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内燃机发展寻求突破可靠性技术是软肋

2015年07月14日 14:59

 

本刊记者 陈琼
 
“我国是内燃机产销大国,但与国际先进水平相比,却仍然称不上内燃机强国,其中最大的差距是可靠性。”潍柴动力股份有限公司副总裁佟德辉,在近日第四届内燃机可靠性技术国际研讨会上,一针见血指出了我国内燃机发展的软肋。
 
“可靠性是内燃机产品的核心竞争力之一。”业内人士介绍,一些国外技术水平并不太高的产品却能够长期占据国内相关配套领域的高端市场,凭的正是可靠性这一指标。
 
那么,我国内燃机产品,与世界发达国家的差距到底有多大呢?中国内燃机工业协会常务副会长兼秘书长邢敏告诉本刊记者,我国核心技术还落后国际先进水平十五到二十年。其中,国际先进发动机的升功率大于100kW/L,而我国正在开发的新技术为80kW/L;欧洲汽车发动机排放标准已升级到欧Ⅵ,我国刚进行到国四。
 
佟德辉以车用柴油机的B10寿命为例介绍,美国柴油机基本在150万公里,欧洲柴油机为120万公里,我国柴油机平均仅有80万公里。
 
是什么原因导致可靠性技术的落后呢?一汽技术中心发动机部机械开发室主任蒋文虎向本刊记者分析:其一,目前虽然各企业较以前更重视可靠性,但可靠性流程体系仍不健全,软硬件投入仍不足;其二,可靠性工程技术和工具应用不足,在整车开发中可靠性开发仍停留在解决故障的阶段,比如DFMEA等工具在诸多企业仍流于形式;其三,可靠性人才缺乏,这一人才不同与设计和试验人员,必须具备专门的特点,比如有较强的统计学基础和数学基础,然而很多企业没有可靠性岗位,由质保工程师或试验人员兼职做了一些可靠性工作。
 
国家信息中心信息资源开发部主任徐长明指出,近几年,我国汽车产品高端化的趋势非常明显。主要有三方面原因,一是人均GDP快速增长,导致人们购买能力提升;二是我国经济已经结束要素驱动进入效率驱动阶段,即将开始创新驱动,汽车的价格竞争时代已经过去了;三是环保和能源压力越来越大,标准加严,推动汽车产品必须不断升级。
 
由此可见,可靠性不只是影响生产企业的形象和市场地位,更是汽车行业最为倚重的关键所在。尤其在当下,汽车市场竞争态势日趋激烈,自主品牌的主要竞争对手直接是国际跨国汽车巨头。随着中国用户素质和要求的提升,可靠性问题成为自主品牌汽车企业的命门,甚至是企业能否杀出重围、脱颖而出的根本。
 
在节能减排发展的今天,内燃机的可靠性技术提升显得尤为重要。“节能减排对内燃机总体技术趋势要求是‘三高’,即高喷射压力,高爆发压力,高平均有效压力,这就给内燃机可靠性带来了诸多挑战,例如要求具有承受高机械负荷、高热负荷的材料,并且性量化的结构设计,整机及应用的可靠性,同时还要求能够进行寿命预测的智能控制技术,这都是内燃机可靠性面临的新挑战。”内燃机可靠性技术国际创新联盟秘书长、潍柴动力产品规划部部长李云强介绍说。
 
提高发动机的可靠性,提高整车的可靠性,是建设汽车强国之所需,是实现“中国制造2025”之必须。
 
中国内燃机工业协会副秘书长、中汽协会车用发动机分会常务副秘书长葛红告诉记者,近年来行业和企业在可靠性技术研究和应用方面也做出了诸多努力。主要体现在以下几方面:一是行业搭建平台,推动可靠性技术发展。2011年7月至今,中汽协会车用发动机分会联合相关行业单位已连续举办了四届内燃机可靠性技术国际研讨会,每次研讨会都凝聚了国内外在内燃机及零部件可靠性研究领域卓有成效的专家、组织和单位,共同探讨交流这一领域的相关问题,为我国内燃机行业可靠性技术创新和发展起到了积极的推动作用;二是发挥龙头企业作用,带动可靠性技术研究和应用。由潍柴动力联合麻省理工学院、威斯康辛大学、清华大学等19家国内外知名高校、机构及企业组成的“内燃机可靠性国际技术创新联盟”在可靠性基础研究、发动机整机性能提升、尾气排放净化、材料失效分析等可靠性重点领域取得了显著成效,目前正在开展中合
作项目就有31项。
 
她表示,希望通过研讨会形成更多行业共识,实现更富有成效的合作,以着力提高内燃机可靠性和节能减排水平,协力配合、共同徐进汽车工业更好、更快、更健康发展,为“一带一路”提供更可靠、环保的动力,实现汽车工业强国之梦。
 
【专访】
 
跨越信息鸿沟破解技术难题
 
(以下可靠性技术的研究与趋势问题)
博世汽车柴油喷射系统有限公司工程测试部高级主管 钱立彬
 
《汽车纵横》:博世的内燃机技术较为前沿,在可靠性技术开发上有哪些发现?
 
钱立彬:柴油喷射系统产品,通过可靠性工程,进行可靠性需求分析、仿真计算、健壮性验证、耐久性验证、客户验证和产品可靠性跟踪等一系列工作。
 
例如,在产品健壮性评估过程中,通过基于载荷分析的健壮性试验,可以验证柴油喷射系统部件对油品润滑性的健壮性、对油品颗粒污染的健壮性以及对极端运行条件的健壮性。最终,通过零部件试验、系统耐久性试验、整车试验等客户验证过程,形成高质量和高可靠性的产品。
 
奥地利李斯特内燃机及测试设备公司项目经理 IlonaWeber
 
《汽车纵横》:李斯特是世界三大权威内燃机研发机构之一,在系统开发方面有哪些好经验?
 
IlonaWeber我们认为,对一个系统的开发,需要关于该系统使用惯例的深入知识。系统的关注点在各种不同车辆类型中典型的使用情况,车辆的使用惯例决定着动力系统的使用情况,而不同的参数会影响到车辆的使用情况。
 
在我们的开发过程中,对于发动机及其零部件而言,一个负荷分布情况分析应当给出特定部件的特定负荷细节。通过负荷曲线分析,可以尽早地获得相关部件的负荷信息,并且在项目早期即获取较好的负荷评估及系统使用情况评估,以保证开发的进展和布局的精确性。
 
潍柴动力发动机技术研究院副院长 张展腾
 
《汽车纵横》:作为柴油发动机的核心——电控共轨燃油系统,其磨损诊断与发动机可靠性有着密切的关联。潍柴在这方面有哪些研究?
 
张展腾:在对喷油器所做的基于转速震荡的喷油器喷孔磨损控制分析软件中,当喷油器由于颗粒磨损造成喷孔变大时,相应的软件可以识别喷孔的磨损量,并对实际喷油量进行修正以保护发动机,并可根据喷孔磨损的程度进行相应的提示。通过从设定喷油量到喷油量预估、喷油器磨损量分析、修正MAP自学习、修正因子、外特性油量修正,直至发动机保护的策略架构,可形成喷孔磨损后的应对方案。
 
《汽车纵横》:能否举个例子?
 
张展腾:当喷孔磨损程度较小时,可通过限制发动机外特性喷油量在合理范围内,防止发动机的损坏;而当喷孔磨损程度较大时,发动机的排放及性能恶化较严重,此时通过限制喷油量已不能有效改善时,则进行OBD亮灯或进行限制扭矩的措施,并提示更换新的喷油器。
 
一汽技术中心发动机部机械开发室主任 蒋文虎
 
《汽车纵横》:为了满足排放法规的要求,企业在产品技术更新换代时,往往注重产品性能开发,而忽略了产品可靠性的研究。一汽如何看待这个问题?
 
蒋文虎:明确发动机可靠性与耐久性的定义与评价指标,是发动机可靠性开发的前提。一汽在发动机产品开发的策划阶段,要求详细定义出发动机的失效曲线,即在策划阶段就已经可预知发动机的可靠性水平。
 
《汽车纵横》:能否介绍下具体是怎么做的?
 
蒋文虎:在一汽基于失效模型所进行的零部件可靠性目标分解模型中,对失效原因进行分析判断,如结构性设计原因、供应商技术与质量控制水平、材料不当或工艺不满足设计要求以及潜在失效分析等多个方面。
 
《汽车纵横》:失效率是一汽格外看重的指标吗,为什么?
 
蒋文虎:是的。因为市场真实的失效率曲线是评价发动机开发及质量保证体系的标准,同时也是下一代产品开发的输入,而全生命周期发动机可靠耐久性开发、发动机的改进、升级、换代是不断修改失效曲线的过程。
 
《汽车纵横》:请介绍下整车可靠性面临的问题和今后发展方向。
 
蒋文虎:因中国自主汽车企业面临的压力越来越大,每个企业都会加大力度提升整车可靠性水平,可靠性或者质量都会是各企业的战略发展之一。一汽已经在两年前提出了质量致胜战略,支撑质量致胜战略的要素之一就是可靠性工程。各企业都会加大力度对内部的流程、管理、技术和人才的投入。
 
目前是互联网+的时代,互联网、信息和大数据会改变传统的可靠性管理和技术,应该创新展开“互联网+整车可靠性”,车载故障与状态收集系统、实时回收载荷谱、建立区域故障模型,进行区域可靠性开发,互联网+可靠性工程技术将迅速使整车可靠性技术进入新阶段。
 
(以下为可靠性技术涉及的节能减排问题)
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室教授 帅石金
 
《汽车纵横》:有研究表明,提升发动机可靠性,可以较大程度延长发动机的使用寿命和排放耐久性,是这样吗?
 
帅石金:是的。柴油发动机的使用寿命根据其所匹配车辆类型的不同而不同。通常来讲,柴油车的载质量越大,对其寿命的要求则越高;欧洲第六阶段排放法规,对柴油机寿命的要求比第四、第五阶段要求则加严40%—60%;而在美国,2004年后的排放法规中,轻型、中型柴油机里程没有加严,但使用年限增加了两年,重型柴油机里程则加严了50%;中国的柴油机寿命要求则参照欧洲体系。
 
道依茨一汽(大连)柴油机有限公司副总工程师 李来群
 
《汽车纵横》:节能减排方针给为内燃机可靠性带来了哪些挑战?
 
李来群:我认为主要是三方面的挑战:一是排放性能生产一致性质量控制;而是,影响排放的后处理关键零部件可靠性;三是按国家相关标准严格进行排放耐久试验。
 
潍柴集团技术中心主任 李云强
 
《汽车纵横》:潍柴这些年在这一领域做了很多研究,能怎么看这个问题?
 
李云强:节能减排对内燃机总体技术趋势要求是“三高”,即高喷射压力,高爆发压力,高平均有效压力,这就给内燃机可靠性带来了诸多挑战。比如需要承受高机械负荷,高热负荷的材料,还要高可靠性、性量化的结构设计,整机及应用的可靠性,同时能够进行寿命预测的智能控制技术,这些均是目前内燃机可靠性面临的新挑战。
 
朝柴动力总设计师 贾贵起
 
《汽车纵横》:内燃机企业在节能减排中还需要做哪些调整?
 
贾贵起:内燃机产品为了满足国家节能减排法规要求,一定要提高燃烧压力、燃烧效率等,使得机械负荷热负荷大幅度提高,因此要求产品设计阶段就要相应地提高设计水平。这牵涉到整机方案设计、零部件结构设计,以及新工艺新材料的应用等。同时相对于传统内燃机,从国三阶段开始,又陆续增加了电控系统、EGR系统和后处理系统。从整机可靠性角度讲,零部件数量增多意味着所要从事的专项专题研究数量增多,因此要求内燃机生产企业要不断加大投入,提高技术创新水平。
 
部分知名企业研究动态及规划
朝柴
 
组建了产品可靠性技术研究室,配备技术水平较高、经验丰富的人员,同时聘请国外发动机企业长期从事可靠性工作的专家参加,专门从事可靠性技术研究和管理工作;
全面应用计算机辅助设计技术,设计过程优化,满足发动机对高的机械负荷、热负荷要求;
对于主要零部件进行先期单件专项试验台试验,如缸体、缸盖、曲轴等,
实现快速可靠性试验考核及确认,而对于其他一些辅配件,如起动机总成、发电机总成及一些连接件支架类零件等,则通过制定具有针对性的试验规范进行专项试验台试验考核;
收集整理可靠性相关数据,进行统计分析,提出改进措施并实施验证。
未来,东风朝柴计划将制定长期有效的产品可靠性增长计划,完善有关研究工作内容;开展产学研活动,借鉴先进技术和经验,以促进产品可靠性技术水平的大幅提升。
 
潍柴
 
潍柴围绕内燃机整机可靠性做了大量的工作,比如耐久性,负载矩阵实验设计;关键零部件可靠性研究,建立了机体、曲轴、连杆等机械疲劳,气门缸盖热疲劳试验手段,模拟进行疲劳试验;关键材料可靠性研究,适应高机械负荷、热负荷,轻量化的材料研究;整机应用匹配可靠性研究,开展道路载荷谱分析及研究,开展高原高温高寒的“三高”环境适应性研究等。
潍柴现有山东省内燃机可靠性重点实验室,也是内燃机可靠性国际技术创新联盟牵头单位,在中国内燃机可靠性工作方面走在前列,引领者内燃机行业可靠性技术的发展。
未来还将在内燃机关键材料、关键零部件,内燃机整机及应用匹配,整体智能控制方面进行更加深入的研究,使整机寿命及整车B10寿命达到发达国家的水平。
 
玉柴
 
为了降低整车的油耗,提高发动机的可靠性,玉柴针对不同的市场开发出了不同的产品。目前,在应用的柴油机最高热效率水平基本保持在43%-45%,未来的目标是提高到50%-55%。
玉柴认为,要提高发动机技术必须要有先进的燃烧系统、增压及空气管理、摩擦阻力的降低、发动机附件的优化、动力总成匹配优化等,这些玉柴都已经在着手开展,争取攻克更多的核心技术。
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