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GBN特写 | 未来30年内燃机仍将起关键作用

2019年07月16日 08:52:01
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来源:帮宁工作室

汽车动力将如何变革?内燃机又将何去何从?

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作者 | 韩志玉 吴振阔 高晓杰

来源 | 《汽车安全与节能学报》

来自帮宁工作室(gbngzs)的报道


编者按

未来30年汽车动力将如何变革?此变革中内燃机又将何去何从?这篇学术论文或许能为我们部分廓清上述问题。

文章结论性观点如下:

其一,过去30年,轻型汽车汽油机技术取得长足进步——汽油机产品在动力性、燃油经济性和排放控制方面获得全方位提高。其中,动力性提高67%以上,热效率提高8个百分点,提高幅度为20%以上。中国轻型汽车排放标准从国1到国6,有害排放物降低80%以上。

其二,未来30年内燃机仍将起到关键作用,至少60%以上轻型汽车需要一个内燃机。 

其三,内燃机在轻型汽车动力中的地位将逐渐发生变化。一方面,从内燃机单独驱动逐渐演变为内燃机和电机共同驱动,其作用变化类似于从“独唱”变为“二重唱”。

另一方面,内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降,从一个“核心”部件变成“关键”部件,成为一个通用产品,商业模式可能发生变化。

其四,结合混合动力系统应用可充分利用发动机的高效率区域。混动系统,特别是增程混合动力系统,要求内燃机运行范围变窄,有必要开发混合动力专用发动机,进一步提高其热效率、简化机构、降低成本。

其五,未来汽油机热效率(特别是实际运行时的热效率)将大幅度提高,通过多种技术手段的应用,商业化产品有望实现45%的热效率。 

其六,汽车燃用天然气可大幅度降低CO2排放。车用动力将根据地域形成“油、电、气”的多元格局。

本文摘自《汽车安全与节能学报》2019年第10卷第2期“汽车动力变革中的内燃机发展趋势“,帮宁工作室授权刊发,并略做编辑。

第一位作者韩志玉博士,知名汽车与发动机专家,国家特聘专家,美国国际汽车工程师协会会士,全球汽车精英组织副主席。现任同济大学汽车学院教授,江苏上淮动力有限公司董事长。

01.现状 

自20 世纪末汽车动力开始呈现多元化发展趋势。

汽车从单一内燃机的燃油车(internal combustion enginevehicle,ICEV)逐渐向油电混合动力汽车(hybrid electric vehicle, HEV)、电动汽车(指纯电动汽车 (battery electric vehicle , BEV) 、插电式混合动力汽车 (plug in hybrid electric vehicle))和燃料电池汽车(fuel cell vehicle , FCV)等方向发展。这些多元化动力是汽车动力向电动化发展的不同形式,几乎都需要电机及电池。

以商业化产品为例,丰田公司于1997年推出油电混合动力车型Prius,上市后广受好评,目前丰田在全球销售的混合动力汽车已超过1000万辆。2009年,丰田发布第3代Prius,据工信部公告,其油耗为4.3 L / (100km)。 

纯电动汽车以特斯拉为例。2008年,特斯拉推出纯电动车型Roadster。2017年,特斯拉交付10.3万辆纯电动汽车。

另外,2016年,丰田汽车推出全球首款批量商业化氢燃料电池乘用车Mirai。该车加注一次氢气可以续航650 km,达到和汽油车相同的续航里程和燃料加注效率。

与此同时,汽车公司也一直致力于研发并生产更加节能的燃油汽车。

马自达汽车坚持改进汽油机热效率,采用13:1的高压缩比等措施改善燃烧,在传统动力整车燃油经济性上取得领先优势。据工信部数据,2015年,马自达Atenza整车油耗为6.4 L / (100km), 比2016年国家第3阶段油耗限值低近18%,大大领先于其他同类产品。

上面这些例子明确表明汽车动力多元化的技术发展趋势和商业实践,未来几种形式将共存发展。 

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02.预测 

汽车动力在20世纪末开始出现多元化且成功商业化,但目前非内燃机驱动的汽车所占市场份额仍然很低,未来仍需较长发展时间。

很多机构和研究者预测未来不同汽车动力形式的发展趋势。从全球范围看,根据国际能源署最新报告预测,2020年和2030年全球轻型电动汽车(含BEV和PHEV)的销量分别为390万辆和2100万辆,各占当年总销量的3%和13%。也就是说,到2030年至少还有87%的轻型汽车需要单一内燃机驱动。 

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这两张图表分别给出了未来美国市场及中国市场不同动力形式汽车的市场份额预测。

从第一张图中可以看出,2015年美国市场销售的纯内燃机汽占比92%,预计在2030年为80%,而在2050年为60%。考虑到混合动力仍然需要内燃机,因此在2030年和2050年美国用内燃机的轻型汽车分别为96% 和90%。

第二张图是“中国节能与新能源汽车技术路线图”中对未来汽车动力的预测。从中可以看到,在2030年,中国纯内燃机汽车约占市场份额的35%,混合动力汽车占25%,电动汽车(含 BEV 和 PHEV)占40%。燃料电池累计销量为100万辆。如果假设电动汽车中间有一半应用插电式混合动力,可以得出2030年中国汽车销量中仍然有60% ~ 80%的份额需要内燃机。 

以上预测表明,未来30年内燃机在汽车动力中仍然起到关键作用,全球范围内至少60%以上的轻型汽车仍将装有一个内燃机,内燃机生命力依旧旺盛。

但随着汽车动力电动化的发展,未来内燃机的支配地位将逐步弱化。汽车由单一内燃机驱动变为由内燃机和电机(一个或者几个)驱动。换言之,汽车动力由内燃机的“独唱”变为内燃机和电机的“二重唱”。

由此可以推断,内燃机在整车性能上所起到的关键作用将下降,将从一个“核心”部件变成“关键”部件,逐步成为一个通用产品。商业模式因此也可能发生深刻变化。

03.电动化的痛点 

汽车动力在向电动化发展的过程中遇到了以下主要问题。 

一是电池能量密度低。

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这张表给出了不同电池与几种典型液体燃料能量密度值的对比。从中可以看出,电池的能量密度与传统液体燃料相差在1~2个数量级。 

这说明与传统燃油相比,想要依靠动力电池产生出相同的能量,所需动力电池的重量远远超出燃油质量和体积,这将造成整车质量的显著增加,使得能耗增加。

但是,为维持较长的续航里程解决用户里程焦虑的问题,大容量的电池在当前的技术条件下是必需的。 

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这张图给出了“中国节能与技术路线图”中对电动汽车电池系统能量密度及成本的预测。从图中可以看到,随着技术进步,未来的电池比能量有望进一步提高,且同时可以保证电池成本持续降低。

但预测在2030年,即使电池能量密度能够获得翻倍的提升,其比能量也仅为0.35 kWh/kg,和传统燃料的能量密度相差仍然甚远。 

二是车主总成本高。

车主总成本(total cost of owne- rship)包括购置成本和使用成本,其中使用成本包含能源使用费用、车辆维修保养、保险和交税等。

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美国John W. Brennan 等对比了中小型纯内燃机汽车和纯电动汽车在20年使用期间车主的总成本,如图所示。可以看出,无论是小型还是中型汽车,纯电动汽车的车主成本均高于纯内燃机汽车,小型和中型纯电动汽车比纯内燃机汽车的车主成本分别高44%和60%。

其中,纯电动汽车购置成本明显高于纯内燃机汽车。对于小型汽车,纯电动的使用成本略高于纯内燃机汽车,而对于中型汽车,纯电动的使用成本显著高于纯内燃机汽车。

三是充电难。

首先,由于目前充电基础设施还不完善,还需要专用充电车位,造成用户充电困难。即使已有公共充电桩,但由于数量较少,距离用户较远,充电成本高,也给用户带来不便。

同时,建设充电桩也存在费用高、申请周期长、增容困难等实际问题。

此外,由于目前充电及电池技术的限制,充电时间较长,用户在缺电后不能快速获得补充而造成不悦使用体验。 

综上所述,随着混合动力以及纯电动汽车的发展,内燃机的地位逐渐变化,但在未来30年,内燃机在汽车中仍然起到关键作用。

在当前其他动力源汽车仍存在如电池能量密度低、成本高及充电难等问题的情况下,对内燃机的研究仍然不能松懈。未来内燃机需要在汽车动力变革中进一步发展,挖掘更大潜力,尤其在如何降低油耗和应用低碳燃料(例如天然气、甲醇等)方面需要深入研究。

04.内燃机如何变革

混动系统应用

随着汽车动力的电动化发展,内燃机在未来很长一段时间需要与电机共存,形成混合动力系统作为汽车动力源。在混动系统中可以应用现有发动机资源,使用发动机的高效率工作区域,从而避开长时间在低效率区域工作,做到扬长避短。

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这张图给出了内燃机在混动系统中应用的两个例子。

前面这张图为传统燃油车发动机(较大排量)在混动系统中的应用示意。可以看到,发动机在传统车中的常用使用工况为中低速、低负荷区域,而在这些区域发动机的热效率较低,燃油经济性差。

发动机在混动系统中使用后,通过电机的辅助将发动机工况调整至中高负荷,使用其高效率区域而降低油耗。

另外一种使用方案为采用成本较低的小排量发动机,这样在相同负荷下,发动机在更高的效率区工作,如右面图所示。这样可以充分利用现有发动机资源,改善整车燃油经济性。

这两个例子展示了在混动系统中利用发动机的两种方案,而方案的选择将取决于不同的设计理念。但是仅利用传统发动机的资源不足以充分发挥混动系统的优势,需要有针对性地研发混动专用发动机。

增程混动专用发动机

混合动力发动机的工况范围较传统发动机有较大的不同,其运行和设计特征应该有其特点。

2016年帅石金等对轻型车用混动发动机进行了综述分析,他们指出目前混动发动机主要有两条技术路线,即以日本车企主导的自然吸气高膨胀比汽油机,以及以德国车企主导的直喷增压汽油机。

中国对混动发动机本身的研究较少,多是在传统发动机基础上进行重新标定和选配,并没有针对性地正向开发混动专用发动机,无法充分发挥混动系统的节油能力。

由于新能源汽车补贴退坡及纯电动汽车成本高、续航短、在严寒地区性能显著下降等原因,具有增程功能的混动系统将显现出市场竞争力,可能成为未来典型的混动路线。

增程混动系统一般指串联构型的混动系统,也称为增程器。增程器发动机不参与驱动车辆,仅用来带动发电机发电以增加纯电续驶里程。

在电池电量不足情况下,维持汽车巡航所需的驱动功率一般较低。以一个整备质量为1.6 t重的三厢汽车为例,维持120 km/h续航行驶所需的增程器功率约为30 kW。因此,增程器可以选用较小排量的发动机。

此外,本田的串并联构型混动系统(iMMD 系统)和同济大学的增程式混合动力(TJEHT)系统都具有双电机,且其发电机和发动机可与车轮完全解耦,因此也具备增程功能,在此也称为增程混动系统。

相比于传统燃油车,增程混动系统对发动机的动力性要求降低,对其运行工况(转速、负荷)有较大选择空间。 

增程器专用发动机最主要的特点是发动机热效率高、结构紧凑、成本低。一般通过提高压缩比并采用Atkinson循环来实现发动机高效率工作。

为进一步提高热效率,还会采用冷却EGR、低摩擦技术等手段。为简化结构并降低成本,可考虑采用每缸2个气门的气缸盖设计和气道喷射技术。为满足结构紧凑的需要,可以考虑采用三缸或者二缸发动机设计。另外,由于二冲程发动机升功率大,也可能成为设计选项。

提高发动机热效率

混动系统对发动机的热效率提出了更高要求,因此需要研究如何进一步提高发动机热效率。

目前商业化的高水平车用汽油机的最高热效率约为37%,各大主流汽车厂商仍然致力于进一步提高发动机热效率的研究。

2017年,丰田公司推出基于全新架构的发动机“Dynamic Force Engine”( 动力发动机 )。该款发动机排量为2.5 L,热效率为40%,其混动版本的热效率更是达到 41%,是全世界目前量产汽油机中的最高值。

此外,丰田公司已经在实验室内探索评估了各种改善热效率的方法,并已验证了汽油机获得高于45.9%热效率的可能性。

这表明产品发动机有望在不远的将来达到45%的热效率。如果实现这一目标,将比目前汽油机的热效率相对提高24%。若应用到整个汽车行业,将具有显著的降油耗前景。 

在学术研究领域里,研究人员也在探索提高汽油机热效率到50%的新概念。比如,日本在2014年启动“创新燃烧技术”项目,旨在进一步提高发动机热效率。由日本庆应大学领导的汽油机燃烧团队,通过超稀燃烧(过量空气系数为2)等一系列技术手段,已将发动机有效热效率提升至51.5%,证明了进一步提高汽油机热效率的可能性。

一般来讲,发动机消耗燃油产生的能量主要由五部分组成——有效功、传热损失、排气损失、机械损失及燃烧损失。改善发动机的热效率,即在不改变能量输入的情况下,尽量提高有效功的输出,减少其他部分的能量比例。

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几乎所有提高热效率的技术手段都秉承以上准则。这张表是我们在早期研究中总结的提高汽油机热效率的一些技术手段和收益。可以看到,各个技术手段的应用都能获得较为可观的热效率改善 程度。由于传统车型对发动机的高要求,阻碍了部分技术手段的应用。混动系统给予发动机更大的优化空间,这些技术手段的应用或许不再受限。 

汽油机有效热效率提高到45%的主要技术手段有:

其一,长冲程设计。

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增加发动机冲程不仅可以减少发动机传热损失,还可提高缸内气体流动强度,改善燃烧。这两张图分别给出丰田公司研究得出的发动机冲程、缸径与燃烧室面容比和缸内湍流强度的关系。随着冲程增加,面容比降低,利于传热损失的降低。

同时缸内湍流强度随冲程的增长而增强,继而可提高燃烧速度。混合动力用发动机最高转速较低(不超过4 000 r/min),可以突破传统发动机(转速达到6000 r/min)长冲程设计受活塞平均速度的限制,充分利用长冲程设计带来的益处。

其二,高压缩比(>13)。

通过提高压缩比来提高发动机的热效率是人们长期追求的目标。在实践中为避免压缩比过高导致爆震,可以采用Atkinson循环,在保持较低有效压缩比的情况下,实现高的膨胀比。

另外的解决方案是采用可变压缩比技术,在不同工况采用不同的压缩比,避免在大负荷时产生爆震燃烧。 

其三,稀薄燃烧技术。

稀薄燃烧可提高发动机工作过程的过程指数(减少传热损失)和部分负荷的泵气损失,继而提高热效率。 

其四,冷却废气再循环(EGR)。 

冷却EGR可以降低部分负荷的泵气损失,同时EGR可以降低燃烧温度,继而降低传热损失,并可降低NOx排放。需要注意的是,随着引入缸内EGR比例增加,燃烧速度降低,燃烧持续期增长,可能造成燃烧不稳定或失火,不利于热效率提高。

为改善这一现象,可以通过提高缸内湍流强度来提高燃烧速度。通过改进气道设计或燃烧室设计等措施可改善缸内气流运动,提高缸内湍流强度,继而改善燃烧速度,同时扩展EGR比例界限,进一步改善热效率。

其五,降低传热损失。

发动机通过引入EGR、采用均质充量压燃(homogeneous charge compression igni- tion, HCCI)等技术组织低温燃烧降低传热损失,或者采用活塞隔热涂层降低传热损失。还可通过改善发动机热管理系统降低传热损失,例如采用电子节温器较为灵活地控制冷却液大小循环的开启,将发动机保持在较适合的水温下工作,降低传热损失。

其六,提高机械效率。

采用轻量化材料、低摩擦材料和技术,以及高效率附件(附件电子化)降低机械损失。 

其七,燃油与发动机联合优化。

通过对燃油与发动机的联合匹配和优化,选出更适合发动机的燃油,充分利用燃油特性以改善发动机热效率。合适的燃油理化特性可加快燃烧速度、抑制爆震、扩展着火界限以实现热效率的提高,并有助于降低有害排放。

推广应用低碳燃料

低碳燃料是分子结构中的碳氢比例较低的一类燃料,包括天然气、甲醇、乙醇等。发动机燃用低碳燃料可以从化学本质上降低燃烧后CO2的生成量。

天然气燃料由于储量丰富、成本低廉、储运方便,是一种很有前途的发动机代用燃料。天然气的主要成分是甲烷,它的碳氢比是碳氢化合物燃料中最低的。发动机燃用天然气的最大好处是CO2排放低。

中国在2017年首次开发并量产首款高性能单一天然气发动机驱动的多用途商务汽车,其新欧洲标准行驶循环(new European driving cycle,NEDC)CO2排放为131.4g/km,比原汽油机下降27.4%,十分接近2020年我国第4阶段油耗限值折算的CO2限值126.1 g/km。

该款发动机排量为1.5 L,压缩比为12,最高热效率达到37%,采用当量燃烧加三元催化器后处理的技术路线。天然气供给为高压气道多点喷射。 

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在国外,2017年德国奥迪汽车发布A4 Avant天然气汽车,其CO2排放为95 g/km,达到欧盟2020年限值。该款发动机排量为2.0 L,压缩比为12.6,额定功率为125 kW,最大扭矩为270 Nm,最高热效率达到40%,采用天然气可续航500 km。

该款发动机是基于最新EA888发动机开发,增加了天然气高压多点喷射系统 , 选用高强度合金活塞确保13.5 MPa的最大爆压、使用耐磨材料的气门座圈、降低进气门座圈角度。

从上述两款天然气汽车的实例可以看出,天然气发动机比汽油机大幅度降低CO2排放。因此,大规模应用天然气汽车可以十分明显地降低中国交通领域的CO2排放。

除在降低CO2排放方面的优势外,天然气汽车的其他优点还包括清洁燃烧,没有颗粒物排放,价格便宜,车辆运行费用低等。

中国地域辽阔,东西部能源资源差异很大。应该根据地域和资源情况采用不同能源。比如,在充电设施比较好并且车主用车距离不远的大城市,可以积极推广电动汽车以减少城市空气污染;在富气地区可以大力推广应用天然气汽车;而在长途运输时应用节能的燃油汽车。

(文中部分图片来自网络)

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