随着插混和增程的火爆,发动机的热效率之争成为少有的从燃油车时代延续到新能源汽车时代的竞争点。
NE时代曾在北京车展前夕对发动机热效率技术展开了一波盘点(发动机热效率跃升之路:领军品牌技术揭秘与效能突破盘点),其中提到“长安新蓝鲸超高压直喷混动专用发动机,凭借全球首发500bar的超高压燃油喷射系统、1.45行程缸径比以及150mJ高能点火技术,量产热效率达到了惊人的44.28%。”幸运的是,在这次车展,NE时代直接与“全球首发500bar的超高压燃油喷射系统”的制造商进行了对话,进一步了解他们面对低碳未来的解决方案。
这家制造商就是PHINIA。
PHINIA,中文名称为费尼亚德尔福,前身为德尔福科技,乃是博格华纳对德尔福科技收购后拆分出来的燃油系统和售后市场业务。
PHINIA在车展上秀出了三大创新技术及产品。
其一,全球首个量产的德尔福 500bar 汽油直喷 (GDi) 燃油系统。
500bar 汽油直喷 (GDi) 燃油系统,是PHINIA三大增长支柱之一的内燃机及混动业务的重磅产品。
该GDi燃油系统能显著减少排放,降低油耗,使燃油车在实现国六B达标的同时,积极应对下一阶段国七排放标准。在满足法规要求的同时,这款系统无需花费重金来重新设计发动机。
500bar GDi燃油系统由喷油器、高压油泵、锻造共轨以及相应的发动机控制系统与软件组成。压力容器经优化,油轨接口获改善,电磁力增加30%,令新型喷油器性能得到提升,进而提高了供油精度。高压燃油泵采用体积更小巧的创新型活塞,可提供更高的压力,且不会增加发动机凸轮轴的负荷。新型锻造油轨用材减少,重量减轻25%,但依然能承受住更高的压力。
实际案例表明,新蓝鲸动力平台采用PHINIA 500 bar 超高压燃油系统后,燃油颗粒直径达到千分之一毫米级,相比较行业常规的 200 bar或者 350 bar 燃油系统,油滴直径减小20%,每一滴油都能与空气充分接触和混合,实现发动机的洁净燃烧。在不使用微粒捕捉器GPF的前提下,新蓝鲸混动专用发动机就可满足国六b-RDE排放法规要求。
国六b于2023年7月颁布执行,被称为史上最严排放法规。而正在讨论制定的国七排放法规将进一步加严,这将对汽车排放控制提出更大的挑战。
其中最明显的挑战在于,国七标准则在国六b标准上进一步收紧,计划对PN排放提出更为苛刻的要求:可能将PN排放的测试范围由 >23nm扩展到 >10nm。
PHINIA表示,他们已经拿到了两个国七排放项目,车重在2000kg~2200kg,在采用了500 bar燃油系统后,PN排放可做到法规的20%以内,而且可将GPF取消,实现成本上的收益。
与PHINIA所有GDi技术一样,该系统完全兼容全球各种类型燃油,从而快速适配所有汽油发动机平台。整套系统无需高昂的代价来调整发动机设计,这又进一步为客户带来价值。
其二,软件
PHINIA对于ECU的软件开发、系统集成及标定的开发实力,支持燃油系统的精准控制。
下一代ECU软件集结了功能安全与网络安全于一身,并可以整合开发ECU发动机控制单元+TCU变速箱控制单元+VCU车辆控制单元。另外,该ECU能涵盖远程启停、定速巡航系统、可变车速限值等功能。
集成式的控制系统,同样反映并满足了下一代EEA架构的发展趋势。
其三,氢气发动机和可替代燃料
在可替代燃料领域,氢能具有来源广、燃烧热值高、能量密度大、可储存、可再生、可电可燃、零碳排等优点,属于可再生二次能源。对构建清洁低碳安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标,具有重要意义。
PHINIA的氢气喷射系统全套解决方案包含低压、中压、高压氢气燃油喷射系统解决方案、氢气内燃机配套零部件解决方案以及氢气内燃机控制系统解决方案。该套喷射系统采用缸内直接喷射的系统架构,具备没有回火风险、喷射压力高、流量大、接近原机的功率水平,更高的充气效率等优势。
另外,对于闪点温度高和腐蚀性的乙醇E100,PHINIA针对歧管喷射,开发了加热喷嘴系统,改善乙醇发动机的冷启动和低温排放;针对缸内直喷,开发了350bar乙醇专用喷嘴和高压油泵。
在车展的第二天,费尼亚德尔福工程总监周林更是联合长安新蓝鲸混动项目开发经理王显刚博士、Dear Auto创始人总编辑汪云青等业内专家“擎聊未来”,共同探讨:
当前的新能源汽车市场有哪些新的变化?未来几年可能有哪些新的趋势方向?作为汽车当中最为重要的心脏,也就是汽车的动力引擎,未来又将何去何从?
Q:这几年中国新能源汽车市场如火如荼,但大家可能都注意到了,欧美在电动汽车方向似乎是踩了刹车。哪位老师来谈一谈你们是怎么看待这一现象的?
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长安汽车王显刚:这个是网上一个比较热门的话题,网友们也都纷纷发表了各自的看法。有的网友认为中国新能源很厉害,吊打欧美,欧美玩不过所以踩了刹车,当然也有的网友担心新能源路线是否正确。我个人的看法,从用户视角来看这件事情,从用车的便利性和成本等方面来看,在国内,充电基础设施发展很快,用户充电便利性提升很快,另一个就是使用成本,国内当前环境下,用电的成本确实比用油要便宜的太多。但充电的便利性和用电成本低这两个条件,在欧美市场和中国有比较大的差异,这可能是阻碍新能源在欧美发展的一个重要因素。
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DearAuto汪云青:这是正常的市场调整。之前欧美尤其是欧洲对纯电动车的市场判断和市场实际表现出现了非常大的偏差,实际销量远没有达到原先的预期,这种情况下做出调整是明智的,也是必要的。纯电动车有许多优点,但是它的致命短板依旧没有得到真正解决,就是出行自由度受限。而出行自由度是私家车的核心商品价值。这种情况下,纯电动只适合有条件的家庭作为第二台车去购买。也就是说,纯电动车的市场占比是有上限的,这个上限在不同国家不一样,在欧洲可能高一些,在美国就很低,在中国其实应该更低,因为有条件安装私家充电桩,以及同时拥有两台以上车的中国家庭其实很少,但中国因为政策原因,现在反而纯电动的占比更高一些,不过这是不可持续的。
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PHINIA周林:站在PHINIA的角度,我们一直坚信内燃机有很强的生命力。从2023分拆后我们专注于内燃机相关产品开发,在去年我们也通过实际的业务发展感知到了欧美电动车发展的放缓, 我们拿到了很多新业务,这一点也可以通过PHINIA的在华尔街股票表现可以看出。背后的原因肯定是多方面的,最终还是企业根据市场的实际情况调整发展战略,就像汪老师说的,充电基础设施确实是制约电动车在欧美进一步发展的一个很重要因素。
Q:不同的区域市场有不同的发展策略和市场表现,单就中国而言,新能源车市场的整体渗透率一直在增长,但仔细探究的时候,你会发现,纯电汽车在2023年的渗透率增幅有所下降,反而是混动和增程,也就是PHEV+REEV,它们的渗透率增幅是有所上升的。各位觉得是什么原因呢?大家预计2030年EV和PHEV的渗透率会是什么样的?
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长安汽车王显刚:我认为主要是纯电车型的里程焦虑导致的,尽管纯电车型的电池不断发展,续航里程也在不断增加,但是用户对充电的便捷性和里程的焦虑仍然制约了对纯电车型的选择。
反观混动车型,也就是PHEV和REEV,从政策角度看,它们都是新能源车型,新能源车型的优惠政策都能享受。
从用户视角和产品视角来看,它能够比较好的满足用户的需求和体验。
我们首先把PHEV和REEV与燃油车型做个比较:在经济性方面,混动车型能够充电,比燃油车使用成本要低很多,即使是匮电情况下烧油,它也比燃油车有更低的油耗,尤其是在市区行驶;动力方面,混动车型也比燃油车的动力性要好,尤其是加速过程;驾驶性方面,混动车型有电感,比燃油车更加平顺,驾驶性更好。
PHEV和REEV与纯电车型比较的话,同等条件下,它比纯电车更便宜,还有动辄超过1000公里的不打折的续航能力。所以简单的说,PHEV+REEV渗透率上升的原因就是因为:和纯电车比,它更便宜,没有里程焦虑;和燃油车比,它是新能源,能够享受优惠政策,比燃油车有更好的动力性、经济性性、驾驶性。
其实市场是很难预计的,它受到用户需求、国家政策和各厂商战略等多重因素的影响,而且这些因素之间还是复杂耦合在一起的。但是总的来说,新能源车型不断发展的趋势肯定是不会变化的。
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DearAuto汪云青:原因很简单,就是我前面说的,中国的绝大多数家庭不具备同时拥有两台或更多车型的条件——有的是因为经济能力,有的是因为使用条件,比如在很多城市里,车位太贵了。另外,中国和欧洲不同,幅员辽阔,人员流动性大,跨省长途出行的频度更高,这种情况下,插电混动显然更有优势——它兼具了纯电和混动的优势,没有出行自由度上的局限,同时,匮电也比纯燃油更省油;而且在电池安全性上也天然地比纯电更有优势;成本上也较纯电更有优势。
Q:刚才大家谈到的混动和增程,都还是有发动机的,一些车企还专门开发了混动专用发动机。在这一块的核心技术,我们在费尼亚的展台上也看到了全球领先的燃油喷射系统。基于目前的发展趋势,PHEV和REEV的车型,对发动机有什么新的要求,或者说混动专用发动机有什么要求?对燃油喷射系统这样的关键零部件,提出了哪些新的要求?两者需求的差别又在什么地方呢?
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长安汽车王显刚:大家可以看到,混动和增程的快速发展,对发动机提出了新的需求,各大厂商都纷纷开发了混动专用发动机。比如长安汽车就开发了新蓝鲸混动专用发动机。
具体到混动专用发动机的新需求:在整车匮电状态下,发动机运行的转速范围缩小、低端扭矩和最大功率需求下降,工况更加集中在高效区域,最高热效率重要性凸显,简言之就是运行范围窄了,最高热效率需求高了,这也是现在大家不断竞争最高热效率的一个主要原因。
那么应对这种新需求,混动专用发动机开发的时候要做两件重要的事情:一是在燃烧系统、摩擦设计、进排气系统、冷却系统、润滑系统、点火系统、后处理系统和起停策略等方面,要面向混动专用需求进行设计;二是需要从理论热效率、燃烧损失、传热损失、泵气损失、摩擦损失等多维度,结合混动专用发动机运行特征,提升最高热效率。
具体到燃油喷射系统这样的关键零部件,混动发动机也提出了更高的要求,毕竟喷射系统直接影响燃烧,影响最高热效率,也影响排放。比如长安最新开发的新蓝鲸混动专用发动机,就使用了费尼亚的500bar喷射系统,这样高的喷射压力,可以让燃油雾化效果更好,燃烧效率更高,最终达成高热效率的要求。长安新蓝鲸混动专用发动机达到44%以上的热效率,这里面费尼亚的500bar喷射系统也有很大的作用。另外就是降低颗粒物排放的需求,500bar喷射系统配合优秀的燃烧系统设计,可以不适用GPF满足国家排放法规,对用户来说也是好事情,可以避免了冬季GPF堵塞的风险。
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DearAuto汪云青:我的补充:混动和增程,对发动机而言,其实也是一次机会。因为电机的存在,发动机不再需要重点考虑动力,尤其是低转速(起步阶段)时的动力输出,可以最大可能去追求效率。因此我们看到混动专用发动机的最高热效率一再刷新,新蓝鲸动力的预研最高热效率已经达到了47%,如果不是和电机结合,这样的发动机是无法应用在车上的。
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PHINIA周林:刚才两位到谈到了混动和增程发动机都要求更高的效率。发动机的高效,清洁对燃油系统也提出了更高的要求。具体到燃油喷射系统,PHINIA针对混动发动机推出GDi 500bar 超高压喷射系统,更高喷射压力,带来更好的雾化混合,燃烧更加充分,在燃油经济性和排放上都有较大的提升,特别是在PN排放上降幅超过50%,这样整车可以在后处理上进行简化,在系统上为客户优化了成本。同时在轻量化和NVH上我们也做了一些优化。
Q:对于发动机来说,最关键的就是ECU了,它是发动机的大脑,它的系统能力,这包括系统集成能力、软件模型开发能力、标定能力都非常关键。这一块,目前的发展趋势是什么呢?
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长安汽车王显刚:硬件上,发动机的控制器有和其他控制器集成化发展的趋势,比如长安新蓝鲸混动专用发动机采用的PDCU动力域控制器,就是集成了PCU、TCU和ECU,硬件的集成化发展,降低了硬件系统的复杂性,提高了控制器的控制效率和稳健性。
软件上,一个重要的发展趋势就是要针对混动的使用特点,需要开发很多新的功能需求。我举个例子,混动车型它的发动机启停次数要比传统的燃油车多很多,那么针对启动和停机就要开发新的功能。比如,原来的燃油车,发动机启动就是靠启动电机把发动机拖到两三百转,然后发动机靠自己喷油点火燃烧把转速拉上去,到了混动时代,P1电机很强大,启动过程很容易,我们直接就把发动机拖到1000转,然后再喷油点火。这个策略完全不一样,所以软件也要适应开发。
标定能力,我认为主要是现在市场竞争加剧,开发周期越来越短,要求我们采用平台化模块化的标定,在一个车上标了之后,要能够快速移植到后续车型上。后续只需要做差异化的标定和检查验收,快速完成标定工作。
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PHINIA周林:PHINIA作为一个系统供应商,在ECU系统上具有丰富的经验。最近几年整车电子电气架构发生了很多变化,发动机控制器ECU我们也在不断的发展,我们在行业内和长安率先量产了PDCU域控制器 (ECU + VCU + TCU) 集成。这种控制系统的集成化,也反应了当下的汽车电子电气发展的趋势,在硬件上节省成本,在软件上进行了平台化开发,采用AutoSAR架构大大减少了开发工作量和缩短开发时间,同时质量更加可靠。在功能安全和网络安全上,我们达到了行业领先水平,
Q:碳中和的大背景下,大家不仅卷电动车,还卷出了可替代燃料,包括氢能、甲醇、乙醇等等,目前这些领域的技术能力和产业化发展,各国是不是都有不同的状况呢?对于可替代燃料的未来发展,大家又有怎样的期待和展望呢?
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长安汽车王显刚:替代燃料这块,其实更多的取决于燃料供给的基础设施的发展,发动机其实是能够针对这些替代燃料做出快速的适用性开发的,当然我相信燃油供给系统,高压油泵喷油器这些零部件,费尼亚肯定也有针对替代燃料的技术方案。比如氢燃料发动机,长安就有预研,试验室里也有样机在做试验。乙醇燃料,以乙醇汽油这种方式发展的很快,其实我们国内很多地方的燃油已经是E10,这种混合燃料的方式,不需要建设新的燃料供给基础设施,发展就很快。
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PHINIA周林:在替代能源的发展上,各国都有不同的侧重点,这可能取决于各国实际的能源分布情况。比如巴西,甘蔗比较多,所以乙醇比较丰富。印度短期更加侧重于天然气。欧洲特别是在商用车领域氢气发展比较迅速。这就说明各种能源在不同地区或者时期都有其优势。我们认为能源一定是多元化的,除了电力驱动的车辆外,一定会长期存在大量的替代能源,可再生能源驱动的车辆和设备。前段时间我刚参加了世界内燃机大会,行业内共识明确内燃机要向低碳,零碳方向发展,PHINIA在氢气,甲醇,乙醇领域积极布局,2024年会全球量产第一个氢气发动机项目,乙醇产品在巴西建有工厂,率先推出乙醇高压缸内直喷系统,甲醇上在低压和高压直喷上都在开发。
Q:在如今百家争鸣的卷王时代,我们相信各家的供应链的压力都非常大,想了解下大家都如何应对这种压力?又各自在本地化上有哪些成就?
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长安汽车王显刚:是的,现在竞争很激烈,市场瞬息万变,我们主机厂的保供压力确实很大,这个是外部环境导致的。具体到动力系统,尤其是发动机,现在都是平台化和通用化产品,一套动力搭载很多车型,一旦供应链出现问题,会造成很大的影响。所以我们的采购部门,都在不断的预判和审视市场需求量、以及各零部件供应商的产能和质量情况,同时针对有风险的一些零部件做好应对的预案,该提前做替代方案的就要提前做起来,这个是我们日常的重要工作。
另一个措施就是刚才提到的本地化策略,我们也在做,我们不光分析一级零部件的本地化情况,我们其实也关注二级零部件的本地化情况,我们也会做一些纯本地化的方案,提前应对可能出现的一些极端情况。
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PHINIA周林:这种压力传导的非常迅速,我们也压力巨大。作为技术人员,我们更多的考虑的是在技术上怎么通过创新来优化成本。这也回到了刚才的例子,我们和长安一起推出GDi 500bar, 可能燃油系统本身并没有降低成本,但是通过系统优化,我们在整车系统上,为客户带来了价值。除了产品创新,本地化是PHINIA持续保持竞争力的另一大优势。我们很早就在本地进行生产,这几年我们的国产化率不断提高,甚至很多特殊原材料上也和国内企业联合攻关取得了突破,同时国产化提高了交付的灵活性,缩短了交付后期。
Q:刚才大家提到了全球各大区域的市场情况,汽车产业的确是一个高度国际化的领域,这几年我们的汽车出口也增长比较快,2023年比2022年增长了约57%,未来大家觉得这样的增长趋势还会持续吗?与此同时,各个国家及地区的排放法律法规不同,对于产品的要求肯定会有差异,我们如何去应对这些挑战呢?
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长安汽车王显刚:海外出口趋势是一个快速发展的方向,我们认为会持续增长。长安汽车也发布了海纳百川计划,向海外进军,还在海外投资建厂进行生产。
其实应对海外市场,主要是要考虑各个市场的不同情况,对产品进行适应性的开发。具体到动力方面,其实有以下几个大的因素需要考虑:一个是能耗法规,不同国家对能耗要求不同,比如有的对积分、抽检有要求,有的把能耗水平和消费税挂钩;第二个是排放法规,不同国家的法规不一样,测试循环和标准都有差异。第三个是环境适应性,主要是极热、极寒、劣质油品、灵活燃料等,发动机需要进行适应性开发,提出多方案应对策略。第四个是防腐蚀的标准,不同的国家地区要求也不同,这些都是出口海外是要考虑的因素。
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DearAuto汪云青:出口肯定还会继续扩大的,因为中国的汽车产业竞争力上来了。但是在继续扩大出口的同时,中国汽车在海外遇到的阻力或者竞争也会随之上升。要继续扩大出口,不能单纯靠“卷”,这是没有出路的,20年前的摩托车就是例证。还是要靠技术创新、靠产品价值的提升,靠品牌力的一点一点提升,才是可持续的发展之路。
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PHINIA周林: 我们观察到出口的国家和地区越来越多,而且出口目的地也逐步从发展中国家为主(南美,东南亚)逐步开始涵盖欧美等汽车发达国家。各地法规的差异性首先对产品开发带来了巨大的挑战,怎么在短时间内满足不同需求。PHINIA作为全球化的公司,我们有着均衡的布局,在很多项目上我们通过全球合作来进行开发。发动机和车辆的基本开发有国内团队负责,在各个主要地区我们有相应的专家团队来支持最后的验证和法规认证。