尹建民:三缸发动机将成全球动力系统新的普及方向|寰球车评
2018-07-10   寰球车评


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寰球车评讯 7月9日,由寰球汽车主办的“燃”力量汽车动力发展趋势高峰论坛在京召开。多位内燃机领域权威专家汇聚一堂,通过解读汽车动力的新技术,分析汽车动力未来的发展趋势。

在《中国制造2025》中,中国将“节能与新能源汽车”作为重点领域发展突破。与此同时,“国六”排放标准、“双积分”政策、4阶段燃油限制标准等产业政策即将陆续实施,上述严格的标准表明了中国要走节能减排之路的决心。

  在节能减排的大背景下,汽车动力如何应对排放及燃油消耗的限制?动力产品的功能性和稳定性如何提升?如何进一步挖掘混合动力、涡轮增压、自然吸气和三缸机发展的潜力成为了与会专家讨论的焦点问题。

  上汽通用汽车泛亚汽车技术中心驱动系统部执行副总监尹建民指出,目前上汽通用坚持新能源汽车与节能汽车并头发展,两头腿走路战略。在他看来,发动机从六缸到四缸,从四缸到三缸,技术的驱动和挑战在本质上没有区别,变化的,是更大的研发投入,更多高新技术的研发应用,和更深入的整车系统匹配。对于目前中国市场1.0-1.5L的主流排量,基于单缸效率最优策略,选择三缸机是一个最佳的选择。三缸机比四缸机还有很多的优势,如体积小、重量轻、结构紧凑,没有四缸机固有的排气干扰,涡轮迟滞小,有更好的低速扭矩等,特别是三缸机在结构上具备摩擦功优势。新一代Ecotec系列发动机在摩擦功损失方面,三缸机比四缸机降低了10-15%,这也是为什么近年来在市场上兴起了小排量三缸机的热潮。

  以下是上汽通用汽车泛亚汽车技术中心驱动系统部执行副总监尹建民的发言实录:

  尊敬的各位专家、各位来宾,大家好。非常高兴今天有这个机会能跟大家讨论国内汽车动力发展的趋势。我来自于上汽通用汽车泛亚汽车技术中心驱动系统部。2015年的时候我们这个部门从原来的动力总成部改成驱动系统部,这里蕴含了一个变化。驱动系统包含了发动机、变速箱、电气化,所以我们这个部门是涵盖了整个动力系统,不管是我们传统的动力还是未来的新能源动力。在一段时间以来,技术的发展推动着汽车产品和市场不断地革新,动力系统一直以来扮演着关键的角色,那么不管是新能源产品如雨后春笋般的涌现还是传统的内燃机都在快速的迭代演进。我们坚持新能源汽车与节能汽车并头发展,两头腿走路,正如前面付理事长讲的,转型中升级,升级中转型,两条腿并行走路。这不光是技术发展的必然,也是全行业的共识。当然,我们看好新能源未来的发展潜力,然而现在主导市场的仍是传统动力,这个前面的专家做了非常详细的描述,无论哪方面的统计,不管是2030年还是到了2050年,市场依然是以内燃机动力为主,因此它的一举一动都会被市场放大,产生更加广泛的影响。

  目前传统动力面临两个方面的核心挑战,这个在之前也做过介绍,一是从法规角度来说,2020之后达到5L以下的油耗要求,还有不断加严的排放要求,特别是WLTC及RDE工况的引入将这种要求扩大到了整机更大的工况范围。与此同时,国内消费者的消费升级对于动力系统的高性能和快速动力响应表现的更加敏感。特别是NVH表现正在成为客户评价产品的魅力指数之一。这些都是我们不断研究和升级发动机技术的根本。我们发动机升级了,不仅要考虑法规的要求,还要考虑我们能给客户带来什么样的体验。

  以增压小型化为代表的,这张图可以看得很清楚,从六缸机到四缸机再到三缸机。我本人也亲自参与了我们公司GL8的研发过程。通过增压小型化,单缸效率提升等等,全面提升了整车的动力性能和油耗表现。在当时我们也同样面临着相比六缸机,四缸机的二阶不平衡力,与在720度点火周期内缸数减少后变差的扭矩/转速波动,这个是客观事实,也不用回避。但是在发动机和整车的共同优化下,我们实现了振动和噪音的有效控制,这一点在整个行业得到了验证,我们GL8在全面换装四缸以后得到了市场全面认可。我们将这些经验,结合发动机技术的最新进展,充分运用在了全新一代三缸机的研发中。我们可以看到从六缸到四缸,从四缸到三缸,技术的驱动和我们的挑战在本质上没有区别,变化的,是更大的研发投入,更多高新技术的研发应用,和更深入的整车系统匹配。所以其实研发三缸机难度是大于四缸机的,我可以负责任的这么讲。

  另外大家可能要问为什么要研发三缸机。三缸机是有一定范围的,不是所有的排量都能做三缸机。在讲三缸机之前要讲单缸排量。前面专家也讲过了效率,这个就像搞电池研究能量密度一样的道理,不管是传统动力还是新能源里面最核心的东西就是能源效率的提升,所以单缸排量对于发动机动力性和经济性的平衡非常关键。单缸排量在一定范围内的上升有利于燃油经济性的改善。从这张图上可以看到,我们是以0.4升为基础,小于0.4升以后,热效率开始有所降低,小于0.33L降低非常明显。大于0.4升之后是改善了,0.5升以后改善得不明显。所以经过理论分析和实验验证,单缸0.33和0.5升之间我们认为是最佳的单缸排量,对于目前中国市场1.0到1.5升的排量,选择三缸机是一个最佳的选择。所以做三缸机是有一个依据的,不是说我什么排量都来做三缸机,这个很重要,最根本的驱动力就是单缸的效率。我们刚才讲了发动机研发最核心的就是燃烧效率,如果你不追求效率,这个也可以搞成好几缸出来,但是效率不是最优的。当然,前面赵院长也介绍了,三缸机比四缸机还有很多的优势,如体积小、重量轻、结构紧凑,没有四缸机固有的排气干扰,涡轮迟滞小,有更好的低速扭矩等,特别是三缸机在结构上具备摩擦功优势,新一代Ecotec系列发动机在摩擦功损失方面,三缸机比四缸机降低了10-15%,这也是为什么近年来在市场上兴起了小排量三缸机的热潮。

  实际上行业对三缸机的开发历史悠久,大家过去对三缸机有一些传统的认知,加上过去的环保理念不够普及,包括技术手段受限等原因,市场对三缸机的需求和认可不大,这些都使三缸机一直被边缘化,如今技术的发展将这些障碍都逐步的拔除,消费者的观点也在向环保转变,这也是整个行业的趋势。不少主流品牌已经积极布局小排量三缸发动机。从这张图可以看到,我分了三大块,1.5升排量,1.5到1.0之间,还有1.0排量。后面我会介绍一下1.0排量,这个是增加涡轮增压之后,以三缸为代表的发动机小型化的性能和效率提升,不是偷工减料。在权威性的“国际引擎年度大奖”十佳评选中,三缸发动机从2015年至今,已经包揽了1.5L及以下排量的所有奖席。特别是欧洲市场二十多个品牌推出了三缸发动机。去年仅西欧搭载三缸发动机车型的销量就超过了二百万辆,多个品牌的三缸机车型也在北美市场布局,稳步推进。

  在这个情况下,上汽通用前瞻用户需求和市场变化,推出低油耗、低排放的先进动力总成,同步全球最新的科技深度集成,高效匹配,为实现整车油耗改善和动力提升,提供强大的助力。我们去年推向市场的全新1.0T和1.3T就是公司规划的最新落地成果。

  这两款全新一代绿色高效发动机是整合通用汽车全球资源开发,并依托高标准的全球供应链和上汽通用汽车智能制造体系打造。得益于全新架构开发,1.0T,1.3T,大量采用了领先的技术,连同高滚流进气道,以及行业领先的电动放气阀、超低惯量涡轮增压器和全程可变正时技术等,不仅强化了动力表现,达成了“小排量大功率”的设计目标,而且在全方位超低摩擦设计和先进的智能热管理的助力下,燃油消耗也实现了同级领先。之前姚教授也介绍了发动机的新技术特征,很多与我们全新一代1.0T/1.3T Ecotec增压发动机所应用的新技术是吻合的。

  其中1.3T的额定功率120kW,最大扭矩230Nm,1.0T最大功率92kW,最大扭矩170Nm。也就是说动力性还是有很大提升的,而且全新1.0T发动机的燃油经济性还提升了10%。

  刚才讲了很多三缸机的好处,为什么要做三缸机,我们也不可回避三缸机有它的挑战。就像我刚才讲的从六缸机到四缸机也有挑战,但是这些挑战通过技术的升级和深度的集成都很好的解决了。对于三缸机的担心就是NVH的控制,主要体现在两个方面。第一个是一阶不平衡力矩,二阶也有,但是比较少。另一方面是720度点火周期内,从四缸变为三缸的扭矩/转速波动差异。对此我们提供了系统性的解决方案,其中对于一阶不平衡力矩,我们一方面采用了轻量化结构和高性能的材料,降低了基础的不平衡量,同时还进行了多种整机的平衡方案与整机匹配的选型。这里可以看到四张图,也就是说发动机内平衡是做了大量的方案优化,在里面选出最优的一种,这个选择不能仅针对发动机本身自己来做,需要跟整车的构架一起来做才能形成最优的方案,达到整车振动最优的组合。另一方面我们也引进了带减振橡胶齿轮的平衡轴系统,这样可以把一阶的不平衡力矩降低的更加彻底。结合发动机和整车的优化后,整车驾驶舱关键测点测试结果显示,Ecotec系列发动机的振动表现达到甚至部分超越了四缸机水平。刚才赵院长放了一些领克02的视频,其实网上也有关于新英朗的一些视频,红酒杯也是异曲同工,大家感受一下真的是很安静。

  在转速波动方面,采用全球领先的钟摆式DMF带来了40%以上的转速波动的降低,当然我们还对整个传动系统进行从设计到控制的综合优化,实现了MT和AT全系整车的波动控制,优于四缸机的优秀成果。这张图可以看到,这是三缸机在没有经过优化之前,经过刚才说的这一系列的措施以后,整车NVH做的非常好。

  同时Ecotec发动机创新应用了12项的静音减振核心技术,这个是发动机整体的,我就不一一介绍了,之前我们发布了很多这方面的介绍信息。不仅如此,整车也同样进行了八项静音的技术提升,这些技术结合在一起,为发动机在各个工况下达到了优秀的运转效果。这不是说等车造出来之后我做一些试验,不行了我再去改,这个就有些晚了。当这辆车跟发动机匹配的时候,从整车的架构设计就要进行全面多轮的分析,就是说发动机和整车同步的改进和优化,这是非常重要的。

  我们也通过另外一组数字对发动机的可靠性和耐久性有一个了解,具体我就不讲了,主要讲什么呢?大家刚开始开三缸机体验蛮好,过段时间或者用了十几万公里之后,几年之后NVH是不是就变差?其实这个跟三缸四缸没有关系的。我们经历了耐久试验,这些正向的开发,大量的发动机和整车耐久性验证,确保所有的零部件的可靠,也包括了跟NVH相关的零件都经历了耐久考验,不会产生现在好以后不好的情况。

  同样我们一个好的设计还是要通过制造来保证,因为毕竟研发一台发动机不是为了造一辆车,而是批量的生产,这就是汽车工业的魅力。怎么确保大批量的发动机和整车在一起,还能保持一致性非常好的水平。这里面主要依托我们上汽通用标杆级的智能制造,包括在国内动力总成制造领域首次应用的数字化平台和虚拟仿真技术,也就是说在早期设计的时候就同步进行虚拟化的分析。对制造工艺优化,包括MES制造执行系统,高精度的三缸机动力平衡控制加工策略,全球一流高精度五轴加工中心、智能机器人等国际领先的智能制造系统,实现了自动化率达到95%,同时创新性的应用远程诊断与分析系统,把风险防范于未然。

  同时零部件也是核心,不可能都自己造,对外部的零件也要高标准严要求。发动机所有的零件材料及工艺均满足通用汽车环保要求和最严苛的欧盟法规。  总结来说,我就以Ecotec1.0T为例,1.0T三缸机和目前市场主流的自然吸气1.5L排量附近的四缸机相比,增加了电子执行器涡轮增压器,那可是个好东西,同时增加了钟摆式双质量飞轮、双气道喷射DPI、机油冷却器和冷却喷嘴等技术特征,同时还为这个发动机升级改进了中置可变正时,铝缸体,高性能材料,分离式冷却,凸轮轴球轴承等等多个零部件系统。所以能够做到在性能和节油方面全面超过了自然吸气四缸机,性能提升20%,油耗下降10%,还有一个很重要的,发动机的成本相比自然吸气四缸机提高了40%左右,所以我不认同三缸机是低成本的概念,不是说减了一个缸成本就下来了,恰恰相反,1.0T的三缸机和1.5L自然吸气四缸发动机相比,拥有高技术、高性能、低油耗、节能环保,符合我们所有的政策法规,是从设计到制造全方位的升级。全新一代的1.0T和1.3T三缸机突破了振动和噪音的瓶颈,突出展现了高性能、高可靠、高科技、低油耗、低排放、低重量,给用户带来新的用车体验。可以说上汽通用Ecotec发动机是满足客户真实需求和承担社会责任的高度统一。

  最后,我从两个方面简单地谈一谈我们对发动机未来技术路线的展望。首先从发动机技术发展方面,我们根据自身的技术开发积累和行业观察,结合了多家知名汽车咨询机构的意见,从燃烧、进气、增压、排放及后处理、发动机架构五个方面对发动机未来的核心技术应用前景进行了研究。前面好几位专家都给出了答案,发动机的技术发展将依然紧紧围绕着国家燃油耗和排放法规进行迭代升级。前面多位专家提到了我觉得非常好的概念就是发动机的电气化。我们现在讲电气化就感觉到纯电动叫电气化,其实发动机也有电气化,我认为可以分两个层面。第一个从发动机本身来说,今天的发动机其实已经是智能化的发动机,里面的进排气及增压系统,润滑冷却系统,诊断系统等,都是非常智能的,它里面的ECU控制软件复杂程度不亚于我们自动驾驶控制软件,我们认为发动机的深度电气化和智能化将会是未来五到十年甚至更长时间的重要手段。以前有些通过机电液实现的非常复杂的机构,通过电机加智能控制技术可以更高效的实现此功能,所以发动机的VCR控制机构,电动增压器,主动式EGR泵,电动水泵,电动机油泵等为依托的智能控制系统,这些系统将根据整机的实际状况,精确、灵活、快速的响应和控制执行器,从而使发动机以最佳工况和最快速的响应整车需求的状态工作。

  这里面画了一个小的闪电就是发动机本体的电气化,电气化不仅仅是纯电动,所以我相信电气化+和智能化+,将是未来发动机在面向2020之后,满足和超越法规与客户期望的必由之路,必将带来发动机的新一轮的创新浪潮。

  第二种发动机的电气化前面很多专家也做了介绍就是48伏,HEV/PHEV,这也是必由之路。具体原因我想前面讲的非常清楚,我们还是非常高度的吻合。当然在这里面也讲到三缸机匹配48伏,有更大的优势,包括配HEV和PHEV技术,在空间方面更加紧凑,非常适合与混动技术的匹配,将助力节能汽车和新能源汽车的动力升级。这些技术可以让节能和动力性能进一步提升,并且可以搭载到更高级别的整车平台之中。

  总结一下,高瞻远瞩的企业不会被浮云遮蔽住眼睛,变化是这个世界不变的真理,种种迹象表明小排量涡轮增压三缸发动机已经成为未来内燃机动力的发展主流,我们有理由认为当前这种小排量发动机热潮将会随着时间的推移而逐渐加温,最终为中国汽车市场带来改变。上汽通用汽车也将把握机遇,不懈努力,为行业和市场的发展做出应有的贡献,谢谢!




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