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东风商用车精心打造的自主控制系统氢发动机,到底需要攻克哪些技术难题?

赵家耀

2022年,氢发动机在行业内彻底火了起来,这不仅是面向新能源赛道的有利布局,也成为各个品牌展现自己技术实力的修罗场。近日东风商用车自主控制系统的氢发动机点火成功,再次引起全行业的关注。

氢燃料不仅满足新能源时代的零碳能源路线,还能在如今氢燃料电池瓶颈下更具转换空间和落地可能,自然成为各家布局的重点。可氢发动机的研发到底难在哪儿?氢发动机又如何实现落地推广?今天卡车e族就以东风商用车为例,为各位卡友盘一盘氢发动机的门道。

氢发动机的开发难度到底有多大?

同样是内燃机,氢发动机与传统内燃机的区别只是燃料不同吗?绝大多数卡友的刻板印象其实早已过时。氢气燃烧速度快、可燃极限宽、点火能量需求低等燃料特点,就决定了传统内燃机升级到氢内燃机是一场脱胎换骨的改变。

为什么这么说?氢气的燃烧速度快、燃烧热值高,这也就意味着整个发动机的燃烧室的温度就会变高很多,随之带来的就是在更高温状态下保持发动机稳定运行。从基础机上面看,就要采用高耐热性缸套和钢活塞,还要能够实现更好的高温冷却效果。简单来说既要耐高温又要快速降温,这就要求对所有的关键核心零配件都要进行品质的全面升级,突破行业当下材料和设计的瓶颈。

为此,我们不难理解为何东风商用车要花完成如此多的工夫,完成氢喷嘴、氢气轨、氢气稳压阀、氢气供给管路、专用活塞等关键零部件单品测试270余项。此外,除了以基础机为代表的发动机核心零部件的性能全面升级来满足氢燃料的特别属性,发动机的燃烧系统、空气系统、电控喷射系统、后处理系统亦同样进行了大量的专属开发设计。

而控制系统的开发则是更为漫长与艰辛。从2009年开始,东风商用车就着手于自主控制系统的研发,历时13年,实现了从国四到国六的全平台压燃式发动机控制系统的全覆盖,以及从控制系统应用软件自主到软硬件全部国产化自主可控。在此基础之上,2019年东风商用车继续以其超前的眼光开始了点燃式发动机控制系统的开发。

相比压燃式发动机,点燃式系统在控制器硬件及底层驱动、扭矩管理、燃料控制、空气系统、排放控制等方面存在着巨大的差异。为了确保控制的精度与稳定性,东风商用车与东风汽车集团技术中心展开了协同开发,双方技术人员针对点燃式与压燃式的控制进行差异性分析,针对天然气、氢气等点燃式气体的燃烧特点以及所匹配的执行器、传感器进行了专项开发,最终完成了点燃式控制系统平台的搭建。期间完成了包括基础软件功能测试、应用层开发测试、软件集成测试800余项,HIL合架测试900台时,发动机台架调试500台时以上。如此繁复的研发过程,也一定程度展现出氢发动机控制系统开发的彻底性。

这样看来,原以为只是在原柴油机的基础上修修补补,其实是一个“大工程”。

氢发动机开发有哪些绕不开的技术硬实力?

说到这里,氢发动机与柴油发动机在燃料点燃的方式上便有着本质区别,这是部分卡友经常忽略的关键前提。不同于柴油发动机的压燃方式,氢发动机采用火花塞点燃方式。要是想纯粹在原有柴油发动机上进行借鉴开发,本身就缺少完整路径。

东风商用车多年的技术积累恰恰为这个问题的解决提供了典型样板,东风商用车在柴油机上有着多年的积累,天然气发动机也是经过市场的反复验证,而天然气发动机便是点燃式控制系统,这也能很好地解释为何东风推出的氢发动机从诞生之初就有更高的可靠性和稳定性。

在原有天然气发动机的技术沉淀基础上,点火系统虽然有了一定的设计参考,但考虑到氢气和天然气的燃料属性不同,需要在点火线圈上满足避免不正常二次点火的现象,在火花塞上要采用冷型设计,以降低氢气发动机早燃和爆震风险。氢发动机的开发依然存在一个必须面对的课题——如何快速实现所有模块及系统的控制?

答案其实很明显,就是得具备自主控制系统,也就是我们常说的自主ECU。只有掌握发动机控制系统的底层逻辑,才能在设计上不受限制,快速完成不同目标下的设计成型。换句话说,只有实现了ECU硬件、基础软件以及应用层软件的全自主,才能对不同燃料及不同使用需求进行针对性快速开发。对于发动机的研发来说,不仅能大幅度降低发动机开发的周期,也能满足客户的多样化需求。

之前发动机的控制系统的类型基本上是分布式控制架构,简单来说,就是发动机的控制系统仅能对发动机进行控制,却不能考虑到变速箱、后桥乃至整车系统的控制,这就如同各个系统在单打独斗,并不能实现协作下的最好动力输出。随着新能源时代的到来,为实现更佳动力输出表现,需要从分布式控制升级到域控制,从动力链方面看,就是从顶层出发,对发动机、变速箱、后桥实现共同控制,而如今行业的水平仅是共同开发。如此一来,自主控制系统的实现不仅拥有了当下发动机的开发权,同样也获得了未来动力的定义权。

显然,多技术路线的沉淀、自主控制系统的掌握,这些硬实力是攻克氢发动机开发的必备条件。更为重要的,不管是内燃机,还是建构在多能源路线上的新能源,都为未来的动力控制系统积累了最宝贵的实战经验。这些工作做扎实了,东风商用车都不容小觑。

氢发动机的推广落地为何更具挑战?

最后,还有一个重要的课题可以好好说一说,东风商用车此次点火的氢发动机其实完全不是只停留在实验室里的技术储备产品,而是真正能实现落地推广的市场化产品。何以见得?

刚才我们已经说到,东风商用车内燃机的技术路线兼具压燃控制平台和点燃控制平台,又有着自主控制系统的加持,这在业界完全是领先水平。企业的开发思路不同,最终呈现的结果便也就南辕北辙,与普遍企业追求实验室的技术极限所不同,东风商用车明显多走了一步。

以氢发动机的使用为例,除单一的氢发动机之外,东风商用车还有着业内唯一的氨柴发动机、氨氢发动机。氨柴发动机以压燃控制平台进行开发,氨氢混合气体发动机和纯氢气发动机都是以点燃控制平台进行开发。

可能你会奇怪,为什么东风商用车把一个氢能发动机玩得如此复杂,难道真的只是为了体现其技术的全面性和研发的强大实力?其实不然,氢气和氨气具有着在内燃机应用层面的不同性能表现,氢气的燃烧速度快、可燃极限宽、点火能量需求低等特点都加大了发动机的研发和制造难度,而氨气的不易燃性及一定腐蚀性又彻底打消了纯粹以氨气为燃料的可行性。

技术路线上实现的“柴油+氨气”的混合或“氢气+氨气”的混合都实现了通过混合模式取长补短,达到最大的动力效果,同样是建立在为用户提供最大使用价值上的,这里经济性便是新产品导入市场的一个关键指标。可以看出,在提供新能源趋势下更清洁燃料的技术上,东风商用车真正考虑到未来市场化下的产品形态,在研发之初就赋予了产品更高的稳定性和可靠性,真正打通了最广大柴油发动机的未来过渡时期的解决方案。

看到这里,卡友对氢发动机是不是有了新的认识,是不是也重新认识到自主研发的难度了。同样,东风商用车再次展现出其厚积薄发的技术先进性。针对氢发动机,卡友还有哪些问题,我们评论区见喽!

评论·80
会飞的牛货青铜LV0
大家觉得东风天龙好看吗
1年前 0 0
控真青铜LV0
东风天龙这不是大运的方向盘吗?这车是拼装吧
1年前 0 0
阿奇青铜LV0
当然选东风天龙了!
1年前 0 0
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