面向2025的内燃机技术

  作为工业领域的核心动力源,内燃机发展至今并将继续在未来较长一段时间内起到传承和发扬的重要作用。 本期,我们特邀中国工程院院士、天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室苏万华教授撰文《面向2025的内燃机技术》,旨在为推动我国内燃机前沿技术及创新产品的发展做引领趋势。

  在汽车工业发展历史中,创新决定了汽车工业的发展。Boston Consulting Group (BCG)研究发现:2016年全世界最具创新的前20家公司里1/4是汽车公司。2015年上半年的前20家公司中包含的汽车制造企业多于技术公司。据Alliance ofAutomobile Manufacture Trade Association统计:汽车生产商每年花费的研究与开发经费超过1000亿美元,其中美国花费180亿美元;据Booz &CO报告,2013年汽车制造商研究与开发经费从75亿美元迅速攀升至1020亿美元;全世界全年航天和国防研究与开发开支是255亿美元。汽车的投入和研究与开发投入是航空航天的4倍,整个汽车产业在国家经济投入中占比很大。其中,提高动力总成效率、开发动力装置系统的潜力和电子模块是汽车制造业创新的重要方向。内燃机是汽车的心脏,内燃机性能的优劣直接决定汽车动力性、经济性、排放和机动性等多项性能指标。因此,未来汽车技术创新的主战场在于内燃机技术的发展和创新。

  内燃机在能量密度、热效率、燃料灵活度、市场占有率,以及加工技术等方面均具有绝对优势:

  (2)内燃机热效率高。最新的实验室研究报道,汽油机可达45%,与最新的超临界和IGCC发电站效率相当,柴油机热效率正在逼近50%。

  (3)可以使用灵活的燃料。不仅包括化石燃料,天然气,生物质燃料,还包括乙醇等可再生能源。

  截至2017年3月底,全国机动车保有量突破3亿辆,其中汽车达2亿辆。此外,内燃机加工技术成熟,维修使用方便。

  从内燃机技术角度来看,在CO2排放和污染物控制方面仍然具有较大潜力可以开发:

  (1)更高的内燃机热效率。 国际内燃机主要研究机构的研发重心在于提高热效率,有效热效率60%被作为内燃机界的“短期”奋斗目标,长期的“极限”目标是85%。

  (2)内燃机电气化。与电子控制、信息化等融合速度加速,包括电子水泵、电控喷油、电控增压和可调EGR等技术的进步和应用,使内燃机控制更加精细,内燃机效率得到很大的提高。

  (3)节能减排法规的不断严格。世界主要国家均已设定大幅度降低油耗和 CO2减排的法规,同时,实际道路排放检测法规(RDE)受到各国重视,我国在这方面走在前面。

  (4)不断发展的有害排放物控制技术。目前内燃机有害排放物已经达到近零的水平,主要排放物执行排放法规之初比,降低了90%左右。

  2010年以来,发展内燃机节能和降低 CO2排放成为内燃机的首要任务。图1为世界主要国家降低 CO2时间表,香港同步报码。我国乘用车目标为每年降低 CO2为5%。

  新能源汽车以新能源系统的建立为前提。在我国仍以煤电为主的情况下,大量应用电池电动车,将会带来十余种环境问题。如果发电厂位于城市或近郊,甚至会加重污染。我国新能源系统的发展上存在诸多的技术和经济的难题,制约无碳新能源系统的应用和发展,它将是一个漫长的过程。另一方面,在电池材料的生产和制造会产生相当多的环境问题。因此,新能源汽车的推广和广泛应用还需要突破诸多的社会和技术屏障。因此,在未来相当长的时间内汽车内燃机依然占有支配地位。

  20世纪90年代中期,人们曾认为传统柴油机有害排放物 NOx和碳烟存在生成极限(例如 NOx最低排放的限制约为2.5 g/(kW·h))。 但是近20年来,包括我国在内的国际内燃机界早已突破了这个极限,获得了高热效率、超低排放的巨大进步。 现有先进的燃烧技术包括:汽油压燃着火燃烧(GCI)、双燃料的反应活性控制着火燃烧(RCCI)、汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧(HPCC)、均质充量压燃着火燃烧(HCCI)、适度和较高分层的压燃燃烧过程(GDCI)等均是具有高热效率和低排放潜力的新型燃烧技术。

  据相关报道,美国ORNL实验室在多缸试验发动机上实现高达55%以上的热效率;Toyota 8NR-FTS-Turbo GDI百公里油耗为5.15 L,比日本政府效率法规要求高出10%;Mazda SKYACTIV-汽油机开发的HCCI燃烧技术,热效率达50%,实现低速大扭矩输出,对比 2008年马自达排量油耗改善率提升 35%~45%,低负荷油耗大幅度降低,因而推迟混动技术的应用,提高了成本的有效性,不但可以满足国六排放标准,而且热效率达45.5%。

  目前,增压小型化是汽车内燃机发展的一个主流技术。UMTRI报告:2025年将有50%的乘用车应用增压技术。在中国,目前新的车型基本都采用了小型增压的技术。

  近年来,先进的高增压技术发展迅速,包括电动增压技术、可变截面增压技术(VGT)、二级可调增压技术(RTST)等。 其中电动增压技术能够极大提高进气系统的响应特性,提高内燃机大负荷效率,但存在成本较高、电器设备耐热性差的难点。 可变截面增压技术(VGT)和其他可变增压技术是当今车用内燃机发展较快的技术,该增压技术能够提高低速扭矩特性,提高内燃机的功率密度,促进内燃机小型化发展。

  图2为Ford公司为2.0L自然吸气发动机设计的复合高增压系统。 该系统将电动涡轮增压器与传统废气涡轮增压相结合,电动增压器能够根据发动机工况自由调节涡轮转速,达到进气充量的精确控制,同时,复合高增压系统还能够回收内燃机负荷的一部分能量,极大提高低速扭矩和油耗,其经济性可与强混合动力相当。

  近年来,多可变控制技术发展迅速,加速了内燃机的智能化。其中发动机可控系统和参数众多,包括:增压系统(VGT叶片和废气旁通阀开度)、喷油系统(预喷、主喷、喷油定时、喷油量)、EGR系统(阀门开度和开闭时刻)、机构(气门升程、定时)等,内燃机可变智能技术包括可变增压技术,可变EGR技术、可变气门定时和升程技术,可变直喷和双喷技术,可变压缩比技术等。

  图3是天津大学苏万华院士团队在一个商用重型柴油机上开发的多参数、可变热力循环系统,柴油机配置包括可变二级增压器,可变EGR系统、可变喷油系统和可变气门定时和升程,控制参数包括:VGT叶片开度、可变气门机构、可变压缩比、可变EGR阀开度、喷油量等。智能控制器能够监控柴油机当下工况、道路情况,基于瞬变过程、动态响应特性和PM峰值等因素,按照响应的控制策略,实时控制柴油机各个子系统和参数,提高柴油机热效率,改善经济性和排放。

  汽车控制技术的进步,另一方面是提高车载的计算能力,不仅需要解决内燃机的控制和计算问题,更重要的是提高发动机和整车系统的耦合控制。具UMTRI关于21世纪动力总成的策略研究,2025年电子产品在动力总成中所占成本将增加15%,所以,智能化、电气化并不是电动车的专利,对于内燃机汽车更需要向信息化、电气化、智能化方向发展。

  改善油耗,提高内燃机有效热效率和热力过程及燃烧技术密切相关。主要的热力学参数包括压缩比、比热比、燃烧期间、燃烧时刻、壁面传热、进排气进程压力差和机械阻力。发动机工作过程中的损失包括失火损失、排气损失、冷却损失、泵吸损失、机械摩擦损失等(见图4)。增压、压缩比和余热利用能够减少失火损失和排气损失,低散热技术能够减少冷却损失,可变频泵能够减少泵吸损失,润滑技术能够减少机械摩擦损失,但是如何控制综合成本是一个需要解决的问题。当前人们已经认识到,降低损失即是提高效率。

  缸内喷水技术可以改善抗爆性,能够将汽油机扭矩提高至同排量柴油机的水平。同时,与变速箱的系统集成结合能够大幅度降低整车油耗。VW TFSI增压、火花点火缸内直喷汽油机采用喷水技术后,抗爆性获得极大改善;试验发动机的水油比达到35%,油耗降低约13%。

  提高汽油机的辛烷值是提高内燃机热效率重要技术方向。辛烷值提高到95~100,内燃机热效率可以提高5%。FEV Tomazic指出,欧洲政府和工业界达成提高汽油辛烷值的共识,最高达到RON102,有利于优化汽油机的新技术。

  (1)内燃机在未来相当长的时间内仍将是整车主要的动力源。在环境污染、全球变暖、能源危机迫切的压力下,清洁、高效、节能内燃机新技术层出不穷,我国应在制定汽车发展规划时对清洁高效内燃机技术予以充分重视,同时相应的标准体系建设和技术研发投入等方面应紧跟发展趋势。

  (2)在世界范围内,内燃机以提高能量利用率,降低碳排放为目标,新技术发展速度加快。包括:先进燃烧技术、增压技术、多系统多变量控制技术、余热回收技术、智能停缸技术、缸内喷水技术等。

  (3)我国车用内燃机技术快速发展,成绩卓越,我们期待中国内燃机工业提出和创建具有世界影响的颠覆性技术,那将是中国成为内燃机强国的标志。

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