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从机械喷射往电控技术发展的蜕变
范婷婷 吴小雁
  德尔福在中国市场针对中、轻型车推广共轨技术,针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术;博世电喷系统最新技术已经由电控共轨发展到电控液力放大系统,它在中国市场主推高压共轨系统;电装目前正在研发第三代、第四代共轨系统,它将适应中国市场要求和需求的共轨系统带到中国。在这片国外电控技术的“喷射”包围中,自主国产的成都威特电喷提出了电控单体泵低成本解决方案。威特虽然刚刚崭露头角,但已引起同行高度重视,德尔福的代表甚至呼吁用户大胆试用威特电控技术。

  德尔福中国战略步步为营

  中、轻型车偏重共轨技术,重型车提供单体泵技术

  德尔福汽车系统中国投资有限公司的柴油系统销售经理张巍说,为支持中国汽车工业技术进步,针对中国柴油机行业国家法规的要求和市场需求,德尔福对中国的柴油机和柴油车用户提供了有针对性的解决方案。

  面对排放法规日益严格的要求,从技术的角度看,德尔福把对发动机的技术改进分成3个部分。首先是燃烧之前的进气管理部分。其中包括进气冷却技术、低涡流比技术、低机油消耗率和柴油质量的改进。在燃烧之后还有后处理技术要求,最核心的是燃烧部分的控制。对供油系统机械性能而言,其最主要的要求就是提高喷射压力。所以德尔福公司目前针对欧Ⅲ要求,给国内用户提供了全球最先进的技术,在共轨方面提供了1600bar的压力系统,在单体泵方面提供了2000bar的压力系统。

  从德尔福内部的产品线来看,针对柴油机的发动机管理系统,分四个部门着重研发不同的部分:供油系统;燃烧系统;后处理系统(可以提供氮氧化物的处理器);针对欧Ⅲ以上发动机的电控系统。这四大系统结合起来,成为德尔福柴油发动机的管理系统。

  针对供油系统来讲,德尔福的产品线按照不同客户的要求分成三部分。第一部分主要针对中、轻型商务车,为客户提供共轨系统;第二部分针对中型商务车,为客户提供“转子泵”系统、泵喷嘴系统或者提供中型共轨系统;第三部分针对重型车市场,无论是国内外市场上,针对重型车的趋势都是用泵喷嘴或者单体泵。所以德尔福把泵喷嘴和单体泵技术提供给中国的重型车用户。

  轻型车共轨系统已累计投放400万套

  德尔福柴油部门的前身是CAV公司,自1988年开始向市场提供电控泵技术;自2000年开始提供高压共轨技术。到2005年,已经累计向全球投放了400万套共轨系统。轻型车共轨系统针对欧Ⅲ、欧Ⅳ的要求,一方面是精确的电子控制,一方面就是达到尽量高的压力。在软件控制方面,为了提高系统的精确性,主要采用了两种策略。一是针对生产方面的一致性控制,称为I2C,即在生产线上对每支喷油器进行检测,找出机械散差值,在使用过程中以ECU对其控制信号加以补偿。第二项策略叫APC技术。即对发动机的“监听”技术,这项技术主要针对在用车,APC技术可以每小时对发动机进行一些信号监控,把这个系统在使用过程中由于机械磨损产生的性能漂移信息反馈给ECU,再由ECU提供补偿信号,使该系统在整个发动机寿命期保持和出厂一模一样的性能状态。

  单体泵系统在重型车上具有成本和性能优势

  德尔福在重型车上建议客户采用单体泵系统。从成本上讲,国内的发动机从欧Ⅱ向欧Ⅲ升级时,如果采用单体泵,对发动机改动非常小,仅以外挂式的突轮轴箱代替欧II发动机的直列泵。当从欧Ⅲ向欧Ⅳ升级时,发动机机身主体结构仍然不变,只是把欧Ⅲ系统里机械式喷油器改成德尔福的电控喷油器,形成双电磁阀单体泵系统。在发动机整体结构不做大的调整下,就可以达到欧Ⅳ的排放水平。

  在性能方面,目前在国内单体泵使用的压力达到2000bar。当向欧Ⅳ升级、在双阀系统时,这个压力可以达到2500 bar。而且单体泵的理论设计原理可以由突轮型线产生逐渐上升的喷油压力曲线,这是发动机需要的理想的供油曲线。同时在单体泵上采用了类似于共轨I2C的系统一致性控制,来优化整个系统的性能。在供油控制方面,如果使用双阀系统,不仅可以对压力进行控制,还可以对喷射进行控制,而且可以采用多次喷射。它的标准可以达到欧Ⅳ或者欧Ⅴ的能力。目前德尔福的双阀系统在欧洲大批量生产,供应欧Ⅳ发动机,欧Ⅴ发动机正在做相关开发工作。

  单体泵系统的另一个优势就是它的可靠性和寿命,而且这些性能已经在欧洲和北美市场上得到了超过10年甚至是15年的实际使用时间、数百万辆整车使用的证明。德尔福的单体泵系统在整个发动机使用过程中,可以很好地保证它的排放水平和燃油消耗率水平。目前,这种非常强化、非常可靠的性能和使用寿命,仍然在进一步提高。所以从德尔福的观点来看,在技术方面,相信在2010年之前,所有欧洲和北美的重型车生产商绝大多数会采用单体泵和泵喷嘴技术。德尔福也在研发2010年以后新的排放法规所要求的新的系统。

  在亚太地区实现100万套的本地化生产能力

  德尔福柴油系统的研发,很多是基于基础理论研究成果。其中包括燃烧系统分析研究、控制策略研究、材料学研究、噪音控制、液力学研究等,并把这些研究成果应用到供油系统开发上面。德尔福柴油分布于全球的技术中心为客户提供两类技术支持,一类是系统开发,另一类是本地化的应用支持。

  德尔福柴油在全球的生产基地主要分三大部分:第一部分在美洲,主要是供应北美和南美市场。最重要的是第二部分集中在欧洲。第三部分就是在未来的五到十年最有发展潜力的亚太市场,所以下一步的发展策略会专注在亚太方面。预计亚太地区在2008~2010年,当地市场年需求将达到100万套的数量;德尔福的计划是同步在亚太地区建立100万套的本地化生产能力。


  用5年时间缩短10年的技术差距

  成都威特电喷有限责任公司副总经理兼技术执行官朱元宪在会上认为,内燃机作为汽车动力的统治地位在未来的15~20年间不会受到挑战。柴油机由于其优良的燃油经济性和低速扭矩特性而成为理想的汽车动力,在上世纪后半期就在卡车领域全面取代了汽油机。自上世纪90年代以来,随着直喷技术的突破性进展,柴油机在功率密度和NVH(噪音)方面可与汽油机相媲美,从而为轿车柴油机化奠定了基础。2004年,欧洲新生产的轿车有近50%配备了柴油机;去年中国生产了131.3万台车用柴油机,比上年增长22%左右。重型车用柴油机增长幅度尤其突出,以重汽斯太尔为例,2004年产量比上年增长84%。

  中国整个汽车柴油机市场机遇与挑战并存。汽车工业的发展给环境带来极大负担。上海近年来的各类污染物排放中,氮氧化物汽车排放占54%,一氧化碳占84%。国家环保总局提出汽车排放法规要在2010年与西方发达国家接轨。中国环保法规最大限度地吸收和利用了欧盟排放法规的内容,未来轻型车辆将于2007年1月1日开始执行欧Ⅲ排放标准。排放标准从欧Ⅱ到欧Ⅲ的跳跃,对车用柴油机行业是一个巨大挑战。

  国外:从电控共轨发展到电控液力

  实际上20世纪90年代,欧洲柴油机产品就已经陆续达到欧Ⅲ标准。他们采用了以下一些技术:电子控制、高压燃油喷射、小孔径喷油嘴,减少燃油喷射速率,四气门;中、重型柴油机上出现了低涡流和无涡流燃烧室;轻型柴油机采用废气再循环;另外还有可变几何截面增压器以及机油消耗控制等方法。专家普遍认为,以上是对柴油机的基本要求。要实现欧Ⅲ排放,首先必须提高喷射压力。一般认为在无涡流燃烧室的情况下,喷射压力要大于160Mpa;在有涡流的帮助下,喷射压力至少要达到130MPa。此外就是独立于转速和负荷的喷油定时调节、先缓后急的喷射规律(有利于氮化物的控制)及迅速的喷油切断过程。

  国外典型电控喷油系统有电控泵喷嘴和电控单体泵。电控泵喷嘴最大的好处是燃油压力非常高,可以达到200MPa以上。在重、轻型发动机上都能应用。电控单体泵在泵喷嘴的基础上衍生出来,除了压力较泵喷嘴稍低一点外,其它功能基本和泵喷嘴相近。这两个电喷系统应用都比较成功。第三种为电控共轨系统。这也是国内专家一致认为目前水平最高、将来会占统治地位的一种电控系统。其喷油器的特殊设计,可实行灵活的多次喷射,且喷射压力可在不同转速和负荷条件下任意调节,给发动机带来的好处是极为理想的NVH指标。由于这些因素,电控共轨技术已普遍为新的一代轿车柴油机采用。一些原来配备电控分配泵的轻型或中型车用柴油机也转而采用电控共轨系统,如康明斯公司的ISM系列柴油机。第四种是电控液力放大系统。从最大喷射压力来看,电控泵喷嘴是220MPa,电控单体泵是200MPa,电控共轨系统是180MPa,电控液力放大系统是190MPa。四种系统都能迅速进行喷油切断。电控共轨系统还最适用于现有机型的改装。

  未来发展需要进一步提高喷射压力直至200MPa以上,能实现多次喷射,主喷射有较低的初始喷射速率。现在实现这些要求已经有不同的技术路线,各跨国企业的方法也不相同,既有通过传统的电控共轨系统,也有通过电控液力放大共轨系统,如BOSCH CRIN4液力放大共轨系统,或德尔福的双电磁阀电控泵喷嘴系统。

  国内:电控直列泵是目前满足欧Ⅲ排放的低成本解决方案

  目前国内柴油机绝大部分是满足欧Ⅱ标准的,技术特点主要包括涡轮增压中冷、P7100直列式高压燃油泵、哑铃型燃烧室、两气门和机油消耗控制技术。这些机器能否满足欧Ⅲ标准在很长时间内一直都是一个疑问。当时认为两气门机器很难实现欧Ⅲ排放标准。

  但朱元宪分析认为,目前中国生产的欧Ⅱ柴油机产品,经过适当改进,在无需变更主要部件生产线的情况下就可以满足欧Ⅲ标准。他谈到了可执行的具体技术路线,如通过电子控制Ⅲ、130MPa以上的高压燃油喷射,降低燃油喷射速率、增加燃油室径深比和喷油嘴孔数、减少进气涡流比、进一步减少机油消耗等措施。这些技术早已被一些国外机型验证可行,如卡特彼勒公司的3126、万国公司的T444等。

  国内传统目前在电控燃油喷射技术几乎处于空白状态,一个直接的结果是中国车用柴油机行业很难接近世界一流的电控燃油喷射技术,跨国公司近年已经开始注意到中国市场的巨大潜力。但国内相关行业已经在努力改变这种状况。如一汽集团无锡油泵油嘴研究所经多年研制,成功开发出具有自主产权的电控共轨系统,成都威特公司与清华大学联合于2004年成功研制出具有自主产权的电控单体泵系统,并于当年开始提供成套产品。在今年5月举行的上海国际发动机及制造技术展览会上,成都威特公司展出了新研制的电控直列泵技术。它的电控直列泵也就是电控组合泵是针对我国柴油发动机企业的实际情况、老机型的欧Ⅲ升级改造确定的技术路线:满足欧Ⅲ对喷油系统的最低要求,可靠性高,价格低,机械接口与P型泵相同,安装方便,系统标定过程简单。这种电控组合泵不同于电装曾经生产过的电控直列泵ECD—P,后者是所谓位置横置,即根据ECU的指令驱动齿杆调整曲轴与凸轮轴之间的相位差,达到对喷油定时实现控制。


  博世将在中国大力推广高压共轨技术

  电控高压共轨系统是未来的主流技术

  来自博世柴油喷射系统的中国轿车及轻型车部项目管理经理茅淳渊在发言中介绍了博世的电控高压共轨系统。在西欧,柴油所占的比例已经高达46%,估计再过一两年将达到50%。博世对中国市场的保守预测是,到2015年,柴油车所占比例能达到25%。中国车用柴油系统现在所使用的绝大多数还是机械喷射系统,但往电控发展的趋势不可逆转。博世柴油喷射系统概括了各种各样的系统。预计未来的发展方向是,电控高压共轨系统将占据绝大部分市场,到2010年,将占所有柴油系统产品生产和销售的2/3左右。

  茅淳渊详细介绍了博世电控高压共轨系统如何满足中国市场上乘用车和轻型卡车的欧Ⅲ排放标准。博世为乘用车和轻型卡车量身定做了发动机排量在1~4升间的柴油机系统,即第二代高压共轨系统。其工作原理为:柴油从油箱进入高压油泵,在高压油泵上面有一个电磁阀,它可以控制从泵里面输出高压油的油量。这些高压油打入到高压轨力以后,通过轨压传感器知道轨力的压力是多少。然后再到喷油器,喷油器是由电磁阀直接控制进行开闭,往气缸里面实行直接喷射。

  博世对于中型卡车制定了一套适应中国环境的平台系统。这套系统适用于3.5吨以上车辆,气缸排量4~8升,发动机转速是2200~2700转之间。发动机排量比较大也需要容量比较大的泵,建议使用CP3系列,上面同样有一个电控计量阀。

  博世建议重卡发动机也采用高压共轨系统,这一平台指的是车辆在6吨以上,发动机排量在8~14升之间,转速在1800~2200之间。采用另外一种叫做CPN2.2的高压泵,它的供油量相对来说更高,它上面同样具有电控计量阀来控制输入到轨里面的油量。重机所使用的电控单元与轻、中机型有些不同,因为重机的ECU电控单元一般装在发动机上面,电控单元对于抗震、抗热要求比较高,建议使用EDC7系列。

  无锡合资公司专业生产电控喷射系统部件

  博世与无锡威孚合资成立的新公司专门生产喷油器和喷嘴,其以后的目标就是要在中国生产和推广电控柴油喷射系统。新厂区不光具备销售和项目管理功能,也包括产品的开发、生产、发动机及车辆标定等,成立了一支强大的标定队伍为主机厂和整车厂服务。新厂区的技术中心总投资5000万欧元,在那里有发动机实验排架、转毂实验排架,不论对液压系统还是电子系统,都将拥有系统开发能力;可以做部件可靠性实验以及为适应中国市场而进行的一些适应性开发;同时设有培训中心,为客户提供新一代电控柴油喷射系统专业知识和提供标定能力方面的培训。

  从明年年初开始,博世适用于中、重卡的喷油器将在中国实行第一步生产。从明年开始,博世汽车电子分部将在苏州开始对电控单元实行国产化。但高压油泵、轨、传感器等这些部件,到现在为止还没有确定具体的国产计划,这需要在深刻了解客户需求后在做决定。

  博世柴油机系统具有78年的开发、生产方面的专业经验,为了满足在中国日益严格的排放标准,适应中国柴油机技术的发展,确定了实行本土化专业技术和生产的目标,其刚刚成立的新公司包括从研发到生产、标定以及售后服务等,将为客户提供全套解决方案。


  电装在欧Ⅲ以上排放普遍采用共轨系统

  电装中国投资有限公司的售后服务部副主任宋涛向与会者介绍了电装的技术发展历程。电装公司自1957年开始生产柴油机系统产品。1981年,直列泵投放市场;随着市场及环保的要求,电装在机械泵和共轨系统之间投放了ECD系列电控泵。如电装ECD—V3系统,这是第一个能够对喷油量进行控制的系统并且喷射压力可以达到60MPa;电装ECD—V4系统,喷射压力可以达到180MPa。但由于噪音和燃烧方面不是很理想,电装又开发出ECD—V5系统,它最大压力可以达到100MPa,为了降低发动机噪音,在这个系统里采用了先导喷射。进入欧Ⅲ系统后,电装公司采用的是共轨系统。第一代电装共轨系统喷射压力可以达到130MPa,并于1995年开始正式投放市场。4年后第二代共轨系统投放市场。这种系统的喷射压力可以达到160~180MPa,在主喷射前后可以分别实现两次预喷射,一次是先导喷射,目的是为了提供冷机的启动性能;第二次是预喷射,目的是为了提高发动机的稳定性、降低噪音,达到更好的排放效果(可以避免由于高温产生较多氮氧化合物)。电装第二代共轨系统已经在欧洲轿车及日野卡车上得到了应用,该共轨系统可以满足日本的长期排放法规。第三代和第四代系统正在开发过程中,第三代喷射压力目标是180MPa,第四代喷射压力要控制在200MPa左右。

  电装的HP—0型共轨系统是目前在中国主推的产品,主要由4个部分组成:高压轨道、喷油器、输油泵及ECU控制电脑。首先,通过凸轮轴的运转,将燃油压入输油泵内,ECU再通过提取燃油压力、温度、发动机转速、油门踏板开度等信号,进行整理分析后,控制输油泵电磁阀在最佳时间进行开启,来调整轨道内部的压力,如果ECU检测到发动机系统需要比较大的供油压力,就会控制电磁阀提前动作,从而改变轨道系统的内部燃油压力。再通过喷油器上面的TWV阀来控制改变喷嘴的喷油时间、喷油量及喷射率,来提升发动机的动力性。电装目前在中国投放市场的共轨系统的燃油压力可以调整在30~130MPa之间。电装中国投资有限公司2003年在上海成立了上海电装燃油喷射有限公司,同年开始生产电装机械式柴油泵,根据中国市场的实际情况,计划将在上海生产共轨系统。

  柴油机电喷技术你们是世界领先。但在中国市场怎样才能给客户提供低成本产品呢?

  张巍:柴油机从欧Ⅲ开始首先要求的是高质量,并不是成本先导。在考虑到系统能够满足客户需求的同时,我们一方面是在技术层面,从设计的角度尽量简化整个系统设计,给客户的发动机平台提供一整套个性化方案,从设计方面尽量降低成本,并且会考虑到系统具有满足下一代排放法规要求的技术能力,使发动机客户在未来的技术升级过程中产品改动最小。其次在生产方面和客户进行长期战略合作,根据客户在不同阶段的需求,实现本地化生产来降低成本。此外,在产品的应用方面,德尔福的策略和其他竞争对手不同,我们短期内不会在中国投入大量的研发力量,以至最后给客户供应系统的时候单件成本上升。我们希望用我们有经验的工程师,在较小的范围内、在尽量短的时间里培养客户自己的技术团队,使其具有应用能力。这样一方面在短期内减少了前期项目的开发成本,另外从长远来讲,我们客户的市场应变能力和产品变形能力就会更强。

  茅淳渊:首先,我们把国外已经设计、使用成熟的技术拿到中国来,只做一些相对于中国国情、必要的小的技术改动,这些系统不存在在中国再开发的过程。其次,我们要在国内实行国产化。因为如果所有的部件都从国外进口的话,国外的劳动力成本比国内要高很多,在国内实行国产化以后,所有部件也在国内进行采购,这方面的价格就可以大幅度降低。

  宋涛:对于电装来说,一个产品投放市场是否成功,表明这个产品到底能不能真正地被大多数用户所接受。首先技术含量要满足现行法规要求,其次是怎样控制成本。电装拿到中国来的产品不一定是最新技术,但一定是最符合中国市场要求的。本月15日装配电装共轨系统的一汽卡车已经下线,而且很快会投放到北京市场。在这个系统里搭载的是电装HP-0型的共轨系统,其已经能满足中国欧Ⅲ排放法规。现阶段在国内我们以降低成本及更好的用户接受度为重要参考标准。当中国进入欧Ⅳ或者欧Ⅴ时代时,电装公司会把更加环保的产品拿到中国来。

  威特作为国有企业,与国内外的同行相比有什么优势?下一步怎么发展?

  朱元宪:威特的母公司是国有体制企业。但我必须指出的是,从成立的第一天开始,母公司就给了威特这个子公司充分的自主权。我们公司整个运行方式完全按照现代化企业的运作模式管理。集团在人才招聘、工资、薪酬方面,给了我们充分的自由。整个威特从技术开发、质量体系的建立,充分参照了国外的经验。因此,国有企业如果按照这种新的体制来做,完全是可以做好的。

  我们现在还谈不上和博世、德尔福以及电装如何竞争,像这些跨国公司都有多年经验,我在国外工作了十几年,我跟德尔福、博世包括西门子打交道多年,对它们的技术水平和管理手段有深刻的印象。就威特目前所处的阶段,公司的技术规模、经验包括数据库等等,我们现在还谈不上直接跟这几家公司竞争。

  我们只想填补中国柴油机电控技术的空白。在这种挑战面前,保证我们能够生存下去,同时针对中国市场的特点,发挥我们的优势。在这方面,我们制定了比较完整的科学的策略,我们有信心能够在未来几年内,在这方面有所作为,同时为提高中国的柴油机技术做出贡献。


  威特公司在什么时候能形成一年生产40万套喷油器和2万套喷油泵的能力?

  朱元宪:我们内部计划是在3~4年内。

  您刚才介绍博世产品的时候,我感觉你们在中国只是想投放高压共轨系统。您觉得高压共轨系统如何满足重型柴油机的要求?

  茅淳渊:我们现在在中国的确力推或主推的是高压共轨系统。现在制定的战略是在中国实行本土化和国产化,如果确定了一套系统,而且本身已经在国外就是主流技术的话,开发成本、生产成本都会比较低。从技术方面,高压共轨系统在国外也有给重型卡车匹配生产、投入使用等多方面经验。比起电控单体泵或者电控泵喷嘴而言,发动机排量非常大的时候,高压共轨系统可能和它们相比会有缺点。但一般来说,在12~13升以下,我们有成熟的高压共轨系统。而且只要客户有需要,虽然我们在力推高压共轨系统,但是我们也可以为他们提供电控单体泵系统。

  德尔福电控系统目前是进口还是在国内生产?

  张巍:我们在中国国产化的计划主要是根据客户需求,采取同步化发展。总体来讲,在2008~2010年间,在亚太地区每年会有100万套的供应能力。

  吴吉湘(奥地利AVL李斯特内燃机及测试设备公司):一个先进的发动机,如果一些配套的零部件水平上不去,发动机肯定不会有一个很好的水平。在这种情况下,轴瓦、活塞环没有相应的水平,就没法实现良好匹配的设计思想。实际上发动机本身技术水平的发展,要有良好的高水平的零部件基础才有可能。所以希望随着愈来愈高的排放要求,零部件生产企业和发动机生产企业能够互相支持、共同发展。

  梁和平(玉柴机器股份有限公司副总经理):我们在技术能力的培育上比较注意对上下游企业的帮助和扶持,一定要具备这样的能力,作为独立的发动机企业才能有一席生存之地,如果没有这个,谁都不会感受玉柴的价值所在。

  杰克(亚新科工业技术有限公司董事长兼首席执行官):亚新科每年在对新员工进行培训时,我都要作一个演讲。我的报告叫做《正确的公司、正确的时间、正确的地点》,所以我经常说,我们是“三个正确”。我们谈到亚新科是一个正确的地方、正确的时间,我们认为员工能在这时加入亚新科成为其中一员,我们的员工是非常幸运的。从历史以及横向发展来看,没有任何一个国家像中国这样能在如此短暂的时间内取得如此斐然的经济成果。因此,对我个人来说,我愿意加入到中国的发展中来。

  张仕明(上柴股份有限公司战略投资委员会经理):据我了解,上柴考虑到重型车今后的发展方向,日野品牌在国际上比较知名的,技术上也比较领先,与日野合作,重机将有一个比较领先的技术。


 
 

 
 
 
 

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