蘇萬華:燃油車熱效率目標是60% 潛能巨大

2020-11-22 車質網

  在10月25日由汽車工程學會舉行的《轉型期的汽車低碳創新》論壇上,來自天津大學的中國工程院院士蘇萬華表示:「未來在相當長的時間內汽車內燃機依然佔有支配地位。新能源車特別是電池的材料和製造,在製造過程中也會引起相當多的環境問題。而另一方面內燃機技術,特別是碳排放和汙染物的排放方面也顯示了巨大的潛力。」

  這一觀點看似與諸多汽車製造商在碳排放壓力之下集體轉向電動化頗有相悖,但實際上為節能減排指出了電動車之外的巨大潛能。

  在蘇萬華院士看來,「汽車仍然具有很大的發展潛力,現在國際內燃機研發的重心在提高熱效率,有效熱效率60%是國際內燃機界在奮鬥的目標,這是一個奮鬥的目標。現在汽油機的效率可以達到46%左右,柴油機的熱效率接近50%,這是目前很快就達到的。

  內燃機還可靈活使用各種燃料,包括化石燃料、天然氣、生物質燃料、乙醇燃料等等。內燃機保有量已經突破3億量,乘用車也是達到了2億量。內燃機的加工技術成熟,維修使用方便。

  此外,內燃機還在不斷創新,據Alliance of Automobile Manufacture trade association統計,汽車生產商每年花費的研發經費超1,000億美元,甚至比航空航天還要高,可以提高動力總成的效率提高傳統汽車的燃油油耗。

  具體來說,內燃機未來潛力大還表現在以下幾個方面:

  其一,新一代先進的燃燒技術的層出不窮,有很多燃燒技術,包括汽油的壓燃,雙燃料的反應活性控制或者燃料不同的混合方式的反應的活性控制,HCCI燃燒,還有就是汽油機的直噴壓燃等等,反映出很高的對熱效率的推進作用。

  第二,內燃機實際上始終是在沿著這種可變、可控、智能方面的發展,而且最近十來年發展速度很快,這裡包括可變增壓技術,可變氣門定時和升程技術,可變直噴或者雙噴技術,可變壓縮技術等等。

  第三是增壓小型化,內燃機實際上始終是在沿著這種可變、可控、智能方面的發展,而且最近十來年發展速度很快,這裡包括可變增壓技術,可變氣門定時和升程技術,可變直噴或者雙噴技術,可變壓縮技術等等。

  第四是減小各方面的損失,如排氣損失、冷卻損失、泵器損失、潤滑損失等等。這個方面的技術有很多,但是如何控制成本是個問題。

  第五是汽車控制技術的進步,通過提高車載計算能力不但解決內燃機的控制問題和計算問題,以及系統問題。

  此外,蘇萬華院士還介紹了Hyboost技術、汽油HCCI系統、提高汽油辛烷值和餘熱回收等技術,雖然有不少技術還局限在實驗室中,由於成本等問題尚未得到應用,但也顯示了內燃機的潛力。考慮到我國石油的對外依賴程度高達65%,加快車用內燃機技術的發展也是關係國家能源和環境安全的大事

    蘇萬華院士現場演講:

  各位專家,

  下午好!我來做這個報告題目是「車用內燃機技術的發展趨勢」,我分五個問題來講,第一個問題是未來在相當長的時間內汽車內燃機依然佔有支配地位,這是我的一個基本觀點。我認為新能源汽車大量發展還需要突破諸多社會和技術的屏障,新能源汽車它的發展應當以新能源系統的發展和應用來作為前提。現在新能源的話,因為上午李駿院士的那個報告也從碳排放的角度論述了這個問題,實際上低碳排放還不能完全看作是新能源,新能源應該主要指太陽能、風能和再生物質的能源。這些能源應該可以成為新的能源,這些新的能源目前還沒有一個發展的時間點,明確的在什麼時間可以佔有一個支配的地位。新能源車特別是電池的材料和製造,在製造過程中也會引起相當多的環境問題。而另一方面內燃機技術,特別是碳排放和汙染物的排放方面也顯示了巨大的潛力。

  內燃機有很多優點,比如說能量密度高,現在乘用車的升功率在實驗室裡面可以達到150Kw/L,內燃機的熱效率最高,汽油機可以達到45%,這個還不是最高的汽油技術,它和最新的超超臨界就是發電系統,目前的火力發電效率最高的兩種方式,一種是超超臨界發電一個是IGCC熱點聯產的發電,它的效率相當,可以達到46%左右,柴油機的熱效率接近50%,這是目前很快就達到的。

  內燃機可以使用靈活的燃料,包括化石燃料、天然氣、生物質燃料、乙醇燃料等等。內燃機有很大的一個保有量,現在機動車已經突破3億量,乘用車也是達到了2億量。內燃機的加工技術成熟,維修使用方便,我國產品的品牌汽車所佔有率目前在國內很多種系列汽車裡面是名列前茅的。

  汽車仍然具有很大的發展潛力,現在國際內燃機研發的重心在提高熱效率,有效熱效率60%是國際內燃機界在奮鬥的目標,這是一個奮鬥的目標。內容的電氣化,就是內燃機採用和電的結合,和電動的結合發展也很迅速,包括水泵、汽油泵的推動,蒸壓汽電動的增壓等等這方面的技術發展很快。世界各主要國家均設定了大幅度的降低油耗和二氧化碳排放的法規,這個是內燃機技術現在發展的一個很重要的動力。目前有害排放物已經達到近零的水平,前十年是超低排放,超超低排放,現在比那個超超低排放還要低很多,它的主要排放物降低了90%左右。完善燃油車的排放物檢測方法,包括實際道路排放檢測法規R&DE正在準備實施,這對於降低有害排放物非常有利。

  這是我國和其他世界各國關於二氧化碳排放發改委制訂的這樣一個規劃,我們從2015年的170克左右降到了不到115克的狀態,每年相當於要減少排放,二氧化碳排放會達到5%。

  第二個問題,汽車工業是最具有創新力的行業,這個不僅在中國,全世界我們看一些統計的數據,波士頓諮詢公司研究發現,全世界最具創新力的TOP20公司汽車公司佔了一個很大的比重,而且在TOP20的汽車公司製造業裡面企業佔主體,所以現在企業是技術創新的一個主體。汽車製造業創新它的動力是什麼呢?按照原文翻譯,就是通過提高動力總成的效率來提高傳統汽車的燃油消耗;第二個是開發整車系統的潛力和電子模塊;第三個是開發更輕的車身;第四開發快速增長的用戶需求;目前的用戶需求是要求舒適性為主,最近的SUV車比經濟型車增長快很多。

  汽車加工和貿易聯盟裡面他們統計,汽車生產商每天花費的R&D經費已經超過1000億美元,美國是180億,中國在這方面的總投入也不容小覷。在這1000多億的美元要和航天、國防的R&D開支相比,國防和航天的R&D開支是255億,所以汽車的投入和R&D投入比航天是他們的4倍,所以可見大家對於汽車的開發重視的程度和投入的程度。TOP20的這些企業他們在投入的過程當中有十分重要的特點也值得我們考慮,就是它非常關注和提升零部件供應商的合作關係,會和零部件供應商分享60%—70%的利潤,這樣提高供應商的積極性。我們也知道很多對於技術的掌握和技術的提升是在供應商來完成的,包括燃油系統、增壓系統等等。如果沒有一二級供應商解決他們的可靠性問題,實際上也很難應用,所以這種合作關係也值得我們參考。

  第三個問題是車用發動機的技術進展和趨勢。第一個趨勢就是新一代先進的燃燒技術的層出不窮,有很多燃燒技術,包括汽油的壓燃,雙燃料的反應活性控制或者燃料不同的混合方式的反應的活性控制,HCCI燃燒,還有就是汽油機的直噴壓燃等等,反映出很高的對熱效率的推進作用。

  第二個特點就是多可變控制技術現在發展非常快,無論是在汽油機還有柴油機,加速了內燃機的智能化,所以傳統意義的內燃機不知道他們講的是什麼,但是內燃機實際上始終是在沿著這種可變、可控、智能方面的發展,而且最近十來年發展速度很快,這裡包括可變增壓技術,可變氣門定時和升程技術,可變直噴或者雙噴技術,可變壓縮技術等等。

  第三個就是增壓小型化Downsizing,這個現在看起來是汽車內燃機發展的一個主流技術。密西根大學交通研究所他們發現,按照北美統計到2025年50%的乘用車將應用增壓技術,在中國很可能比這個進步要快,目前新的車型基本都採用了小型增壓的技術。乘用車市場裡面3缸和4缸汽油機將佔66%,3缸技術加上48V的混動技術會節省成本的有效性,過去有人估計過汽車在滿足各個國家的排放法規和油耗的前提下,在3缸機的情況下進一步進行混動有可能是最好的。現在限制混動技術很重要的一個因素就是成本因素,3缸機開發出來加上48V便宜的技術將會有很大的發展前景。但是現在比較清楚,普銳斯的混合動力那個方案大家放棄了,當然輕型卡車4缸和6缸的汽油機將超綱75%,美國在重載車上開始用汽油加上增程式的混合動力,非常有前景。美國的燃油規範裡面也推進柴油機,但是由於柴油的碳排放比較高,所以碳排放的降低的水平會打一定的折扣。

  第四個方面,就是在減少各方面的損失,我們認為減少損失就是在提高效率,因為這裡面的損失可以包括排氣損失、冷卻損失、泵器損失、潤滑損失等等,針對這些損失,所採用的增壓、壓縮比餘熱利用,低散技術現在發展非常好,包括對國3的油冷卻也有很多新的技術出現。關於泵的損失,我們現在用可變頻泵,就是便攜化的技術,這個實際上是一個相當簡單的問題,不是很難的技術,主要是成本問題。像潤滑技術這方面的研究工作非常豐富。

  第五個就是汽車控制技術的進步,目前根據我說的這個控制專家Chris的觀點比較同意,主要是提高車載的計算能力,如果提高1000倍可以解決發動機的效率,這個車載計算能力不僅僅是解決內燃機的控制問題和計算問題,主要是系統,系統的Connectivity Revolusion這個角度。另外就是要多變量實時控制,這方面我們國內做了很多的工作。

  2025年電子產品在動力總成佔的成本將增加15%,所以實際上智能化、電氣化並不是電動車的專利,對於內燃機汽車實際上我們也是在要積極的向信息化、電氣化、智能化方向發展,而且實際上已經獲得了相當成功的效果。

    4、典型的高效、節能、清潔車用內燃機的新技術。

  第一個叫eBooster技術,基於一個小型強化的汽油發動機,這裡面利用可以回收剎車能量,也可以利用一個電子的負荷來回收尾氣的能量,這兩個能量回收起來以後可以用來拖動一個電子的增壓器,當然還可以提供給車上的其他的用電用途。這個系統實際上非常簡單,它可以和原來傳統的強混的技術可以達到同樣的效果,成本大大降低。但是即使是這樣一個48V技術,有關開發的企業自己講,實際上在2020年以前也不會大規模的應用,最主要是因為成本因素,而不是由於技術的因素,所以不考慮成本這是不現實的。我們在滿足排放法規和油耗法規的前提下作為汽車企業首先要降低成本,這也是用戶的需求。

  新技術報導,美國ORNL實驗室,某些多缸實驗發動機熱效率已經提高到55%以上。豐田這個已經是一個上市的ENR—FTS這個機型,渦輪增壓,最高的熱效率不是很高,但是這個發動機它可以達到百公裡5.15L的油耗,這個油耗就是美國2025年的值。這個技術可以想像,一個是燃燒過程,在燃燒過程做的很多工作,提高了燃油經濟性,另外一方面就是採用了很多降低損失的辦法,使得低負荷的熱效率提高。馬自達的第三代,他講是1919年會推出,用的是HCCI燃燒,Lamda是2.5,效率是40%,這個技術最大的特點就是實現低轉數、大扭矩,變速箱可以大大簡化,可以通過變速箱的變化使得油在低負荷的油耗大幅度的改進,採用混動的需求必要性就會降低,這樣一來成本就降低了。當然它在這個過程當中降低損失也是他們非常重要的一個研究的內容,包括降低摩擦的損失,包括降低熱損失。

  這是我們開發的汽油HCCI高熱效率工作,這個工作大家可以看到也是很有意思,整個熱效率會在51%左右,在整個的工作過程裡面,從低負荷到高負荷這個熱效率做的很高,可以做到接近51%。在這一段我們沒有做變氣門,如果結合起來整個效率還可以提高。整個採用我們採用增壓技術、氣口噴射技術、可變氣門技術、可變增壓技術,可變氣門技術主要解決低符合這一段實現HCCI。

  這個是我們關於採用多變可變技術,對發動機進行控制的技術。我們這裡面是為國內的開發的一個O6柴油機,我們配置了可變的兩級增壓器,開發了延時系統,開發了可控系統,開發了功能很強大的智能控制系統,實現了整個發動機的可變壓速率。這個情況下這個熱效率可以有很大提高,另外就是控制對於道路的適應性,對於工況的適應性非常強。比如一個工況的控制,既可以通過VGT增壓器的控制,通過可變壓比的控制,通過油量變化的控制。所以我們這樣一個O6的過程,幾個學生不到一個月就完成,可見多變量的這樣一個系統具有很大的優越性。

  這個也是我們搞的,我們在清潔計劃行動,採用的停缸技術,我們當時可以用停缸技術可以停1—5缸,這樣發動機使得它的工作缸就可以在一個比較高熱效率的條件下,這個當時按天然氣來說可以減少天然氣使用達到45%,百公裡的氣耗,效果明顯,我們在國內和很多企業聯繫過,但是目前沒有用,在博世和寶馬最近他們高端的汽車上採用了這種停缸技術。

  最近報導的就是噴水技術,這個也是非常有意思的技術,這個技術也有很多難度,最大的好處就是具有抗爆性,具有柴油機的扭矩,使汽油機的轉矩達到和柴油機相同的水平。使得低轉速的扭矩提高,和變速箱的系統集成結合起來可以打大降低整體的油耗。博世系統他們在實驗室進行了工作,他們的油水比達到35%,BMEP可以達到20bar,降低油耗是13%,這個技術非常有前景,這個技術如何來使用水的噴射不帶來負面的作用,這是大家需要研究的問題。

  目前提高汽油機辛烷值也是一個很重要的有可能成為一個趨勢,主要是因為美國,美國認為歐洲的做法是對的,所以他們也在力圖提高辛烷值,可以提高熱效率5%,這是很不容易的。在我們實驗室裡面,我們搞了一個分子重振的技術也是在提高燃料的辛烷值,也可以使得熱效率達到52%。

  餘熱回收,這個很有前景,主要是成本的問題,成本解決以後會得到3%—5%的效果。內燃機也非常重視儲能技術,通過提高電池的和超級電容它們的使用,我們可以用負荷或者是剎車回收來提高效果。另外就是電增壓器目前主要是成本問題,這些如果成本問題解決以後,用量大了以後也會取得很好的效果。

  結論,第一個,內燃機節能減排任重道遠,是能源和環境安全的主戰場之一,意義重大。加快車用內燃機技術的發展是國家能源和環境的大事。在世界範圍內內燃機以提高能量利用率,降低碳排放為目標,新技術發展速度快,新技術層出不窮,我國內燃機工業不可懈怠,積極鼓勵內燃機工業創新是中國汽車工業走向強國的正確道路。我國車用內燃機技術加快發展,成績是很卓越的,我們期待顛覆性的、引領性的技術在中國出現,那個時候我們就可以說中國是一個汽車強國。我匯報到這兒,謝謝大家。

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