天津大学苏万华院士：车用内燃机技术的发展趋势

第19届亚太汽车工程年会&2017中国汽车工程学会年会暨展览会（APAC 19 & 2017 SAECCE）于10月24-26日举办,本次论坛以“未来汽车与交通变革”为主题，携手行业领导、学会领导、院士、汽车及相关行业权威专家在内逾3000余位国内外业界嘉宾共同探讨汽车产业车厂与零部件协同创新和技术发展路径。以下是天津大学苏万华院士在会议上的演讲实录：

天津大学苏万华院士

苏万华：各位专家：下午好！我来做这个报告题目是“车用内燃机技术的发展趋势”，我分五个问题来讲，第一个问题是未来在相当长的时间内汽车内燃机依然占有支配地位，这是我的一个基本观点。我认为新能源汽车大量发展还需要突破诸多社会和技术的屏障，新能源汽车它的发展应当以新能源系统的发展和应用来作为前提。现在新能源的话，因为上午李骏院士的那个报告也从碳排放的角度论述了这个问题，实际上低碳排放还不能完全看作是新能源，新能源应该主要指太阳能、风能和再生物质的能源。这些能源应该可以成为新的能源，这些新的能源目前还没有一个发展的时间点，明确的在什么时间可以占有一个支配的地位。新能源车特别是电池的材料和制造，在制造过程中也会引起相当多的环境问题。而另一方面内燃机技术，特别是碳排放和污染物的排放方面也显示了巨大的潜力。

内燃机有很多优点，比如说能量密度高，现在乘用车的升功率在实验室里面可以达到150Kw/L，内燃机的热效率最高，汽油机可以达到45%，这个还不是最高的汽油技术，它和最新的超超临界就是发电系统，目前的火力发电效率最高的两种方式，一种是超超临界发电一个是IGCC热点联产的发电，它的效率相当，可以达到46%左右，柴油机的热效率接近50%，这是目前很快就达到的。

内燃机可以使用灵活的燃料，包括化石燃料、天然气、生物质燃料、乙醇燃料等等。内燃机有很大的一个保有量，现在机动车已经突破3亿量，乘用车也是达到了2亿量。内燃机的加工技术成熟，维修使用方便，我国产品的品牌汽车所占有率目前在国内很多种系列汽车里面是名列前茅的。

汽车仍然具有很大的发展潜力，现在国际内燃机研发的重心在提高热效率，有效热效率60%是国际内燃机界在奋斗的目标，这是一个奋斗的目标。内容的电气化，就是内燃机采用和电的结合，和电动的结合发展也很迅速，包括水泵、汽油泵的推动，蒸压汽电动的增压等等这方面的技术发展很快。世界各主要国家均设定了大幅度的降低油耗和二氧化碳排放的法规，这个是内燃机技术现在发展的一个很重要的动力。目前有害排放物已经达到近零的水平，前十年是超低排放，超超低排放，现在比那个超超低排放还要低很多，它的主要排放物降低了90%左右。完善燃油车的排放物检测方法，包括实际道路排放检测法规R&DE正在准备实施，这对于降低有害排放物非常有利。

这是我国和其他世界各国关于二氧化碳排放发改委制订的这样一个规划，我们从2015年的170克左右降到了不到115克的状态，每年相当于要减少排放，二氧化碳排放会达到5%。

第二个问题，汽车工业是最具有创新力的行业，这个不仅在中国，全世界我们看一些统计的数据，波士顿咨询公司研究发现，全世界最具创新力的TOP20公司汽车公司占了一个很大的比重，而且在TOP20的汽车公司制造业里面企业占主体，所以现在企业是技术创新的一个主体。汽车制造业创新它的动力是什么呢？按照原文翻译，就是通过提高动力总成的效率来提高传统汽车的燃油消耗；第二个是开发整车系统的潜力和电子模块；第三个是开发更轻的车身；第四开发快速增长的用户需求；   目前的用户需求是要求舒适性为主，最近的SUV车比经济型车增长快很多。

汽车加工和贸易联盟里面他们统计，汽车生产商每天花费的R&D经费已经超过1000亿美元，美国是180亿，中国在这方面的总投入也不容小觑。在这1000多亿的美元要和航天、国防的R&D开支相比，国防和航天的R&D开支是255亿，所以汽车的投入和R&D投入比航天是他们的4倍，所以可见大家对于汽车的开发重视的程度和投入的程度。TOP20的这些企业他们在投入的过程当中有十分重要的特点也值得我们考虑，就是它非常关注和提升零部件供应商的合作关系，会和零部件供应商分享60%—70%的利润，这样提高供应商的积极性。我们也知道很多对于技术的掌握和技术的提升是在供应商来完成的，包括燃油系统、增压系统等等。如果没有一二级供应商解决他们的可靠性问题，实际上也很难应用，所以这种合作关系也值得我们参考。

第三个问题是车用发动机的技术进展和趋势。第一个趋势就是新一代先进的燃烧技术的层出不穷，有很多燃烧技术，包括汽油的压燃，双燃料的反应活性控制或者燃料不同的混合方式的反应的活性控制，HCCI燃烧，还有就是汽油机的直喷压燃等等，反映出很高的对热效率的推进作用。

第二个特点就是多可变控制技术现在发展非常快，无论是在汽油机还有柴油机，加速了内燃机的智能化，所以传统意义的内燃机不知道他们讲的是什么，但是内燃机实际上始终是在沿着这种可变、可控、智能方面的发展，而且最近十来年发展速度很快，这里包括可变增压技术，可变气门定时和升程技术，可变直喷或者双喷技术，可变压缩技术等等。

第三个就是增压小型化Dowsizing，这个现在看起来是汽车内燃机发展的一个主流技术。密西根大学交通研究所他们发现，按照北美统计到2025年50%的乘用车将应用增压技术，在中国很可能比这个进步要快，目前新的车型基本都采用了小型增压的技术。乘用车市场里面3缸和4缸汽油机将占66%，3缸技术加上48V的混动技术会节省成本的有效性，过去有人估计过汽车在满足各个国家的排放法规和油耗的前提下，在3缸机的情况下进一步进行混动有可能是最好的。现在限制混动技术很重要的一个因素就是成本因素，3缸机开发出来加上48V便宜的技术将会有很大的发展前景。但是现在比较清楚，普思瑞的混合动力那个方案大家放弃了，当然轻型卡车4缸和6缸的汽油机将超纲75%，美国在重载车上开始用汽油加上增程式的混合动力，非常有前景。美国的燃油规范里面也推进柴油机，但是由于柴油的碳排放比较高，所以碳排放的降低的水平会打一定的折扣。

第四个方面，就是在减少各方面的损失，我们认为减少损失就是在提高效率，因为这里面的损失可以包括排气损失、冷却损失、泵器损失、润滑损失等等，针对这些损失，所采用的增压、压缩比余热利用，低散技术现在发展非常好，包括对国3的油冷却也有很多新的技术出现。关于泵的损失，我们现在用可变频泵，就是便携化的技术，这个实际上是一个相当简单的问题，不是很难的技术，主要是成本问题。像润滑技术这方面的研究工作非常丰富。

第五个就是汽车控制技术的进步，目前根据我说的这个控制专家Chris的观点比较同意，主要是提高车载的计算能力，如果提高1000倍可以解决发动机的效率，这个车载计算能力不仅仅是解决内燃机的控制问题和计算问题，主要是系统，系统的Connectivity Revolusion这个角度。另外就是要多变量实时控制，这方面我们国内做了很多的工作。

2025年电子产品在动力总成占的成本将增加15%，所以实际上智能化、电气化并不是电动车的专利，对于内燃机汽车实际上我们也是在要积极的向信息化、电气化、智能化方向发展，而且实际上已经获得了相当成功的效果。

4、典型的高效、节能、清洁车用内燃机的新技术。

第一个叫HyBoost技术，基于一个小型强化的汽油发动机，这里面利用可以回收刹车能量，也可以利用一个电子的负荷来回收尾气的能量，这两个能量回收起来以后可以用来拖动一个电子的增压器，当然还可以提供给车上的其他的用电用途。这个系统实际上非常简单，它可以和原来传统的强混的技术可以达到同样的效果，成本大大降低。但是即使是这样一个48V技术，有关开发的企业自己讲，实际上在2020年以前也不会大规模的应用，最主要是因为成本因素，而不是由于技术的因素，所以不考虑成本这是不现实的。我们在满足排放法规和油耗法规的前提下作为汽车企业首先要降低成本，这也是用户的需求。

新技术报道，美国ORNL实验室，某些多缸实验发动机热效率已经提高到55%以上。丰田这个已经是一个上市的ENR—FTS这个机型，涡轮增压，最高的热效率不是很高，但是这个发动机它可以达到百公里5.15L的油耗，这个油耗就是美国2025年的值。这个技术可以想像，一个是燃烧过程，在燃烧过程做的很多工作，提高了燃油经济性，另外一方面就是采用了很多降低损失的办法，使得低负荷的热效率提高。马自达的第三代，他讲是1919年会推出，用的是HCCI燃烧，Lamda是2.5，效率是40%，这个技术最大的特点就是实现低转数、大扭矩，变速箱可以大大简化，可以通过变速箱的变化使得油在低负荷的油耗大幅度的改进，采用混动的需求必要性就会降低，这样一来成本就降低了。当然它在这个过程当中降低损失也是他们非常重要的一个研究的内容，包括降低摩擦的损失，包括降低热损失。

这是我们开发的汽油HCCI高热效率工作，这个工作大家可以看到也是很有意思，整个热效率会在51%左右，在整个的工作过程里面，从低负荷到高负荷这个热效率做的很高，可以做到接近51%。在这一段我们没有做变气门，如果结合起来整个效率还可以提高。整个采用我们采用增压技术、气口喷射技术、可变气门技术、可变增压技术，可变气门技术主要解决低符合这一段实现HCCI。

这个是我们关于采用多变可变技术，对发动机进行控制的技术。我们这里面是为国内的开发的一个O6柴油机，我们配置了可变的两级增压器，开发了延时系统，开发了可控系统，开发了功能很强大的智能控制系统，实现了整个发动机的可变压速率。这个情况下这个热效率可以有很大提高，另外就是控制对于道路的适应性，对于工况的适应性非常强。比如一个工况的控制，既可以通过VGT增压器的控制，通过可变压比的控制，通过油量变化的控制。所以我们这样一个O6的过程，几个学生不到一个月就完成，可见多变量的这样一个系统具有很大的优越性。

这个也是我们搞的，我们在清洁计划行动，采用的停缸技术，我们当时可以用停缸技术可以停1—5缸，这样发动机使得它的工作缸就可以在一个比较高热效率的条件下，这个当时按天然气来说可以减少天然气使用达到45%，百公里的气耗，效果明显，我们在国内和很多企业联系过，但是目前没有用，在博世和宝马最近他们高端的汽车上采用了这种停缸技术。

最近报道的就是喷水技术，这个也是非常有意思的技术，这个技术也有很多难度，最大的好处就是具有抗爆性，具有柴油机的扭矩，使汽油机的转矩达到和柴油机相同的水平。使得低转速的扭矩提高，和变速箱的系统集成结合起来可以打大降低整体的油耗。博世系统他们在实验室进行了工作，他们的油水比达到35%，BMEP可以达到20bar，降低油耗是13%，这个技术非常有前景，这个技术如何来使用水的喷射不带来负面的作用，这是大家需要研究的问题。

目前提高汽油机辛烷值也是一个很重要的有可能成为一个趋势，主要是因为美国，美国认为欧洲的做法是对的，所以他们也在力图提高辛烷值，可以提高热效率5%，这是很不容易的。在我们实验室里面，我们搞了一个分子重振的技术也是在提高燃料的辛烷值，也可以使得热效率达到52%。

余热回收，这个很有前景，主要是成本的问题，成本解决以后会得到3%—5%的效果。内燃机也非常重视储能技术，通过提高电池的和超级电容它们的使用，我们可以用负荷或者是刹车回收来提高效果。另外就是电增压器目前主要是成本问题，这些如果成本问题解决以后，用量大了以后也会取得很好的效果。

结论，第一个，内燃机节能减排任重道远，是能源和环境安全的主战场之一，意义重大。加快车用内燃机技术的发展是国家能源和环境的大事。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，新技术发展速度快，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。我国车用内燃机技术加快发展，成绩是很卓越的，我们期待颠覆性的、引领性的技术在中国出现，那个时候我们就可以说中国是一个汽车强国。我汇报到这儿，谢谢大家。

注：本文根据现场速记整理，未经嘉宾审核。