【汽车与环境】中国工程院院士苏万华:面向2025的内燃机技术

盖世汽车综合 2017-12-8 14:33:41

核心提示:2017年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

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中国工程院院士、内燃机动力工程专家、天津大学 苏万华

各位专家下午好,我报告的题目是面向2025汽车内燃机技术,共有四个部分,一是内燃机在未来相当长时间内将是汽车主要原动机,二是汽车工业是最具创新力的工业,三是车内燃机技术的进展和趋势,四是高效节能清洁技术的进展。

为什么在相当长时间内内燃机仍然占有支配地位,在汽车产业未来市场分布来看,以内燃机为主的汽车市场份额是相当高的。因为内燃机的能量密度高,乘用车升功率已经达到160kw/L,内燃机的热效率最高,先进汽油机已达45%,与最新的超临界和IGCC发电站效率相当,柴油机热效率正在接近50%。

内燃机可以使用灵活的燃料,包括化石燃料、石油、天然气,也可以使用生物燃料。今天上午说到发展新能源技术是解决内燃机燃料问题的重要趋势,但是这个还是有待商榷的。我们国家的煤和石油依赖进口是无法摆脱的局面,但是我们现在可燃冰和天然气的勘探方面有很大的进展。这个不应该作为新能源车发展的考量。

另外是全国内燃机汽车的保有量,突破3亿,我国产品占有率也在大幅度的提高。最近这几年内燃机正以前所未有的速度发展,国际内燃机的研发重心是提高热效,有效热效60%是属于短期可预见的目标,长期的目标更乐观。内燃机早已经是智能技术,现在内燃机企业技术人员非常清楚。内燃机早已经是一个智能化的机器,是信息技术的载体,内燃机电气化发展也非常迅速,所以以前也听了一些报告,总是把网联、智能化和无人驾驶和电动汽车联系在一起,这个是不太全面的,像网联、无人驾驶和动力没有关系。现在各个国家非常重视内燃机的节油和减排,目前内燃机的有害排放物与本世纪初比减少了95%,已经接近零的水平。

第二个问题,汽车工业是最具有创新力的行业。波士顿咨询公司研究发现,全世界最具创新力的Top20公司都是技术公司,而且2015年上半年Top20公司中包含的汽车制造企业多于技术公司,创新主体是企业。汽车制造业的创新动力主要是通过提高动力总成的效率提高传统汽车的燃油消耗,主要是解决传统汽车的燃油消耗,开发整车和动力装置的潜力和电子模块,实际上内燃机作为动力汽车早已经在智能化和电子模块方面有更大的进步,开发快速增长的用户需求对应的车辆。

据汽车商联盟估计,汽车生产商每年研发经费超过一千亿美元,美国花费达到180亿美元。2013年汽车制造商研发经费从75亿美元迅速攀升到1020亿美元,全世界航天和国防开支是255亿美元,汽车开发和投入是航天和国防研发经费的四倍。

前20名的企业在使自己创新更出色的方面有几个特点,一个是关注提升与零部件供应商和用户的工作关系。这个零部件非常重要,很多内燃机新技术是零部件企业最先开发,零部件企业对内燃机的运行原理理解的更深刻。另外,他们保持和零部件公司良好的关系,在经营上面,他们把60%到70%的利润和内燃机企业进行分享。

第三,车用发动机的技术进展和趋势。有三个方面,首先,先进燃烧技术层出不穷。我这里主要做汽油机,汽油机的技术最近几年比较非常多,包括GCI、RCCI、HCCI、GDCI。其次,内燃机多可变控制技术,加速内燃机智能化,包括可变增压机一,可变定时和升程技术等。最后,增压、小型强化的技术,这个技术像密西根大学的统计,拿北美来说,2025年50%的乘用车将应用增压技术,我感觉中国汽车在最近几年在增压技术方面走的很快,新兴技术基本上在发展增压技术,而且3缸和4缸的汽油机将占66%,3缸机+48V技术,将可以获得较高的成本有效性。在轻型卡车的市场,4缸和6缸汽油机将超过75%,四是提高汽油的辛烷值,欧洲把提高辛烷值作为一个政策在执行,美国现在在推广,也希望争取提高辛烷值,因为辛烷值提高会有5%的效率提高。

第四,内燃机的复合和混合,包括可变和复合热力循环(深度Millie循环+涡轮增压+电动增压,可变压缩比+可变压比,还有热点混合动力,还有48V技术,还有更多新型的技术等等。

其次,减少各种损失是重要节能和二氧化碳减排措施。国内企业和国际上都非常重视,减少损失,包括排气损失、冷却损失、泵吸损失、摩擦损失等等。这是一个非常有参考价值的结果,他们通过降低低复合的损失使得燃油特性提升,中间黄线那段,本来应该采用混合动力解决,现在通过降低低混合消耗损失,使这个特性在低复合的时候可以达到很高的效率。

汽车控制技术的进步,主要包括几个方面,一个是提高车载计算能力。如果把计算能力提高一千倍将有利地推动发动机效率的改进,多变量实时控制发动机。汽车动力系统优化,发动机和整车系统耦合系统控制技术,2025年电子产品在动力总成中占的成本将增加10%。

在推动内燃机智能化方面,有几个特征,一个是内燃机燃烧过程优化越来越依赖燃烧边界条件与燃料特性的控制,多模式燃烧技术是我们研究的方向,也有很多成果,并在一些制造场景中应用。内燃机多可变循环和多可变机构进一步推动内燃机智能化的发展。内燃机提高它的智能化和机构的可控是非常相关的,不仅仅是一个算法的问题,内燃机几乎所有的机构都可控,整个循环过程任何参数都可以调整。

开发可靠实用的可变机构,开发燃料供给量和压力后处理器等传感器,这些传感器现在有,但是价格贵,怎么降低成本,使得我们在发动机上广泛应用,使得我们的数据更精确效果更好。

典型的高效节能清洁车的技术,第一个是Hyboost,这个技术是建立在小型强化发动机上,这个技术可以带动发动机,另外利用复合涡轮把电存储在电池,这个技术在汽车领域是比较现实的技术。这个在国内也做过很多报告,他们估计在2020年以前,这个技术也不会大规模的应用,主要是因为成本的原因,因为作为汽车生产厂商不能不注意成本。有时候碰到一些专家问,为什么不用混合动力,甚至有一些大卡车为什么不用混合动力,就是因为成本太高,不划算,增压压强电力回收,主要是这几个方面。

美国的ORNL国家实验室,他们实验室多缸实验发动机已经达到55%以上的热效率,我们明年在天津会举办一个国际高端论坛,我们也会请Dr. Wagner来做报告。丰田的发动机最高热效只有36%。马自达也是一个很好的案例,他采用HCCI燃烧,以前效率是40%,最近报道是50%,CR18:1,在降低损失方面做了大量的工作,包括传热损失和摩擦损失,把摩擦损失降低30%。HCCI燃烧过程,我们可以做的非常好,现在我们用的这个技术,在低复合这一块,我们用前一阶段研究的结果,用可变气门机构,在7Bar当中我们采用控制活性的办法,如果加上底下这一段,用内部EGR的办法,两个合起来,是14Bar,我们的持续热效可以做到50%以上,持续热效是燃烧过程最大效率。后面如果低复合的损失降下来,这个发动机就有50%的有效热效。

但是我们这里面效率最高的蓝线是在CR=10.5,比CR=16的还要多。在多元控制技术里,比如我们可以控制几个变量,可变压缩管理技术,可变GR。我们可以通过VGT增压,IVCT控制,油量控制,颗粒物的排放也可以满足,甚至在发动机里可以不用后处理器,现在因为PM的要求才用这个后处理器。

停缸技术在90年代就提出来了,我们6缸机可以停掉5个,这样使缸内燃烧效率更高,其他缸的损失如果最小,热效可以达到最高。还有喷水WI技术,大众的这个技术相当好,但是这个技术相当复杂,他们能做到这一步很不容易,这个技术对降低油耗和排放有很大的优势,油耗可以降低13%。还有预热回收,目前用低循环技术没有问题,成本问题解决之后将成为内燃机的重要硬件,还有储能技术,我们需要高密度电池和超级电容。还有Booster,提高进气系统响应提高高符合效率。

通过上述的报告,我们可以得出以下的结论。首先,加快车用内燃机技术发展是国家能源和环境安全的大事。其次,内燃机新技术层出不穷,我国内燃机工业不可懈怠,积极鼓励内燃机工业创新是中国汽车工业走向强国的正确道路。最后,我国车用内燃机技术成绩卓越,我们期待颠覆性、引领性的技术在中国汽车企业出现。

我的报告到这里谢谢大家!


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