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發動機行業發展動態

發動機行業發展動態

發布:2017年11月29日 修改:2018年1月23日 所屬分類:行業動態 訪問統計:7811

 

動機行業發展動態

 

 
一、行業發展綜述
(一)行業基本情況
2016年是“十三五”開局之年,在改革創新深入推進和宏觀政策效應不斷釋放的共同作用下,國民經濟保持了總體平穩、穩中有進、穩中向好的發展態勢。受此影響,汽車行業加大供給側改革力度,產品結構調整和更新步伐持續加快,產銷量呈逐月增加態勢,尤其是6月后同比更是呈現快速增長;全年汽車產銷雙雙突破2800萬輛,再創歷史新高,連續八年蟬聯世界第一,其中中國品牌汽車銷量占比50%左右,市場認可度大幅提高。行業經濟效益指標呈明顯增長趨勢,在國民經濟中的地位和作用持續增強,對推動經濟增長、促進社會就業、改善民生福祉做出了突出貢獻,對確保宏觀經濟平穩運行起到了重要作用。
2016年汽車消費市場的走高促使配套車用發動機供求也呈現持續上揚趨勢,在快速發展中取得了較好的成績。全行業緊緊圍繞汽車產業正在發生的“低碳化、信息化、智能化”等革命性變化,以及對發動機產業產生的影響及挑戰,通過全行業的積極努力,企業品牌競爭力、自主創新能力得到顯著提升,綠色制造、節能減排成效顯著,質量水平穩步提高,國際化發展能力逐步提升。中汽協《中國汽車工業產銷快訊》的統計顯示,2016年納入統計的67家車用發動機企業,產銷累計完成2515.98萬臺和2506.26萬臺,產銷量同比分別增長15.15%和14.32%,增幅較2015年呈現擴大態勢,增長率超過同期汽車產量的增長率。
(二)生產經營情況
2016年中國汽車發動機累計產銷量分別是2515.98萬臺和2506.26萬臺(見圖1)。其中,汽油機生產2216.8萬臺,同比增長15.1%,銷售2215.6萬臺,同比增長14.7%;柴油機生產296.9萬臺,同比增長16.1%,銷售288.4萬臺,同比增長12.1%。
 
圖1 2011~2016年中國車用發動機銷售情況
 
燃料分類方面,燃料結構相對穩定,汽油機所占比例有所提高,柴油機市場份額出現一定程度的收窄(見圖2)。
 
圖2 2011~2016年中國車用發動機燃料結構
 
汽油機方面:受購置稅優惠政策、國內居民收入增長、消費需求升級等因素影響,乘用車產銷再創歷史新高,促進了汽車市場的持續穩步上升;其中,2016年國內汽油車產銷分別完成2474.6萬輛和2468.32萬輛,再創新高,較上年同期分別增長14.19%和13.39%。依托上游整車廠的需求帶動,汽油機得到穩定而廣闊的發展空間,2016年汽油機產銷分別完成2216.82萬臺和2215.64萬臺,較上年同期分別增長15.09%和14.68%(見圖3)。
 
圖3 2015~2016年中國車用汽油機銷量 
 
柴油機方面:2016年,受益于重卡等商用車市場快速增長,柴油機市場出現明顯增長;貨車發動機3月起產銷持續上升,拉動作用明顯,增長貢獻度分別達到116%和126%。尤其是下半年以來,行業回升勢頭強勁,12月份銷量達到全年最高;上年的低基數和2017年的升溫形勢成就2016年的優異成績(見圖4)。
 
圖4 2015~2016年中國車用柴油機銷量
 
(三)進出口情況
2016年國內累計進口發動機72.7萬臺,比上年同期增長6.66%,進口金額20.2億美元,比上年同期累計增長8.52%;累計出口338.5萬臺,比上年同期下降0.06%,出口金額18.22億美元,同比微增2.22%。
分燃料類型看,汽油機累計進口71.2萬臺,同比增長5.7%,進口金額19億美元,同比增長8.44%;累計出口325.15萬臺,同比下降1.21%,實現出口金額13.3億美元,同比增長1.41%。柴油機進口14765臺,同比增長90.57%,進口金額為1.19億美元,同比增長9.81%;累計出口13.3萬臺,同比增長39.43%,實現出口金額4.88億美元,同比增長4.5%(見表1、表2)。
(四)行業發展存在的問題及建議
1.政策法規標準方面
提高法規創新能力。各類強制性技術法規特別是油耗法規以及排放法規對發動機的技術路線、成本、生命周期、投產節奏等有著決定性的影響,因此法規所鼓勵采用的技術路線、不同法規相互之間的匹配、法規發布和實施的時間差等必須是合理的。創新的法規應實現排放法規、油耗法規、燃油標準同步。
表1 2016年車用發動機行業進出口情況匯總
燃料類型
汽油機
柴油機
合計
進口
數量(臺)
711959
14765
726724
增長率(%)
5.70
90.57
6.66
金額(萬美元)
190125.2
11907.7
202032.9
增長率(%)
8.44
9.81
8.52
出口
數量(臺)
3251456
133384
3384840
增長率(%)
-1.21
39.43
-0.06
金額(萬美元)
133383.2
48847.8
182231.0
增長率(%)
1.41
4.50
2.22
 表2 發動機主要出口國家
國家
出口量(臺)
占比(%)
出口額(億美元)
占比(%)
巴基斯坦
1357413
40.1
1.0
5.6
伊朗
467300
13.8
0.9
4.9
俄羅斯
274018
8.1
4.3
23.6
日本
206000
6.1
4.7
25.5
越南
196995
5.8
0.6
3.4
設立發動機節能減排財政扶持專項基金。組織實施“工業強基示范應用工程”,通過獎勵和風險補償機制,支持核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝、關鍵基礎材料的首批次或跨領域應用。到“十三五”末期,40%的核心基礎零部件、關鍵基礎材料實現自主保障,受制于人的局面逐步緩解,產業急需的核心基礎零部件(元器件)和關鍵基礎材料的先進制造工藝得到推廣應用。
強化知識產權運用。加強發動機關鍵核心技術知識產權儲備,構建發動機產業化導向的專利組合和戰略布局。鼓勵全行業運用知識產權參與市場競爭,培育一批具備知識產權綜合實力的優勢企業,鼓勵和支持發動機骨干企業與專業機構在重點領域合作開展專利評估、收購、運營、風險預警與應對。
建立激勵機制和出臺激勵政策。以節能減排為目的,設立“領跑者”激勵機制,制定并出臺發動機產品燃油消耗率公告制度,對提前達到油耗標準給出的階段目標值和滿足排放法規要求的發動機產品的制造企業,通過減免稅政策,鼓勵其生產制造高效發動機,鼓勵用戶采用高效發動機。對高耗能、高排放產品采用政策性手段強制淘汰,加快提高高效低排發動機產品社會保有量結構比例。
健全車用發動機標準體系、技術規范、檢測方法和認證機制。瞄準國際先進水平,立足自主技術,制定發動機產品燃油消耗限值及測量方法標準,明確燃油消耗率限定值、推薦值和目標值,達不到限值標準的發動機產品不得生產、銷售、使用。制定節能環保型發動機產品技術標準,明確燃油消耗率及污染物排放技術指標,規范節能型產品分類。開展行業能效對標活動,提高發動機制造業能源利用效率。充分發揮企業在標準制定中的重要作用,協同推進產品研發與標準制定。鼓勵和支持企業、科研院所、行業組織等參與國際標準制定,做好標準的宣傳貫徹,大力推動標準實施。
2.行業管理層面
面對新的形勢和行業發展需求,行業管理和平臺的作用更加突出,應著重加強。
促進行業技術進步。技術創新是提高產業核心競爭力、提升產品技術平臺的動力,努力爭取在發動機產品高新技術領域取得新的突破,并以此形成產業優勢,優化整體產業結構。充分發揮產學研的資源優勢,建立國家協同創新中心,建立行業專家庫,積極組織開展國際交流,共同探討行業發展的問題,為政府建言獻策,為企業做好服務。
加強產業整合。提高行業集中度,提升企業的規模經濟效益,將市場調控與政府引導相結合,支持汽車發動機骨干企業通過兼并重組擴大規模。
引導企業實施“走出去”戰略。推進自主品牌“走出去”,鼓勵自主品牌汽車和自主品牌發動機企業聯合對外投資,建廠設點,建立營銷網絡;積極參與“一帶一路”建設,充分利用多邊合作機制,推動汽車發動機企業開展國際合作與交流。
協調促進零整關系。目前國內大多品牌柴油機企業缺乏和整車同步開發的條件與機會,協同開發才起步。合資企業的整車產品都是在國外完成開發后,轉移到中國來生產的,而中國品牌企業的整車開發尚處于初級階段,產品研發實力比較薄弱,對零部件研發能力的鍛煉和技術的提升還不明顯。行業組織要搭建交流平臺,促進互聯網時代下整零、零零企業之間形成新的產業生態,使零部件研發、制造、服務、營銷等更好地協同開展相關研究,以建立本土整車企業與發動機企業之間的長效對話機制,穩定零整關系。
制定行業技術標準,加強行業自律。制定各細分市場領域的行業標準,督促企業落實國家相關法規,避免企業間無序競爭,促進產業健康發展。
3.企業層面
企業調整產品結構、轉型升級、提質增效刻不容緩。在“十三五”發展期間,我國經濟發展進入新常態,制造業面臨新挑戰,資源和環境約束不斷強化,規模擴張的粗放發展模式難以為繼。到2020年,發動機產品需節油15%以上,排放達到歐Ⅵ標準,帶動學科水平、人才培養質量的提升;到2025年,節油40%以上,排放水平完全與國際接軌,使科學研究水平達到國際先進行列,人才培養質量得到國內外普遍認同。實現以上目標,我們還存在很多需要解決的問題。
注重知識產權保護和成果轉化。中國品牌發動機企業基礎差、積累少,缺乏關鍵核心技術。發動機產品技術的研發,是綜合性系統工程,所需要的基礎研究、數據積累、流程管控、人才培養等,都是難以完全依靠引進、并購獲得的,需要企業自身的不斷探索、累積經驗,通過長時間的積淀才能真正提升自身的綜合技術水平和創新能力。目前我國發動機企業的專利技術主要集中在實用和新型外觀上,發明專利比例相對偏低,核心技術掌握和積累嚴重不足。關鍵零部件產品技術研發基礎薄弱,基礎性和前沿性研究落后。國內一些企業、高校和科研院所自主研發的成果不能很快地轉化為產品,大大制約了關鍵技術的發展。即使進行成果轉化,其轉化成本也較高,企業難以承受實驗所支付的高額成本。
柴油機企業生產管理有待優化,產品質量管控水平亟須提升。國內大部分柴油機企業生產場地、機器設備、工藝裝備等硬件實力得到很大提高和增強,專業化水平也越來越高,但是和一流的國際企業相比,在生產計劃組織、管理運行方式、人員配備要求方面還有待提高,員工的行業意識、產品意識、崗位意識等還有缺失和不足。對產品質量管理的重要性認識不足,缺乏對現代管理理念的理解和推廣,未能有效建立研發、工藝、質量、采購的同步工程管理系統,嚴重影響零部件產品質量的管控與持續改進。
完善配套采購體系,由分散化向集中化逐步轉變。隨著生產規模的逐步擴大,各發動機主機廠對整機品質的要求更為嚴格,對供應鏈體系的打造更加重視,更傾向于集中化、系統化、模塊化的配套采購以減少供應商分散帶來的管理難度及質量控制風險,如部分主機廠已明確提出培養戰略供應商的計劃,減少供應商總體數量,把有限的時間及精力用在培養戰略供應商的系統管理能力、過程控制能力,實現系統的IT化、流程化、標準化,給圍繞核心產品展開多品種系列化生產的供應商帶來了多產品合作機會。
4.自主創新、核心技術掌握等方面
我國是內燃機生產和使用大國,但由于關鍵核心技術欠缺、節能減排標準不健全等因素,內燃機產品與國際先進水平存在一定差距。目前,高壓共軌、多氣門、廢氣再循環、可變幾何截面增壓等技術都得到廣泛應用,以濰柴、玉柴、一汽錫柴等為代表的發動機生產企業,已推出具備國際先進水平的歐Ⅵ發動機。但作為柴油機的核心技術,電控共軌噴射裝置及以后排放法規的實施所需要的尾氣后處理技術等仍然被外資企業把控,而國內企業在開發新產品時,也主要依靠AVL、FEV、里卡多等國外技術公司,亟須創新研發突破。
“十三五”期間,車用發動機行業發展的驅動力是節能環保政策,而實現節能環保必須加強基礎研究和關鍵核心技術研發、強化企業技術創新主體地位,努力提升發動機產業的核心競爭力。圍繞產業鏈部署創新鏈,圍繞創新鏈配置資源鏈,加強基礎和關鍵核心技術攻關,加速科技成果產業化,完善內燃機制造業創新體系建設。
提高體系創新能力。面對越來越嚴格的油耗及排放法規,技術儲備不足問題越來越凸顯。目前我國發動機產業整體與世界先進水平仍存在較大的技術差距,必須通過進行創新體系建設解決我們沒有先進節能環保技術的問題,而成立產業或技術創新聯盟或創新聯合體是進行體系創新、發揮行業整體合力、統籌引進外部資源的最佳途徑。產業創新聯盟就是要集中優勢資源,形成合力進行共性問題攻關,以縮小我們在產業技術上的差距。包括節能技術、排放控制技術、電子控制技術、核心零部件技術等,國家應在政策上及資金上給予鼓勵,變補貼產品銷售為補貼技術開發,設立專項資金,加快相關技術的研發、消化吸收和推廣應用,從根本上改變我國發動機行業先進節能環保零部件技術和產品長期依賴國外供應商的局面,解決發動機行業發展的關鍵核心問題,提高整個行業的核心競爭力。
提高零部件創新能力。目前外資汽車零部件企業在中國市場的規模仍然高速增長,對我國市場的未來充滿信心,繼續保持技術上的領先地位;而自主產品依然處于劣勢。整車企業對自主零部件企業的信任度下降,培養強大的零部件產業,需要整車企業的覺悟。另外,零部件企業缺少政策的支持。近年出臺的政策基本上都是針對整車的,最典型的是作為國家戰略性新興產業的新能源汽車,大額補貼全部劃給整車企業,核心零部件企業卻很難獲得扶持。
發揮行業協會的創新引導作用。一是提高創新設計能力。以車用發動機為重點,開展創新設計示范,全面推廣應用以綠色、智能、協同為特征的先進設計技術;建設一批國家級企業專業化、開放型設計研究機構,激發全行業創新設計的積極性和主動性。二是實現科技成果產業化。建立行業創新鏈,優化集成科研力量,完善科技成果轉化運行機制、評估和市場定價機制、激勵機制和協同推進機制,引導政產學研用按照市場規律和創新規律加強合作,實現技術成果共享,實現技術成果產品轉化和市場應用。
二、汽油機子行業發展
(一)新技術、新產品發展綜述
1.增壓小型化和直噴技術組合
隨著環保壓力的增大,尤其是在工信部發布的《乘用車燃料消耗量限值》,要求車企燃油限值2015年要降低至6.9L/100km;而到2020年要降至5.0L/100km之后,渦輪增壓和小排量發動機就成了各大車企追逐的焦點。目前汽油機增壓主要包括渦輪增壓(Turbocharging)、機械增壓(Supercharging)以及近期才得到快速發展的電動增壓技術(E-boosting)。其中渦輪增壓由于其優秀的燃油經濟性、成熟的技術保障以及相對低廉的價格是目前發動機技術發展的主流趨勢。采用渦輪增壓技術的大眾EA211系列1.4TFSI發動機,較同平臺1.4L自然吸氣發動機,最大功率和最大扭矩分別提升了67%與89%。
直噴是將燃油噴嘴噴油器安裝于氣缸內,以較高的燃油壓力直接噴入氣缸內與進氣混合使燃油霧化效果更為細致,真正做到精準地按比例控制的噴油技術。采用缸內直噴技術可提高升功率、升扭矩和壓縮比,較多點噴射發動機節油2%~5%,也可以顯著降低發動機原始排放。例如通用的2.4L SIDI缸內直噴發動機,最大功率為137kW、最大扭矩為240Nm,比上代機型分別提升了9.6%與6.7%,搭載新君越車型綜合工況能耗下降了2.2%,冷啟動排放降低了25%。目前國外各大整車廠商已廣泛采用此項技術,自主車企采用此項技術的比例也在不斷提高。
現階段各大主流車企基本上都采用了增壓小型化和直噴技術的技術組合來應對日益增加的節能減排壓力。例如“2016沃德十佳發動機”中,除了混動系統以外,其余發動機均采用了增壓小型化以及直噴技術。
2.高壓縮比米勒循環
米勒循環是一種不對等膨脹/壓縮比發動機的熱力循環,由于膨脹比大于壓縮比,因此能更好地利用燃燒后廢氣仍然存有的高壓,同時米勒循環一般搭配高壓縮比技術使用,燃油效率比奧托循環更高(見圖5)。米勒循環通常有進氣門早關以及進氣門晚關兩種形式,前一種形式多用于增壓發動機,而后一種形式多用于自然吸氣發動機(日系稱這種形式為阿特金森循環)。
 
圖5 創馳藍天汽油發動機的米勒循環
 
高壓縮比米勒循環發動機在低扭輸出和高轉速爆發力上不及奧托循環發動機。所以米勒循環發動機多用于一些混合動力車型上,利用電機彌補這種發動機特性上的不足,從而使整個混合動力總成運轉更為平順,動力輸出特性更好。近一兩年有多款米勒循環發動機量產,其中豐田最新的2.5L Dynamic Force發動機實現了峰值熱效率41%,為目前全球范圍內燃效最高的量產發動機。大眾新款1.5TSI evo為峰值熱效率最高的增壓機型,峰值熱效率為38%。
混合動力專用發動機(作為高壓縮比米勒循環發動機的一個發展方向)由于一般與電機輔助使用,可以適當降低發動機的升功率/升扭矩,這樣就可以適當增加發動機的壓縮比,提高峰值熱效率。同時混動發動機可以集中在高效區工作,在標定方面也不用為了適應全工況范圍的平均熱效率提高而做出妥協,可以進一步提高發動機的最高熱效率。
3.分層燃燒
分層燃燒技術在氣缸內所形成的混合氣濃度并不是均勻的,在靠近火花塞的內層空間混合氣偏濃,在遠離火花塞的外層空間(靠近氣缸壁與活塞頂部)混合氣則偏稀。這樣混合氣就形成了由內及外、由濃到稀的狀態。
要想實現這種混合氣的狀態,缸內直噴技術必不可少。發動機在進氣行程活塞下行時,發動機電腦(ECU)會控制噴油嘴先進行一次少量的噴油,使氣缸內形成稀薄混合氣,此時混合氣的空燃比λ>1。而在壓縮行程活塞上行時會進行第二次噴油,利用活塞頂部的特殊結構或者噴油嘴的噴射角度讓火花塞附近出現混合氣相對較濃的區域(λ<1),然后利用這部分較濃的混合氣來引燃汽缸內的稀薄混合氣,保證了在順利點火的情況下盡可能地實現稀薄燃燒,這也正是分層燃燒的精髓所在。據大眾宣稱,分層燃燒在城市工況下可以省下油10%。
不過分層燃燒模式并不是在發動機的任何工況下都適用的,只有在比較柔和的駕駛方式下才能實現分層燃燒,而在需要動力性能的時候,就需要轉換到均質燃燒模式。該模式下,只在進氣行程進行一次噴油,這樣在點火前,氣缸內所形成的混合氣的濃度是均勻的,而且空燃比λ≈1。此外,分層燃燒技術存在著一個目前難以得到綜合性解決的氮氧化物排放問題,而這也是該項技術在歐洲逐步被取消的根本原因。
4.均質充量壓燃(HCCI)技術
HCCI燃燒方式結合了柴油機壓燃和汽油機均質混合氣點火燃燒的特點,基本特征是均質、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統的點燃式發動機相比,它取消了節氣門,泵氣損失小,混合氣多點同時著火,燃燒持續期短,可以得到與壓燃式發動機相當的較高熱效率;與傳統柴油機相比,由于混合氣是均質的,燃燒反應幾乎同步進行,沒有火焰前鋒面,燃燒火焰溫度低(低于2000K),NOx排放很低,幾乎沒有PM排放。傳統的柴油機采用擴散燃燒,化學反應速率遠高于燃料和空氣的混合與擴散速率,燃燒快慢由混合擴散速率高低決定。在這種類型的燃燒中,混合氣和溫度分布都極不均勻,擴散火焰外殼的高溫區易產生NOx,內部高溫缺氧區易產生PM。而HCCI通過提高壓縮比、采用廢氣再循環及進氣加熱和增壓等手段提高缸內混合氣的溫度和壓力,促使混合氣壓縮自燃,在缸內形成多點火核,有效維持了著火燃燒的穩定性,并減少了火焰傳播距離和燃燒持續期。它的燃燒速率只與本身的化學反應動力學有關。
馬自達計劃推出的第二代SkyActiv-G發動機首次將均質充量壓燃(HCCI)點火應用于主流車型,能效有望比現款引擎提高30%,排量進一步降低。日媒報道,新引擎將于2018年率先應用于升級版馬自達3轎車。HCCI技術可使該款新車的耗油量達到30km/L,即70.5mi/gal或3.3L/100km。
5.先進熱管理(Advanced Thermal Management)
發動機熱管理系統,就是讓發動機在工作循環時,保持在最佳溫度(90°C),從而使發動機在最佳溫度下工作,最省油、最穩定、最能發揮其效能。發動機熱管理系統研發的關鍵技術之一是熱管理系統與發動機運行的匹配技術以及系統優化控制策略的選擇問題。熱管理系統效率很大程度上依賴于系統優化控制策略,控制對象包括水泵轉速、電控節溫器閥門開度以及冷卻風扇轉速等??梢愿鶕嚢l動機實際工作和試驗情況,依據系統優化原則來制定智能化電控熱管理系統控制策略,使發動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍。
在EA211 1.4TSI發動機上,發動機熱管理系統采用的是兩個傳統石蠟型節溫器,這兩個節溫器的開啟溫度不相同,可以對缸蓋和缸體的冷卻液實施差異化管理??刂聘左w水道的節溫器開啟溫度更高,缸體正常工作溫度會高于缸蓋,這樣可以降低曲柄連桿機構的內部摩擦。而工作溫度更低的缸蓋自然是為了降低燃燒室溫度,從而對抑制爆震提升燃燒效率有所裨益。而全新的1.5TSI發動機則采用了更為先進的電控冷卻模塊,使用電控裝置取代了EA211 1.4TSI發動機上的傳統石蠟型節溫器,可以更為精確地控制缸蓋和缸體的冷卻強度,從而提升冷卻系統的工作效能并提升燃油經濟性。此外,該發動機也與現在一些主流發動機一樣配備了變排量機油泵,根據發動機轉速來確定機油泵送量,從而避免低轉速下的泵送不足和高轉速下的過度泵送問題,在優化發動機內部潤滑的同時,可一定程度上提升發動機燃油經濟性(見圖6)。
 
圖6 大眾最新EA211 1.5TSI evo熱管理模塊
 
(二)核心零部件產品發展現狀
1.增壓系統
(1)市場發展情況
由于全球各地區的油耗法規不斷加嚴,近年來平均燃油消耗量(CAFE)逐年遞減約4%~5%。在油耗、排放法規壓力下,乘用車汽油機由自然吸氣轉向增壓化的趨勢明顯。在此形勢下,國內乘用車汽油機增壓器產銷量自2007年開始快速增長(見圖7)。2015~2016年,合資品牌的增壓產品持續發力,自主品牌增壓車型也大批量上市,增壓器的產銷增速進一步加快,2016年產量約為620萬臺,創下歷史新高??紤]國內各車企要達成5L/100km的平均油耗法規要求,預計乘用車汽油機增壓器產量在未來3~5年將繼續高速增長,增至1100萬臺/年以上的規模,至少在2020年新油耗法規實施后才會漸趨平緩。
 
圖7 中國乘用車渦輪增壓器產量走勢
 
 
(2)產品技術發展情況
從在售產品來看,廢氣旁通式渦輪增壓產品以其成本較低、質量穩定的優勢,占據了市場主流。例如南北大眾搭載朗逸、速騰等暢銷車型的TSI系列,福特搭載翼博、銳界、蒙迪歐等車型的Ecoboost系列,這些合資汽車普遍以渦輪增壓+缸內直噴的技術方案,形成其主流產品。而在國內自主車企推出的渦輪增壓車型中,首批多以渦輪增壓+氣道噴射的技術方案為主,如長安汽車搭載CS75的1.8T、長城汽車搭載H6的1.5T、廣汽集團搭載傳祺的2.0T等。由于渦輪增壓與缸內直噴在節能減排方面的優勢,自主汽車陣營也逐漸出現渦輪增壓搭配缸內直噴的技術方案,如長安汽車CS75升級的H1.5TGDI、吉利汽車搭載博越等新車型的1.8TD等。
而2016年,國家環保局在元旦之前頒布了國六第一階段的排放法規,結合此前提出的5升油耗要求,國內各車企都面臨緊張的開發時間表。由于該法規大體上維持了歐六的框架體系,預計歐洲市場上各車企的節能減排措施會對國內各合資、自主車企產生巨大的引導作用。以此判斷,預計增壓器零部件有以下幾個發展趨勢。
①增壓器結構形式多樣化發展。
增壓器技術隨著汽油機技術的發展而發展,特別是米勒燃燒循環技術、動力總成混動化技術的發展,對增壓器提出了多樣化需求。大眾集團2016年展出的EA211 TSI evo技術,把變幾何廢氣渦輪增壓作為高壓縮比燃燒的支撐技術,以提升燃油經濟性;而對于高功率版本,則維持了廢氣旁通增壓器的技術方案,同時采用了較低的壓縮比(見圖8)。
 
圖8 變幾何增壓(VTG)構成EA211 TSI evo動力總成的一部分
 
對于更高性能的方案,靈活組合的復合增壓、多級增壓以及增壓與廢氣再循環、廢氣重整等技術會得到深化。
在各種技術組合中,增壓技術必須考慮作為其依附存在的動力總成多樣化發展的問題。除了傳統的內燃機增壓技術外,內燃機結合電動技術,所形成的混合動力技術,對增壓技術提出了明顯差異化的需求。目前對于增壓技術如何融入混合動力,市場定位尚未清晰?;旌蟿恿Ρ旧砻媾R弱混、中混和強混的方案之爭,而增壓技術在其中的功能定義尚未完成。從技術上考慮,如果發動機不考慮低速扭矩的要求,將其轉交給扭矩足夠大的電機,那么增壓器會面臨增大尺寸的趨勢,甚至取消廢氣旁通閥結構,以更好地提升發動機功率,同時可以平衡燃油經濟性的要求。在這種混合動力系統中,電動增壓器可能會喪失技術優勢。
電動增壓有可能在弱混或者非混動系統中得到發展。當前的電動增壓器所面臨的電機功率、轉速的限制有可能隨著電池、電機的技術發展而得到改善。除法雷奧外,博格華納并購了雷米電機,加入了該項技術的爭奪。
②增壓器控制電動化。
目前市場上增壓器控制以氣動執行器為主。這種控制技術限制了發動機的控制策略,不利于動力系統節能減排措施的實施。例如,即使不考慮氣源的響應時間,單體測試顯示氣動執行器結構的充氣響應時間也在0.5秒左右。并且控制信號輸入與執行器輸出行程之間具有明顯的非線性特點。這些特性可引起發動機進氣氣路壓力與流量震蕩,導致燃燒過程動態的富油和貧油,在激烈駕駛的情況下表現較為突出,不利于減排與節油。正壓式的氣動執行器還無法執行冷機啟動廢氣旁通閥常開的策略,不利于催化起燃。
與氣動式執行器相比,電機驅動的電動執行器驅動力大,控制精確,滯回接近為零,響應時間為0.15~0.20秒,控制信號的輸入與執行器輸出行程之間具有更好的線性度。同時電動執行器的控制策略比較靈活,與發動機氣路系統完全解耦,成為發動機電噴控制技術的一項重要進步。電動執行器的相對缺點,一是其耐溫特性弱于氣動執行器,最高耐溫普遍降低20~40℃;二是ECU控制部分需要增加適應性的控制模塊,規避電機過熱、電流沖擊等問題,并且目前幾乎所有的電動執行器均不具備驅動電機所需的H橋,所以客觀上需要ECU供應商提供相應的功能。
目前市場上出現了足夠的電動執行器供應商,可以保障未來的市場供應,如海納集團、三菱電機、博世集團、聯合電子、馬勒集團、大陸電子、Camtec、馬瑞利。其中海納集團與聯合電子均已在國內建立了生產基地。
總而言之,未來幾年里,伴隨動力總成的多樣化發展,增壓技術也將隨之衍生出越來越多的技術組合。
2.燃油噴射系統
目前國內發動機燃油噴射系統以缸內直接噴射系統(GDI系統)為主流技術。
從2002年至今,GDI發動機在全球范圍內得到了廣泛推廣。到2015年,GDI發動機的年產量已達到1000萬臺,與2008年相比,增加近一倍。2006年至今,國外幾大汽車廠商不斷增加配備缸內直噴燃油噴射系統車型的比重。截至2010年,Porsche公司的所有車已全部配備了缸內直噴系統,Mercedes公司、Audi公司、VW公司生產的GDI車型所占比重均已超過70%。除Toyota公司之外,其余幾家公司的GDI車型比重也在快速、平穩的增加(見圖9)。
 
圖9 世界主要汽車廠商GDI車型比重
 
到2015年,中國的GDI發動機產量已接近200萬臺,其中以增壓發動機為主,且基本是外資品牌,相比國外的GDI發動機技術日臻完善,國內的GDI發動機研發尚處在學習階段。盡管自主品牌如比亞迪、奇瑞、長安、長城、江淮等公司已陸續有搭載直噴發動機的車型上市,但市場前景尚不明朗。此外,一汽、北汽等公司也已研發出直噴發動機,但尚無匹配車型上市。
3.EGR系統
EGR是排氣再循環的簡稱,最新應用汽油機EGR技術的主要目的是實現更低的油耗以滿足國家油耗法規。相關測試結果表明,僅使用EGR技術的情況下,NEDC循環可以實現3%~5%的油耗降低,如果再配合優化壓縮比、提高點火能量,則節油效果會更佳。
EGR技術首先是在柴油機車型使用,近年來,由于排放、油耗的法規越來越嚴格,汽油機也逐漸使用了EGR技術,目前已經獲得了全球的廣泛認可,從亞洲(日本豐田、韓國現代),到北美(福特、克萊斯勒),以及歐洲(寶馬、戴姆勒)都已經廣泛采用EGR技術。一些全球知名的研究機構正在研發和大力推廣汽油機EGR,如美國西南院、AVL、FEV、Ricardo等都對EGR技術進行了相應的研究,并且嘗試了不同的EGR技術路線,其中可采用簧片閥(一種單向閥)解決抗爆震區域的壓差問題,從而有效抑制反向氣流,即使在發動機MAP的掃氣區域,也使高壓EGR率達到10%~15%?;蛟谠黾覧GR的基礎上,提高壓縮比,同時增加EGR的強制驅動,可大大提高EGR率,使最大EGR率可以提高到30%,AVL的研究就采用了此技術方案,可使節油率達到11.2%,是非??捎^的數據。
在自然吸氣發動機方面,以日本豐田為代表,其大部分自然吸氣發動機都采用了EGR技術。韓國現代也大部分采用了EGR技術,并結合了降摩擦技術、先進的熱管理技術、阿特金森循環及高能點火線圈的應用,取廢氣的位置有從三元催化之前到之后的發展趨勢。EGR的使用,使自然吸氣發動機的熱效率明顯提升,豐田最高可達41%,為目前全球量產的發動機可以達到的最高熱效率;韓國現代Kappa1.6L發動機采用EGR技術后也達到了40%的熱效率(見表3)。
表3 日韓發動機EGR技術應用代表
主機廠
發動機
豐田
Toyota Prius 2010
Toyota 1UR-FE
Toyota 2AR-FXE(Camry)
Toyota 2GR-FXE(Aqua)
Toyota 1NZ-FXE(Aqua)
ToyotaCamry 2015(2.0)
本田
Honda/2.0
Honda/地球夢1.5L15B2
現代
Kappa1.6L
對于增壓發動機,有低壓和高壓EGR之分,在技術路線的選擇上,目前從市場的應用情況來看,高壓低壓的占比大約各50%。
增壓發動機應用EGR技術實現節油效果有兩種技術路線,第一種采用發動機稀薄燃燒,用EGR技術處理廢氣中由于稀燃而產生的大量NOx氣體,代表機型為奔馳M270系列發動機。第二種是直接用EGR引入的廢氣通過降低排溫、抑制爆震等實現在發動機不同運行區域進行節油,代表機型為日產MR16DDT發動機。
其中日產的MR16DDT采用的是低壓EGR(見圖10),而馬自達第一代創馳藍天2.5T采用了高壓EGR,第二代創馳藍天則在EGR應用的基礎上,采用了HCCI均質壓燃技術,達到了能和混動車媲美的節油效果。目前北美市場對油耗以及排放的要求非常嚴格,因此很多OEM在北美市場采用最新的技術,大多選擇了EGR技術。
 
圖10 日產MR16DDT、低壓EGR 
 
隨著發動機的增壓小型化,以及EGR率的不斷提高,如何在很小的空間內布置EGR系統,同時又保證冷卻效率,這對EGR廠家提出了很大挑戰。汽油機相比于柴油機,銷量非常大,因此對EGR系統的價格非常敏感,同時相比于柴油機,汽油機有很多與柴油機不同的特性,比如排溫高、廢氣相對柴油機干凈,基于以上特點,EGR系統的設計不能直接使用柴油機的現成產品,需要根據汽油機特點來設計新的零部件。
目前國內EGR閥供應商都在積極開發小型化的汽油機EGR閥和冷卻器,和柴油機相比,新的設計體積更小,效率更高,不僅滿足汽油機的布置,也可以滿足汽油機的大批量低成本要求,甚至可推行EGR模塊集成的解決方案。
為達到持續優化排放和降低油耗的目標,EGR技術也處于持續發展中,大致如下幾個方向。
①趨勢一:EGR和高能點火、提高壓縮比結合。
EGR率的高低主要受兩個因素制約:一個是壓差,另一個就是COV燃燒穩定性。EGR的主要成分是NOx、CO2、H2O等惰性氣體,要想提高EGR率就要采用高能點火,提高火花持續時間,來保證高EGR率條件下燃燒穩定。同時采用EGR的發動機抗爆震能力增強,因此可以提高壓縮比,最便捷的方式就是重新設計活塞的頂部輪廓,同時增加氣缸內混合氣的滾流,提高燃燒速率。
②趨勢二:EGR和米勒循環結合。
米勒循環比奧拓循環有更高的熱效率,目前主流的米勒循環實現方式都是EIVC和LIVC,無論具體采用何種氣門策略,其和EGR都是互補關系,達到明顯的節油效果。
③趨勢三:EGR和廢熱再回收結合。
發動機產生的能量,25%~30%都以廢氣的方式排到大氣中浪費掉了,如果可以有效回收這部分廢熱,不但可以提高冷啟動速度,而且可以大幅度提高駕駛艙的舒適性??梢约稍O計低壓EGR和廢熱再回收(見圖11、圖12),使二者共用一個冷卻器,降低成本,并降低了油耗。在冷啟動階段,冷卻器作為廢熱再回收的熱交換器,把廢氣中的熱量回收到冷卻液中,用于發動機熱機或者空調制熱。冷啟動結束后,冷卻器可以冷卻廢氣。一個冷卻器可以分別給廢熱再回收和低壓EGR使用,節約了成本和布置空間。
 
圖11 廢熱回收功能 
 
 
圖12 EGR功能
 
④趨勢四:混動車上使用EGR的增多。
由于全球的油耗法規以及排放法規越來越嚴格,而純電動車和燃料電池車短期之內很難解決成本、電池、續航里程、基礎設施建設等頑疾。因此短期之內,混動車作為一個過渡方案具有很好的市場前景?;靹榆嚢l動機的工作區域一般是在中等負荷區域,此區域正好是EGR發揮最大效果的區域。
(三)技術專題研究
1.汽油機增壓小型化與自然吸氣高壓縮比技術路線分析
(1)內燃機節油潛力評估
面對日趨加嚴的油耗和排放法規,各大整車企業圍繞降低排氣損失、冷卻損失、泵氣損失、機械損失,不斷節能挖潛,對未來先進動力總成的技術實現路徑和潛力進行了有益的探索和研究。發動機熱效率近中期可以提升到45%以上,而中長期有潛力提升至60%(見圖13)。傳統動力節油潛力巨大。
 
圖13 內燃機節油潛力評估 
 
2010年3月,在美國能源部要求下,USCAE學術會議綜合29位權威專家(來自美國國家實驗室、歐美汽車和柴油機制造公司及高校)的意見,形成了《關于車用內燃機效率的總結報告》。結論如下:①活塞式內燃機最大有效熱效率可達到60%(當前是40%或略高);②內燃機燃燒過程造成損失的比例為20%~25%;③內燃機經過根本性改造,最大熱效率可望超過60%,但小于85%。2011年,美國能源部啟動了“整車技術項目”,目標如下:到2015年,相對于2009年汽油機水平,將輕型車汽油機燃油經濟性提升至25%,而柴油機提升至40%;到2018年,相對于2009年汽油機水平,將重型車發動機提升至55%。
日本汽車內燃機研究協會(AICE)在2014年5月19日召開的記者發布會上宣布:日本八家車企攜手聯合攻關發動機燃油效率,可使汽油發動機的最高熱效率由約39%提高到50%。
AICE將投資約10億日元(包括日本經濟產業省提供的5億日元補貼),開發單靠一家企業難以對付的提高發動機燃效和削減尾氣的基礎技術。通過產學官合作,研究柴油發動機的后期高級處理技術、包括汽油發動機在內的高級燃燒技術等,以符合全球尾氣排放法規和油耗法規的要求。
汽油發動機高級燃燒技術方面,將開發可使汽油發動機的最高熱效率由約39%提高到50%的技術。目前確定的研究題目是明確“熱損失機理”、“點火機理”、“火焰傳播不良機理”及“爆震現象”等。
NRC、EPA、NHTSA三方機構以一款汽油機(NA2.0L,SI,PFI,直列4缸,4氣門,無VVT/VVL)搭載4AT為基準,通過應用減摩技術、配氣技術、噴油技術、增壓技術、稀燃技術、附件傳動技術六大領域總共16項技術,研究評估后認為傳統汽油機最多能夠實現降低油耗30%。
(2)技術路線的選擇
傳統內燃機雖然節油潛力巨大,但目前很多先進的發動機技術還處于研究階段,離工程化目標的實現還較遠。為了達成近期的油耗法規要求,各主機廠可采用多樣的技術途徑來實現。目前日系豐田和歐系大眾分別從自然吸氣和渦輪增壓量產機型上實現了較高的熱效率(見圖14)。
 
圖14 日本和歐美技術路線的選擇 
 
高效率自然吸氣機型目前所普遍采取的路線為:GDI+高壓縮比+Atkinson循環+冷卻EGR+高滾流燃燒系統+熱管理優化+低摩擦技術等,例如豐田新款2.5L發動機是目前全球范圍內燃效最高的量產發動機,最高熱效率為41%;同為日系的馬自達也計劃推出第二代創馳藍天HCCI汽油發動機,目前對外宣稱新機型最高熱效率將有望達到50%,油耗表現將比其上一代機型提升30%。
高熱效率的增壓機型目前普遍所采取的路線為GDI+先進增壓系統+高壓縮比+Atkinson循環+LP-EGR+高滾流燃燒系統+熱管理優化+低摩擦技術。例如目前大眾1.5TSI evo以及本田1.5TGDI為最高熱效率的增壓機型,峰值熱效率為38%。這里特別需要指出的是,先進增壓系統目前有兩個發展方向:可變截面渦輪增壓技術和48V電動增壓系統。大眾1.5TSI evo是乘用車量產機型中首款搭載可變截面渦輪增壓技術的機型,奔馳型號為M256的發動機計劃近期推出配備48V電動增壓器的系統。
無論是自然吸氣機型還是增壓機型,其本質都是降低發動機全map區間的燃油消耗量,且兩者相互趨同趨勢明顯。不過需要注意的是由于兩者均采用了提升發動機峰值熱效率的米勒循環/阿特金森循環,升功率都將有所下降,需要適當增大排量以滿足整車匹配的要求。另外渦輪增壓機型需要適當降低壓縮比防止爆震的發生,相比于自然吸氣機型其最高熱效率將有所下降。
2.汽油機應對油耗、排放法規的技術路線分析
近年來,我國乘用車節能技術獲得了長足發展,但與此同時面臨的問題和挑戰仍然十分嚴峻,同國外的技術水平相比差距依然不小,應對日趨嚴格的油耗、排放法規難度極大。因此,開展我國節能汽車技術發展路徑研究,設計出一條可以指導未來我國乘用車節能技術持續健康發展的路徑顯得尤為重要。
對于傳統發動機,為完成2020年及2025年我國傳統動力乘用車既定節能目標,建議在2020年以前,以動力總成節能技術升級為主,其他節能技術輔助;在2020年以后,通過大力發展其他節能技術以彌補動力總成節能技術升級存在的瓶頸和缺陷。
2020年以前,汽油發動機建議重點采用增壓、直噴、改善進排氣、改善缸內燃燒等技術路線。具體而言,應推動增壓直噴發動機實現大規模市場應用,結合低壓EGR技術進一步降低油耗,同時推動各項進排氣機構可變技術不斷升級,通過高壓縮比結合米勒循環的工程化應用,將發動機壓縮比提高到12~13,結合冷卻系統優化等技術將熱效率提升至40%。
2020~2025年,汽油發動機建議重點采用先進增壓、更高壓力直噴、改善缸內燃燒等技術路線。具體而言,應推動雙增壓等先進增壓技術實現大規模市場應用,直噴壓力應提高到300bar左右,PFI+GDI等噴油技術得到規?;瘧玫耐瑫r實現標定技術精細化,以實現燃燒改善。 
對于混合動力專用發動機,為完成2020年及2025年我國混合動力乘用車既定節能目標,建議我國在2020年以前,應重點提升混合動力車型動力系統節能水平;2020~2025年,應在進一步改善動力系統的基礎上,大力發展電子電器等節能技術進一步降低混合動力車型能耗水平。
2020年以前,應使阿特金森循環/米勒循環的混合動力專用發動機的壓縮比超過12且實現市場化應用,推動增壓小型發動機市場占比超過50%,通過中等比例冷卻EGR技術、高能點火等綜合措施實現混合動力專用發動機熱效率達到40%左右。2020~2025年,應推動阿特金森循環/米勒循環的發動機壓縮比超過13,發動機熱效率超過42%。
(四)國內外技術發展方向
傳統發動機在持續提升效率的同時,需要通過譜系拓展統籌兼顧混動專用發動機。同時,無論是傳統動力發動機還是混合動力發動機,提高發動機效能的基礎技術共性在于持續向燃燒精細化、先進增壓多樣化、可變氣門靈活化方向發展,并通過廣泛應用輕量化、低摩擦和能量管理技術進行深入節能減排挖掘。
1.燃燒精細化
①GDI為達成歐6C,油壓由150bar向200bar、350bar發展,噴射次數由單次噴射向3~4次噴射過渡。
②中冷EGR降爆震及減少泵氣損失技術開始應用,電磁EGR逐漸被淘汰,電機式EGR閥將成為主流,LP-EGR應用有可能成為TC新的方向。
③新型火花塞及高能點火系統的應用和持續發展。
2.先進增壓多樣化
①單渦輪雙渦管技術已出現較多應用,并將持續進行優化。
②可變截面TC技術有望成為新的增壓技術在汽油機上普及。
③電子增壓作為二級增壓,特別是48V電動增壓技術有可能伴隨電氣系統的升級被主機廠廣泛采用。
④其他如混合式葉片TC、集成水冷鋁合金TC技術等也會持續改進。
3.可變氣門靈活化
①提高VVT響應速度或可調節范圍的先進VVT逐步被應用,中置VVT、中間鎖止VVT、電動VVT持續發展。
②CVVL可實現全Map更靈活的配氣策略,電動CVVL實現無凸輪作為氣門系統的最終目標有可能成為零部件廠商主要研發的部件之一。
4.低摩擦、能量管理、輕量化廣泛應用
①曲軸偏置、低張力活塞環、低摩擦鏈條、活塞&活塞環涂層、低黏度潤滑油等低摩擦技術將在汽油機系統上廣泛使用。
②電子水泵、電子調溫器、可變排量機油泵、電動壓縮機、電子真空泵等先進熱管理零部件也將在更低級別汽油機上使用。
③鋁合金缸體和缸蓋、組合凸輪軸等輕量化技術已逐漸普及應用;塑料缸蓋罩、塑料油底殼、塑料進氣歧管集成中冷、輕量化排氣歧管隔熱罩等輕量化技術持續改進;零部件自身結構拓撲優化減重設計繼續發展。
(五)市場發展
1.市場規模
受益于國內汽車市場的穩步發展,汽油車市場產銷量同步上升。2016年車用汽油機依托上游整車市場的穩步增長,產銷分別完成2216.82萬臺和2215.64萬臺,較上年同期分別增長15.09%和14.68%,產銷量分別占發動機產銷總量的88.11%和88.4%??傮w而言,車用汽油機產銷均衡,產銷率為100.05%,產銷增幅基本符合車用發動機整體增長趨勢(見圖15)。
 
圖15 2008~2016年國內車用汽油機年度產銷情況 
 
2.市場競爭格局
(1)汽油機整機企業及產銷情況綜述
2016年,有汽油機產銷量的企業總計49家,年產銷量累計達10萬臺的企業有39家,年產銷量累計達50萬臺的有17家,年產銷量累計達100萬臺的有4家,分別占汽油機企業總數量的79.59%、34.69%、8.16%。
2016年,行業銷量前10位企業市場份額達到51.65%,市場集中度較上年度略有降低。前10位企業中有9家銷量較上年同期增長,1家企業銷量較上年同期下降。在銷量同比增長的企業中,增幅最大的是吉利控股集團,為66.07%,從上年的銷量第15位躍居第9位;增幅最小的是上汽通用五菱,為8.81%,從上年的銷量第1位下降到第2位;其他7家企業增幅均為兩位數。2016年銷量同比有所下降的企業是重慶長安,降幅為14.22%,從上年的銷量第5位下降到第7位(見表4)。
表4 2016年國內車用汽油機銷量排名前10位企業銷量及市場份額情況
單位:臺,%
序號
企業名稱
銷量(臺)
累計增長(%)
市場份額(%)
1
 一汽-大眾汽車有限公司
1860645
13.61
8.40
2
上汽通用五菱汽車股份有限公司
1849746
8.81
8.35
3
上海大眾動力總成有限公司
1595475
22.86
7.20
4
東風日產乘用車公司
1148920
12.20
5.19
5
長城汽車股份有限公司
972831
32.56
4.39
6
北京現代汽車有限公司
916242
25.09
4.14
7
重慶長安汽車股份有限公司
800428
-14.22
3.61
8
長安福特汽車有限公司
778380
10.76
3.51
9
浙江吉利控股集團有限公司
772074
66.07
3.48
10
沈陽航天三菱汽車發動機制造有限公司
748353
23.06
3.38
合計
16670077
51.65
資料來源:中汽協產銷快訊。
(2)中國品牌汽油機企業競爭格局
2016年,有汽油機產銷量的中國品牌汽油機企業共有23家,年產銷量累計達10萬臺的企業有15家,年產銷量累計達50萬臺的有4家(見圖16)。中國品牌汽油機企業產銷量總體呈上升趨勢,全年產銷總量分別為658.03萬臺和658.42萬臺,分別占總產銷量的29.68%和29.72%。
 
圖16 2016年中國品牌汽油機企業產銷量情況
 
其中,產銷量排名前十的企業分別為長城汽車、重慶長安、浙江吉利控股、奇瑞汽車、柳州五菱柳機、比亞迪汽車、江淮汽車、東安動力、南京汽車、新晨動力。上述十家企業共生產汽油機515.68萬臺,占中國品牌汽油機累計產量的78.37%;共銷售汽油機517.47萬臺,占中國品牌汽油機累計銷售總量的78.59%(見圖17、圖18)。
 
圖17 2016年中國品牌汽油機十大企業產銷情況
 
圖18 2016年中國品牌汽油機企業產銷量占比情況
 
其中,排名前十的企業中有8家銷量較上年同期增長,兩家企業較上年同期下降。在銷量同比增長的企業中,增幅最大的是東安動力,為101.09%;增幅最小的是柳州五菱柳機,為0.25%;其他六家企業除江淮為個位數增幅以外,其他均為兩位數增幅。2016年銷量同比處于下降的企業是重慶長安和比亞迪,降幅分別為14.22%和3.8%。
3.市場預測
(1)未來汽油機市場預測
2016年,國內汽車供求市場穩步發展,促使配套車用發動機市場供求走勢平穩上升。數據顯示,配套給乘用車的汽油機占據了汽油機總量的96.5%,因此汽油機的增速基本與乘用車的增速保持一致。據中汽協預測,2017年中國乘用車市場增速將在2%~6%,遠低于2016年14.93%的增長速度:如果1.6L及以下乘用車汽車購置稅減半政策延續,2017年中國乘用車市場或將同比增長6%,全年銷售2610萬輛;如果該政策退出,或將同比增長2%,全年銷售2498萬輛。根據最新購置稅政策,2017年將對購置1.6L及以下排量的乘用車按7.5%的稅率征收購置稅,可推測2017年中國乘用車市場增速在2%~6%。按照汽油機增速與乘用車增速基本保持一致來預測,2017年車用汽油機的增長速度和年銷量或將不超過乘用車的預期。
(2)新能源環境下汽油機面臨的挑戰及趨勢
2016年,新能源汽車產銷量分別完成51.7萬輛和50.7萬輛,比上年同期分別增長51.7%和53%。其中,新能源乘用車產銷量分別為34.4萬輛和33.6萬輛,比上年同期分別增長60.52%和62.08%。隨著環保需求的不斷升級,發展新能源的政策不斷推出,以及新能源相關基礎設施建設的全面展開,新能源汽車在未來將會進一步增多。盡管如此,多家研究機構依然認為在汽車電氣化趨勢下,未來涉及汽油機應用的車型仍將占據絕大多數市場,汽油機需求仍將是未來的主流:羅蘭貝格《汽車業展望2025》預測,到2025年,純電動汽車占比7%~12%,其他需要發動機的汽車占比將達到88%~93%;FEV公司預測,到2025年純電動汽車占比7%左右,其他需要發動機的各類型汽車占比將達到93%。但是汽車電氣化趨勢不可阻擋,此環境促使汽油機企業認真思考傳統汽油機的未來發展方向,從而應對新能源汽車對發動機的需求。
(3)節能減排政策下汽油機面臨的挑戰及趨勢
一直以來,節能減排都是汽車行業的奮斗方向。日益趨嚴的法規政策下,傳統發動機通常采取小型化、高效化的應對策略,豐田、通用等企業推出專用混合動力汽油機,主要是為了提高發動機熱效率,改善發動機全MAP油耗,降低排放。長安汽車、東風、吉利等國內多家企業投資1.6L及以下排量的自然吸氣和渦輪增壓發動機,主要是通過小型化、增壓化以及其他先進技術的應用實現節能減排(見表5)。
表5 部分車企1.6L及以下排量產品布局
 
三、車用柴油機子行業發展
(一)車用柴油機技術進展
1.柴油機整機技術發展現狀
(1)國內外主要重型柴油機
國內外重型柴油機產品較多,其中國外先進主流的機型有VOLVO D13K、Benz OM471、Scania DC13和IVECO Cursor13(見圖19);國內機型主要有濰柴的WP12、WP13,玉柴的6K13以及錫柴的6DM3等。重型柴油機的額定功率范圍在300~410kW(400~550hp),最大扭矩范圍在2000~2650Nm,最大爆發壓力在200bar以上并有增長趨勢,Benz OM471已達到240bar。國外重型柴油機的換油周期大多在15萬公里左右,國內出于油品等原因主要在6萬~10萬公里。
歐美各國于2013年開始實施EPA2013/EuroⅥ排放標準后,VOLVO、MAN、Benz、Cummins等國際主流發動機廠家紛紛推出滿足排放標準的各個排量段機型,Benz、VOLVO、MAN等主流發動機廠家的從4L至16L均有涉及歐Ⅵ產品,能夠較好地滿足歐美市場需求(見圖20)。國內外重型車用柴油機型譜,排量范圍在9.5~10.5L的機型較少,11L左右機型排量主要集中于10.5~11L,13L左右機型排量主要集中于12.5~13L。因此,主流重型柴油機排量分布集中在9L、11L和13L附近。中國預計在2020年實施國六排放標準,目前國內主流發動廠家正在積極進行排放升級研發工作,已有滿足歐Ⅵ排放水平的產品,如濰柴WP9H、WP10H等(見圖21)。
 
圖19 歐洲主要商用車公司重型柴油機 
 
圖20 國外主流廠家中重型柴油機產品排量分布
 
對比歐Ⅵ中型柴油機的升質量,大部分產品升質量在80~110kg/L,而部分中型柴油機輕量化十分明顯,分別為76.44kg/L、77.91kg/L,發動機輕量化主要通過三個方面來降低發動機重量:①采用新型輕質材料,如采用塑料油底殼、搖臂罩、鑄鋁飛輪殼、齒輪室等;②采用新結構,如采用中空凸輪軸和搖臂軸設計等。③模塊集成化,如采用水泵與機體集成的水泵殼、機油泵泵腔集成到機體上等。
(2)國內外主要輕型柴油機
柴油機領域中,輕型發動機在排放升級上還將面臨更大困難,重型車在排放升級過程中的主流路線是選擇性催化還原(SCR),而輕型車出于對成本和可靠性的考慮,在國五之前基本使用的是廢氣再循環(EGR)路線。然而,在升級國五乃至國六的進程中,SCR將逐漸成為主流路線。這對于輕型發動機而言,升級難度成倍增加。
①康明斯ISF 2.8L柴油機。
康明斯的ISF 2.8L柴油機輸出最大功率120kW,最大扭矩360Nm,整機重量為214kg。該款柴油機使用了BOSCH高壓共軌燃油系統、廢氣再循環(EGR)和選擇性催化還原(SCR)系統。同時還能滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ、歐Ⅵ這三種排放標準。ISF系列發動機的平均大修里程超過50萬公里,最高無大修里程已經超過80萬公里(見圖22)。
 
圖21 國內主要商用車公司重型柴油機 
 
圖22 康明斯ISF 2.8L柴油發動機
 
②云內DEV(德威)系列柴油機。
云內動力德威系列YNF40擁有4.0L排量,中置噴油器和凸輪軸,雙切向進氣道,齒輪室后置。功率覆蓋95~125kW,扭矩儲備大,最高轉速2800r/min,最大扭矩600Nm。渦輪增壓中冷增壓器響應速度快,提供充足進氣量,燃燒更加充分。采用新一代油霧混合技術、高壓共軌燃油系統。采用模塊化設計,結構緊湊,重量輕,保養經濟,維護簡單。低速扭矩大,擁有很強的爬坡能力(見圖23)。
 
圖23 云內動力德威系列YNF40發動機
 
2.柴油機核心零部件技術發展現狀
(1)燃油供給系統新技術及新產品
從技術發展的總趨勢來看,國外共軌噴射系統的發展趨向是:噴射壓力不斷提高、噴油過程更加柔性可調、系統的響應速度不斷提高,可使系統在一個工作循環中能進行更多次數的噴射,最終實現在一個工作循環中壓力和噴油速率的可調,真正實現與柴油機其他系統的柔性配合。
目前燃油系統主要的先進技術有高壓噴射技術、多次噴射技術、非對稱噴射技術以及氣缸鈍化技術等。為滿足未來排放及油耗法規要求,對于所有的柴油機燃油系統應用,不管是單體泵、泵噴嘴還是共軌系統,燃油系統的壓力一直是升高的趨勢,斯堪尼亞歐Ⅵ發動機和康明斯Tier 4F發動機應用XPI高壓噴射系統,系統壓力達到240Mpa;奔馳OM471歐Ⅵ發動機,第一代燃油系統壓力230Mpa,第二代達到270Mpa;另外,菲亞特歐Ⅵ發動機也采用220Mpa高壓噴射系統,排放和經濟性優勢明顯。燃油系統噴油策略應用也更加靈活,多次噴射和可變噴油規律技術優化燃燒,非對稱噴射技術和氣缸鈍化技術優化油—氣匹配,滿足發動機不同工況需求,提高熱效率,降低油耗和排放,發動機更趨環境友好。燃油系統壓力升高和噴射策略更加靈活是未來燃油系統發展的必然趨勢。因此,燃油系統新技術與新產品開發主要集中在壓力升高和噴射靈活性上(見圖24)。
 
圖24 燃油系統噴射壓力發展趨勢 
 
(2)增壓系統新技術及新產品
國外增壓系統發展迅猛,一般應用已經從普通放氣閥增壓器升級為電控放氣閥增壓器;可變截面渦輪增壓技術已經普遍應用;機械增壓已經在動力需求高的應用中量產,并且進一步與離合器聯合使用,拓寬了應用范圍和應用領域;開發能力強的公司已經開發并產品化新型增壓系統,奔馳公司在OM471系列柴油機中率先使用非對稱流道增壓系統。
國內增壓系統應用落后于國外公司,渦輪增壓器的整機匹配技術、空氣動力學設計技術、關鍵零件的工藝技術、產品一致性等關鍵技術被國外企業壟斷,目前以普通放氣閥增壓系統為主,其他新型增壓系統還處于研究階段,攻克渦輪增壓器與發動機的整機匹配、空氣動力學設計、耐高溫噴嘴環機構的設計、高速轉子動壓浮動軸承設計等技術難題迫在眉睫。
CO2和污染物排放法規的加嚴,推動增壓器效率和壓比需求的提高,未來增壓系統應有高增壓效率、單級高壓比。并且增壓系統需要與其他系統協同設計,例如增壓系統與EGR系統融合,既能有效降低原排也能降低發動機油耗,以及高壓比系統與后處理熱管理之間協同設計等。采用新材料提高增壓器的性能也是技術發展的重點,如鈦合金葉輪、陶瓷葉輪、陶瓷軸承等(見圖25、圖26)。
 
圖25 旋轉葉片式可變噴嘴渦輪增壓器 
 
圖26 兩級串聯渦輪增壓器 
 
先進增壓技術有放氣閥增壓技術(WGT)、可變渦輪截面增壓技術(VGT)、可變噴嘴渦輪增壓技術(VNT)、兩級并聯和串聯渦輪增壓技術、三級渦輪增壓技術、復合渦輪增壓技術等。
(3)后處理系統新技術及新產品
隨著NOx排放法規和CO2排放要求的加嚴,后處理系統的發展將向高NOx轉化效率、低體積、輕量化、低背壓等方向發展,另外發動機及后處理系統的排放一致性、OBD要求、WNTE等在用車一致性監測中將是后處理系統面臨的巨大挑戰。
①氮氧化物NOx凈化技術。
氮氧化物NOx凈化技術主要有選擇性催化還原技術(SCR)、固態氨技術、LNT技術和SCRF技術。
選擇性催化還原技術(SCR)是指利用氨氣、氨水、尿素或烴類為還原劑,高選擇性地把NOx還原為N2。催化的作用是降低分解反應的活化能,使其反應溫度降低至合適的溫度區間。
固態氨技術是以無機鹽粉為儲氨材料,儲氨材料吸附氨氣作為氨源,通過加熱將氨氣從儲氨材料中釋放出來,通過控制計量噴射模塊噴射氨氣,使NH3和NOx氣體在催化劑作用下生成無害的氨氣和水。與傳統SCR技術相比有如下優勢:a.固態氨SCR能夠拓寬SCR系統工作的溫度區間,與傳統Urea-SCR相比在排溫較低時有更高的還原效率。b.固態氨SCR系統通過向排氣管中直接噴射氨氣,省去了尿素熱解水解過程,能夠提高系統的瞬態響應性,更好地控制氨泄漏。c.固態銨鹽(氨基甲酸銨)或儲氨材料(氯化鎂)有更高的氨承載能力,其氨承載能力約為尿素溶液的三倍。
柴油機稀燃NOx捕集技術(Lean NOx Trap,LNT)是利用發動機混合氣濃度變化而進行周期性的吸附-催化還原的一種后處理技術。主要用于歐Ⅳ以上排放水平的輕型柴油車,以及尿素供應不便地區的重型柴油車。LNT主要缺點:由于使用貴金屬,因而成本高于SCR催化劑,而且要求柴油含硫量小于10ppm。需要多噴燃料進行還原反應,導致發動機油耗增加(見圖27)。
 
圖27 LNT原理
 
SCRF技術是將SCR催化劑涂敷在DPF上,從而使顆粒捕集器和SCR催化轉化器合并為一個部件。SCR涂敷在DPF上的優勢是使DPF不再成為一個熱容器,從而在冷啟動時能夠較早發生NOx的轉化。與傳統的DPF和SCR相比,SCRF通過壁流式裝置過濾PM,SCR催化劑被涂覆在DPF管道內壁上。SCRF中SCR的結構與傳統SCR系統相似,但SCRF中的涂層需要經過優化設計來減少壓降和提高轉化效率。SCRF系統被認為是未來柴油機后處理系統最有希望的技術之一,其表現出如下的潛力:a.允許SCRF安裝在靠近發動機的位置,使DPF具有較高的再生效率,減少了總熱量的損失,降NOx功能能更快地運行。b.去掉了傳統的SCR,減少了包裝體積和重量,同樣減少了系統成本。c.它允許添加額外的SCR催化劑而不顯著增加包裝空間(見圖28)。
 
圖28 SCRF結構
 
②顆粒物PM尾氣凈化技術。
顆粒物PM尾氣凈化技術主要有顆粒物過濾器(DPF)、顆粒物催化技術(DOC)、顆粒物再生技術等。
顆粒物過濾器(DPF)裝置是在排氣管中裝設一個顆粒物過濾器,過濾的材料和方法有多種,其中壁流式效果最佳,應用最為廣泛。其主要原理是通過擴散、沉積和撞擊機理來過濾捕集柴油機排氣中的微粒。排氣流經捕集器時,其中微粒被捕集在過濾體的濾芯內,剩下較清潔的排氣排入大氣中(見圖29)。
 
圖29 DPF的堇青石載體和SiC載體 
 
顆粒物催化技術(DOC)是在蜂窩陶瓷載體上涂覆貴金屬催化劑(如Pt、Pb等),其目的是降低柴油機尾氣中的HC、CO和SOF的化學反應活化能,使這些物質能與尾氣中的氧氣在較低的溫度下進行氧化反應并最終轉化為CO2和H2O。
顆粒物再生技術根據再生原理和再生能量來源的不同,可分為主動再生和被動再生。主動再生指利用外加能量使氣流溫度達到微粒的起燃溫度而進行的再生,此方法對發動機的工況要求低,適用范圍廣,對燃油中的硫含量并不是十分敏感,但過濾體容易熱損壞,系統復雜,運行成本高,再生具有周期性。被動再生是利用柴油機排氣中的NO2在一定溫度下與顆粒物進行化學反應,從而達到去除顆粒物的目的。此方法簡單,不需控制系統,減少DPF的維護周期,但其再生效率低,并易產生二次污染。目前顆粒物再生技術基本上都是結合被動再生和主動再生,實現DPF內部顆粒物的清除(見圖30)。
 
圖30 顆粒物再生過程
 
③后處理監測及故障診斷技術。
按照國家OBD排放監測車載診斷系統技術要求,當與排放相關的電控系統故障發生時,控制系統應能夠診斷出來,并進行存儲、報警,提示司機進行相應的維修。一般來說,后處理故障診斷分為電器系統故障診斷和排放控制監控診斷。電器系統故障診斷即監測系統部件的電氣連接故障,信號可信度和部件測量值漂移等故障。排放控制監控診斷即診斷與NOx排放控制、PM排放控制、DPF主動再生過程等有關的后處理系統是否正常運轉,是否導致柴油機的排放超標的故障診斷。
④后處理封裝技術。
國內柴油車后處理封裝開發還處于國四、國五階段,針對國六階段的產品開發尚無具體經驗,還處于探索階段。針對后處理封裝技術,目前亟須解決的問題包括:結構設計如何保證DPF流場的均勻性、DPF尾管再生的油氣混合均勻性、DPF極限載荷下的再生溫度場的控制、DPF載體的燒熔和熱碎裂的控制、DPF極限碳加載下的背壓控制、SCR尿素結晶和SCR混合器對尿素的破碎效果、國六封裝的保溫控制、傳感器布置的合理性等。
⑤后處理控制方法。
中國排放法規落后于歐美等發達國家,相應的后處理控制方法的研究也落后于發達國家。目前,要滿足歐Ⅵ或美國EPA2010排放限值,后處理系統必須采用開環控制加閉環控制的方式。為了滿足排放法規對柴油機排放物的嚴格控制,國外相關企業和咨詢公司已經開發了完善的高精度尿素噴射控制模型,采用相關傳感器與模型計算并行的方式,實現尿素噴射的自適應閉環控制。目前,中國在后處理控制策略方面的研究處于追趕階段,已有相關高校和企業開始著手進行滿足國六排放法規的后處理控制策略。很多單位開展了研究工作并建立了相應的尿素噴射控制模型,并逐步推向產業化。
3.國內外技術發展方向
(1)柴油機整機技術
大馬力:牽引車大馬力化趨勢明顯,400~460馬力將是近幾年的主流功率段。
輕量化:GB1589-2016嚴格實施,將大力推動車輛向輕量化方向發展,通過降低車輛自重多裝貨物和降低油耗,提升用戶收益。
高端化:國內主機廠紛紛推出高端車型,在車輛品質上向進口車靠近。同時,保修期和保養周期大幅提升。
專業化:未來的物流會逐漸專業化,針對不同的細分市場需求匹配不同的車型,需求更細化、更場景化。以快遞為例,貨物輕、干線運輸,要求時效快、出勤率高,要求車輛裝載容積大、高速度、高效率。
(2)高效燃燒技術
①燃燒系統優化。
a.燃燒室型線優化,利用AVL FIRE軟件進行燃燒系統改進,在控制排放的基礎上提高缸內油氣混合均勻度,加速缸內燃燒速度,提高熱效率、降低燃油消耗。例如Ricardos Twin Vortex Combustion System(TVCS),該技術的核心是燃料噴射分為上下部燃燒,以更好地管理空燃比,減少煙塵。這會帶來較低的發動機排放和更高的燃料效率。
b.噴油器匹配優化,綜合利用AVL FIRE軟件和臺架性能試驗手段,進行燃燒室和噴油器匹配(噴油錐角/油嘴流量),尋找最優的油室匹配結果。
c.電控標定數據優化,選取柴油機重要的運行工況,在燃燒系統硬件確定基礎上,進行詳細的軌壓/正時矩陣試驗,分析出軌壓/正時敏感性,優化電控標定數據,為后續排放的升級進行準備。
②200~220bar高爆壓技術。
優化設計高強化輕量化機體;CAE分析技術;優化設計輕量化高強化曲軸連桿;承受200~220bar爆發壓力的鋁活塞;高強度蠕鐵材料應用,薄壁設計。
③閉環燃燒控制。
閉環燃燒控制的概念是實時監控整個燃燒的過程。這要求從燃料注入時就開始控制,包括燃料注入的策略、缸內壓力的調整等。有數據表明:閉環控制可以比傳統意義上的開環控制提高2%~4%的燃燒效率。
(3)增壓器技術
①增壓比不斷提高,向高增壓的方向發展。發動機小型化,帶來發動機強化系數提升,增壓比進一步提高。
②發動機性能提升與復雜后處理帶來的排氣背壓提升,要求增壓器空氣動力學效率及轉子軸承機械效率不斷提升。因此,需采用先進的空氣動力學、轉子動力學計算分析方法,來提升流體流通元器件的效率,降低轉子軸承的摩擦損失,使整機效率不斷提升。
③采用可變幾何渦輪增壓器,不斷增強流通能力,滿足發動機寬廣的流量范圍要求,擴大功率匹配范圍。
④兩級渦輪增壓得到更多應用。二級增壓系統明顯改善了發動機的低速性能,包括動力性、經濟性和排放性能,具有極佳瞬態響應性、扭矩、動力性,在一些高強化要求的發動機上得到應用。
⑤電控化程度不斷提高,充分利用電子控制的精確性和快速響應性,對增壓器進行調控,包括WGT增壓器放氣閥門的調控、可變截面機構的調整、兩級渦輪增壓系統切換閥的控制。
⑥增壓器小型化、輕量化發展(見圖31)。
 
圖31 增壓技術發展方向
 
(4)后處理技術
①后處理封裝技術發展。
輕型柴油車后處理封裝的主要研究方向是在滿足排放法規的前提下降低后處理系統的安裝尺寸和成本,并保證安裝后處理裝置后燃油經濟性不會明顯惡化,從而在與汽油車和混合動力汽車的競爭中保持自己的優勢。
重型柴油車后處理封裝的研究重點是防尿素結晶和提高保溫性能,研究方向包括高性能混合器開發、保溫結構開發、加工工藝開發及傳感器布置優化等方面。
目前,國外為滿足歐Ⅵ或EPA2010排放法規在封裝結構設計上主要以雙層加隔熱棉方式為主,個別產品使用保溫性較好的保溫套包裹的方法實現封裝結構的保溫。在產品的前期設計階段,各主機廠更加重視CFD分析的應用,利用CAE/CFD工具實現封裝設計優化,縮短封裝設計開發周期。
②后處理控制技術發展。
SCR尿素噴射控制方式有開環控制和閉環控制兩種。開環控制只能夠根據預標定的數據進行尿素噴射,實際應用存在較大的噴射誤差,只能滿足國四、國五階段排放。國六階段需要加入閉環控制方式。目前廠商更多采用氮氧傳感器進行SCR下游NOx值的閉環控制,但由于NOx傳感器對NH3的交叉敏感性等問題,導致尿素噴射量在閉環控制時偏差較大。
為了解決這一問題,國外學者和研究機構提出了一種基于化學反應物理模型的SCR控制策略。該策略是建立SCR催化劑的動力學模型,將溫度動態變化和化學反應的參數集成為幾個最相關的參數,利用這種方式可以預估SCR下游的NH3和NOx,輔助傳感器進行閉環控制來實現精準的尿素噴射量控制。
③后處理集成技術發展。
后處理集成技術方案可分為SCR在上游和DPF在上游兩類。SCR在DPF上游時,其突出優點是催化劑升溫快,并且能充分利用DOC轉化的NO2發生快速反應,SCR起燃特性好。DPF在SCR上游時,主動再生起燃特性好,再生時間間隔長,油耗低,并具有很好的被動再生效果。
DOC+SCR+DPF集成方式被應用在輕型車上來滿足美國EPA Tier 2 Bin 5排放標準。在這特殊的車輛類別中,排放認證是通過FTP-75底盤循環來進行的,相對于輕型車的低負荷循環,這種構型能利用快速啟動的上游SCR催化劑,以滿足非常嚴格的冷啟動NOx排放要求。
隨著歐Ⅵ排放法規的實施,為了滿足不同用途車輛的要求,后處理集成技術得到越來越多的關注,并涌現出多種新的技術方案,如前文提到的SCRF技術,其展現出良好的發展潛力,該技術有助于減小后處理系統的尺寸和減少壓力損失,但目前主要在小排量發動機上得到應用。
④后處理性能評估技術。
隨著排放法規逐步升級,后處理器轉換效率要求越來越高,通過催化劑性能仿真將極大地縮短開發與驗證時間及減少工作量;通過前期產品開發項目,對載體、催化劑性能仿真及測試,可大大降低后期全平臺開發工作量,并形成一套完整的測試與評估標準流程。
⑤DPF再生標定技術。
對于被動再生,通過排氣熱管理技術提高排氣溫度,使DPF在低負荷時也能被動再生。對于主動再生,通過HCI提高排氣溫度,能有效燃燒DPF中的碳,在再生時不能過熱而燒壞DOC、DPF,不能因排氣氧含量不足產生額外過多的碳,不能噴射過多的燃油超過了DOC的氧化能力。
(二)柴油機市場發展
1.柴油機市場規模
(1)柴油機整機市場規模
2012~2016年,柴油發動機銷量呈現萎縮態勢,至2015年下降至最低點,2016年銷量有所反彈,但依然處于低位(見圖32)。柴油機行業受到柴油機質量壽命提升、運輸效率提高、新能源產品發展、經濟增速放緩趨勢等影響,其整體快速增長階段已結束,整體銷量將在目前的基礎上上下波動。
 
圖32 2012~2016年柴油機銷量統計
 
(2)增壓器市場規模
由于渦輪增壓能降低排放,并將燃油經濟性提高20%至40%,既不犧牲發動機的性能又滿足排放標準,美國等成熟汽車市場以及中國和印度等高增長地區正在越來越多地應用渦輪增壓器(見表6)。
我國經濟正處于轉方式調結構的關鍵時期,雖然當前汽車產業發展勢頭良好,但整體經濟下行壓力仍較大??傮w而言,2017年發動機及渦輪增壓器市場應是穩中有增,競爭依舊激烈,市場對先進增壓技術的需求也會越來越高。
 
表6 近三年增壓器企業銷售情況
 
單位:萬臺
序號
名稱
2014年銷量
2015年銷量
2016年銷量
1
菱重
160F
280F
2
博格華納
180F
240F
3
霍尼韋爾
82F
160F
4
石川島
110F
150F
5
霍爾賽特
81F
100F
6
天雁
58
50
61
7
威孚天力
28
32
40
8
壽光
35
31
37
9
豐沃
1
6
27
10
富源
28F
27F
 25F
(3)燃油系統市場規模
高壓共軌是目前柴油機燃油噴射系統中的主流技術,車用國四、國五、國六排放標準都可以采用高壓共軌系統。2015年,受柴油機行業大環境的影響,無錫博世汽柴公司生產商用車共軌系統90萬套,同比2014年140萬套減少了35.7%,在車用高壓共軌市場,博世占到90%以上的份額,博世擁有絕對的技術、產品、解決方案及成本優勢;外資企業如大陸、電裝、德爾福也有高壓共軌技術和產品,但是國內共軌市場未成長起來,康明斯的高壓產品多用于自配。
2.柴油機市場競爭格局
(1)柴油機整機競爭格局
2016年,隨著柴油機行業的平穩發展,行業內各企業銷量排名出現顯著變化,云內動力、濰柴集團增速均超過35%,行業排名迅速上升,分別由2016年行業第七、第六上升到第一與第二位。行業集中度出現小幅調整,CR3市場份額(市場前三的廠商所占市場份額總和)達到33.0%,較2015年降低0.6個百分點;CR5市場份額(市場前五的廠商所占市場份額總和)達到52.4%,較2015年降低0.3個百分點;CR10市場份額(市場前十的廠商所占市場份額總和)達到84.0%,較2015年上升0.6個百分點(見表7)。
 
表7 2016年國內車用柴油機銷量排名前20位企業
 
單位:臺,%
排名
企業名稱
銷量
同比增長
市場份額
1
昆明云內動力股份有限公司
317160
45.5
11
2
濰柴控股集團有限公司
315871
37.7
11
3
安徽全柴集團有限公司
315953
2.8
11
4
廣西玉柴機器集團有限公司
286016
6.4
9.9
5
中國第一汽車集團公司
274785
-3.5
9.5
6
江鈴控股有限公司
279530
10.4
9.7
7
北汽福田汽車股份有限公司
266797
11
9.3
8
東風汽車股份有限公司
165171
7.5
5.7
9
中國重型汽車集團有限公司
107605
22.1
3.7
10
山東華源萊動內燃機有限公司
93084
-8.1
3.2
11
安徽江淮汽車股份有限公司
85202
24.7
3
12
長城汽車股份有限公司
81415
9
2.8
13
慶鈴汽車(集團)有限公司
60696
-14.3
2.1
14
江西五十鈴發動機有限公司
58040
38.4
2
15
東風商用車有限公司
46096
27.3
1.6
16
東風朝陽朝柴動力公司
37466
-7.7
1.3
17
南京依維柯汽車有限公司
37326
-9
1.3
18
上海柴油機股份有限公司
34155
24.8
1.2
19
綿陽新晨動力機械有限公司
13541
-3.9
0.5
20
上海日野發動機有限公司
3009
-43.6
0.1
合計
2878918
99.83
(2)增壓器競爭格局
國內增壓器企業分三大陣營,第一陣營是外資企業:美國的霍尼韋爾、英國的霍爾塞特(康明斯)、美國的博格華納、日本的石川島和菱重等。第二陣營是國內的大型國有或民營企業:寧波威孚天力、湖南天雁、濰坊富源、壽光康躍等。第三陣營是一些小規模民營企業,主要集中在江浙地區和西南地區。
第一陣營通過在中國建立獨資或合資企業,參與中國市場的競爭,不僅在主機配套(OEM)市場競爭,同時也參與售后服務(配件)市場競爭,在我國的主機配套市場份額高達65%左右。
第二陣營通過仿制研發和消化吸收再創新,用自主品牌參與市場競爭,同第一陣營一樣,不僅在主機配套(OEM)市場競爭,同時也參與配件市場競爭,主機配套市場份額在30%左右。
第三陣營的這些企業是近年發展起來的,企業數目(50~60家)多但規模較小,進出市場隨意,一般不具備產品研發能力,通過購買兩輪一體,組裝、克隆第一陣營和第二陣營企業的產品,直接參與配件市場競爭(見表8)。
 
表8 增壓器企業競爭能力 
 
(3)燃油系統競爭格局
國內柴油機電控高壓燃油系統有一定制造基礎和設計能力。目前國內電控單體泵技術成熟且有一定市場占有率的企業有3家:南岳電控、成都威特、龍口龍泵。電控高壓共軌生產企業這兩年在設計、制造技術上有了飛躍,擠占了國內非道路市場,目前產品相對成熟且已有批量生產的有5家:遼寧新風、北京天緯、龍口龍泵、重慶重油、山東鑫亞。無錫威孚在國三產品上受到BOSCH公司的限制,已沒有自主的共軌系統。無錫油泵油嘴研究所共軌系統已研發20余年,技術成熟,作為軍車共軌系統的唯一供應商獨占軍方市場。在競爭激烈的民用汽車柴油機市場,德國博世公司占據90%的市場份額,其次是日本電裝和美國德爾福。隨著國產共軌系統的企業逐漸成熟,如南岳電控、成都威特、常州博瑞等,市場競爭將更加白熱化。
近年來自主品牌高壓共軌企業逐漸成長起來,新風科技引進的高壓共軌技術主要針對輕、中型發動機,亞新科天緯主要依靠自主開發,在一些關鍵技術上有待進步,其他如龍泵、南岳、重慶油泵等企業與之類似。國內如新風科技、亞新科天緯等自主企業正在緊追猛趕國際先進水平,自主高壓共軌企業與云內動力、全柴、濰柴等主流柴油機企業在非道路市場均有合作,借非道路市場使自己的產品更加成熟。
3.柴油機市場預測
受經濟轉型、物流及政策環境變化影響,未來五年重型柴油機需求延續,近五年繼續低位調整,2021年預計銷量達到90萬臺(見圖33)。
 
圖33 未來5年重型柴油機銷量預測
 
(三)柴油機行業問題和建議
1.柴油機行業主要問題
(1)技術性能問題
①在用柴油機仍然有很多技術含量低、油耗高、排放嚴重的,已影響到城市周邊甚至城區的大氣質量,如冒黑煙、噪聲大等。我國現有車輛的維修及保養水平落后,加劇了在用柴油車的排放。
②柴油機由于工作壓力大,要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度,所以柴油機比較笨重,體積較大;柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高,所以成本較高;另外,柴油機工作粗暴,振動噪聲大;柴油不易蒸發,冬季冷車時起動困難。
(2)認知問題
國內大多數消費者對現代柴油機的認知度還非常低,大部分人對柴油車還停留在20世紀70年代冒黑煙、震動大、噪聲高的“墨斗魚”的認識上,產生這種印象的原因在于過去燃油品質不過關,柴油發動機技術落后導致柴油車給人以不好的形象。目前,柴油機新技術日新月異,多氣門、直噴、渦輪增壓中冷、廢氣再循環、高壓噴射、廢氣后處理等技術的應用,使柴油車達到國四甚至國五排放標準。
(3)政策限制
過去由于柴油車技術落后,排放達不到國際標準,我國一直對柴油車的使用采取歧視政策,禁止柴油轎車進入大中城市銷售。國家明確規定“隨著柴油機技術的發展,對技術先進、污染和排放低的發動機的使用不得采取歧視政策”。
2016年底,環境保護部、國家質檢總局聯合發布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》,公布了第六階段輕型汽車的排放要求和實施時間。2020年1月1日起,不滿足柴油機國六標準要求的新車不得生產、銷售、注冊登記,不滿足柴油機國六標準要求的新發動機不得生產、銷售和投入使用。“輕型車國六標準”燃料采用中立原則,汽油、柴油、氣體發動機限值相同,對柴油車的NOx不再設立較松限值。
2.柴油機行業主要建議
(1)產業建議
①扶持自主產業發展,打破國外品牌壟斷。
柴油機電控燃油噴射系統、增壓系統、排氣后處理系統等主要核心零部件均被國外品牌壟斷,國內自主品牌核心零部件供應商的市場空間將越來越小,影響整個柴油機行業的發展。同時,柴油機廠家、整車廠家與國外品牌供應商的談判空間也會越來越小,無形中增加了合作成本。
②發展產業聯盟,加強行業內部管理。
當前國內核心零部件企業的產品同質化嚴重,價格戰劇烈,再加上柴油機廠家甚至整車廠家產品同質化嚴重,靠價格爭奪市場,不斷壓低零部件的價格,造成市場混亂,壓縮了國內核心零部件行業的效益。因此為規范行業的發展,避免惡性競爭,促使其良性發展,需要行業內部加強管理,提高國內企業的市場競爭力,發展產業聯盟。
(2)政策建議
①設立柴油機節能減排財政扶植專項基金。
組織實施“工業強基示范應用工程”,通過獎勵和風險補償機制,支持柴油機核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝、關鍵基礎材料的首批次或跨領域應用。到“十三五”末期,40%的核心基礎零部件、關鍵基礎材料實現自主保障,受制于人的局面逐步緩解,產業急需的核心基礎零部件(元器件)和關鍵基礎材料的先進制造工藝得到推廣應用。建成較為完善的產業技術基礎服務體系,逐步形成整機牽引和基礎支撐、協調互動的產業創新發展格局。通過財政扶持,對柴油機產品提前達到節能減排標準規定的制造企業,在企業技術改造、企業技術中心能力建設和科研開發等方面給予鼓勵和支持。
②加大國家科技重點研發計劃項目支持力度。
建議國家科技、工業和財政主管部門,在研究和安排國家科技計劃(專項、基金等)和相關工程時,對清潔柴油機節能減排科技攻關和創新研發項目給予優先安排和支持,特別建議設立“清潔柴油機關鍵技術研發”國家重點研發計劃項目,舉全國之力,突破國六排放柴油機整機技術、尾氣后處理技術、高壓共軌技術、增壓技術等柴油機核心技術,建立我國清潔柴油機及其關鍵零部件的自主研發和批量生產能力,形成關鍵零部件配套體系,為我國柴油車產業的持續發展和大氣環境的改善提供有力支撐。
(3)措施建議
①全面組織實施《中國內燃機工業產業規范條件》。
嚴把節能、環保、質量、安全關,推動提升內燃機工業技術水平,抑制落后產能擴張。優化上下游產業鏈建設,鼓勵內燃機制造企業與產業鏈上游(材料、零部件供應商)和下游(配套機械)以及加工制造裝備生產企業建立緊密的合作關系,形成協調協同和同步可持續發展機制,實現合作多贏、集中優勢、同步發展的目標。滿足終端產品配套要求和總量需求,實現內燃機產業結構調整和技術升級。
②出臺并組織實施《內燃機產品燃油消耗率公告管理辦法》。
以提升內燃機產品熱效率和降低CO2排放為目標,制定內燃機燃油消耗率和CO2排放階段目標值標準,對制造企業達到階段目標值的內燃機產品實施公告發布。建立長效的降低內燃機燃油消耗率和CO2排放標桿產品領跑機制,激勵和引導制造企業加快內燃機節能減排新技術和新產品的推廣應用。持續提高柴油機產品能效水平,降低以柴油機產品為配套動力的汽車、工程機械、農業機械、船舶等各類裝備的燃油消耗,為保障國家能源安全和積極應對氣候變化提供有力支撐。
③加快技術創新體系建設。
通過國家科技計劃(專項、基金等)和相關工程的渠道,加大對柴油機節能減排技術研發的投入力度。加強企業技術研究中心能力建設,推動建設一批柴油機國家工程研究中心,強化跨部門、跨行業的產學研結合,提高柴油機行業自主創新能力,加快突破柴油機產品節能減排關鍵核心技術,強化柴油機節能減排成熟技術的應用。加大人才培養力度,在關鍵技術領域培育一批領軍人才,鼓勵從海外引進優秀人才。
④推動政產學研用創新體系建設。
建立柴油機行業創新鏈,優化集成科研力量,加強關鍵核心技術攻關,加快和促進成果轉化。發揮柴油機政產學研用創新體系的作用,就重點產品和關鍵技術開展課題聯合攻關,實現技術成果共享,實現技術成果產品轉化和市場應用。
⑤建設一批柴油機共性基礎技術平臺。
核心基礎零部件(元器件)、先進基礎工藝、關鍵基礎材料和產業共性基礎技術能力薄弱,是長期制約我國柴油機行業創新發展和質量提升的癥結所在。堅持問題導向、產需結合、協同創新、重點突破的原則,集合柴油機行業優勢企業,組織實施柴油機動力總成技術、柴油機控制技術、排氣后處理技術、增壓技術、燃油噴射系統技術、關鍵零部件測試技術等共性基礎技術平臺建設,是破解制約柴油機產業技術進步和發展的有效途徑。
⑥健全標準體系。
以柴油機產品為主線,制定產品技術標準和相關標準,完善標準體系,尤其是柴油機關鍵零部件的標準體系。
四 替代燃料發動機子行業發展
以2015年為例,國內天然氣、液化石油氣(LPG)等替代燃料已實現年替代汽柴油超過2300萬噸(見圖34),替代率約8.5%。其中,全年車用天然氣用量約260億立方米,替代汽柴油約1800萬噸,在整個汽車替代燃料中的貢獻率達77%,并實現CO2減排1000萬噸。因此,替代燃料特別是天然氣發揮了重要的車用能源替代作用。
 
圖34 2015年車用燃料替代量
 
而在整個“十二五”期間,全國交通運輸業消耗天然氣950億立方米,合6800萬噸,替代汽柴油近7000萬噸。車用LPG“十二五”期間消耗量近400萬噸,其消費主要集中在華南和東北等LPG進口資源和石油資源豐富的地區,年用量正逐步減少。與其他替代燃料如煤基燃料(含甲醇、二甲醚)、生物燃料(含乙醇、生物柴油)相比,車用天然氣目前是我國最主要的替代燃料應用方式。隨著我國多元化燃料政策的推動,以上各種替代燃料都有一定發展,其中二甲醚雖然具有良好的壓燃特性,但是在常溫常壓是氣體,需要加壓液化,同時液化后的二甲醚潤滑性較差,對零部件要求較高,長期使用在可靠性上需要做進一步的工作。因此,我國現已形成以天然氣為主、其他類型燃料為輔的多元車用燃料局面。
(一)天然氣及液化石油氣發動機行業發展
1.車用天然氣現狀及其趨勢
(1)總體發展概況
近年來,我國天然氣汽車發展迅速,各個省級行政區均有應用。2015年,國內天然氣汽車保有量突破500萬輛,排名世界第一,建成加氣站超過7000座[超過60%為壓縮天然氣(CNG)加氣站,其余為液化天然氣(LNG)加氣站],同樣穩居世界第一。天然氣汽車的技術水平持續提升,車用天然氣消費規模不斷擴大,自主產業鏈基本形成。
(2)發展空間廣闊
我國天然氣消費在一次能源中的占比僅為5.6%,世界平均水平為23.7%。據預測,2020年我國天然氣消費量將超過3600億立方米。車用天然氣是重要的天然氣利用方向,根據國家能源局《關于加快推進天然氣利用的意見(征求意見稿)》:2020年車船用天然氣規模將達500億~600億立方米,約占消費總量的16%(2014年占比約為13%),從而實現CO2減排2250萬噸,替代燃油3600萬噸,對汽柴油的替代率有望達10%。
2.技術進展
(1)天然氣乘用車技術
天然氣乘用車以兩用燃料為主,從控制方式上,兩用燃料電控系統可分為單一電控單元(ECU)和主從式系統、雙主式ECU系統。
傳統的單一ECU和主從式系統通過不斷發展,持續對汽油發動機前沿高端技術進行追隨研究,不斷突破如缸內直噴、增壓、可變氣門正時(VVT)等先進技術,并應用于電控產品。通過緊隨燃油發動機先進技術,天然氣發動機效率也在穩步提升,同步實現國Ⅴ排放。而雙主式ECU系統則是中國汽研-凱瑞燃氣汽車的自主創新技術,現已開發出成熟產品,具有噴射量、噴射正時、點火提前及不同燃氣組分自學習控制策略(ECU根據lanbda傳感器信號來判別氣質,并由此對供氣時間進行調整,可充分發揮天然氣燃料的動力性、經濟性),以及支持VVT、渦輪增壓、OBD等功能,可作為將來技術發展的重要方向。
(2)天然氣商用車技術
當前,商用車市場大多為單燃料天然氣發動機。玉柴、濰柴等國內企業大多采用稀薄燃燒方式達到國Ⅴ標準,NOx控制主要依靠機內解決,采用超高能點火系統保障燃燒穩定性,同時,依賴高貴金屬含量的氧化型催化器(DOC)解決未燃HC。而上柴采用當量比燃燒技術達到了國Ⅴ排放要求,重慶凱瑞燃氣為江鈴開發的JE4N28燃氣發動機也采用了當量比燃燒技術,排放指標已達到未來國Ⅵ水平。
面對未來的國Ⅵ技術要求,國內各企業利用國外或自主技術不斷探尋經濟實用的技術線路,如當量比、稀燃+選擇性還原(SCR)、柴油引燃均質燃燒等,其中當量比+三元催化的國Ⅵ技術路線得到較多的企業青睞和發展。
在客車領域,新的天然氣/電動混合動力系統得到市場青睞,玉柴動力占據了這一細分市場半數以上的份額。其插電式并聯混合動力系統采用電控單點噴射燃氣發動機+離合器+電機+AMT單軸并聯結構設計,配合電動空壓機和電動轉向泵以及HCU軟件能耗策略,系統具有扭矩大、節氣率高的特點。
此外,為實現柴油車快速燃氣化,雙燃料技術在市場得到發展。這是一種在保留原車柴油系統的基礎上加裝燃氣系統而實現柴油-天然氣摻燒的技術,并可采用純柴油模式運行,續駛里程超過相應的天然氣單燃料車和柴油車。
(3)未來我國技術發展方向
關鍵技術的重點發展方向應是:電控系統發展更先進的控制功能,開發更精細、更靈活的燃料控制策略;發動機面向專機開發,提升能量利用效率;供給系統提升控制精度、產品一致性等技術指標,以及增強燃料適應上的可靠性與耐久性;排氣后處理系統提高性能和可靠性的同時降低貴金屬含量,提升性價比。
①發動機電控技術。
第一,為提升乘用車燃氣性能,繼續發展雙主式ECU或單一ECU技術。通過采集傳感器信號,主動計算燃料噴射量、點火角、進氣量等關鍵控制參數,對瞬態工況采用更快速更精細的策略和算法,并開發VVT主動控制等專用策略,主動控制電控減壓器等精細化零部件,實現主動、精細化控制。
第二,正向開發天然氣專用發動機是一個重要發展方向,除了充分利用燃油發動機的先進技術外,其關鍵環節在于高效的燃燒系統設計,在現有熱力學開發平臺的基礎上繼續發展,充分發揮天然氣燃料特性優勢。具體的方向有以下方面。
增壓小型化發展,渦輪增壓普及利用后逐步提高增壓水平;利用VVT/可變升程(VVL)技術,提升進排氣水平,遠期實現米勒循環;搭載啟??刂疲⊿TT)、制動能量回收等先進技術。
利用天然氣抗爆能力較好的特性,在氣體燃料發動機充氣效率低于液體燃料發動機的情況下,改進燃燒系統,提高發動機壓縮比,提高發動機的熱效率。針對氣體燃料發動機進行專門的開發,對氣門材料、氣門座圈、氣門導管進行重新處理和設計,以適應天然氣較差的潤滑特性。重新設計進排氣凸輪軸型線,以降低閥門速度,增加耐磨性。強化活塞及活塞銷、曲柄驅動齒輪等,提高活塞環密封性和耐磨性能。對燃燒室形狀、進氣管進行優化設計,提高點火能量,增強火花塞耐熱性能,同時加強發動機冷卻系統能力,提高熱效率,降低熱負荷。
第三,商用車電控系統應著重解決NOx排放控制問題,因此基于扭矩需求的更精細的控制策略與算法是其發展方向,同時考慮當量比燃燒方案時還需增加EGR控制功能。此外,無論是乘用車還是商用車,均需考慮我國氣源供應多渠道的現狀,因此應開發燃氣組分學習策略。
同時,實現商用車節能的另一種路線是柴油引燃或柴油-天然氣雙燃料。在發動機電控系統方面,已完成在用車外掛燃氣ECU路線開發,實現柴油車快速燃氣化;中國汽研-凱瑞燃氣汽車已完成柴油/天然氣協同控制的雙燃料單ECU開發,處于驗證階段。雙燃料路線不但可以有效解決柴油緊張和污染問題,是天然氣資源高效利用的途徑之一,也可通過超稀薄燃燒、均質燃燒等技術達到下一代排放要求。
第四,由于國Ⅵ階段標準加嚴了8項車載在線診斷(OBD)限值要求,新增了6項檢測,因此,電控系統需要建立更加完善的故障管理系統,并完善失火、催化器、氧傳感器等核心故障診斷策略。
②供給系統。
噴嘴、機械式減壓器設計及小批量生產工藝已被突破,但產品屬性如一致性、可靠性、耐久性、適應性,以及各項性能參數較國外產品還有差距,產業化水平及成本控制水平在市場競爭中應結合市場反饋不斷提升。
國家燃氣工程技術中心等機構和企業正在開發響應更快、線性度更高的電控減壓器,以適應發動機電控系統的精細化控制要求。電控減壓器采用脈寬調制(PWM)電控方式,通過ECU精確控制每一工況點所需流量和壓力來滿足發動機需求,其控制精度和響應性能都比機械減壓器大幅提升。因此,電控減壓器在未來精細化的控制系統中將成為發展趨勢。
為使自主噴嘴產品實現對進口產品的替代,需要突破密封件和運動偶件的設計制造難題,掌握高導磁性材料工藝技術,在產業化中解決一致性、可靠性和耐久性問題,以降低系統成本,促進天然氣汽車行業發展。同時,針對商用車和船機市場,積極開發自主持續流天然氣電控(CFV)產品。為市場提供智能的連續流量輸入裝置,該裝置通過收到ECU發來的質量流量需求,通過內置軟件進行快速精確計算,再通過不斷控制出口壓力和閥芯位置實現燃料的按需輸出,成為符合市場需要的高性價比、可靠的新型噴射裝置。
CNG氣瓶發展方向主要有兩個:其一,提高存儲壓力;其二,輕量化技術。國內氣瓶存儲壓力若從目前20MPa工作壓力提升到25MPa,則乘用車續航里程有望提升20%,而公交車可在相同容積下減重約200kg;并且氣瓶底盤布置將成為可能,私家車裝載兩個25L氣瓶續駛200km可為用戶接受。在輕量化上,薄壁鋼瓶和鋁內膽玻纖全纏繞的Ⅲ型瓶是未來技術方向,例如相同容積的Ⅲ型瓶比Ⅱ型瓶可減重50%,而薄壁鋼瓶可減重20%左右。我國數家企業已突破鋁合金內膽Ⅲ型氣瓶技術,通過在鋁內膽的外表面、全部纏繞了碳纖維增強層形成復合材料氣瓶,可以承受更高的壓力,但由于價格較昂貴,目前還處于試制階段。其中,天海公司成功向美國出口3600Psi(25Mpa)鋁合金內膽、碳纖維全纏的Ⅲ型氣瓶。
③排氣后處理。
三元催化器起燃后轉化效率很高,但是催化器在發動機冷起動階段主要靠排氣加熱而升溫,這個時候由于發動機的排溫度很低,難以很快達到催化器的起燃溫度,導致冷起動階段HC和CO未經催化而大量排出。研究表明,60%~80%的HC和CO是在發動機冷起動最初的幾分鐘內排出的。隨著排放法規的日益嚴格,對催化器的要求越來越高,不但要有高的轉化率,而且在發動機冷起動階段的起燃時間要盡可能短,同時還需要良好的耐久性。因此,催化器的快速起燃技術成為一個重要發展方向。
針對天然氣汽車排放的特點和難點,國內的最新研究方向是開發出同時具有低溫高活性、高耐久性、寬空燃比窗口和多種污染物高效協同轉化的高性能催化劑,利用分層涂覆實現不同催化劑的分層配置,進而實現多個不同類型反應分層、高效和協調進行,實現催化劑的低溫活性、高溫耐久性和寬工作窗口,解決天然氣汽車尾氣多種污染物同時高效凈化的問題。
此外,面向國Ⅵ更加嚴格的排放限值,NOx排放控制成為首要問題。在此背景下,成熟的廢氣再循環(EGR)系統,因其顯著的控制NOx能力以及在成本、油耗、瞬態響應、耐久性方面的比較優勢,預計將成為汽油機和柴油機共同的標配技術。發展方向是結合發動機工況和需求,提升EGR性能(提高EGR率到28%以上),利用電動EGR等實現主動控制,優化燃燒過程,并獲得最佳性能成本和排放的一個平衡。
3.市場發展
經過20多年的發展,我國的自主燃氣汽車產業通過掌握關鍵技術,與中國這一全球最大的天然氣汽車市場一同獲得了跨越式的發展。即使在2015年經歷了過高油氣價比的巨大沖擊,市場也從2016年三季度起迅速恢復,以天然氣重卡市場為例,從上年7月開始,天然氣卡車市場進入連續增長的通道,當月產量同比增長31%;此后一直保持100%以上的增長;2017年1~2月,該細分市場的同比增幅進一步擴大至歷史同期最高水平的4.82倍(見圖35)。
 
圖35 2014~2017年天然氣卡車市場走勢 
 
總的說來,近五年來天然氣汽車保有量保持了10%以上的年增長率。至2016年,中國市場實現近5萬輛天然氣客車、2萬輛天然氣重卡、10萬輛天然氣OEM乘用車和輕卡銷售,在用車改造市場約20萬輛。
 
在產值方面,電控系統和供給系統占據了較大份額。每輛天然氣客車附加值約4萬元;每輛天然氣重卡一般使用兩個LNG氣瓶,附加值為9萬元;每輛乘用車和輕卡附加值為5000元。經過計算,當前的天然氣發動機零部件市場規模約為55億元(不含發動機本機產值)。
4.行業問題與建議
(1)形成油氣聯動的快速長效機制,促進產業發展
油氣差價是決定天然氣汽車發展的首要因素。氣價在近年數次上漲,2015年有所下調,但油價在2015~2016年的降幅更大,造成天然氣和燃油相比的價格優勢被大幅壓縮。整個天然氣汽車產業因油氣差價縮小而導致市場急劇萎縮,2015年上半年同比下滑超過40%,全年下滑超過50%。而在2016年油價上漲后,油氣差價逐漸擴大,使天然氣汽車使用效益逐漸恢復,由此帶來了新一輪天然氣汽車的發展。
因油氣聯動的機制在中國尚未完全形成,這使國內相關行業的發展呈現過山車式的波動。當前的主要問題在于油價連續下跌,但氣價動態調整時間過長且時間節點模糊。例如,燃油價格調整窗口為22個工作日,而燃氣價格調整為半年甚至一年?,F在歐洲運用“市場凈回值法”定價天然氣的價格動態調整時間已從6個月縮至3個月。我國若不能快速形成油氣聯動的長效機制,加氣站等配套設施投資建設、整車及零部件企業開發生產的風險將顯著增大。目前燃氣汽車行業整體前景的不確定性顯著增強,影響可持續發展的基礎。國家如能對氣價和油價比例以0.5為基礎進行控制,在±0.1以內進行微調,將極大地促進清潔能源汽車行業的發展。
國家已意識到問題的存在,在《天然氣發展“十三五”規劃》中提出:“加快推進油氣體制改革進程,鼓勵各類市場主體有序進入天然氣行業,形成多元化主體公平競爭局面,提高效率增強活力。打破壟斷,有序放開競爭性業務,完善價格形成機制,發揮市場對資源配置的決定性作用。”通過相關措施落地,穩定油氣差價,將有助于促進燃氣汽車產業順暢發展。
(2)完善法規、放寬監管、扶持行業發展
①加快標準法規制定,創造良好外部環境。
在天然氣汽車運營中,造成故障的最大問題是氣質的組分差異大,嚴重影響發動機性能和燃氣系統可靠性。氣質問題會導致故障燈亮、失火、催化器中毒等,這些問題使天然氣發動機在推廣時比柴油機還弱勢。建議對車用天然氣嚴格控制硫含量,并針對熱值提出不同標號,防止加氨等。通過制定一個有利于行業發展的標準,為汽車行業最有可能彎道超車的天然氣汽車產業創造良好的外部環境。
此外,適應新技術的標準法規嚴重滯后,需要補充完善。例如,沒有針對“柴油/天然氣雙燃料發動機”的技術標準,特別是排放法規缺失,很多企業想開發,但無法取得產品公告。通過完善法規可以引導行業發展更多特色技術,創新創造更多的高效節能產品。
②明確鼓勵政策,推廣清潔能源汽車應用。
黨中央、國務院認識到:推廣清潔能源汽車應用,有助于“強化機動車尾氣治理”,有助于“生態環境保護治理”。2017年李克強總理在所做的《政府工作報告》中,明確提出“鼓勵使用清潔能源汽車”,并作為治理大氣污染的重要舉措之一。天然氣汽車是公認也是最成熟的清潔能源汽車,政府的這一表述給燃氣汽車行業打下了強心針,這將有利于天然氣汽車產業發展。但政策落地的關鍵還在于主管部門對天然氣汽車產業發展的支持力度,希望政府盡快出臺鼓勵政策。
③放寬監管優化機制,促進清潔能源汽車發展。
如前所述,天然氣車作為低碳清潔能源汽車理應受到鼓勵,但推廣中卻受到較大限制。天然氣車保有量不足燃油車的3%,某些要求甚至比燃油汽車更高,企業的積極性遭到打擊。例如,3.5噸以上的柴油車實行國Ⅳ排放標準,但卻要求天然氣車達到國Ⅴ標準。對于乘用車,按國Ⅴ標準本身的要求,汽油/天然氣兩用燃料車在污染物控制裝置耐久試驗(Ⅴ型試驗,需16萬公里耐久)項目上僅做汽油即可,但根據環保部規定,即使汽油通過了Ⅴ型試驗,獲得公告,在申報同車型兩用燃料時還需重新進行該項試驗。這些規定使得整車/發動機企業在開發階段就要多投入數百萬元費用。
同時,對于終端用戶(OEM)原廠車,要求在質量技術監督部門獲得氣瓶監檢證,每臺車需支付費用50~300元(各地收費標準不統一),這不但增加了企業經濟負擔,也影響了生產銷售計劃。事實上,OEM原廠車在取得國家公告目錄之前已進行了非常完整的第三方檢驗,包括對氣瓶、充氣閥等零部件安裝強度的試驗等。行業希望打破壟斷,推出明確規定,取消或至少統一收費標準和執行機構。
因此,清潔能源汽車的發展,需要政府在完善政策激勵的同時,為行業松松綁,切實梳理影響行業發展的政策阻礙,尋求既有利于行業發展又能有效識別不良產品的監管機制。
(3)加強技術研發,提升行業競爭內生力
價格決定需求,吸引用戶不能只靠上游天然氣供應商降低價格。如何通過技術研發,提高汽油替代比,創造天然氣車使用的價格優勢,給客戶帶來實在的經濟利益,是本行業相關研發企業需要研究的課題。
當前天然氣發動機的新品開發,從關鍵零部件到標定技術對國外的依賴還比較大。市場上的燃氣發動機主要是原機改裝,未對發動機就燃氣特性進行充分的專用化開發,改進也僅是集中在氣門材料等可靠性改進上。此類產品的氣耗過高,使得天然氣燃燒中20%的減碳天然優勢無從發揮。因此,除針對氣體燃料特性就氣門、進排氣、活活塞環進行重新設計,解決發動機燃料適應性和可靠性問題以外,還需要國家從天然氣發動機行業技術開發方面給予積極支持,改進燃燒系統,提高發動機壓縮比,提高發動機的熱效率。通過專機化開發,盡快建立自主研發能力的機構,減輕對國外機構的依賴,這樣不僅可提高發動機熱效率,進一步體現清潔性,也充分發揮天然氣汽車的節能環保優勢。
因此,主管部門應鼓勵、引導企業進行天然氣專機研發,在“碳交易、碳積分”等相關體系下,突出體現和認可其清潔優勢。
(二)醇類燃料發動機行業發展
1.我國醇類燃料發動機的發展
(1)甲醇燃料
國內甲醇燃料的發展同德國和美國等歐美國家同步,甲醇燃料在國內經過多年研發、試點推廣及行業標準制定,為甲醇產業化奠定了基礎。
截至2015年底,已有8家甲醇車生產企業和23款甲醇汽車產品公告,1155輛甲醇汽車在山西晉中等10個城市投入試點運行,單車最高行駛里程超過30萬公里,累計運行里程超過8500萬公里,累計銷售甲醇燃料1.1萬噸,投入使用甲醇燃料站18座。山西晉中試點運行的甲醇出租車甲醇燃料消耗量15.3升/百公里,經國家轎車質量監督檢測中心檢測,6輛運行里程超過16萬公里的甲醇出租車甲醛排放最高值、最低值和平均值分別為2.325mg/km、1.055mg/km和1.62mg/km(美國加州標準9.3mg/km)。
中國在甲醇燃料和甲醇汽車的研究試驗和產業化示范兩方面進行了很多嘗試和探究,并取得了較多產業化運行的成果和經驗,同時建立了標準體系。如今中國已具備甲醇汽油應用、甲醇內燃機控制系統、供醇噴嘴和濾清系統、甲醇內燃機后處理、基礎設施工程建設等技術,并成功開發了甲醇汽油和甲醇燃料添加劑、甲醇發動機及整車、甲醇專業潤滑油、供醇系統的耐腐蝕溶脹材料和零部件等產品。目前中國已發布實施甲醇汽油及相關國家標準3項,《車用燃料甲醇》《車用甲醇汽油(M85)》《車用甲醇汽油中的甲醇檢測方法》;已立項在研甲醇汽油及相關國家標準3項,《車用甲醇汽油(M15)》《車用甲醇汽油添加劑》《燃用甲醇汽油輕型車污染物排放限制及檢測方法》;已批準立項制定能源標準兩項,《車用甲醇燃料加注站建設規范》《車用甲醇燃料作業安全規范》。
隨著甲醇汽車各方面的發展都趨于成熟,生產甲醇汽車的企業也逐漸增多,目前發布甲醇汽車產品公告的汽車生產企業主要有浙江吉利汽車有限公司、浙江豪情汽車制造有限公司、上海華普汽車有限公司、中國重汽集團濟南卡車股份有限公司、陜西重型汽車有限公司、山西成功汽車制造有限公司和鄭州宇通客車股份有限公司。除此之外,一汽轎車股份有限公司、一汽解放汽油有限公司、華晨汽車集團股份有限公司等汽車生產企業也先后研制了M85甲醇轎車和M100甲醇商用車、靈活燃料轎車工程樣車和功能樣車。目前甲醇在乘用車上的應用形式主要是甲醇汽油摻混和純甲醇,在商用車上的應用形式主要是雙燃料方式,其中天津大學提出的柴油/甲醇組合燃燒技術在商用車上的應用最為成熟。
如今中國是世界最大甲醇生產和消費國,在甲醇產能過剩的情況下,2016年中國甲醇產能和產量分別是8145萬噸和5061.5萬噸,將近一半的產能沒有開發。而內燃機汽車作為石油能源消耗的主體產業,把甲醇燃料應用到發動機上既可緩解石油能源的壓力,也能充分釋放甲醇的產能。所以發展甲醇燃料及甲醇汽車是基于中國長期開展的技術研究、研究試驗和產業化試點示范的,可以充分發揮中國資源優勢,清潔利用煤炭資源,有效改善生態環境,促進汽車、煤炭和甲醇工業的可持續發展。
(2)乙醇燃料
我國從2000年開始對乙醇汽油進行研發,主要借鑒美國、巴西等國外車用乙醇汽油多年的經驗和成熟法規、標準。2002年中國開始乙醇汽油的試點工作。目前我國使用的乙醇汽油是按照規定為10%的燃料乙醇與90%的普通汽油混合而成的,即E10乙醇汽油,主要應用在乘用車上。根據我國燃料乙醇產業的發展按照“定點供應、封閉流通”的原則,在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽五省及湖北省9個地市、山東省7個地市、江蘇省5個地市和河北省6個地市進行封閉推廣。
2.技術進展
對于甲醇汽車,通過多年來的技術開發和試點運營,甲醇燃料的清潔性、高效性、安全性已經在國內外得到廣泛認可。在甲醇汽車技術研發領域,我國在國際上處于領先地位。
在甲醇燃料適配發動機技術方面,目前中國把甲醇應用在汽柴油發動機上的技術路線非常成熟。甲醇應用于點燃式發動機燃料主要采用兩種方式:一是以低比例變性燃料甲醇摻燒汽油即甲醇汽油,在現有的汽車上使用,使用原則是燃料適應車輛,優勢在于不需要對現有汽車進行任何改裝,易于快速推廣使用。二是高比例甲醇燃料在專用車輛上使用,使用原則是車輛適應燃料,優勢是替代量大、燃料與車輛實用性強、排放和經濟性更好。甲醇在壓燃式發動機上主要采用雙燃料方式,通過進氣道噴射高純甲醇燃料,與空氣形成混合氣進入氣缸,通過缸內噴入柴油引燃甲醇空氣混合氣,在現有柴油機車上使用,優勢在于不需要對現有發動機做任何改裝,易于快速推廣使用,僅需要加裝一套甲醇供給及控制系統。
在甲醇汽車關鍵零部件產業方面,甲醇汽車產業發展帶動了整個零部件產業鏈的快速崛起,甲醇供給系統、控制系統、后處理系統及添加劑等行業已掌握核心技術、制造工藝和使用要求,并完全實現自主化研發和生產。
燃料乙醇作為醇類燃料中重要的替代能源之一,其同甲醇的性質類似,都具有含氧、高辛烷值、熱值低等特性,同時對部分金屬、橡膠和塑料都有腐蝕性,因此作為替代燃料應用在汽柴油機上遇到的問題同樣相似,本部分主要圍繞甲醇汽車開展介紹,同樣適合乙醇汽車。
(1)甲醇汽車新技術發展綜述
甲醇汽車發展主要有兩種技術路線:一是采用雙燃料的方法,用汽油或柴油啟動,等發動機冷卻水溫度達到一定溫度后自動切換為甲醇燃料模式或者二元燃料模式,即正常使用,應用該方案的吉利汽車公司已經開發出甲醇乘用車,天津大學開發了柴油/甲醇二元燃料商用車。二是甲醇燃料中摻入易揮發的低沸點組分,易揮發組分占甲醇燃料體積的10%~30%,提高燃料的揮發性,第二種方法多應用在乘用車上(見表8)。
 
表8 甲醇與汽油、柴油的物性參數
 
物化參數
甲醇
汽油
柴油
分子式
CH3OH
C4~C14
C16~C23
密度(20℃)(g/Ml)
0.791
0.72~0.78
 0.82~0.86
汽化潛熱(kJ/kg)
1167
310
270
低熱值(MJ/kg)
19.93
42.5
43.03
理論空燃比
6
14.8
14.6
著火溫度(℃)
463
350~468
270~350
辛烷值
114
89~98
汽油啟動,熱機后轉為甲醇運行的方法已經在吉利汽車集團生產的乘用車得到廣泛應用。目前應用該技術的乘用車參加了工信部2012年組織的甲醇車試點工作。在山西、陜西、甘肅和貴州以及上海的甲醇車試點中發揮重要作用。
柴油/甲醇二元燃料燃燒技術由天津大學提出,是以柴油引燃甲醇混合氣的二元燃燒方法為基礎,以智能電控為手段,以滿足動力、環保、可靠和經濟要求的雙燃料發動機為目標,實現甲醇在柴油機上穩定可靠運行。并納入工業和信息化部的“四省一市”甲醇車試點工作,在陜西榆林得到應用并取得很好的效果。由于甲醇為單碳化合物,其燃燒無煙無焰,應用在柴油機上可以同時降低碳煙和NOx排放,因此搭載的柴油/甲醇雙燃料重型貨車加上簡單的后處理能夠滿足國五排放標準。
(2)甲醇汽車國內外技術發展方向
目前,甲醇汽車在國外正在復蘇,一些國家根據自己國情正加大對甲醇的發展力度。20世紀80年代末國外甲醇生產和應用熱情大幅度下降的主要原因有兩點。一是“石油危機”解除帶來石油價格回落,導致后來甲醇的價格要高于汽油,隨之就失去了經濟性。二是甲醇燃料具有一定腐蝕性,需要專門的零部件以及存儲和加注設施,導致市場運行的甲醇汽車又都改燒汽油,甲醇汽車行業發展陷于停頓。
在國內,甲醇汽車經過30余年堅持不懈的研發和長期的示范推廣,目前基本攻克了甲醇的腐蝕性、高溫氣阻和冷起動等難題,動力性和排放特性都與傳統汽車基本一樣。同時我國的甲醇主要產自煤炭和焦爐氣,生產甲醇的煤炭多為高硫、高灰分的劣質煤,因此國內甲醇的價格不足汽柴油的1/3,具有很好的價格優勢,因此甲醇汽車及其下游零部件產業都得到快速發展,處于國際領先地位,但是國內甲醇汽車的發展仍處于起步階段,仍需要加大技術研發力度,形成成熟的甲醇汽車產業鏈。
①乘用車技術發展方向。
a.設計制造甲醇燃料專用發動機
目前甲醇汽車是在汽油車的基礎上更換供給系統及控制系統來滿足燃油甲醇的車輛,發動機結構并沒有做改動和優化。相對汽油,甲醇的辛烷值更高,抗爆性能更優秀,可適應更高壓縮比下的發動機,因此甲醇燃料發動機可將壓縮比提高到10以上,進而提高發動機輸出功率,并提高發動機動力性及燃燒效率。
b.優化后處理三效催化器
甲醇是一碳含氧化物,汽車燃用甲醇燃料常規污染物CO、HC、NOx化合物排放,均明顯低于汽柴油,但在甲醇不完全燃燒情況下,甲醇汽車將排放非常規排放污染物甲醇和甲醛,這些污染物對環境造成較大影響。如果在現有汽車三元催化器基礎上針對甲醇和甲醛開發適用性更強的催化轉化器,使其具有更好的凈化作用,解決甲醇車廢氣后處理不是問題。
②商用車技術發展方向。
a.控制系統
目前甲醇應用在商用車上的技術來自天津大學提出的柴油/甲醇組合燃燒技術,此技術需要一套單獨的供醇系統和控制系統,甲醇在進氣道噴射,與空氣混合進入氣缸,在控制方面,不改變原機ECU的噴射策略,僅增加一個獨立控制甲醇噴嘴的ECU,兩個EUC關系屬于雙主式EUC。此種控制方式兼顧了原機ECU的成熟穩定性,同時達到自主控制甲醇噴射的目的。
未來重點技術發展是單一ECU和精細化雙主式ECU控制系統。
b.尾氣處理系統
甲醇含氧,燃燒速度快,燃燒無煙無焰,并且在商用車上又替代部分柴油,所以甲醇用在商用車上不僅具有高的熱效率,而且排放更清潔。采用柴油/甲醇組合燃燒技術的商用車僅添加簡單的氧化催化劑(DOC)后處理裝置就可滿足國Ⅴ排放標準。但是隨著國Ⅵ排放法規的發布,其對柴油車的尾氣排放要求更加苛刻,僅靠簡單的后處理裝置已經不能滿足即將實施的國Ⅵ排放法規,為了滿足國Ⅵ的發展要求,甲醇商用車結合自身燃燒產生的碳煙和NOx低的優點發展一條屬于甲醇商用車的國Ⅵ排放路線,即甲醇+EGR+DOC+DPF路線。目前天津大學正與華菱星馬進行合作開發。
未來重點技術發展是不加裝SCR的甲醇+EGR+DOC+DPF的國Ⅵ排放路線。
3.市場發展
甲醇汽車經歷了多年來的試點運行,并取得了寶貴的試驗數據和經驗。目前甲醇汽車的整車研發、發動機專用零部件制造及管件技術和產品都非常成熟,已經具備市場化運作的可能。
(1)乘用車市場
雖然中國甲醇汽車已發展30余年,但是除了地方政府鼓勵和支持下的示范運行階段,并沒有得到國家層面上的政策支持,所以甲醇汽車市場規模多在試點地區運行(見表9)。
 
表9 甲醇汽車試點運行車輛 
 
由于甲醇作為燃料的技術非常成熟,甲醇汽車的安全性、可靠性及動力性都能滿足要求,再加上甲醇燃料在中國具備成本價格低的優勢,甲醇汽車在試點區域范圍內出現大量汽油車改燒甲醇車的情況,并且改裝在運行的甲醇車輛數量要遠遠多于試點運行車輛。
對于乙醇汽車,我國燃料乙醇產業的發展按照“定點供應、封閉流通”的原則,并在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽五省及湖北省9個地方、山東省7個地方、江蘇省5個地方和河北省6個地方進行封閉推廣。
(2)商用車市場
天津大學開發的柴油/甲醇雙燃料技術,在試點運行期間表現優秀,具有動力性強、經濟性好、安全可靠的特點,特別是經濟性,能夠節省10%~15%的綜合燃料費用。在試點區域及非道路范圍內,柴油/甲醇雙燃料在運行車輛投放區域涉及12個省3個市,總數量達到200多輛,并且這個數量仍在快速增加(見圖36)。
 
圖36 柴油/甲醇雙燃料汽車運行區域 
 
4.行業問題與建議
對于甲醇汽車,通過多年來的基礎研究和試點運營,甲醇燃料的清潔性、高效性、安全性已經在國內外得到廣泛認可。在甲醇汽車技術研發領域,我國在國際上處于領先地位,但是在市場化運行方面,仍面臨諸多挑戰。
第一,加強甲醇應用的科普宣傳工作。在整個甲醇燃料和甲醇汽車行業,缺乏對甲醇燃料及甲醇汽車的科普工作宣傳,導致人們一提到甲醇,就想到有毒,依舊是談虎色變、避而遠之的不科學認識。
第二,政府需要支持解決甲醇車應用中的共性技術問題。甲醇汽車的發展仍處于各級地方政府支持、企業參與的試點運行狀態。沒有國家層面的政策允許,甲醇汽車的發展仍局限在試點運行區域,不能進行更深層次的市場化運行。
第三,加快制定甲醇車應用的政策和標準。電動汽車受到政府的扶持,大量汽車企業轉投電動汽車的研發,對其他新能源和替代能源的關注度降低,也可以說已經忽視其他能源的發展,如今的能源多元化變成了電動汽車的單一發展。
每個行業從初期到成熟的發展階段都會遇到諸多問題,存在問題并不代表甲醇行業不適合長期發展,所以如何積極有效地解決問題是推動行業發展的關鍵,下面是給出的幾點建議。
首先,做好科普工作,澄清公眾對甲醇的認識誤區,從供需兩方面為甲醇汽車的發展奠定基礎,并應該將甲醇作為戰略性替代能源,納入交通燃料體系。
其次,應該結合當前我國的能源結構和市場情況,在甲醇替代方面跨出實質性的一步,推動甲醇汽車市場化運行。同時根據甲醇汽車在各省市試點運營的經驗,繼續完善基礎配套設施建設、制度建設、運行管理和相關應用安全評估等工作?;谥袊茉唇Y構的切實情況,以及甲醇汽車在山西、貴州、陜西、甘肅等地多年的示范運營成果,希望盡快對全國放開甲醇汽車牌照。
最后,企業應具備技術儲備長遠發展的戰略意識,結合中國能源結構的特點,多元化發展可持續、清潔化能源。
發展甲醇汽車產業既是緩解我國石油資源緊張狀況的現實選擇,對保障我國能源安全具有戰略意義,也符合中央積極穩妥化解過剩產能的指導精神。堅信辦法總比問題多,所有的問題都會逐漸得到解決,也希望甲醇在石油替代燃料中能夠積極發揮作用,為能源和環境減壓。
(三)生物質柴油發動機行業發展
1.技術進展
國外生物柴油汽車發展較為成熟,已形成美國、歐洲等應用區域,混合比例包含5%以下和6%~20%兩種,部分城市出現100%生物柴油燃料的應用方式。受到原料限制、銷售渠道不暢、扶持政策不夠等多方面不利因素的影響,我國生物柴油產業發展與國外差異較大。
(1)生物柴油燃料生產技術
生物柴油可通過植物油、動物油、廢棄油脂等與甲醇(乙醇)的酯交換法制取,也可通過加氫裂解法制取,前者的優勢是技術成熟、成本低,后者的優勢是生物柴油的產品指標更接近于石化柴油。目前,世界范圍內,生物柴油的生產技術主要為酯交換法和加氫裂化法,兩種生產技術均趨于成熟。
到目前為止,我國生物柴油的產能達到200萬噸左右,生產工藝基本為酯交換法,僅有部分廠家開始使用加氫裂化法。我國用于汽車燃料的生物柴油及生物柴油混合燃料(B5)已經有國家標準,除此之外,云南省制定了強制性地方標準《生物柴油調合燃料(B10)》和《生物柴油調合燃料(B20)》,上海市制定了團體標準《餐廚廢棄油脂制生物柴油調合燃料(B10)》。
(2)發動機材料兼容性
生物柴油對發動機的部分橡膠和塑料具有溶脹性。到目前為止,我國已經篩選出耐生物柴油的橡膠材料和非橡膠材料,解決了生物柴油發動機的材料兼容性問題。同濟大學自2006年起先后承擔了多項國家863項目、國際合作和地方政府項目,研究了4種金屬、6種橡膠材料、3種塑料材料在23個生物柴油、92個不同混合比例的生物柴油混合燃料中的金屬腐蝕性、橡膠和塑料溶脹性、橡膠力學性能等材料兼容性,分析了發動機典型金屬、橡膠、塑料在混合柴油燃料中的質量、體積、幾何尺寸、外觀、硬度、拉伸強度、拉斷伸長率等參數變化規律,建立了生物柴油及混合燃料發動機材料兼容性數據庫,篩選出適用的耐油和非耐油橡膠材料,解決了生物柴油燃料的材料兼容性問題(見圖37)。
 
圖37 篩選出的混合柴油燃料發動機用橡膠材料
 
(3)生物柴油發動機性能
燃油噴射霧化質量高低直接決定著燃燒過程的好壞。生物柴油的運動黏度高于石化柴油,導致純生物柴油及不同混合比例的生物柴油——石化柴油混合燃料的運動黏度、表面張力等理化特性與石化柴油存在一定的差異。這些差異使燃料的噴霧貫穿距、噴霧錐角及液滴破碎時間等噴霧特性重要參數發生變化。針對這一問題,同濟大學發明了生物柴油噴霧測量裝置及方法,模擬柴油機實際缸內氣體壓力和溫度環境、燃油溫度變化等條件,研究了不同混合比例生物柴油的噴霧宏觀特性,首次提出了生物柴油噴霧經驗公式: 
 
式中,ΔP為噴孔前后壓力差差值,η為燃料的黏度,ρ為環境氣體密度,D為噴孔直徑,t為噴射時間。與廣安博之噴霧貫穿距計算公式相比,該公式的相關系數從0.9285提高至0.9842。
同濟大學等研究了生物柴油燃料燃燒的自燃點位置、滯燃期、燃燒持續期等燃燒特性,發現了BD0、BD20、BD50和BD100不同摻混比例生物柴油混合燃料的燃燒規律(見圖38)。
 
圖38 不同摻混比例生物柴油混合燃料的燃燒規律 
 
生物柴油為含氧燃料,其理化指標與石化柴油存在明顯差異,噴霧與燃燒特性等存在明顯不同;采用現有的燃油噴射系統和燃燒系統,導致柴油機動力性、經濟性和可靠性等性能惡化。與燃用石化柴油相比,發動機燃用生物柴油時的最大燃燒壓力略有提高,最大壓力升高率和最大燃燒放熱率則明顯降低。與B0(純石化柴油)相比,B5和B20燃油的動力性幾乎沒有明顯變化,B100(純生物柴油)則下降最多,比B0(純石化柴油)燃油下降2.5%左右,故摻混生物柴油后其動力性有所下降,并且摻混比例越高,功率下降越多。發動機燃用廢食用油制備的B20和B50時,發動機的油耗率和動力均有不同程度的上升和下降,但幅度不大,分別約8%和3%。
綜上所述,當混合比例小于10%時,發動機不經任何改動即可直接燃用生物柴油混合燃料,且生物柴油具有潤滑性好,HC、CO、顆粒物排放低等特點。當混合比例超過10%時,發動機直接燃用生物柴油的動力性將下降,NOx和小顆粒物排放增加明顯。
(4)生物柴油發動機NOx和顆粒物控制技術
在國家863項目、國家自然科學基金和科技部國際合作項目等的資助下,歷經十余年攻關,同濟大學系統深入地研究了生物柴油發動機NOx和納米顆粒物排放協同凈化技術,發明了柴油車尾氣凈化的柔性集成方法,突破了NOx和納米顆粒物排放協同凈化的技術瓶頸。該方法可以實時、在線、柔性調整尾氣通過SCR和DPF的化學反應過程,提高生物柴油發動機NOx和納米顆粒排放的協同凈化效果。
針對生物柴油發動機NOx排放升高的特點,發明了提高柴油機SCR系統尿素熱解水解效率的方法,大幅提高尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率;研發了高活性、寬溫度窗口、高水熱穩定性SCR催化劑;發明了基于尿素分解效率的柴油機SCR系統控制方法,提高尿素水溶液噴射量的精度,實現了瞬態工況NOx排放的高效凈化,NOx凈化效率達80%以上(見圖39、圖40)。發明了EGR的自動測試標定系統,突破了生物柴油發動機EGR的標定難題,實現了EGR的自動標定。
 
圖39 NOx的凈化效果 
 
圖40 PM的凈化效果 
 
針對生物柴油發動機納米顆粒物排放升高的特點,研制了低起燃溫度、高熱穩定性的高效DOC催化裝置,提高了催化劑的活性和穩定性及貴金屬的利用效率,降低了貴金屬的用量;研制了低背壓DPF顆粒再生控制策略及控制裝置,優選出催化特性好的貴金屬負載量,明顯改善低溫催化活性和抗熱穩定性,確保DPF的可靠再生,顆粒物的凈化效率達90%以上。
(5)高比例生物柴油發動機技術
結合我國餐廚廢棄油脂的數量及分布特點,餐廚廢棄油脂制生物柴油高比例使用是將來的發展方向之一,高比例生物柴油發動機的整機性能檢測及關鍵零部件生產技術,還需要進一步完善與加強。
針對高比例生物柴油機,同濟大學在國家863項目、國際合作和地方政府項目的支持下,發明了一種生物柴油發動機燃油控制系統的控制參數(噴油量、噴油脈寬、噴油正時和軌壓參數等)的獲得方法,以實現對生物柴油發動機燃油噴射控制策略的標定;提出了基于生物柴油混合比例的生物柴油發動機噴油量、噴油脈寬、噴油正時和軌壓參數的控制策略,基于模型的標定技術的生物柴油發動機噴油參數優化方法;研究了不同噴油壓力、不同背壓、不同噴油脈寬對生物柴油噴霧特性的影響,掌握了柴油機使用生物柴油燃燒系統和噴油精確控制等關鍵技術;完成了滿足國Ⅴ排放標準要求的生物柴油發動機研發。
2.市場發展
由于使用生物柴油可以大幅減少溫室氣體和有害氣體排放,而且生物柴油是可再生燃料,發展生物柴油在世界范圍內已成為一種趨勢。我國在2004~2010年也經歷了生物柴油的快速增長,但目前主要生產的是第一代生物柴油,其存在致命缺陷:燃燒熱值約為普通石化柴油的87%,只能按比例添加,且調配比例不能過大;凝固點偏高,無法在冬季和高寒地區使用,且無法使用普通石化柴油的降凝劑來降低凝固點。受到國際油價下行和國內生產中原料難以保證、銷售渠道不暢、扶持政策不夠等多方面不利因素的影響,我國生物柴油產業發展陷入困境,大批企業停產。
在困境中,國內生物柴油技術也發展到了第二代并投產,生物柴油由動/植物油脂“催化加氫裂解”得到,微藻技術也是燃料制取新的發展方向。第二代生物柴油在國際上被稱為綠色柴油,其結構和性能接近石化柴油,能以大比例添加入柴油使用。同時,其來源是動物和植物油脂,尤其是可以利用地溝油等廢棄油脂,具有極大的社會和經濟價值,發展前景光明。
上海市積極推動餐廚廢棄油脂制生物柴油在公交車上的應用,組建了“政產學研用”餐廚廢棄油脂制生物柴油生產/研究/應用/管理體系,實現上海市餐廚廢棄油脂全產業鏈閉環式管理。率先在上海開展的104輛國三/國四/國五柴油公交車使用餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料(B5、B10)的示范營運情況正常。截止到2017年2月的統計數據,104輛生物柴油公交車累計營運1251余萬公里。同時,2017年3月,上海市把試驗運行車輛擴大到環衛車、生物柴油混合比例增大到20%;2017年3月1日,第一輛B20示范車輛開始使用B20生物柴油試驗運行。
3.問題及展望
(1)問題
國外生物柴油汽車發展較為成熟,已形成美國、歐洲等應用區域,混合比例包含5%以下和6%~20%兩種。我國生物柴油燃料技術研究起步較晚,在2004~2010年也經歷了生物柴油的快速增長,受到原料限制、銷售渠道不暢、扶持政策不夠等多方面不利因素的影響,我國生物柴油產業發展陷入困境,大批企業停產,我國生物柴油產業發展與國外差異較大。
另外,我國在生物柴油生產技術、低比例混合發動機技術、低比例使用車輛技術等方面已經成熟,并儲備了高比例(20%)生物柴油專用發動機技術。針對我國生物原料以餐廚廢棄油脂為主的特點,高比例(>20%)或100%應用比較適合中國目前的生物柴油原料特點,國外部分城市出現100%生物柴油燃料的應用方式。我國在高比例生物柴油發動機技術研發、車輛示范考核兩方面均與國外存在差距。
(2)展望
我國每年消耗食用油約3000萬噸,其中20%~30%成為餐廚廢棄油脂,此外還有大量的動物廢棄油脂,考慮到收集率為80%以及微藻技術,到2030年,生物柴油的總量可望達到1000萬噸??紤]到收集體系、技術等影響因素,2020年,生物柴油的替代量可達到200萬噸柴油,2025年,生物柴油的替代量可達到500萬噸柴油,2030年,生物柴油的替代量可達到1000萬噸柴油(見圖41)。
 
圖41 車用生物柴油替代燃油目標值
 
餐廚廢棄油脂制生物柴油的應用是實現餐桌污染治理、交通行業節能減排的有效手段。結合中國的生物柴油原料(餐廚廢棄油脂)特點,生物發動機技術將向中高比例及純生物柴油發展,生物柴油整車技術將朝大功率重載商用車、低速大轉矩公交車以及低速環衛車等領域發展,生物柴油燃料技術向加氫裂化法生產發展。另外,生物柴油進入成品油目錄,分區域大規模示范也迫在眉睫。建議開展餐廚廢棄油脂制生物柴油汽車重大示范工程設計。 
 

 轉載自《江蘇省企業技術改造協會》公眾號

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