PUNCH Torino:可持续交通推进技术

挥不去的执着 2021-07-08 17:04:56

PUNCH集团于2020年2月份收购位于意大利都灵的前通用汽车全球推进系统工程中心,成立了PUNCH Torino。PUNCH Torino有700多名高素质员工(>70%工程师),拥有最先进的CAD,CAE和测试设备用于推进系统的开发,包括柴油、汽油、混合动力、电池与氢燃料发动机和燃料电池。公司不仅有机械硬件开发,还有包括硬件与软件的控制单元的开发,使PUNCH Torino在通用汽车集团旗下超过15年的时间里,重要专业技能取得卓越发展。


在PUNCH集团收购的第一年间,PUNCH Torino加强了与集团子公司PUNCH Powerglide(自动变速箱生产及开发领导者)和PUNCH Flybrid(动能回收系统KERS领导者)的合作。PUNCH Torino同时成立了三家新公司分别从事移动行业(TO.TEM)、人工智能(AI.TEM)行业及氢能(PUNCH Hydrocells)行业。其中,PUNCHHydrocells聚焦于氢生态系统与产业链相关氢能方案的研究及开发:生产、储能及布局分销(PSD)、燃料电池及氢燃料内燃机推进系统。


PUNCH Torino的“匠心”传承(如果匠心这个词能恰当描述一种领先的技术)是基于柴油机技术,包括硬件及控制。在过去与通用汽车合作的15年间,PUNCH Torino推出了11款发动机系列及3个自主开发的控制器系列,用于600多种车辆应用(图1)。在柴油发动机设计以及燃烧、后处理、主动热管理、混合动力和相关控制系统,包括针对欧盟和美国等最严格市场OBD方面获得深入而复杂的专业技术。


PUNCH Torino:可持续交通推进技术


图1-PUNCH Torino 业绩发展简介


巨大努力的结果在最近推出的新柴油发动机系列CSS(单缸最优策略)得到了体现,1.5升3缸,2.0升4缸和3.0升6缸模块发动机组合,从无到有。它们涵盖了最严苛的欧6D和美国Bin125排放标准的同时,对燃油经济性、驾驶乐趣和产品成本效益的特别关注一直是该项目的重点。使这些发动机能在知名品牌得到应用,例如在欧洲Opel/Vauxhall轿车(Astra,Insignia)和凯迪拉克高级SUV(XT4)等,及在美国雪佛兰全尺寸卡车和SUV(Silverado,Tahoe)、GMC(Sierra,Yukon)和凯迪拉克(Escalade)。


值得一提的是,让人关注的燃油经济性目标主要是通过聚焦整个效率链来实现的,包括:


-“轻量化设计”和使用轻型材料(例如,以铝合金材料全新设计的缸体取代前几代发动机的铸铁缸体);


-在减少摩擦方面投入了巨大的努力,在整体发动机设计本身以及同时引入了一系列创新零件,如钢活塞、连续可变排量机油泵(cVDOP)和主动热管理(ATM)。


-热效率的优化,通过准确选择主要燃烧参数(压缩比、涡流比、单缸排量、缸径/行程比等)和特定发动机标定,使后处理效率最大化的同时对燃油经济性影响最小化(参见图2新2.0升发动机)。


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图2-新2.0升4缸柴油发动机主要技术


图3所示的制动比油耗竞品分析报告可以看到这种对能效关注的结果,PUNCH Torino为通用汽车开发的3款新型CSS柴油发动机在竞争力方面进行了比较,突出了它们各自在其细分市场中的最佳水平。


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图3-新柴油CSS发动机BSFC在2000rpm x 2bar BMEP的竞品分析


PUNCH Torino的另一个非常有趣的特征是能够设计能有效制造的产品:尤其是1.5升和2.0升发动机,结构完全模块化,实际上是在同一条组装线制造的。在这种策略下,两款发动机:


•多个零件完全相同,即两款发动机使用同一种零件号的零件;


•其他零件类似,即相同设计理念及供应商,但重新调整了设计比例,例如考虑了排量比(油泵和冷却液泵);


成本效益得益于1.5升和2.0升的产量结合,也降低了工程、开发和验证工作量。总的来说,这一策略效果显著:两款发动机52%的零件是共用的,另外33%零件设计相似(图4)。


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图4-CSS 3 & 4缸发动机共用零件


另一个非常重要的点在于PUNCH Torino 的研发一直致力于进一步改善柴油燃烧系统以达到更低的排放水平,并且使其与替代燃料(可再生柴油和/或eFUEL)完全兼容,这是未来可持续交通的支柱,尤其是重型和商用车。


正如上段所提及的第一点研发工作(对于进一步改善燃烧系统以达到更低的排放水平),经过创新的活塞顶凹坑设计采用了3D元素(陡峭的台阶,径向唇等)通过CFD深入研究,然后使用以增材制造技术制造的样件在金属和光学单缸发动机上进行了测试(后者配备了用于燃烧过程实时可视化的石英透明窗口)。总的来说,结果是非常乐观的,具最近文献报道,由于径向混合区和后期碳烟氧化的概念引入,在减少废气微粒排放方面尤其取得一定效果(图5)。


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图5-具有3D元素的创新活塞顶凹坑设计


结合最先进的燃烧技术,如上图5所示(通过先进的CAE和制造技术实现),使用可再生和合成燃料有可能将易于使用和已验证的柴油技术与污染物和二氧化碳减排标准的宏伟目标相结合,以达到社会所需求的对生态系统保护的要求。


PUNCH Torino在光学单缸发动机上进行的一系列试验充分证明了这一点,在这些试验中,研究了费舍-特鲁普(Fisher-Tropsch)衍生柴油(FT柴油)和OxyMethyleneEthers(OMEx)混合物的影响(图6)。FT柴油是最有发展前景的efuel之一,因为可以从费舍-特鲁普(Fisher-Tropsch)合成的生物质捕获或直接空气捕获(DAC)碳可再生电力驱动。它是一种高十六烷值的石蜡混合物,不含硫,能燃烧,碳烟生成量极低。OMEx也被广泛研究,是含氧可再生燃料中最权威的选择之一,尤其是与碳捕获和储存(CCS)相结合时:它也是通过甲醇和甲醛的化学合成产生的-由可再生能源提供动力-从各种生物质菌株开始。


FT柴油和OMEx良好的化学特性-缺乏芳烃和燃料氧含量-可以实现低碳烟的燃烧过程,火焰亮度最小,OH活性非常高,燃料反应性和氧化速率较高。


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图6-利用可再生燃料实现超清洁柴油燃烧


就EFUEL而言,卓越的可持续燃料是氢,其分子中完全不含碳,是已知的最清洁的燃烧过程,唯一的污染物是极小量的NOx排放,并且可以通过稀燃后处理非常有效地控制到极低水平,正如在现代柴油机上的应用。氢既可用于燃料电池,也可用于内燃机,这取决于具体的应用目标和边界条件。燃料电池在未来的移动交通中的作用已得到公认,但氢内燃机仍然是一项新技术。然而,通过世界范围的显著努力,它们背后的技术正在迅速发展。值得一提的是,PUNCH Torino开发的超稀燃烧过程在功率密度、效率以及低NOx排放方面取得了非常有前景的结果。由于目前仍是小众市场应用,我们面临的挑战是开发一种可用于氢气燃烧的硬件,这种硬件在非常有效的同时,易于改造,然后使这项技术能够从小众市场应用发展到经济上可行的定制化和优化。


图7所示的是PUNCH Torino研究的一组点燃式氢燃料燃烧系统,包括进气道喷射(PFI)和缸内直喷(DI),以及火花塞和湍流喷射点火(TJI)系统,共6种组合。可以注意到,由于在商业车应用中的耐久性,发动机是由柴油机的平底缸盖衍生而来的,但是活塞本身则是在上述高效转换的框架内被优化为点燃式类型。


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图7-氢内燃机:燃烧系统优化


图7所示的燃烧系统已通过集成的1D和3D-CFD进行了广泛模拟,以研究哪种组合可以最小的成本和转换工作量的投入,提供能效的最大附加值。结果如下图8所示,展示了以上六种组合中我们最感兴趣的四种组合的功率密度和制动热效率(BTE)。进气道燃油喷射已经可以达到35kW/升的功率密度,BTE几乎为40%,如果压缩比从原基准柴油发动机的16降低到12左右,则功率密度和效率可获得相当大的提高,如下图所示。最后,缸内直喷的运用(目前正在开发中)可进一步改善氢气燃烧性能, 因其容积效率的提高和部分分层注油的可能性(取决于所采用的喷射策略)


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图8-氢内燃机:燃烧系统的性能


PUNCH开发的第一款产品是源于柴油机应用的一款V8进气道喷射(PFI)发动机,可用于独立发动机应用和增程器应用。需要重要强调的是,选择PFI应用是因为该系统在典型的商用车运行的苛刻的工况下展示出的可靠性,这是选择该喷射系统的主要原因,以及其具备的适中的性能满足于典型的耐久性应用(公共汽车、船只、发电机组等。


图9是带有H2-进气道喷射喷油器的进气系统的效果图,显示了新的进气歧管,带紧耦合顺序多点喷油器,已为高流量和低供给压力进行了优化(这是使应用范围最大化的一个重要属性,因其完全排空的储氢器)


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图9-氢内燃机:进气道喷射燃油系统布局


正如上文已提及,此进气道喷射氢燃料-内燃机既可以作为独立发动机运行,也可以在并联和串联的混合动力配置中运行:在后一种情况下,它特别适用于功率要求快速变化的高动态应用,由串联混合动力提供的钝化(phlegmatization),对于控制发动机在一个最高效区域的运行,和减少瞬态期间(对于保持超稀薄空燃比是一项挑战)的排放是非常有价值的。图10展示了为城市公共汽车应++++++用开发的增程(R-EX)结构,其中V8氢内燃机的功能以最佳方式集成在整个推进系统中,此推进系统也包含了通过PUNCH Flybrid的飞轮技术从PUNCH Powerglide的电子驱动桥(eAxles)的动能回收。由于PUNCH Flybrid具有出色的功率接受能力,这种布局适合在频繁的公共汽车减速阶段进行有效的动能回收。回收的储能用于之后的加速以降低发动机负荷,从而减轻其磨损和噪声,同时在最佳效率区域提供清洁的氢气燃烧,实现与燃料电池系统的高度互补。


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图10-城市公共汽车增程器(R-EX)配置


PUNCHFlybrid的KERS技术是高效氢内燃机的支柱:多年来,Silverstone团队对其进行了精化,实现了功率密度、效率、耐久性和安全性,甚至比超级电容器或同等性能电池更好(图11)。在城市公交应用中,这些属性非常有价值,正如目前在发电机组被有效地利用(从建筑工地开始)。


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图11-飞轮和KERS布局(图片来源:PUNCH Flybrid)


总之,我们想要强调PUNCH集团提供此类系统集成解决方案的能力,将PUNCH Torino高效的发动机与PUNCHFlybrid存储系统以及PUNCHPowerglide电子驱动桥( eAxles )结合起来,所有这些都由PUNCH Torino的电子控制单元和控制算法所控制。这确实是一种独特的能力,可以提供具有有效成本的推进解决方案,包括系统购买成本(CAPEX)和运营成本(OPEX),正如总体拥有成本分析(TCO)。


正如前面提到的城市公交车的案例,我们已对其进行了深入的TCO分析,比较了串联混合动力的增程(R-EX)氢内燃机,燃料电池(FCEV)结构和纯电动(BEV)结构。已经考虑了氢燃料定价和燃料电池随时间演变的两种情况,并考虑到由于技术快速发展和商业化,这两个变量在这十年的波动性。


图12总结了这一“压力”测试的主要结果,在考虑到优惠的氢燃料价格和燃料电池技术成熟度适中的 “情景1”中,与柴油公交车为基准相比,氢内燃机表现相当有竞争力,并优于纯电动(BEV)和燃料电池(FCEV)。然而,如果从效率、成本和耐用性方面考虑燃料电池技术更积极的改进速度,以了解这将如何改变结果(“情景2”),则可以验证即使在这种情况下,混合氢内燃机解决方案仍然具有竞争力,有着相似总体拥有成本(TCO),突出投资的稳健性。


来源:AI 汽车制造业

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