2006年国际SAE年会及汽车动力系统研究进展

发布于:2021-10-16 22:43:41

2006 年国际 SAE 年会及汽车动力系统研究进展
每年春季在美国底特律市召开的 SAE 年会都是国际汽车界最具影响和权威的盛会。 SAE 国际年会集世界上大多数汽车制造商、零部件供应商、政府部门和学术届为一 体,是一个学术界就先进汽车技术发展、国际合作等方面相互交流思想的世界论坛。 SAE2006 国际年会于 2006 年 4 月 3 日至 4 月 6 日在美国汽车城底特律 COBO 中心举 办。笔者三人作为论文作者参加了本届大会。文中就大会的概况和特点作一介绍, 并根据大会论文与报告评述了汽车动力系统最新研发动态与进展。 1 大会概况及其特点 1.1 大会概况本次 SAE 国际年会吸引了来自约 47 个国家的约 35 000 人参会。中国 汽车工程学会派代表团参加会议,同时,东风汽车集团等国内企业界代表以及国内高 校代表数十人参加了会议。 由于 2006 年大会的统计数据尚未公布,文中借用 2005 年大会的统计数据来说明出席 会议代表的地区分布和行业分布情况(图 1) 。

本次大会精选了 1 619 篇技术论文,分成 200 个专题进行宣读和交流。这些论文 覆盖的技术领域为:汽车电子、动力系统、先进材料、排放与环境、汽车安全、车身 底盘、市场与管理,其中也有不少论文涉及国防军工车辆技术。表 1 为本次大会论文 各研究领域的论文数量分布,其中动力系统以 382 篇文章居各研究领域的首位。表 2 为动力系统研究领域中各研究方向的论文统计。
表 1 2006 年 SAE 会议论文的研究领域分布 论文数 领域 论文数(篇) 领域 (篇) 汽车电子 排放与环境 管理与市场 255 187 7 材料 动力系统 汽车安全与测试 351 382 331

表 2 动力系统论文按研究方向分类

论文数 研究方向 (篇) 先进混合动力系统 燃料电池应用 柴油机代用燃料 发动机的气缸活塞总成 燃烧和流动测试诊断 压燃的燃烧过程 柴油机燃油喷射和喷雾 27 11 12 9 12 14 19 氢气内燃机 汽油机和柴油机的建模 发动机多维模拟 新柴油发动机和部件 新汽油发动机和部件设计 涡轮增压技术 SI 发动机着火与燃烧 发动机冷启动和瞬态排放与控 直喷汽油机技术 13 制 发动机电子控制 发动机润滑和轴承系统 热和流动的基础理论进展 HCC I 燃烧 41 8 4 49 变速器和动力传送系统 可变气门执行器 其它 研究方向

论文数 ( 篇) 8 32 14 5 20 5 17

4

39 7 12

本次大会中我国参会论文 18 篇,来自于清华大学、 天津大学和同济大学等高校, 其中有关 HCC I 研究的论文 7 篇,都是在国家 973 项目支持下完成的科研工作。 SAE2006 年会展台约 600 个,其中来自中国企业和高校的展台有 21 个。 SAE 国际 年会的展览在 COBO 中心的一层举行,展会面积比两年一次的北京国际汽车展览会要 小,但是国际上主要的汽车制造商和零部件供应商都会参展,因此,它充分反映当今 国际汽车最先进技术的发展趋势。 与展览会同时举办的还有 SAE 图书展。 包括本年度和历年的 SAE 论文、 SP 专集、 SAE 论文光盘以及 SAE 出版的专业图书,在这里都可以买到。 大会除了论文交流,还组织了 37 次技术研讨会,分别就当前汽车界普遍关注的 前沿技术问题及其发展趋势发表见解并展开讨论。每次研讨会上邀请工业界、政府 部门、研究机构和学术界的知名专家组成评议小组,先由专家做专题讲演,然后由主 持人收集与会听众的提问,再由评议小组专家针对这些问题发表见解。 来自各方面的 专家会从不同角度就同一问题进行探讨,整个会场气氛十分活跃。 本届 SAE 国际年会设置 24 个奖项,包括荣誉奖章、荣誉会员、发动机技术创新 奖等等。在今年获奖的 32 名荣誉会员中,美籍华人赵福全博士和韩志玉博士榜上有 名,他们都曾是北美华人发动机协会的主要组织者,现在分别是华晨汽车公司和长城 汽车公司的技术领军人。 1.2 SAE 国际年会的特点

1.2.1 企业界是大会的主导关于这一点可以从图 1 所示的大会参加者行业分布 情况中明显看出,并且历届 SAE 大会主席也主要来自于工业界。 同时大会论文中企业 界的论文占了一半,如果将 AVL、FEV、SWR I 等这类以产品研发为主要业务的研究所 也归入企业界的话,企业界论文的比重会更大。 在 SAE 这种国际顶级的汽车学术年会 上都是以企业为主导力量,那么目前国际汽车技术发展和技术创新也是以企业为主 导的现实情况也就不言而喻了。 1.2.2 注重专题交流与国内一般学会的召开方式不同,大会并没有正式的开幕 式和闭幕式,也没有全体与会者参加的大会报告,从 4 月 3 日到 4 月 6 日 4 天的会期 中,自始至终均以分会场和专题的方式进行,也没有组织任何参观活动。每个专题的 论文数一般在 10 ~40 篇,大会日程安排中详细给出了每个专题进行的时间、地点、 主持人和讲演顺序等信息。这样就使每个参加专题交流的论文作者、听众和主持人 都是同一领域内的专家或感兴趣者,讨论交流都很务实。 1.2.3 信息化管理 SAE 会议规模大、人数多、范围广,但是由于使用了网络化* 台,使相关信息得以电子化管理,极大地提高了工作效率。 首先,采用了网络*台的登 记注册系统,参会者可以随时随地进行会议注册,并且 SAE 提供了电子注册卡。 其次, 会议各类信息,比如日程安排,会议室安排, SAE 图书信息等都能从网站上查询到,既 方便又快捷。 另外,电子注册卡上印有与会者身份并储存信息,凭借这种注册卡,会议 者能够参加很多单位的交流活动,极大地方便了与参展单位之间的信息交流。 1.2.4 全球化*台 SAE 国际年会是一个集技术、 知识与人的有机组合,提供了全 面、高效的学*交流环境。在此环境中,与会者很快就能建立相互联系,在学术交流 中酝酿着各种创新思想。SAE 展台还为新技术尽快产业化提供了很好的*台,并奠定 了全球化市场的基础。 2 汽车动力系统研究领域中的若干最新进展 2.1 均质混合气压缩着火燃烧技术( HCC I)HCCI 能同时大幅度降低 NOx 和 PM, 并有可能使汽油机的热效率提高到柴油机水*。因此, HCCI 技术分会场是连续几年 来 SAE 论文数量最多和最引人注目的会场。 本次大会 HCCI 技术论文多达 49 篇,研究 内容更倾向于在常规燃料(柴油和汽油)发动机上的 HCCI 燃烧,下面就本次学会中出 现的针对 HCCI 产业化壁垒的相关技术发展进行分析。 2.1.1 着火燃烧控制和运行范围拓宽 缸内直喷作为 HCCI 着火控制的有效方法已经越来越明确。 如 2006 年德国 BOSCH 公司在缸内直喷汽油机上通过喷油时刻来控制缸内温度和 HCC I 燃烧相位。清华大 学利用负阀重叠和缸内分段喷射控制 HCCI 着火时刻,英国 Brunel 大学利用*面激光 诱导受激态荧光( PL IEF)可视化方法解析缸内直喷喷油时刻影响 HCCI 燃烧过程。 以上研究均发现喷油策略是实现 HCCI 着火控制的有效方法(图 2) :在进气行程中喷 油( IH ) ,实现均质混合气压燃,在压缩行程中喷油( IS ) ,实现分层混合气压燃 ( SCCI) 。SCCI 有助于控制着火时刻,拓展高负荷,减少 HC 排放;在负阀重叠期间喷 油( IR ) ,汽油会迅速蒸发并被氧化改质,形成带活性基的混合气压燃(RCCI) 。RCC I 有助于提高燃烧稳定性,拓展低负荷。 通过组合以上 3 种喷油策略, 可以有效控制 HCCI 燃烧。

采用缸内燃烧信号作为 HCCI 反馈控制的研究动向引起重视。如英国 Loughborough 大学利用离子流传感器进行缸内诊断,实时反馈缸内燃烧信号,提供 HCCI 发动机进行燃烧控制。采用内部 EGR 实现汽油 HCCI 燃烧的方法已成为共识。 2006 年 HCC I 技术论文中着眼于产业化的 HCC I 研究全部采用内部 EGR,并基于 VVT 技术实现。 分层是拓展 HCCI 高负荷运行范围的有效手段,不论是温度分层、浓度分层还是 EGR 分层,都可使燃烧时的压力升高率降低。美国 Sandia 国家实验室在康明斯 B 系 列柴油机上的研究表明,浓度分层在拓展 HCCI 高负荷的同时会产生 NOx , 而引入 EGR 后,可使得压升率和 NOx 维持在可接受的范围内。Sandia 国家实验室进行进一 步缸内燃烧可视化研究还发现 HCC I 燃烧时微观上是非均质的,非均质由温度分层造 成,从而导致混合气顺序自燃,缸内压力升高率降低。 汽油增压 HCC I 燃烧技术效果显著。自然吸气汽油机实现 HCCI 燃烧时 NOx 排 放为 10 - 5 ~10-4 ;英国 Jaguar 公司利用汽油增压实现 HCCI 燃烧,不仅使 HCCI 的运行范围大大拓宽, IMEP 达 700kPa 以上,而且 NOx 排放降低到 10-6 。 2.1.2 燃烧模式切换汽油 HCCI 燃烧产品化,必须解决 SI/HCCI 燃烧模式切换的 问题。尽管模式切换的基本思路在几年前就已提出,但目前在发动机上并未完全实 现。 2006 年仅有 1 篇 SAE 论文涉及燃烧模式切换试验研究,即美国 Oak Ridge 国家 实验室利用火花点火辅助实现 SI/HCC I 燃烧模式切换,切换过程中爆燃和失火交替 发生。目前, HCCI 稳态运行工况下的性能已明晰, HCCI 发动机采用复合燃烧模式是 最佳运行方式,但至今未见产品化的 4 冲程汽油 HCCI 样机出现,究其原因是各个研 究单位都在等待可实现快速切换的可变配气机构的出现和缸内直喷技术的成熟。因 此,燃烧模式切换是汽油 HCCI 技术产品化的最大*,目前在产品发动机上实现仍 然有相当大的技术难度。 2.1.3 数值模拟计算 2006 年 HCC I 数值模拟方面有新的进展,采用详细化学反 应动力学计算 HCCI 发动机工作过程成为模拟计算的主流。 如美国 Wisconsin 大学采 用基因算法优化柴油机 HCCI 两阶段燃烧,降低 NOx 和碳烟排放。清华大学计算缸内 直喷燃油改质控制 HCCI 着火的机理,解析分层混合气压燃拓展 HCCI 负荷,发现着火 首先发生在浓稀交界处。英国 Brunel 大学研究缸内直喷喷油时刻对 HCCI 燃烧的影 响。 值得一提的是 Wisconsin 大学目前采用 LES 湍流的三维 CFD 耦合化学反应动力 学模型对带进排气道的 4 气门柴油机进行多循环数值模拟,模拟出进排气过程以及 缸内的微涡,解析循环波动产生的原因,分析着火燃烧过程中的燃烧组分变化。这是 目前最复杂的发动机多维数值模拟,但计算时间长达 1000h。图 3 示出了采用不同湍 流模型的模拟计算结果,采用 LES 能模拟出更细致的流动结构。

2.1.4 低温燃烧概念 HCCI 概念在本次 SAE 年会上已有所拓展,认为完全均质是 不现实的,目前趋向于称柴油 HCCI 为 PCCI ( p remixed charge comp ression ignition,预混充气压缩着火) ,并强调实质是低温燃烧(LTC) 。 PCCI 燃空当量比向浓区拓展,即使存在一定程度的非均质混合气浓度分布,只 要控制预混混合气燃烧温度在 2 000K 以下(图 4) ,即可实现超低 NOx 和 PM 排放 。 目前, HCCI 技术被认为是柴油机欧 V 后的必备技术之一。

2.2 火花点火发动机( SI Engine)燃烧技术 火花点火发动机*年来出现了多种新的工作方式,包括:进气道喷射火花点火 ( SI-PFI) 、缸内直喷均质混合气火花点火( SI2D I) 、可变配气火花点火 ( SI-VVA) 、内部 EGR 可变配气火花点火( SI-VVA+ ) 、缸内直喷分层混合气火花 点火( SI-STRAT) 、均质混合气压燃着火(CAI)等。BOSCH 公司在一台 82 ×85 单缸 汽油机上对上述工作方式进行了试验研究。图 5 给出了各种工作方式下的燃油经济 性、排放和燃烧稳定性比较。可以看出,火花点火发动机采用可变配气技术( SI-VVA + )可以减少泵气损失并产生内部 EGR 效果,从而显著提高发动机经济性和排放性能; 采用缸内直喷分层混合气火花点火工作方式( SI-STRAT)时油耗最低,但 HC 和 CO 排 放高,循环波动大;采用均质混合气压燃着火工作方式(CAI 或 HCCI)时 NOx、CO 排放 最低,油耗和循环波动也很低,但负荷不易拓展。 因此,最优的火花点火发动机燃烧技 术应是多种工作方式的相互结合。

在 2006 年火花点火燃烧技术专题中,汽油缸内直喷(GD I)技术仍然是研究热点, 目前主要有以下几个发展方向。 2.2.1 化学计量比燃烧方式已成为 GD I 发动机的主流趋势 第 1 代缸内直喷火花点火发动机采用分层稀薄燃烧方式,通过压缩冲程中缸内 喷入燃油,可以大幅度提高燃油经济性,但会出现高 NOx 排放甚至碳烟排放的问题。 第 2 代采用化学计量比燃烧方式,通过进气冲程中缸内早喷燃料形成均质混合气后 火花点火,保持在化学计量比下工作,因此可以使用三效催化转换器。 早期的缸内直喷火花点火发动机采用稀燃分层混合气燃烧方式以提高燃油经济 性。随着排放法规的加严,缸内直喷火花点火发动机趋向于采用化学剂量比燃烧方 式。由于直喷吸热使得缸内温度降低,充气系数提高 2% ~3% ,爆燃倾向的降低可以 使压缩比提高 1~2,从而获得燃油经济性的大幅度改善。从 2006 年 SAE 会议可以看 出,目前欧洲和日本研发的 GD I 发动机全部采用化学剂量比燃烧方式,都得到了低油 耗和低排放的效果。但分层混合气燃烧方式仍有价值,尤其在冷启动阶段,采用分层 混合气燃烧方式有助于催化剂快速起燃。比如丰田汽车公司新开发的 315L V6 化学 计量比缸内直喷汽油机,在冷启动阶段采用分层燃烧方式,与进气道喷射汽油机相比 可以将催化剂工作温度提高约 500℃,取得了大幅度降低 HC 排放的效果。 2.2.2 喷雾引导已成为 GD I 发动机混合气形成方式的发展趋势 GD I 发动机混 合气形成方式有两类。 第 1 代为壁面引导或气流引导,第 2 代为喷雾引导。在喷雾引 导方式下,压缩冲程中燃油喷射朝向火花塞,具有强烈贯穿力的喷雾形态在火花塞周 围直接快速形成分层混合气,在喷雾结束后即点火,燃烧稳定。三菱公司对其开发的 两代 GDI 燃油喷射系统的研究表明,在壁面引导方式中喷雾湿壁导致的燃烧室凹坑 油膜会产生大量未燃 HC 和碳烟,而新改进的喷雾引导方式更具降低油耗和排放的潜 力。宝马公司新开发的喷雾引导 GDI 发动机采用压电喷嘴可实现多次喷射。图 6 为 在可视化发动机上拍摄到的燃油喷雾后的混合气浓度分布。 可见,通过多次喷射缩短 喷雾贯穿距离可以在火花塞附*长时间保持稳定可燃混合气,从而保证可靠点火和 燃烧稳定。因此,喷雾引导工作模式的运行范围比壁面引导或气流引导工作模式更 宽,HC 和 CO 排放比传统进气道喷射汽油机更低, 燃油消耗率按 NEDC 循环测试降低 约 20% 。

另外,莲花公司、西门子 VDO 和几所英国大学联合启动了一个 3 年的 HOTF IRE 研究项目,也是开发喷雾引导的 GD I 发动机,其燃烧系统见图 7。

2.2.3 增压直喷技术改进汽油机性能效果显著 缸内直喷和增压相结合不仅在柴油机上被证实是成功的应用,对于汽油机来说 具有更大的意义,可以使燃油经济性和 CO2 排放达到柴油机水*,而且升功率可以 达到 100kW /L 。 FEV 新开发了 4 缸 118L 增压直喷汽油机,并研究了其动力性、经济性和瞬态特 性。图 8 给出了 1.8L 增压缸内直喷汽油机与 1.8L 增压进气道喷射汽油机和 2.6L 自然吸气汽油机的运行特性,可以看出增压直喷汽油机的动力性和经济性在整个转 速负荷范围内比相同输出功率和转矩的大排量自然吸气汽油机更有优势。而且由于 发动机紧凑,机械损失小,经济性也进一步提高。同时发动机运行工况点向高负荷转 移,整车动力性和燃油经济性也相应提高。另外,与自然吸气进气道喷射汽油机和增 压进气道喷射汽油机相比,增压直喷汽油机具有高的低速转矩特性,而且瞬态响应 快。AVL 新开发的 4 缸 1.8L 增压直喷汽油机也得到相同的结论。其 1.8L 增压直喷 汽油机的动力性、经济性可以与 2.0L 高速直喷(HSDI)轿车柴油机相媲美,并可满足 SU2LEV 超低排放标准。

2.3 代用燃料技术随着石油资源的日趋短缺,代用燃料*几十年来一直是各国 汽车界和政府关注的重点。 它不仅能部分替代石油资源在汽车上的利用,而且能在一 定程度上降低发动机污染物的排放。在 2006 年 SAE 会议上,代用燃料的研究主要有 如下特点。 2.3.1 本次相关论文的研究主要集中在代用燃料在柴油机上的应用 乙醇汽油在许多国家(包括中国)均已得到商业化的应用,美国市场上有 E5.7、 E7.7 和 E10 的燃料出售,巴西的乙醇汽油为 E15、 E22,中国在几个省试运行 E10 的乙 醇汽油,乙醇在汽油机上的应用技术比较成熟。*年来,代用燃料技术偏重于代用燃 料在柴油机的应用研究 ,另外,目前在众多的代用燃料中主要以含氧替代燃料具有 较大的降低排放的潜力,比如醇类燃料,生物柴油和 DME 等。含氧燃料在柴油机上应 用具有较大优势,因为含氧代用燃料不仅能够降低柴油机烟度和微粒的排放,而且结 合 EGR 等技术有进一步降低 NOx 排放的潜力。 2.3.2 生物质含氧燃料作为可再生的燃料受到越来越多的关注本次会议中,醇 类燃料、生物柴油对柴油机性能与排放影响的研究比较多。首先,生物质燃料来源比 较广泛,可来自于动、植物废料,能够再生,从而能够降低 CO2 的净排放量,美国、日 本、欧洲一些国家均计划增加生物质燃料的使用量。其次,生物质含氧燃料能够降低 柴油机的排放。日本国家交通安全与环境实验室在一个增压中冷的共轨柴油机上燃 用了生物柴油,结果是 CO 和 HC 排放降低,微粒排放也有一定程度的降低,如果要满足 更严格的排放法规需要对发动机和后处理作进一步的优化。含氧燃料中的氧元素能 够降低缸内碳烟的生成,从而改变了柴油机 NOx 和 PM 排放的 trade-off 关系,因此 在满足更高排放要求的柴油机开发过程中,简化了后处理系统。 清华大学针对含氧燃 料的烟度和微粒排放所作的详细分析表明:含氧燃料能够大幅度降低柴油机的烟度 和微粒,但是两者具有不同的降低规律。 乙醇柴油中的乙醇含量会影响微粒中主要组 分的变化,其中干碳烟(DS)随着氧含量的增加大幅度降低,微粒中的 SOF 却没有相应 降低。另外,含氧燃料还会影响微粒粒径的分布。 2.3.3 DME 作为一种含氧的替代燃料继续开展了实用化的研究 日产柴公司将一重型柴油机改造成 DME 发动机,加上简单的 NSR (NOx storage reduction)和氧化催化剂后,在日本 JE205 测试模式下,能够满足美国 2007 /2010 的排放要求,排放水*仅为日本 2005 年排放法规的 1 /4,如图 9 所示。 但是,燃用 DME

柴油机需要对发动机做较大的改动,由于 DME 较低的黏性和润滑性,燃烧系统需要重 新设计和开发,供油系统不同于常规的柴油,喷射系统如油泵、 喷嘴等需要特殊处理。

3 结束语 SAE 年会是国际上汽车界最具影响和权威的大会,通过学术和信息交流,可以了 解到最新发展趋势、技术动态和公司企业的产业化信息。*年来,随着我国汽车行业 相关科研水*和创新能力的提高,国内参加 SAE 国际年会的人数与规模也在增加,中 国在 SAE 上的影响也越来越大,但是目前参加 SAE 的还主要以高校的基础研究论文为 主,这与其它国家有很大的不同。 当前,我国越来越重视自主创新,特别是十一五规划 中强调要以企业为主导的创新和自主开发,因此国内汽车行业的骨干企业更应该密 切关注 SAE 技术发展动向,积极参与 SAE 年会,增强自主创新意识和能力。


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