控速节能。再加上动力传递上的适合车速控制的减速增扭传动比控制，就能制造出本身节能的公交车。

公交专用发动机必须匹配适应的增压器，实现低速大扭矩加速的节能效果。所以发动机厂应充分调查我国的道路运输状况，区分车辆用途，根据使用条件选择发动机的加速特性和经济油耗特性，结合传动比推算车辆的加速时间、路况适应性、车速控制等。

车辆的养护是保证车辆长寿的基础，因地理状况、温度状况、湿度状况、空气质量差异较大，润滑油、滤清器有效使用公里或时间就会有较大差异，全国统一养护原则必定会导致车辆使用寿命的差异。因此，车辆的养护原则乃至于各个总成的养护原则及养护用品必须因地制宜，并加强使用状况调查跟踪、分析总结。（未完待续）