发动机对标分析对自主产品开发的重要性

　　发动机的对标分析是指参照竞争机型，对其性能和产品特征进行详细地分析和了解，从而对自身产品的研发有参考作用。掌握最新的对标分析信息，是产品开发效率和市场化的关键。如果没有可靠的数据参考借鉴，那么发动机制造商很难界定自己产品的优势和劣势。通过精确的发动机对标分析数据信息，发动机制造商可以清晰地看到自己产品的水平，为打造一流的产品，建立明确的目标。

　　要进行发动机对标分析，从而有效地开展产品研发和改良，除了需要投入大量的时间、人力和设备等资源，更为关键的是经验丰富的专业工程师团队对数据的分析和解读 。仅仅简单地执行测试，提取海量的数据，没有任何价值。这支专业的团队还应该对排放法规、竞争机型和发动机性能与设计非常熟悉，对电子控制、排放后处理组件等各个方面拥有相当的专业知识。虽然绝大多数的发动机制造商拥有相关的资源，但是如此耗时的项目，对于有产品开发时间表的生产商是很难实现的。即使是在内部进行分析，由于关键文件的整理和撰写等问题，结果还是无法在公司内部传播和留存。

　　对于零部件的供应商，要进行发动机整机和车辆的对标分析测试更是难上加难。他们只能依赖发动机生产商提供的设计信息进行生产，比如流量、温度、压力、尺寸和质量等。而精确的信息是制造和设计有竞争力产品的关键。可想而知，如果零部件的设计不达标，正常的产品性能和耐久性都会受到影响。同时，超标的设计也会造成尺寸、质量的升级，导致不必要的成本提高。因为工程师通常保守的天性，导致目前的产品趋势是设计超标。同样，发动机制造商考虑到产品安全，也会提供能承受最高温度、压力和流量的过高的设计规格，设立的这些规格指标在实际使用中都不会同时出现。例如，当最大流量通过一个热交换器时，入口温度不会达到最高。如果热交换器生产商假设最大流量和最高温度会同时出现，那么生产的产品将会超标。适应新的产品需求，设计适当的符合标准的发动机零部件，提供具成本效益的产品，那么来自第三方机构的可靠发动机性能信息就不可或缺。

　　以美国西南研究院为例，早在2003年就认识到了在发动机的对标分析数据的广泛需求。针对美国国家环保局(EPA)2002年底出台的新排放法规，他们开展了重型柴油机对标分析项目。在征询大多数客户感兴趣的机型后，遴选出了7款发动机进行第一年的测试4款拖拉机发动机和3款皮卡和货车发动机。最初的测试条件和设施是有限的，在进行客户反馈后，进行了测试升级和设备扩充。目前，可以测试的项目包括：各种不同的排放测试循环、缸盖压力测试、200种不同的发动机转速/负载条件下的稳态测试、油门响应测试、发动机摩擦和制动曲线，及高冷却液温度或高海拔时的动力损失。

　　在各种测试完成后，为了更好的了解测试发动机的设计特征，测试的发动机整机和零部件将会被拆卸。零部件被逐一清洁、称重并且拍照。这些信息除了对客户的价值外，对于SwRI的发动机设计项目也是非常重要的参考。

　　应对新排放标准的控制方法

　　北京即将提前实施的欧V标准，相当于美国2007年出台了最为严格的排放新法规，要求减少90%的颗粒物(即黑烟的主要成分)的排放。当美国实行新标准时，一种高效的柴油颗粒过滤器(DPF)应运而生，烟雾再生(在高排气温度下，类似黑烟自洁的燃烧炉的过程) 前，DPF起到了消除柴油车尾气中黑烟的作用。烟雾的再生过程可以是积极再生也可以是被动的。在持续高负荷运行时，排气的高温足以将一些黑烟烧尽。在较轻负载和空负荷状态下，尾气温度不够高，被动再生的条件不够，需要进行增温控制。最普遍的排气温度控制是在排放还原催化剂之前注入少量的燃料达到升温的效果。催化剂消耗的燃料，释放出大量的热启动了DPF的再生过程。

　　当年曾参加对标分析的6.7升康明斯柴油机，拥有一款传统的排放后处理组件，名为氮氧化物吸收催化剂(NAC)。废气流中的氮氧化物被NAC吸收，它们附着在催化材料表面，逐渐并持续减少尾气排放。NAC 需要两种额外的再生模式，一种是脱氮氧(DeNOx)模式，即化学吸附的氮氧化物转化为无害的气体，通过快速注入额外的燃料，产生丰富的空燃比。另一种称为烟气脱硫(DeSOx)模式。脱硫模式中，累积的硫通过一段时间内注入额外的燃料达到高温，而从NAC中被清除。如果没有定期脱硫，则氮氧化物的捕捉效率将迅速恶化。脱硫模式帮助恢复NAC的效率，并保持低排放。

　　燃油消耗的挑战

　　目前，发动机制造商面对的另一个大的挑战是在降低氮氧化物排放的同时，保持燃油效率。缸内燃烧温度降低会减少氮氧化物，可只有高温时发动机的燃烧效率是最好的。通常，人们通过提高缸压峰值来维持或提高发动机的效率和性能，但是，运用当前的发动机设计方法和材料， 缸压的进一步增加是有限的。

　　此外，DPF和NAC再生模式需要额外的燃料，以达到所要求的排气温度和尾气成分。在DPF主动再生模式或NAC脱硫过程中，需要大量的附加燃料，才使排气温度在30 分钟内提高到600摄氏度。在一些条件下，由于排气温度管理引起的燃料消耗等不良结果超过了10%。一般在轻负载时，排气温度较低，结果就更加糟糕。

　　尽管如此，世界级知名的发动机制造商们已做了出色的工作来保持燃油效率。近年的重型发动机对标分析的结果，较之前的几年，还是达到了同等甚至更好的水平。其中，硬件和燃烧过程的改良是一部分原因，但是最为重要的是发动机控制系统的改进。

　　发动机控制--一场静悄悄的革命

　　电控系统已经在上世纪80年代就应用到了重型柴油机上。最初只有对喷油和持续时间加以控制，来优化各种运行条件下的燃油消耗和性能。随着，数轮减排法规的出台，电控系统的应用已经扩大化和复杂化。今天，发动机控制单元(ECU )接收着油门、刹车、离合器踏板位置、档位选择和车辆速度等，来自卡车上其他各种模块的信息。发动机控制可以限制扭矩，以防止在低速档下传动或轴过载，还可以提供巡航控制功能。甚至在达到燃油经济性目标时，可以为驾驶员提供一个可控的更高车速作为奖励。随着新的共轨系统的出现，ECU可以控制喷油压力，每个汽缸每个焙烧周期最多喷油5次，精确到毫秒。

　　ECU决定再生何时发生，并且在无驾驶员干扰的情况下启动。通常再生过程之间的时间最大化用以减少燃油消耗带来的损失，但是再生的发生如果不够频繁，则后处理系统的性能会降低或者遭永久性破坏。再生之间，燃油流量、喷油时间、EGR流量、增压和空燃比可能会发生根本性的改变，但是模式的改变已定时自动的，并且使驾驶员一目了然。扭矩输出可以保持持久不变;发动机及其性能要保持不变，发动机的声响不会改变发出噪音等;在速度和动力要求发生改变的同时，排放温度要保持在非常细微的变化范围内。

　　燃油消耗向来对长途运输卡车司机是非常重要的问题，尤其现在的柴油价格正迅速攀升。近年的项目已经明显表现出燃油经济性的最大化已成为趋势和生产上最为关注的问题之一。优化空燃和利用喷油时间产生高的排放温度，而促使被动DPF的再生，是典型行驶条件下的解决办法之一。提高被动再生，主动再生的燃油耗损失会被最大可能的延迟。

　　近年，SwRI的重型柴油机的对标分析项目发现，发动机生产商已经把减少90%的颗粒物排放和30%的氮氧化物排放，同时保持燃油耗不变放在了发动机生产的关键。结合新的排放策略，新的排放后处理组件已经成功地被整合。SwRI的对标分析团队通过燃油消耗、排放、控制策略和发动机设计特点等大量的数据，得出了这些结论。这些数据提供给客户完整的发动机设计和市场化的有价值的参考。