GBN特写 | 未来30年内燃机仍将起关键作用


汽车动力将如何变化?内燃机将去哪里?

作者|韩志宇吴振国高晓杰

来源|《汽车安全与节能学报》

Banging Studio(gbngzs)的报告

编者注:

未来30年汽车动力将如何变化?内燃机将在这场革命中走向何方?这篇学术论文可能能够为我们部分澄清上述问题。

该文的结论意见如下:

首先,在过去的30年中,轻型汽油发动机技术取得了长足的进步。汽油发动机产品在动力,燃油经济性和排放控制方面有所改进。其中,功率提高了67%以上,热效率提高了8个百分点,增幅超过20%。中国的轻型车辆排放标准从1国到6国不等,有害排放减少了80%以上。

其次,内燃机在未来30年仍将发挥关键作用。至少60%的轻型车辆需要内燃机。

第三,轻型车辆动力内燃机的状况将逐渐改变。一方面,来自内燃机的单独驱动逐渐演变成内燃机和电机之间的共同驱动,并且其动作变化类似于从“独奏”变为“二重奏”。

另一方面,内燃机在整体车辆性能中的关键作用将从“核心”部件下降到“关键”部件,成为多功能产品,商业模式可能会发生变化。

第四,结合混合动力系统应用可以充分利用发动机的高效率区域。混合动力系统,尤其是增程式混合动力系统,需要较窄的内燃机运行范围。有必要开发一种混合动力专用发动机,以进一步提高其热效率,简化机构并降低成本。

第五,汽油发动机未来的热效率(特别是实际运行中的热效率)将大大提高。通过应用各种技术手段,商业产品有望达到45%的热效率。

第六,汽车燃烧天然气可以显着减少二氧化碳排放。根据该地区的不同,车辆动力将形成多种多样的“石油,电力和天然气”模式。

本文取自《汽车安全与节能学报》2019,Vol。 10,第2期,“汽车动力革命中内燃机的发展趋势”,由宁工作室授权,并略有编辑。

第一作者,韩志宇博士,是着名的汽车和发动机专家,国家专家,美国汽车工程师协会会员,全球汽车精英组织副总裁。现任同济大学汽车学院教授,江苏上淮电力股份有限公司董事长。

自20世纪末以来,汽车动力已经开始呈现出多元化的发展趋势。

汽车逐渐从内燃机车辆(ICEV)发展为混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(电池电动车辆(BEV),插电式混合动力车辆)。 (插入混合动力电动汽车)和燃料电池汽车(FCV)等发展。这些多样化的力量是电动发展的不同形式的汽车动力,几乎都需要电动机和电池。

以商用产品为例,丰田在1997年推出了普锐斯混合动力电动汽车。发布后,它受到了好评。目前,丰田已在全球销售超过1000万辆混合动力汽车。 2009年,丰田发布了第三代普锐斯。据工业和信息化部称,其燃油消耗量为4.3升/(100公里)。

纯电动汽车以特斯拉为例。 2008年,特斯拉推出了纯电动模型Roadster。 2017年,特斯拉交付了103,000辆纯电动汽车。

此外,2016年,丰田汽车推出全球首款大众商用氢燃料电池乘用车Mirai。该车可以充满氢气650公里,实现与汽油车相同的续航里程和加油效率。

与此同时,汽车公司一直致力于开发和生产更节能的燃料汽车。

马自达汽车坚持提高汽油发动机的热效率,采用高压缩比130×1778 1等措施改善燃烧,并在传统动力汽车的燃油经济性方面处于领先地位。根据工业和信息化部的数据,2015年,马自达Atenza车辆燃油消耗量为6.4升/(100公里),比2016年国家第3阶段燃油消耗限制低近18%,远远领先于其他同类产品。

上述例子清楚地显示了汽车动力多样化的技术发展趋势和商业实践,并且未来将有几种形式共存。

在20世纪末,汽车动力开始多元化并成功商业化。然而,非内燃机驱动车辆的市场份额仍然很低,未来需要很长时间才能发展。

许多机构和研究人员预测不同形式的汽车动力的未来发展。在全球范围内,根据国际能源署的最新报告,2020年和2030年全球轻型电动车(包括BEV和PHEV)的销量分别为390万和2100万,分别占全年销售总额的3%和13%。 %。换句话说,到2030年,至少87%的轻型车辆需要单个内燃机驱动。

这两张图表显示了未来美国和中国市场不同动力汽车的市场份额预测。

从第一张图可以看出,2015年在美国市场销售的纯柴油发动机占92%,预计2030年将达到80%,2050年达到60%。考虑到混合动力车仍然需要内燃机, 2030年代和2050年代,美国内燃机的轻型车辆分别为96%和90%。

第二张图是“中国节能与新能源汽车技术路线图”对未来汽车动力的预测。可以看出,在2030年,中国的纯内燃机车辆占据了约35%的市场份额,混合动力汽车占25%,而电动汽车(包括BEV和PHEV)占40%。燃料电池的累计销量为100万台。如果假设一半的电动汽车使用插电式混合动力,那么可以得出结论,2030年中国60%至80%的汽车销售需要内燃机。

上述预测表明,未来30年内燃机仍将在汽车动力中发挥关键作用。世界上至少有60%的轻型车辆仍将配备内燃机,内燃机的活力依然强劲。

然而,随着汽车电气化的发展,未来内燃机的主导地位将逐渐减弱。汽车由单个内燃机驱动,由内燃机和电动机(一个或多个)驱动。换句话说,轿厢动力从内燃机的“独奏”变为内燃机和电动机的“二重奏”。

可以推断,内燃机在整个车辆性能中的关键作用将从“核心”部件下降到“关键”部件,逐渐成为通用产品。因此,商业模式可能会发生深刻变化

汽车动力在电气化的发展中遇到以下主要问题。

首先,电池能量密度低。

该表给出了不同电池与几种典型液体燃料的能量密度的比较。可以看出,电池的能量密度与传统液体燃料的能量密度不同一到两个数量级。

这意味着与传统燃料相比,必须依靠动力电池来产生相同的能量。所需动力电池的重量远远超过燃料质量和体积,这将导致整个车辆的质量显着提高,导致能量消耗增加。

然而,为了保持较长的续航里程以解决用户里程焦虑的问题,在当前技术条件下需要大容量电池。

该图显示了“中国节能与技术路线图”中电动汽车电池系统能量密度和成本的预测。从图中可以看出,随着技术的进步,未来的电池有望进一步增加能量,同时,电池成本可以不断降低。

然而,据预测,在2030年,即使电池能量密度可以翻倍,其比能量也只有0.35千瓦时/千克,这仍然远远低于传统燃料的能量密度。

其次,业主的总成本很高。

总拥有成本包括购置成本和使用成本。使用成本包括能源使用成本,车辆维护,保险和纳税。

John W. Brennan等人。比较了中小型纯内燃机和纯电动汽车在20年使用期间所有者的总成本,如图所示。可以看出,纯电动车辆的拥有者的成本高于纯内燃机的成本,无论是小型还是中型汽车。中小型纯电动汽车的成本比纯内燃机高44%和60%。

其中,纯电动汽车的购买成本明显高于纯内燃机。对于小型车,纯电动车的使用略高于纯内燃机,而对于中型车,纯电动车的成本明显高于纯内燃机。

第三是收费很困难。

首先,由于目前不完善的充电基础设施,需要特殊的充电空间,这使得用户难以充电。即使存在公共充电桩,数量也很少,并且远离用户,并且充电成本高,这也给用户带来不便。

同时,充电桩的结构也存在成本高,使用周期长,容量增加困难等实际问题。

另外,由于当前充电和电池技术的限制,充电时间长,并且用户在缺电后不能快速获得补充,导致不愉快的使用体验。

综上所述,随着混合动力和纯电动汽车的发展,内燃机的地位逐渐发生变化,但在未来30年内,内燃机仍然在汽车中发挥着关键作用。

目前,其他电源汽车仍然存在电池能量密度低,成本高,充电困难等问题,因此对内燃机的研究不能放松。未来,内燃机需要在汽车动力转型中进一步发展并挖掘更大的潜力,特别是在如何降低燃料消耗和应用低碳燃料(如天然气,甲醇等)方面。

混合系统的应用

随着汽车动力电气化的发展,内燃机需要在未来长期与电动机共存,形成混合动力系统作为汽车的动力源。在混合动力系统中,可以使用现有的发动机资源,并且可以使用发动机的高效工作区域来避免长时间在低效率区域工作,从而增强优点并避免缺点。

该图给出了内燃机在混合动力系统中应用的两个例子。

上图显示了传统燃料汽车发动机(大排量)在混合动力系统中的应用。可以看出,传统车辆中发动机的常用工作条件是低速和低负荷区域,其中发动机的热效率低并且燃料经济性差。

在混合动力系统中使用发动机后,通过电动机的辅助将发动机的工作状态调节到中高负荷,并且通过使用其高效率区域来降低燃料消耗。

另一个选择是使用低成本的小排量发动机,这样在相同负载下,发动机就可以在更高效率的区域内工作,如右侧图所示。这可以充分利用现有的发动机资源并提高车辆的燃油经济性。

这两个示例显示了在混合系统中使用引擎的两种方案,并且方案的选择将取决于不同的设计概念。但是,传统发动机的资源不足以充分发挥混合动力系统的优势,因此有必要开发混合动力专用发动机。

扩展范围混合动力引擎

混合动力发动机的运行范围与传统发动机的运行范围有很大不同,其运行和设计特点应具有各自的特点。

2016年,帅世金等人对轻型车辆混合动力发动机进行了回顾和分析。他们指出,目前混合动力发动机主要有两条技术路线,即以日本汽车公司为主导的自然吸气和高膨胀比汽油发动机以及德国汽车公司主导的直喷增压汽油发动机。

在中国,对混合动力发动机本身的研究较少,大多数都是在传统发动机的基础上进行了重新校准和选择,而且特殊的混合动力发动机还没有有针对性地开发,因此节油的能力很强。混合动力系统无法充分发展。

由于新能源汽车补贴的减少和纯电动汽车的高成本,短期耐力以及寒冷地区的性能显着下降,具有扩展功能的混合动力系统将显示出市场竞争力,并可能成为典型的混合航线。未来。

扩展范围混合系统通常是指混合系统的串联配置,也称为扩展器。增程器发动机不用于驱动车辆,而只用于驱动发电机发电以增加纯电动行驶里程。

在电池电量不足的情况下,维持巡航所需的驱动功率通常较低。以一辆完整质量为1.6吨的3厢车为例,维持120公里/小时行驶所需的增程器功率约为30千瓦。因此,可以为范围扩展器选择具有较小位移的发动机。

此外,本田的串并联配置混合动力系统(iMMD系统)和同济大学的TJEHT系统都有双电机,它们的发电机和发动机可以与车轮完全分离,因此它们还具有扩展范围功能,也称为扩展混合系统在这里。

与传统燃料汽车相比,扩展混合动力系统的动力需求较低,并且有更多的空间来选择其运行条件(速度,负载)。

该系列发动机最重要的特点是热效率高,结构紧凑,成本低。通常通过提高压缩比和使用阿特金森循环来实现高效率工作。

为了进一步提高热效率,还使用冷却EGR,低摩擦技术和其他手段。为了简化结构并降低成本,请考虑气缸盖设计和气道注射技术,每个气缸有2个阀门。为了满足紧凑结构的需要,考虑采用三缸或双缸发动机设计。此外,由于二冲程发动机的高功率,它也可能成为一种设计选择。

提高发动机热效率

混合动力系统对发动机的热效率提出了更高的要求,因此有必要研究如何进一步提高发动机的热效率。

目前,商用高级汽油发动机的最高热效率约为37%,主要主流汽车制造商仍在努力进一步提高发动机的热效率。

2017年,丰田推出了基于新架构的“Dynamic Force Engine”引擎。混合动力版的排量为2.5升,热效率为40%,热效率为41%,是目前世界汽油发动机产量中最高的。

此外,丰田已经探索了各种提高实验室热效率的方法,并验证了汽油发动机的热效率达到45.9%以上的可能性。

这表明产品引擎预计在不久的将来可实现45%的热效率。如果实现这一目标,它将使当前汽油发动机的热效率提高24%。如果应用于整个汽车行业,将会有很大的燃料消耗前景。

在学术研究领域,研究人员还在探索将汽油发动机的热效率提高到50%的新概念。例如,日本于2014年启动了“创新燃烧技术”项目,以进一步提高发动机热效率。由日本庆应大学牵头的汽油发动机燃烧团队通过超稀薄燃烧(空气过剩率为2)等一系列技术手段将发动机的有效热效率提高到51.5%,证明了进一步改进的可能性汽油发动机的热效率。

通常,发动机燃料消耗产生的能量主要由五部分组成。有效工作,传热损失,排气损失,机械损失和燃烧损失。提高发动机的热效率,即增加有效功的输出,降低其他部分的能量比例,而不改变能量输入。

几乎所有提高热效率的技术手段都遵循上述准则。该表是我们在早期研究中总结的一些技术手段和益处,以提高汽油发动机的热效率。可以看出,各种技术手段的应用可以获得相当程度的热效率提高。由于传统型号发动机的高要求,一些技术手段的应用受到阻碍。混合动力系统为发动机提供了更大的优化空间,并且这些技术的应用可能不再受限制。

将汽油发动机的有效热效率提高到45%的主要技术手段是:

首先是长行程设计。

增加发动机冲程不仅降低了发动机的传热损失,而且增加了汽缸中的气流强度并改善了燃烧。这两个图给出了发动机冲程,气缸孔和燃烧室的面积比与气缸中的湍流强度之间的关系。随着行程增加,面比减小,这有助于减少传热损失。

同时,气缸内的湍流强度随行程的增加而增加,从而可以提高燃烧速度。混合动力发动机的最高速度较低(不超过4 000 r/min),可以突破传统长冲程设计中活塞平均速度的限制(速度可达6000 r/min),并充分利用长冲程设计的好处。

其次,高压缩比(> 13)。

人们通过提高压缩比来提高发动机热效率是一个长期目标。在实践中,为了避免由高压缩比引起的爆炸,可以使用阿特金森循环来实现高膨胀比,同时保持低有效压缩比。

另一种解决方案是采用可变压缩比技术,在不同的工况下采用不同的压缩比,避免重载下的爆轰燃烧。

第三,精益燃烧技术。

贫燃烧可以增加发动机工作过程中的工艺指标(降低传热损失)和泵气体部分负荷的损失,进而提高热效率。

第四,冷却废气再循环(EGR)。

冷却EGR可以减少部分负荷的泵气损失,而EGR可以降低燃烧温度,进而降低传热损失,并减少NOx的排放。应该注意的是,随着汽缸中EGR比例的增加,燃烧速度降低,燃烧持续时间增加,这可能导致燃烧不稳定或失火,这不利于提高热效率。

为了改善这种现象,可以通过增加汽缸中的湍流强度来提高燃烧速度。通过改进气道或燃烧器的设计,可以改善气缸内的气流,提高气缸内的湍流强度,提高燃烧速度,延长EGR的比例极限,进一步提高热量效率。

第五,减少传热损失。

该发动机采用低温燃烧,通过引入EGR,使用均质充量压缩点火(HCCI)或活塞隔热涂层来减少传热损失,从而减少传热损失。通过改进发动机热管理系统也可以降低传热损失。例如,电子恒温器用于灵活地控制冷却剂循环的打开,并且发动机保持在合适的水温以减少热量损失。

六是提高机械效率。

使用轻质材料,低摩擦材料和技术,以及高效配件(电子配件),以减少机械损失。

第七,燃料和发动机联合优化。

通过燃料和发动机的联合匹配和优化,选择更适合发动机的燃料,充分利用燃料特性,提高发动机的热效率。适当的燃料物理化学特性可加速燃烧,抑制爆震,延长火灾限制,提高热效率,并有助于减少有害排放。

推动低碳燃料的应用

低碳燃料是一类燃料,在分子结构中含有较低比例的碳氢化合物,包括天然气,甲醇和乙醇。在发动机中使用低碳燃料可以化学地减少燃烧后产生的CO 2量。

天然气燃料储量丰富,成本低,储运方便,是一种很有前景的发动机替代燃料。天然气的主要成分是甲烷,它具有最低的烃与烃比。燃烧天然气来自发动机的最大好处是其二氧化碳排放量低。

中国于2017年首次开发并批量生产了第一台高性能单燃气发动机驱动的多用途商用车。其新的欧洲驾驶循环(NEDC)二氧化碳排放量为131.4克/公里,比原装汽油发动机减少了27.4公里。 %,非常接近2020年中国第四阶段燃料消耗限制转换CO2限值126.1克/公里。

该发动机的排量为1.5L,压缩比为12,最大热效率为37%。它采用等效燃烧技术路线加三元催化转化器。天然气供应是多点注入高压空气通道。

在国外,德国的奥迪汽车公司于2017年发布了A4 Avant天然气汽车,二氧化碳排放量为95克/公里,达到了欧盟2020年的限额。该发动机的排量为2.0L,压缩比为12.6,额定功率为125kW,最大扭矩为270Nm,最大热效率为40%,天然气寿命为500km。

该发动机基于最新的EA888发动机开发,增加了天然气高压多点喷射系统,采用高强度合金活塞确保最大爆炸压力为13.5 MPa,阀座采用耐磨材料,并减少了进气阀座的角度。

从以上两个天然气车辆的例子可以看出,与汽油发动机相比,天然气发动机显着减少了CO 2排放。因此,大规模应用天然气汽车可以显着减少中国交通运输部门的二氧化碳排放量。

除了减少二氧化碳排放的优势外,天然气汽车的其他优点还包括清洁燃烧,无颗粒物排放,价格低廉和运营成本低。

中国幅员辽阔,东西方能源资源差异很大。应根据地区和资源使用不同的能源。例如,在充电设施较好且车主距离汽车不远的大城市,可以积极推广电动汽车以减少城市空气污染;天然气汽车可以在富裕地区推广;节能燃料汽车用于长途运输。

(文中的一些图片来自网络)

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