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内燃机仍将继续“燃烧”

发布时间:2022-09-13 23:47:03 来源:贝博网页登录 作者:贝博国际版 浏览:1次

  丰田与雅马哈联手研发5.0L V8发动机的氢燃料版本,为后续的氢内燃机项目指明了发展方向。(雅马哈)

  世界各地都反映出了这样一个信号:乘用车内燃机的时日不多了。大众汽车的首席执行官Ralph Brandsteatter在2021年初接受一家德国杂志采访时表示,大众汽车将效仿与其关系密切的奥迪,停止开发新的内燃发动机。2021年底,韩国的一份报告称,汽车巨头现代集团已经撤销了其发动机研发部门。与其他汽车制造商一样曾经专注于内燃机的梅赛德斯·奔驰于2021年7月宣布,从2025年开始,所有新推出的架构都将只采用电动技术。

  尽管那些声明似乎为内燃机下了最后通牒,然而几乎所有理性的行业专家都认识到,受到市场、法规及地区等因素的影响,用于轻型汽车的内燃机没有那么快退出市场。内燃机仍将在这些“最后通牒”之后继续为车辆提供动力,但我们需要新技术与新思维来对汽车行业推进系统进行转型。

  汽车与推进系统研发公司FEV北美的首席运营官Dean Tomazic认为,全球排放、燃油经济性法规及地区市场偏好将成为未来10年或更长时间内影响内燃机发展的主要因素。他表示:“在欧洲,我们现在探讨的是欧7排放法规,但还没有最终敲定。同时我们也在探讨加州的LEV IV(Low Emission Vehicles)低排放车辆标准。我们正在研究新的燃油经济性法规,关注环保组织,研究政客们的态度。的确有一些地区的官员表示:“我们不再需要柴油发动机了”,或是“从某年开始,我们不再需要任何内燃机了。”

  Tomazic表示:“考虑到这些因素,我认为在未来,我们和全球其他厂商需要关注微混、轻混、全混,以及插电式混合动力技术”,因为它们是可以继续使用内燃机的4种动力系统。他认为内燃机将在未来几年在两种配置中发挥重要作用:一种是传统高科技发动机,包括微混和轻混。另一种是Tomazic定义的“专用”混合动力发动机,更适用于全混和插电式混合动力汽车。

  Tomazic与其它业内人士都表示,内燃机不会像停止开发内燃机的声明所暗示的那样迅速终结。但随着电气化的迅猛发展,以及电动汽车在推进系统投资领域的优先地位,内燃机的研发似乎注定需要采取双轨方案:一方面继续降低排放,以满足日益严格的全球排放法规的要求。另一方面,利用现有的、久经考验的技术改进传统的发动机结构。

  随着汽车行业的成熟,量产汽车内燃机的燃油类型主要集中于汽油或柴油两种,发动机结构则集中于直列式或V型四冲程往复式两种。甚至最近已经在生产或正在考虑生产的“异型”架构,如转子发动机(汪克尔发动机)和水平对置发动机,都已经不再受到追捧。大多数推进专家认为,日益收紧的研发资源将基本用于现有的内燃机方案。

  AVL北美首席技术官Mick Winship表示:“到2030年,大家都津津乐道于电动汽车几乎50%的市场份额,但显然,另外50%的汽车仍将配备某种发动机,这个比例不容小觑。我认为将不会有重大技术革新出现,但现有的技术仍将不断发展。”

  AVL常规动力总成部门主管Thomas Howell补充道:“我认为,基础的现代发动机或许能够实现未来的减排要求,但仍需要通过研发达到法规目标。”他进一步补充道,一些正在逐步淘汰的旧平台将不得不退出市场,因为他们无法达到减排法规要求。

  这并不是说替代方案不再可行。不时有报道称,转子发动机的忠实支持者马自达将在新款MX-30电动汽车上采用转子发动机作为增程器,该车型的电池容量受到不少质疑。截至本文撰写之时,常驻美国的一位马自达主管无法证实马自达将再次在量产车型中搭载转子发动机(至少美国市场还不能确定)。马自达创新的Skyactiv-X压燃直4发动机也出现了类似的情况。这项技术已经在欧洲发布,但还未搭载在马自达在美销售的车型上。

  各种水平对置发动机的情况也一样,如颇有潜力的Achates Power 设计最终未能投产。与此同时,汽车制造商正努力削减发动机系列,以支持电气化发展。宝马已宣布淘汰V12汽油发动机。各种轻型柴油发动机的销量也在急速下降(2021年,福特悄然放弃了用于F-150皮卡的3.0L Powerstroke柴油机)。

  在痴迷卡车和SUV的美国,许多制造商已经开始减少供应V8发动机。有传言称,Stellantis甚至在准备推出直6涡轮增压发动机,以取代备受追捧的“Hemi”V8发动机。2021年夏季,据《华尔街日报》报道,IHS Markit预测当年新发布的发动机数量将少于10台,而且与前几年每年发布20-70台新发动机相比,“基本上已经下降到了零”。

  动力总成开发人员不再完全一致地认为混合动力系统将在大多数轻型汽车中普及。混合动力内燃机已经推动了内燃机的继续发展,这也是内燃机存在的理由。许多专家指出,如果没有混动系统,传统内燃机将无法满足世界上许多地区的燃油经济性和排放要求。

  AVL的工程师认为,如果混动汽车的内燃机采用并优化多种现有技术,可以将发动机的工作范围大大缩小,甚至小于现有“全混”车型中发动机的工作范围。这种专门设计的发动机的工作特性更像是一种“发电机”,而不是全里程发动机。实现这一目标的技术包括冷却废气循环、高压缩比以及长冲程等。

  AVL的Howell表示:“我认为有一个领域值得进一步研究开发,那就是汽油机的低压废气再循环技术(EGR)。该技术可能会发挥重要作用,AVL研发专用混动发动机已经有一段时间了。我们已经实现在11:1压缩比的发动机中,达到45%的制动热效率。该发动机使用了大量我们熟知的技术,但重点在于如何优化这些技术以实现目标。

  Howell解释道,实现该应用的关键技术是“非常高”的冲程缸径比,但挑战在于需要一个“新的”发动机。Howell表示:“鉴于内燃机的衰落,这项应用似乎不太可能成为欧盟和美国的主流,但是中国市场对此非常感兴趣。我们已经在中国市场开发了多个发动机平台。”

  FEV 的 Hybrid-BEV 平台具有 40 kWh 电池和内燃机“作为串联混合配置中的能量转换系统”;该公司将其视为世界某些地区潜在的 ICE 推进选项。(FEV)

  FEV的Tomazic认为,用于微混和轻混的内燃机与用于全混和插混的“专用”混动发动机在开发上存在差异。他指出,OEM的开发战略差异很大,“有的仅添加满足监管要求所需的技术,有的几乎把能投入的技术都使用进去。”他还指出:“能用的技术有很多。效率优化显然至关重要,否则你将无法达到法律规定的碳排放与燃油经济性目标。”

  他还指出有许多现有技术可以用来“改进”内燃机,尤其是“更高的冲程缸径比结合冷却废气再循环技术,可提高按化学计量燃烧的效率。”Tomazic补充道:“超过350bar的(燃料)喷射压力与预燃室的应用也很有潜力,它们可以使燃料变得非常稀薄,从而实现极低的氮氧化物排放。从尾气后处理的角度来看,这些技术也相当有益。”

  致力于延续内燃机寿命的研究也再次引发了业内对于替代燃料的零星关注,尤其是用于公路和非公路商用汽车的替代燃料。但是对于某些特定的轻型汽车,也存在一些有潜力的替代燃料。例如,由于氢能够从二氧化碳的中和过程产生,以及相对更容易改造内燃机的特点,氢作为一种零排放替代燃料再次受到了内燃机研究人员的关注。

  2022年2月,在电动汽车赛道上谨慎前行的丰田与雅马哈共同宣布,丰田已委托雅马哈将其量产5.0L V8顶置发动机改造成氢燃料发动机,此消息轰动一时。雅马哈对V8发动机的喷油器、气缸盖、进气歧管及其他部件进行了改造,最终实现了“在6800 rpm转速下功率最高达到450马力,在3600 rpm转速下扭矩最高达到540牛米(398英镑尺)”。

  一些OEM、商用发动机厂也在积极开展柴油发动机的氢燃料项目。动力总成和非公路机械制造商利勃海尔最近宣布了一项合作研发项目。该项目采用了原本为汽油发动机开发的预燃室喷射点火系统(MJI)。动力总成美国公司研究主管Mike Bunce在今年年初接受SAE媒体采访时表示:“困难在于,如何在不降低压缩比的情况下保证发动机稳定燃烧,以避免发动机爆震和预点火。我们与利勃海尔的共同研究表明,我们已经找到了解决方案。”

  据说奥迪的 HVO(加氢处理植物油) 柴油燃料可大幅减少当前生产的 4 缸和 6 缸柴油的二氧化碳排放量。它在欧洲的 600 个加油站有售。(Audi)

  另一种保留轻型柴油机的方式是奥迪在2022年初(承诺在2033年停止生产内燃机)所宣布的,即让配备V6柴油机的量产车型使用新型加氢处理植物油(HVO),即一种生物质转化为液体(BTL)的燃料。奥迪表示,除了能减少70-90%的二氧化碳排放外,HVO的十六烷值比化石柴油高30%。

  对于商用车而言,FEV的Tomazic表示:内燃机仍然是目前最好的解决方案,基础设施是现成的,能量密度是可观的。现在,如果我们想要实现燃料脱碳,改用氢气,内燃机是可以做到的。没错,发动机系统、发动机硬件、控制系统及后处理系统等都需要做出调整,但我们知道需要做什么。当然,我们还必须拥有氢气基础设施。”

  所有在本次会议正式发表出版的论文,都将会被Ei Compendex检索(EI检索)。

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