PUNCH集團(tuán)于2020年2月份收購位于意大利都靈的前通用汽車全球推進(jìn)系統(tǒng)工程中心，成立了PUNCH Torino。PUNCH Torino有700多名高素質(zhì)員工(>70% 工程師)，擁有最先進(jìn)的CAD，CAE和測試設(shè)備用于推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)，包括柴油、汽油、混合動力、電池與氫燃料發(fā)動機(jī)和燃料電池。公司不僅有機(jī)械硬件開發(fā)，還有包括硬件與軟件的控制單元的開發(fā)，使PUNCH Torino在通用汽車集團(tuán)旗下超過15年的時間里，重要專業(yè)技能取得卓越發(fā)展。

　　在PUNCH 集團(tuán)收購的第一年間，PUNCH Torino加強(qiáng)了與集團(tuán)子公司PUNCH Powerglide(自動變速箱生產(chǎn)及開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者)和PUNCH Flybrid (動能回收系統(tǒng)KERS領(lǐng)導(dǎo)者)的合作。PUNCH Torino同時成立了三家新公司分別從事移動行業(yè)(TO.TEM)、人工智能(AI.TEM)行業(yè)及氫能(PUNCH Hydrocells)行業(yè)。其中，PUNCH Hydrocells 聚焦于氫生態(tài)系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)氫能方案的研究及開發(fā)：生產(chǎn)、儲能及布局分銷 (PSD)、燃料電池及氫燃料內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。

　　PUNCH Torino的“匠心”傳承(如果匠心這個詞能恰當(dāng)描述一種領(lǐng)先的技術(shù))是基于柴油機(jī)技術(shù)，包括硬件及控制。在過去與通用汽車合作的15年間，PUNCH Torino推出了11 款發(fā)動機(jī)系列及3 個自主開發(fā)的控制器系列，用于600多種車輛應(yīng)用(圖1)。在柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計以及燃燒、后處理、主動熱管理、混合動力和相關(guān)控制系統(tǒng)，包括針對歐盟和美國等最嚴(yán)格市場OBD方面獲得深入而復(fù)雜的專業(yè)技術(shù)。

圖1 -PUNCH Torino 業(yè)績發(fā)展簡介

　　巨大努力的結(jié)果在最近推出的新柴油發(fā)動機(jī)系列CSS(單缸最優(yōu)策略)得到了體現(xiàn)，1.5升3缸，2.0升4缸和3.0升6缸模塊發(fā)動機(jī)組合，從無到有。它們涵蓋了最嚴(yán)苛的歐6D和美國Bin125排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，對燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛樂趣和產(chǎn)品成本效益的特別關(guān)注一直是該項目的重點。使這些發(fā)動機(jī)能在知名品牌得到應(yīng)用，例如在歐洲Opel/Vauxhall 轎車(Astra，Insignia)和凱迪拉克高級SUV(XT4)等，及在美國雪佛蘭全尺寸卡車和SUV(Silverado，Tahoe)、GMC(Sierra，Yukon)和凱迪拉克(Escalade)。

　　值得一提的是，讓人關(guān)注的燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)主要是通過聚焦整個效率鏈來實現(xiàn)的，包括：

　　-“輕量化設(shè)計”和使用輕型材料(例如，以鋁合金材料全新設(shè)計的缸體取代前幾代發(fā)動機(jī)的鑄鐵缸體);

　　- 在減少摩擦方面投入了巨大的努力，在整體發(fā)動機(jī)設(shè)計本身以及同時引入了一系列創(chuàng)新零件，如鋼活塞、連續(xù)可變排量機(jī)油泵(cVDOP)和主動熱管理(ATM)。

　　-熱效率的優(yōu)化，通過準(zhǔn)確選擇主要燃燒參數(shù)(壓縮比、渦流比、單缸排量、缸徑/行程比等)和特定發(fā)動機(jī)標(biāo)定，使后處理效率最大化的同時對燃油經(jīng)濟(jì)性影響最小化(參見圖2新2.0升發(fā)動機(jī))。

圖2-新2.0升4缸柴油發(fā)動機(jī)主要技術(shù)。

　　圖3所示的制動比油耗競品分析報告可以看到這種對能效關(guān)注的結(jié)果，PUNCH Torino為通用汽車開發(fā)的3款新型CSS柴油發(fā)動機(jī)在競爭力方面進(jìn)行了比較，突出了它們各自在其細(xì)分市場中的最佳水平。

　　圖3-新柴油 CSS 發(fā)動機(jī) BSFC 在 2000rpm x 2bar BMEP的競品分析

　　PUNCH Torino的另一個非常有趣的特征是能夠設(shè)計能有效制造的產(chǎn)品：尤其是1.5升 和2.0升發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)完全模塊化，實際上是在同一條組裝線制造的。在這種策略下，兩款發(fā)動機(jī)：

　　•多個零件完全相同，即兩款發(fā)動機(jī)使用同一種零件號的零件;

　　•其他零件類似，即相同設(shè)計理念及供應(yīng)商，但重新調(diào)整了設(shè)計比例，例如考慮了排量比(油泵和冷卻液泵);

　　成本效益得益于1.5升和2.0升的產(chǎn)量結(jié)合，也降低了工程、開發(fā)和驗證工作量?？偟膩碚f，這一策略效果顯著：兩款發(fā)動機(jī)52%的零件是共用的，另外33%零件設(shè)計相似(圖4)。

　　圖4-CSS 3 & 4缸發(fā)動機(jī)共用零件

　　另一個非常重要的點在于PUNCH Torino 的研發(fā)一直致力于進(jìn)一步改善柴油燃燒系統(tǒng)以達(dá)到更低的排放水平，并且使其與替代燃料(可再生柴油和/或efuel)完全兼容，這是未來可持續(xù)交通的支柱，尤其是重型和商用車。

　　正如上段所提及的第一點研發(fā)工作(對于進(jìn)一步改善燃燒系統(tǒng)以達(dá)到更低的排放水平)，經(jīng)過創(chuàng)新的活塞頂凹坑設(shè)計采用了3D元素(陡峭的臺階，徑向唇等)通過CFD深入研究，然后使用以增材制造技術(shù)制造的樣件在金屬和光學(xué)單缸發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了測試(后者配備了用于燃燒過程實時可視化的石英透明窗口)?？偟膩碚f，結(jié)果是非常樂觀的，具最近文獻(xiàn)報道，由于徑向混合區(qū)和后期碳煙氧化的概念引入，在減少廢氣微粒排放方面尤其取得一定效果(圖5)。

　　圖5-具有3D元素的創(chuàng)新活塞頂凹坑設(shè)計。

　　結(jié)合最先進(jìn)的燃燒技術(shù)，如上圖5所示(通過先進(jìn)的CAE和制造技術(shù)實現(xiàn))，使用可再生和合成燃料有可能將易于使用和已驗證的柴油技術(shù)與污染物和二氧化碳減排標(biāo)準(zhǔn)的宏偉目標(biāo)相結(jié)合，以達(dá)到社會所需求的對生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的要求。

　　PUNCH Torino在光學(xué)單缸發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的一系列試驗充分證明了這一點，在這些試驗中，研究了費舍-特魯普(Fisher-Tropsch)衍生柴油(FT柴油)和OxyMethyleneEthers(OMEx)混合物的影響(圖6)。FT柴油是最有發(fā)展前景的efuel之一，因為可以從費舍-特魯普(Fisher-Tropsch)合成的生物質(zhì)捕獲或直接空氣捕獲(DAC)碳可再生電力驅(qū)動。它是一種高十六烷值的石蠟混合物，不含硫，能燃燒，碳煙生成量極低。OMEx也被廣泛研究，是含氧可再生燃料中最權(quán)威的選擇之一，尤其是與碳捕獲和儲存(CCS)相結(jié)合時：它也是通過甲醇和甲醛的化學(xué)合成產(chǎn)生的-由可再生能源提供動力-從各種生物質(zhì)菌株開始。

　　FT柴油和OMEx良好的化學(xué)特性-缺乏芳烴和燃料氧含量-可以實現(xiàn)低碳煙的燃燒過程，火焰亮度最小，OH活性非常高，燃料反應(yīng)性和氧化速率較高。

　　圖6-利用可再生燃料實現(xiàn)超清潔柴油燃燒。

　　就efuel而言，卓越的可持續(xù)燃料是氫，其分子中完全不含碳，是已知的最清潔的燃燒過程，唯一的污染物是極小量的NOx排放，并且可以通過稀燃后處理非常有效地控制到極低水平，正如在現(xiàn)代柴油機(jī)上的應(yīng)用。氫既可用于燃料電池，也可用于內(nèi)燃機(jī)，這取決于具體的應(yīng)用目標(biāo)和邊界條件。燃料電池在未來的移動交通中的作用已得到公認(rèn)，但氫內(nèi)燃機(jī)仍然是一項新技術(shù)。然而，通過世界范圍的顯著努力，它們背后的技術(shù)正在迅速發(fā)展。值得一提的是，PUNCH Torino開發(fā)的超稀燃燒過程在功率密度、效率以及低NOx排放方面取得了非常有前景的結(jié)果。由于目前仍是小眾市場應(yīng)用，我們面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種可用于氫氣燃燒的硬件，這種硬件在非常有效的同時，易于改造，然后使這項技術(shù)能夠從小眾市場應(yīng)用發(fā)展到經(jīng)濟(jì)上可行的定制化和優(yōu)化。

　　圖7所示的是PUNCH Torino研究的一組點燃式氫燃料燃燒系統(tǒng)，包括進(jìn)氣道噴射(PFI)和缸內(nèi)直噴(DI)，以及火花塞和湍流噴射點火(TJI)系統(tǒng)，共6種組合?？梢宰⒁獾?，由于在商業(yè)車應(yīng)用中的耐久性，發(fā)動機(jī)是由柴油機(jī)的平底缸蓋衍生而來的，但是活塞本身則是在上述高效轉(zhuǎn)換的框架內(nèi)被優(yōu)化為點燃式類型

　　圖7-氫內(nèi)燃機(jī)：燃燒系統(tǒng)優(yōu)化

　　圖7所示的燃燒系統(tǒng)已通過集成的1D和3D-CFD進(jìn)行了廣泛模擬，以研究哪種組合可以最小的成本和轉(zhuǎn)換工作量的投入，提供能效的最大附加值。結(jié)果如下圖8所示，展示了以上六種組合中我們最感興趣的四種組合的功率密度和制動熱效率(BTE)。進(jìn)氣道燃油噴射已經(jīng)可以達(dá)到35kW/升的功率密度 ，BTE幾乎為40%，如果壓縮比從原基準(zhǔn)柴油發(fā)動機(jī)的16降低到12左右，則功率密度和效率可獲得相當(dāng)大的提高，如下圖所示。最后，缸內(nèi)直噴的運用(目前正在開發(fā)中)可進(jìn)一步改善氫氣燃燒性能, 因其容積效率的提高和部分分層注油的可能性(取決于所采用的噴射策略)

　　圖8-氫內(nèi)燃機(jī)：燃燒系統(tǒng)的性能

　　PUNCH開發(fā)的第一款產(chǎn)品是源于柴油機(jī)應(yīng)用的一款V8 進(jìn)氣道噴射(PFI)發(fā)動機(jī)，可用于獨立發(fā)動機(jī)應(yīng)用和增程器應(yīng)用。需要重要強(qiáng)調(diào)的是，選擇PFI應(yīng)用是因為該系統(tǒng)在典型的商用車運行的苛刻的工況下展示出的可靠性，這是選擇該噴射系統(tǒng)的主要原因，以及其具備的適中的性能滿足于典型的耐久性應(yīng)用(公共汽車、船只、發(fā)電機(jī)組等)。

　　圖9是帶有H2-進(jìn)氣道噴射噴油器的進(jìn)氣系統(tǒng)的效果圖，顯示了新的進(jìn)氣歧管，帶緊耦合順序多點噴油器，已為高流量和低供給壓力進(jìn)行了優(yōu)化(這是使應(yīng)用范圍最大化的一個重要屬性，因其完全排空的儲氫器) 。

　　圖9-氫內(nèi)燃機(jī)：進(jìn)氣道噴射燃油系統(tǒng)布局

　　正如上文已提及，此進(jìn)氣道噴射氫燃料-內(nèi)燃機(jī)既可以作為獨立發(fā)動機(jī)運行，也可以在并聯(lián)和串聯(lián)的混合動力配置中運行：在后一種情況下，它特別適用于功率要求快速變化的高動態(tài)應(yīng)用，由串聯(lián)混合動力提供的鈍化(phlegmatization)，對于控制發(fā)動機(jī)在一個最高效區(qū)域的運行，和減少瞬態(tài)期間(對于保持超稀薄空燃比是一項挑戰(zhàn))的排放是非常有價值的。圖10展示了為城市公共汽車應(yīng)用開發(fā)的增程(R-EX)結(jié)構(gòu)，其中V8 氫內(nèi)燃機(jī)的功能以最佳方式集成在整個推進(jìn)系統(tǒng)中，此推進(jìn)系統(tǒng)也包含了通過PUNCH Flybrid的飛輪技術(shù)從PUNCH Powerglide的電子驅(qū)動橋(eAxles)的動能回收。由于PUNCH Flybrid具有出色的功率接受能力，這種布局適合在頻繁的公共汽車減速階段進(jìn)行有效的動能回收?；厥盏膬δ苡糜谥蟮募铀僖越档桶l(fā)動機(jī)負(fù)荷，從而減輕其磨損和噪聲，同時在最佳效率區(qū)域提供清潔的氫氣燃燒，實現(xiàn)與燃料電池系統(tǒng)的高度互補(bǔ)。

　　圖10-城市公共汽車增程器(R-EX)配置

　　PUNCH Flybrid的KERS技術(shù)是高效氫內(nèi)燃機(jī)的支柱：多年來， Silverstone團(tuán)隊對其進(jìn)行了精化，實現(xiàn)了功率密度、效率、耐久性和安全性，甚至比超級電容器或同等性能電池更好(圖11)。在城市公交應(yīng)用中，這些屬性非常有價值，正如目前在發(fā)電機(jī)組被有效地利用(從建筑工地開始)。

　　圖11-飛輪和KERS布局(圖片來源：PUNCH Flybrid)

　　總之，我們想要強(qiáng)調(diào)PUNCH集團(tuán)提供此類系統(tǒng)集成解決方案的能力，將PUNCH Torino高效的發(fā)動機(jī)與PUNCH Flybrid存儲系統(tǒng)以及PUNCH Powerglide電子驅(qū)動橋( eAxles )結(jié)合起來，所有這些都由PUNCH Torino 的電子控制單元和控制算法所控制。這確實是一種獨特的能力，可以提供具有有效成本的推進(jìn)解決方案，包括系統(tǒng)購買成本(CAPEX)和運營成本(OPEX)，正如總體擁有成本分析(TCO)。

　　正如前面提到的城市公交車的案例，我們已對其進(jìn)行了深入的TCO分析，比較了串聯(lián)混合動力的增程(R-EX)氫內(nèi)燃機(jī)，燃料電池(FCEV)結(jié)構(gòu)和純電動(BEV)結(jié)構(gòu)。已經(jīng)考慮了氫燃料定價和燃料電池隨時間演變的兩種情況，并考慮到由于技術(shù)快速發(fā)展和商業(yè)化，這兩個變量在這十年的波動性。

　　圖12總結(jié)了這一“壓力”測試的主要結(jié)果，在考慮到優(yōu)惠的氫燃料價格和燃料電池技術(shù)成熟度適中的 “情景1”中，與柴油公交車為基準(zhǔn)相比，氫內(nèi)燃機(jī)表現(xiàn)相當(dāng)有競爭力，并優(yōu)于純電動(BEV)和燃料電池(FCEV)。然而，如果從效率、成本和耐用性方面考慮燃料電池技術(shù)更積極的改進(jìn)速度，以了解這將如何改變結(jié)果(“情景2”)，則可以驗證即使在這種情況下，混合氫內(nèi)燃機(jī)解決方案仍然具有競爭力，有著相似總體擁有成本(TCO)，突出投資的穩(wěn)健性。

　　圖12- 10年和70萬公里TCO假設(shè)。