李勤:面向未来的排放技术路线

访潍柴动力股份有限公司董事长高级顾问、技术规划总监李勤博士

作者:龚淑娟 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:498 发布时间:2017-02-17
潍柴优先选择SCR Only技术路线,因为它结构简单,制造和购置成本低,营运油耗低,即使算上尿素的消耗,在中国的国情条件下,营运成本还是比较有优势的,从碳排放的角度看,这个优势就更加明显。
李勤:面向未来的排放技术路线

为满足不断提升的节能减排技术要求,潍柴动力股份有限公司(以下简称“潍柴动力”)集“五国十地”之力持续创新突破,从国内第一台拥有完全自主知识产权的高速大功率蓝擎发动机,到第一台大功率缸内直喷天然气发动机,再到第一套自主ECU电控系统……潍柴动力不断突破前沿科技,掌握核心技术。

目前,市场和用户对发动机燃油经济性、动力性、舒适性等方面的要求都越来越高,同时,各个国家对环保和排放限值也越来越严苛。凭借强大的研发实力,目前,潍柴动力的产品性能在燃油经济性、动力性、排放、可靠性及NVH等方面均居行业领先水平。

据潍柴动力股份有限公司董事长高级顾问、技术规划总监李勤博士介绍:“燃油经济性方面,潍柴动力不仅不断优化发动机本身,基于对‘动力总成’的深刻理解,潍柴动力还针对客户需求进行整机匹配性研究和试验,使得整机油耗达到最低;动力性方面,潍柴动力从2~40 L(车用2~13 L)都能满足客户需求,13 L重型商用车发动机WP13已将中国重卡带入‘500马力+’时代;排放方面,潍柴动力在法规颁布之前就提前实现了欧5排放标准的产品投产,现在已陆续开发成功欧6系列产品;可靠性方面,2015年初发布的WP13发动机预期寿命超过120万km,2016年4月最新发布的WP9H及WP10H以180万km/3万h的寿命树立起了高速重型发动机寿命的最高标准;舒适性方面,发动机整机NVH优化项目可以降低噪声2~3 dB,其中WP3柴油机怠速噪声76 dBA、标况声压级95 dBA,匹配整车后驾驶室噪声低于52 dBA,达到进口高端车水平。”

总之,潍柴动力的目标是在满足动力性的情况下,使燃油经济性最优化、排放性能最优化、可靠性最优化且驾驶舒适性最优化。

 

超前行业的排放技术

柴油机排放是当前业界最关注的话题。据李勤博士介绍,潍柴动力现在生产的国4、国5重型车用柴油机已经在国3电控柴油机的基础上,加装了SCR选择性催化还原后处理系统,利用排气管中喷射的尿素,来降低废气中的NOx,技术上已经上了一个台阶。

目前潍柴动力陆续开发成功的欧6产品(国6标准还没有发布,暂按欧6标准开发),因为颗粒重量的限值更严,而且还增加了颗粒数限值,需要加装壁流式的颗粒捕集系统(DPF)。欧6中的NOx限值也在国5的基础上下降80%,这就对降低NOx的技术提出了挑战,在技术难度上,又上了很大的一个台阶。

对此,潍柴动力制定了面向未来的排放技术路线,李勤博士说:“国际上,欧6的技术路线主要的有两条:EGR+DPF+SCR技术路线;DPF+SCR 技术路线(也称“SCR Only路线”,因为只用SCR来降低NOx,不需要EGR)。我们优先选择SCR Only技术路线,因为它结构简单,制造和购置成本低,营运油耗低,即使算上尿素的消耗,在中国的国情条件下,营运成本还是比较有优势的,从碳排放的角度看,这个优势就更加明显。而且,这个技术路线产生的爆发压力低,再加上有利于进行温度较低的DPF被动再生,有利于发挥潍柴发动机可靠耐用的优势。至于SCR Only技术路线所需的较高的NOx转换效率,以及它所带来的技术挑战,只要我们多看一步,要满足国6以后的排放法规,即使加上EGR,SCR的转换效率也需要在95%以上。因此,这些挑战是我们早晚必须面对的。我们为什么不照着先进的榜样,让我们的用户及早地得到实惠呢?”——这就是行业领先者的视野!

 

做全系列、全领域的发动机供应商

为满足行业发展要求,潍柴动力已全面布局京5、国5和欧6等一系列升级换代的新技术新产品,目标是要“做全系列、全领域的发动机供应商”。目前,在车用发动机方面,潍柴动力面向客车领域提供WP2.1、WP3、WP3.7、WP4.1和WP4.1NG等发动机,面向重型商用车领域提供WP12、WP13、WP9H和WP10H等发动机。

WP13发动机

其中WP13采用国内首创小速比后桥和自主ECU集成的智能省油系统,以及闭环控制的电控离合器风扇,其自身的大排量、低燃油消耗率与小速比后桥、智能省油系统的应用,重新定义了重型商用车动力的动力标准、油耗标准、安全标准、智能标准和可靠性标准,树立了行业标杆。

WP9H/WP10H是潍柴动力全新一代H平台柴油机,其180万km/3万h的使用寿命,树立起了高速重型发动机寿命的最高标准,在动力性、经济性、舒适性等方面的指标同样抢眼——功率范围290~400 PS,(1 Ps=735.5 W)极限功率高达700 PS;最大转矩达1 900 Nm,升转矩达200 Nm/L,极限转矩2 300 Nm;燃烧优化设计方面,4气门技术、新型燃烧室与气道的匹配设计、最高2 000 bar(1 bar=735.5 W)的燃油喷射系统,使得燃烧更加充分,最低燃油消耗率185 g/(kW·h),同时通过动力总成的优化匹配,整车百公里油耗可降低2 L!

 

强大的试验能力保障产品高性能

在2016年2月3日这个重要的时间节点,“内燃机可靠性国家重点实验室”在潍柴动力隆重揭牌。该试验室一期、二期分别在2011年、2012年建成并不断扩展,目前试验设备整体水平达到国际先进、国内领先。在此基础之上,潍柴动力已拥有具有国际先进水平的发动机试验能力、动力总成的匹配能力以及整车试验能力。

消音室

在记者参观试验中心的过程中了解到,72个试验台架正在各个试验室满负荷运转,包括振动疲劳试验室、法兰扭转试验室、转鼓试验台、模态试验室、NVH试验室、三高环境试验舱、五轴动力总成试验室和重型车性能试验室等,其中最值得关注的是NVH试验室和五轴动力总成试验室。

其NVH试验室为半消声室,结合AVL的发动机测试设备、西门子的32通道LMS SCADAS数据采集设备和LMS Test.Lab测试分析软件等,可以实现柴油机全工况下的噪声map优化,并通过柴油机声学分析,实现柴油机噪声的降低,提高产品的舒适性。目前该试验室可以满足3~13 L柴油机及相关零部件的常规噪声振动测试,柴油机声品质测试,柴油机声功率测试、声强测试,近场声全息测试、噪声生源定位等。

五轴动力总成试验台由潍柴动力与AVL联合设计,可以实现“发动机+变速器+驱动桥+电力测功机”等多种配置的测试系统,可以完成中重型商用车、客车等车辆的整个动力总成系统的开发和优化匹配试验,包括经济性试验、动力性试验、匹配及可靠性试验等,也可以完成发动机标定和自动变速器标定,还有发动机及自动变速器的集成优化匹配标定试验,被试件功率范围100~600 kW。

 

关注前沿,开展NVH优化研究

作为一项前沿技术,NVH的研究代表着潍柴动力的技术软实力。在这方面,潍柴动力重金打造了国际一流的NVH试验室,通过与AVL、西门子LMS等国际知名企业联合开发,依托最先进的半消音室,依托西门子NVH解决方案(LMS Virtual.lab仿真软件、LMS Test.lab测试软件及SCADAS数据采集设备),还有专业的人才队伍,对柴油机进行NVH开发及优化提升。

对于具体的NVH优化开发工作,潍柴动力股份有限公司技术中心NVH室负责人文志永先生介绍说:“NVH开发主要包括仿真和试验分析两种手段,其开发工作贯穿于柴油机的全生命周期。以WP3柴油机NVH改进提升项目为例,从前期市场调研、概念设计和布置设计,后续的详细设计、样机开发,直至后面的市场验证、批量生产及产品维护,整个开发过程中,我们借助西门子LMS Virtual.lab、LMS Test.lab及SCADAS设备进行了大量的NVH仿真和测试分析工作,最终使得WP3柴油机的NVH水平非常优异——怠速噪声76dBA、标况声压级95 dBA,全运行工况具有良好的声平顺性和很低的振动能量,整车匹配完成后,驾驶室内噪声低于52 dBA,达到进口高端车水平。”基于相同的开发方法和流程,其WP4.1柴油机整机噪声下降2~3 dB,驾驶室内噪声下降1 dB,整车通过噪声下降1.5 dB,被业内赞誉为“最安静的发动机”。

据了解,LMS Virtual.Lab是一个开放的仿真平台,它实现了与CAD、CAE和试验的无缝连接,为多学科设计分析团队提供了非常理想的工具,它能成倍提高增值设计时间,并且将总体开发周期缩短30%~50%,从而可以更快地完成产品开发,为市场提供更好的产品。LMS Test.Lab则是一整套的振动噪声试验解决方案,是高速多通道数据采集与试验、分析、电子报告工具的完美结合,包括数据采集、数字信号处理、结构试验、旋转机械分析、声学和环境试验,同时它也是一个应用开发平台。

“对于我们NVH开发的实际工作来说,如何实现仿真、试验相结合,试验数据、仿真数据的无缝连接至关重要,这也正是西门子NVH解决方案的最大优势,使得NVH开发变得方便且高效。特别是LMS Test.lab,可以完成零部件振动评估、疲劳考核、声频分析和结构优化,柴油机整机可以进行振动、噪声、扭振测试、声强测试、声源贡献量分析、动力总成转动惯量测试、整车悬置系统TPA以及整车加速通过噪声测试等,此外还可以进行整车匹配、整车试验、评估等工作。”文志永先生表示,“随着潍柴业务的增长和新研发项目的需要,我们会继续与西门子LMS更加紧密地合作,更好地支持发动机产品的创新与升级。”

 

面向未来,迎接行业挑战

行业挑战不断提高的同时,各种新技术也在不断发展和进步,极具创新能力的潍柴动力,未来技术发展方向有哪些规划呢?对此,李勤博士最后分享了他的观点:“未来发动机技术仍然是以排放升级为中心,同时做好发动机可靠性、燃油经济性、动力性等方面的工作。国6以后的排放法规有个鲜明的特点,就是加强了对在用一致性方面的要求,这就对生产一致性、在各种工况下排放控制的精度提出了更高的要求。我们最近几年持续进行了一系列生产一致性的攻关工作,并且将它定为高端发动机的关键性指标,取得了明显的效果。以上止点信号精度为例,其偏差已经控制在0.3°以内,满足了对发动机原始排放控制的要求。随着排放法规的不断严格,这方面的工作会持续进行下去。此外,为了保证在各种工况下的排放控制,就要在必要的时候,提高排温,因此,热管理的优化也将是今后发动机排放升级的关键技术。最后,从产品方面来说,我们正在开发H2发动机,以更大的排量,实现更低转速下更大的低速转矩。再配合集团内兄弟公司的法士特大转矩变速器和汉德小速比后桥的开发,将为用户提供新一代节能可靠的动力总成,迎接低碳时代的挑战!”