2006年国际SAE年会及汽车动力系统研究进展

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35000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1619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12006年SAE会议论文的研究领域分布领域论文数(篇)领域论文数(篇)汽车电子255材料351排放与环境187动力系统382管理与市场7汽车安全与测试331表2动力系统论文按研究方向分类研究方向论文数(篇)研究方向论文数(篇)先进混合动力系统27氢气内燃机8燃料电池应用11汽油机和柴油机的建模32柴油机代用燃料12发动机多维模拟14发动机的气缸活塞总成9新柴油发动机和部件5燃烧和流动测试诊断12新汽油发动机和部件设计20压燃的燃烧过程14涡轮增压技术5柴油机燃油喷射和喷雾19SI发动机着火与燃烧17直喷汽油机技术13发动机冷启动和瞬态排放与控制4发动机电子控制41变速器和动力传送系统39发动机润滑和轴承系统8可变气门执行器7热和流动的基础理论进展4其它12HCCI燃烧49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HCCI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。1.2SAE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、SWRI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平台,使相关信息得以电子化管理,极大地提高了工作效率。首先,采用了网络平台的登记注册系统,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全球化平台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、高效的学习交流环境。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平台,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(HCCI)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平。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HCCI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大学利用平面激光诱导受激态荧光(PLIEF)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)。RCCI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HCCI技术论文中着眼于产业化的HCCI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HCCI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HCCI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OakRidge国家实验室利用火花点火辅助实现SI/HCCI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技术产品化的最大障碍,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HCCI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(premixedchargecompressionignition,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2000K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(SIEngine)燃烧技术火花点火发动机近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(SI2DI)、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(GDI)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GDI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